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勇攀“水電珠峰”——中國電建白鶴灘水電站建設之旅

發布日期:2021-06-29 信息來源:新聞中心 水電四局 作者:倪元景 黃小云 字號:[ ]

6月28日,在建規模全球第一、單機容量世界第一、裝機規模全球第二大水電站——白鶴灘水電站首批機組正式發電,電流經過四川電網主網,通過特高壓,將被順利傳送到江蘇和浙江。作為電站建設的主力軍,中國電建再次創下新紀錄,成功攀上了世界水電的珠穆朗瑪峰,將“無人區”變成了“新高地”。

白鶴灘水電站創造了6項世界第一:單機容量100萬千瓦機組世界第一,水電站地下洞室群規模世界第一,圓筒式尾水調壓室規模世界第一,300米級高拱壩抗震參數世界第一,無壓泄洪洞群規模世界第一,首次全壩使用低熱水泥混凝土。

設計:匠心獨運,勇攀水電建設新高峰

白鶴灘水電站位于云南省巧家縣和四川省寧南縣交界處的金沙江干流之上,由中國三峽集團投資建設和管理,中國電建全過程勘測設計并承擔80%以上的施工任務。作為世界在建規模最大、綜合技術難度最高的巨型水電站,白鶴灘水電站總裝機容量1600萬千瓦位居全球第二,單機容量100萬千瓦位居世界第一,年均發電量624億千瓦時,每年可節約標準煤1968萬噸,減排二氧化碳5160萬噸,對我國實現“碳達峰、碳中和”目標具有重要意義,是三峽工程之后中國水電的新“國家名片”。

從上世紀九十年代開始,中國電建所屬華東院負責白鶴灘水電站的勘測設計工作,開展了大量的水文、水能和地質勘測等基礎工作。為了確保白鶴灘工程工作的順利開展,華東院完成地質鉆探20萬米和洞探5.5萬余米,為白鶴灘工程的順利建設奠定了重要基礎。

為實現白鶴灘工程“水平一流、技術創新”的技術目標,華東院聘請中國科學院、工程院等多位院士、專家組成了中國水電行業的“全明星陣容”,為白鶴灘水電站研究保駕護航,僅是咨詢審查會就召開了300余次。

華東院利用世界先進的三維模型動態展示,探索世界水電工程“難題庫”,攻克了一系列世界級關鍵技術難題:引領復雜地形地質條件下不對稱超高拱壩設計;破解強震區超高拱壩、超高邊坡抗震難題;首次300米高壩全壩采用低熱水泥混凝土和灰巖骨料;世界最大規模地下洞室群設計;精巧的體型優選成就世界最大規模尾水調壓室;完善的防滲體系確保復雜水文地質條件下壩基和洞室群的安全;創新研究和應用百萬千瓦級水輪發電機組。

為了提升拱壩對地形不對稱性的適應能力,電建設計單位采用了橢圓線型雙曲拱壩,可調整的參數更多,能夠適應更為復雜的工況,通過左岸壩頂澆筑混凝土墊座、在河床部位利用完整性較好的角礫熔巖作為拱壩建基面、在柱狀節理玄武巖出露部位澆筑混凝土擴大基礎等一系列措施,改善了地形地質條件帶來的不利影響。

為了應對泄洪流量大、水頭高,河谷狹窄、岸坡陡峭的現實,設計團隊確定了“分散泄洪、分區消能、加強防護”的布置原則,采用壩身孔口和岸邊泄洪洞聯合泄洪的方式,通過對壩身最大泄量的深入研究,確定壩身與岸邊泄洪洞之間的泄量分配比例。

大壩:創新工程和智能工程

大壩是水電站樞紐工程的核心建筑物,承擔著擋水與泄洪的重要任務。白鶴灘大壩為混凝土雙曲拱壩,最大壩高289米,共計31個壩段,澆筑混凝土約803萬立方米,“體積”超過3個胡夫金字塔,創下了拱壩設計多項世界紀錄:300米級高拱壩抗震參數,居世界第一;在300米級高拱壩全壩使用低熱水泥混凝土;大壩承受總水推力達1650萬噸,居世界第二;樞紐最大泄洪功率達90000兆瓦,居世界第三。

業內都說“無壩不裂”,但在白鶴灘水電站,大壩上沒有一條裂縫,“這是壩工建設的奇跡!” 經驗豐富的電建工程師不僅嘗試了一種新型混凝土,還發明了一套智能溫控系統,用來解決“無壩不裂”的世界難題。即使在外界35度以上的夏季,也可以將混凝土最高溫度控制在27度以內。

在白鶴灘大壩體內,埋設了5774支溫度計、75347米的測溫光纖、數千支監測儀器,用于感知氣溫、風速、溫度、應力、應變等信息,可以實現混凝土生產、運輸、澆筑、運行的全生命周期監控,對施工進度、質量進行可視化分析。

混凝土拌和過程中,一先給骨料吹冷風,二要加入低溫水和一定比例的冰屑;而混凝土從拌和樓出來后,就會灌入專門加裝了保溫材料的自卸式貨車,再通過纜機在幾分鐘內迅速送到大壩施工現場。施工現場共布置了7臺平移式纜機,為世界最大纜機群,負責承擔大壩混凝土、材料的“空中運輸”工作。每臺纜機額定吊重30噸,用9立方米的吊罐進行混凝土垂直運輸。

中國電建所屬成都院成立白鶴灘智能建造項目部,深入研究大壩混凝土智能仿真及混凝土壩智能監控內容。大壩的澆筑是復雜的大工程,協調不好會出現各種問題。仿真系統實現了大壩多要素、多維耦合仿真分析,模擬出混凝土的澆筑場景。

當所有的施工工序都有明確標準,并在施工過程中得以落實,大壩混凝土的澆筑質量就得以保證。大壩主體工程混凝土于2017年4月啟動澆筑,歷時1510個日夜,澆筑2251倉,年最大澆筑強度突破270萬立方米、月最大澆筑強度超過27.3萬立方米,均為同類壩型第一,年最大上升高度超過102米,多項指標創同類工程施工紀錄。

白鶴灘水電站建設節奏非常快,高峰時期,這里的建設者人數達2萬人,纜機班實行三班倒,澆筑隊一直都是兩班不間斷。施工過程中,中國電建各參建單位通過推行混凝土澆筑“一條龍”管理辦法,將混凝土生產、運輸、澆筑等各環節時間精確至秒,極大地提升了生產效率。

白鶴灘水電站沒有一條裂縫,這是壩工建設的奇跡!

廠房:比三峽還要大的“地下宮殿”

作為世界在建最大地下廠房,白鶴灘水電站擁有一個比三峽還要大的“地下宮殿”,這是16臺百萬千瓦機組的“家”。左右岸地下廠房分別長453米、高88.7米、寬34米,左岸洞室開挖總里程64公里,229條隧道千折百回。它像是“地下宮殿”,2500萬立方米的開挖總量能填滿10座胡夫金字塔,僅主廠房就能裝得下1.5艘遼寧號航空母艦;它又像是“地下迷宮”,364個地下洞室錯綜復雜地布置在峭壁之下,兩岸山體挖空率達到37%。

 “可以說地下廠房開挖的過程,就是和圍巖穩定斗智斗勇的過程。”中國電建華東院設代處黨支部書記陳建林如此形容地下廠房面臨的困難。由于層間(內)錯動帶發育、巖石硬脆易碎、高地應力和巨型洞室群聯動效應,開挖過程中圍巖易卸荷松弛、破裂、變形,圍巖穩定控制難度空前。

電建工匠開展了大量的試驗研究,通過理論創新、技術突破,多角度揭示了高地應力條件下立體交叉地下洞室群聯動效應、洞室群圍巖局部破裂機理和層間錯動帶不連續變形演化規律。團隊通過“玄武巖洞室群圍巖時空變形全過程調控”的成套技術與方法,創新抗剪結構型式,解決了巖石變形、巨型洞室群聯動效應等關鍵難題。

施工過程中,電建工匠以全過程信息化管理為目標,打造地下洞室支護預警系統,實時掌握各洞室支護情況,自動化進行支護預警,有效保證支護及時性,確保洞室圍巖穩定。同時,大力推廣了智能灌漿系統應用,安裝灌漿作業全流程監控系統,實現自動完成各類地質情況灌漿的記錄、自動調壓、自動配漿,灌漿整個過程中無需操作人員實時調控壓力,減少人為干預,隱蔽工程真正實現陽光作業。

復雜地質條件也使尾水調壓井的設計難度大大升級。重重困難,難不倒追夢人。為了盡量減小洞室跨度、提高圍巖安全性,工程師們沒有選擇傳統的長廊式調壓井,而是創新研發了主副分離式圓筒形調壓井布局,大幅提升超大流量百萬千瓦機組水力調控性能。即使這樣,白鶴灘8個尾水調壓井的最大直徑還是達到了世界第一的48米,最大高度達到了128米,宛如八大金剛坐落在山體下400至600米深處,守護著百萬千瓦水輪機組的運行安全。

安裝:引領世界,邁入“無人區”

在以往,無論是三峽水電站還是烏東德水電站,機組安裝都有一個參考數據,但白鶴灘水電站百萬千瓦機組的數據是“0”,其設計、研發、制造、安裝標準堪稱機組技術的“無人區”。16臺單機容量100萬千瓦立軸混流式水輪發電機組,是世界水輪發電機組首次邁入百萬千瓦級,也是國內首個全部采用國產化機組的巨型水電站。

面對百萬千瓦機組安裝新起點,電建人躊躇滿懷,在中國水電機組安裝史上,承建我國首座百萬千瓦級水電站劉家峽水電站之時,創下單機30萬千瓦機組安裝紀錄;建設三峽、拉西瓦水電站時,創下單機70萬千瓦機組安裝紀錄;建設向家壩水電站之時,創下單機容量80萬千瓦世界最大機組全精品安裝紀錄……

面對緊迫的工期,白鶴灘機電安裝工程項目部與建設方、制造廠商充分溝通,調整施工方案,利用安裝間狹小的空間快速展開轉子組裝施工。一時間,電站左岸地下廠房機電施工現場異常繁忙。

“在這里,每一位黨員要發揮一面旗幟的作用,每一位黨員干部決不能干半途而廢的事情。因為這里是中國水電的圓夢工程。” 白鶴灘機電安裝工程項目黨支部書記李書軍說。

——2020年8月18日,全球首臺機組完成轉子吊裝,提前計劃工期73天。

——2020年10月26日,2號機組完成轉子吊裝,提前計劃工期83天。其定子鐵心疊裝24天完成,刷新了同類大型水電機組安裝的紀錄。

——2020年12月29日,3號機組完成轉子吊裝,提前計劃工期76天。

——2021年3月26日,4號機組轉子吊裝,提前計劃工期56天。

——2021年6月17日,5號機組完成轉子吊裝,提前計劃工期25天。其56天完成定子下線創造水電新紀錄。

5月23日,白鶴灘水電站2號機組順利通過過速試驗,在安裝好的上機架蓋板上,兩枚小小的硬幣,“站”著紋絲不動。隨后,技術人員繼續增加難度,取出了厚度更小、直徑更大的手電筒玻璃鏡片測試,結果玻璃鏡片也一樣穩穩當當地立在了蓋板上面!2號機組以“零配重”、振擺不超過0.1毫米的成績被東方電機首席專家譽為“完美機組”。“白鶴灘左岸2、3號機組都實現了‘零配重’,振擺很小,超過了精品,可以說是極品。”

精品機組的背后,是操作流程的規范,也是施工工藝的創新。為打造新時代大國重器,中國電建所屬水電四局參與制定了《金沙江白鶴灘水電站1000兆瓦水輪發電機組安裝質量檢測標準》,對機組安裝全部工序形成了工作規范,具體操作中嚴格落實質量標準,嚴控施工細節,以過程精品保證結果精品,全力以赴打造“精工重器”。

白鶴灘水電站預計2022年7月可實現16臺機組全部投產發電,屆時一天的發電量就可滿足50萬人一年的生活用電。而且還可以與烏東德、溪洛渡、向家壩水電站一道崛起在金沙江下游,成為世界級清潔能源基地,為長江經濟帶、中國經濟發展提供源源不斷的綠色動力。

隨著白鶴灘水電站首批機組順利發電,中國水電人可以自豪地說,世界水利水電設計建造核心技術已經掌握在我們自己手里。我們沒有辜負習近平總書記的囑托。






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