一举交出六个世

一举交出六个世界第一!建一座水电站,为啥要埋7000支温度计、上万传感器?


  
中国是世界上水能资源最丰富的国家,其中,70%的水能资源集中在西南地区——云贵川藏。基于丰富的资源,中国规划有十三大水电基地。白鹤滩水电站所属的金沙江水电基地,是其中最大的水电基地。故有“世界水电在中国,中国水电在西南,西南水电在金沙”一说。
  
  2020年10月15日,建设中的白鹤滩水电站。图|图虫创意
  【注:中国十三大水电基地分别为:澜沧江干流水电基地、金沙江水电基地、怒江水电基地、雅砻江水电基地、大渡河水电基地、乌江水电基地、长江上游水电基地、南盘江-红水河水电基地、黄河上游水电基地、黄河中游水电基地、湘西水电基地、闽浙赣水电基地、东北水电基地。】
  要了解白鹤滩水电站,先从金沙江讲起。
  
金沙江得名于江水中裹挟着黄色沙土和能淘到少量沙金。作为长江的上游河段,它起于青海四川交界处的玉树州直门达,止于四川省宜宾市东北翠屏区合江门,横穿青、藏、川、滇四省区,全长2308千米,流域面积近50万平方千米,翻越横断山脉,干流落差达3300米。
  
  
特殊的地理条件,造就了金沙江丰富的水力资源。早在上个世纪末,就有专家指出,金沙江中下游的水电资源相当于年产0.15Gt的煤矿。“滚滚长江向东流,流的全是煤和油”,主要指的就是金沙江的水电资源。目前,金沙江干支流水能资源理论蕴藏量为1.21亿千瓦,占长江流域水能资源理论蕴藏量的42.25%。
  【注:Tg、Pg、Gt均为碳储量的单位,其中g为“克”,t为“吨”。1Tg=10^12g,1Pg=10^15g,1Gt=10^9t。】
  自20世纪50年代初,长江水利委员会、成都勘测设计研究院、昆明勘测设计研究院以及中国科学院等单位陆续展开了针对金沙江干流开发的大量勘测、规划和设计等工作,并提出了《金沙江复勘报告》(1957)《长江流域综合利用规划要点报告》(1959)《金沙江流域规划意见书》(1960)等研究报告。
  此后,有关金沙江开发利用的研究一直在持续。直到1990年,长江水利委员会推出《长江流域综合利用规划简要报告》,该简要报告以1960年编制的《金沙江流域规划意见书》中的梯级开发代表方案(8级开发)为基础,结合成都和昆明等勘测设计院所做规划,提出选择虎跳峡、洪门里、梓里、皮厂、观音岩、乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝9个坝址,组成本河段的梯级开发方案。
  当年6月,简要报告由全国水资源与水土保持工作领导小组主持审查通过,并由国务院批准实施。
  
随着新千年的到来,我国的“西部大开发”战略和“西电东送”工程拉开大幕,西部水电集中开发建设也全面步入流域梯级开发的新阶段。金沙江的梯级开发规划也有了新的进展。
  2003年10月,长江水利委员会编制的《金沙江干流综合规划报告》显示,金沙江水电开发将由19个梯级组成。到2017年,金沙江全流域开发的梯级已经增加到27级,包括上游(云南石鼓以上)13级、中游(石鼓至四川攀枝花)10级,以及下游(攀枝花至宜宾)4级,总装机量会超过8000万千瓦,规模约为四座三峡工程。
  
  金沙江全流域共计划开发27级水电站。图源:王灿|澎湃新闻
  一般情况下,河流全流域梯级开发的次序是“先上游后下游”,这样上游开发之后,开发下游时无需截流。但在我国,有时先上游,有时先下游。
  中国水力发电工程学会副秘书长张博庭表示,这主要是基于距离用电负荷中心的远近和方便建设的考虑。
离负荷中心近的项目输电线路更短,建完之后输电线路和施工道路可以继续沿用,经济性更高。
  2002年2月26日,下游的第3级溪洛渡电站开出了“金沙江开发第一标”,标志着金沙江水电开发建设正式展开。期间,部分中游水电站已经建成投产运营——2012年8月金安桥水电站的机组全部投运,2014年龙开口水电站和鲁地拉水电站先后投运。
  直到2016年4月,金沙江上游河段才开启首座水电站的建设——第10级苏洼龙水电站。
  白鹤滩水电站是下游4级中的第2级。
  
大国重器
  自1991年开始,华东勘测设计研究院就承担白鹤滩水电站前期工作,2000年启动预可行性研究。2006年5月,国家发改委通过了白鹤滩水电站预可行性研究报告。2010年10月,国家发展改革委同意白鹤滩水电站开展前期工作,白鹤滩水电站自此开始筹建。
  2017年7月31日,白鹤滩水电站正式通过国家发改委核准。8月3日,工地举行建设动员大会,标志着全面开工建设,白鹤滩水电站成为当时世界在建规模最大的水电工程,标志着我国乃至世界的水电建设进入新的纪元。
  白鹤滩水电站面对的是极其复杂的地质地形条件,其坝址区地震基本烈度为8度,峡谷地形不对称,岩性复杂,岩质“硬、脆、碎”。在这些挑战下,白鹤滩水电站交出的是六项世界第一的成绩单。
  
1.水轮发电机单机容量为100万千瓦,世界第一。
  三峡工程总装机量为2250万千瓦,位居世界第一,但单机容量只有70万千瓦,金沙江下游的溪洛渡和向家坝水电站的单机容量分别是77万千瓦和80万千瓦,6月16日刚刚投入运行的乌东德水电站则实现了85万千瓦。
  当年,在研讨白鹤滩水电站机组单机容量的时候,为了稳妥起见,有的专家提出采用2台100万千瓦机组,其余机组采用80万千瓦的方案。但最终,白鹤滩左右两岸各安装了8台100万千瓦的水轮发电机组,这也是我国自主设计制造的完全国产化的百万千瓦机组。
  
白鹤滩的总装机量达到1600万千瓦,位居世界第二。
  这背后离不开转轮的研制成功,转轮是水轮发电机组的“引擎力”,也是检测机组稳定、平衡的关键一步。此前,工程师接受记者采访时,将一枚硬币放在白鹤滩发电机组上,硬币在每分钟111圈的转动速度下,纹丝不动。
  
  2021年4月25日,工人在白鹤滩水电站的地下厂房安装设备。图|IC photo
  从85万千瓦到100万千瓦,不仅仅是单机容量在提升,而是所有性能指标全部需要提升。有需求就有动力,百万千瓦发电机安装的背后,是我国整个水电装备制造产业技术水平的全面提升,同时也填补了世界水电的技术空白。
  值得关注的是,在金沙江前期的项目中,虽然承建方都是国企,但中标方中仍有外企的身影,到了白鹤滩水电站,首次彻底实现了全国产化。
  
2.全坝使用低热水泥混凝土,世界首次。
  “拱坝裂缝”是水利工程的致命问题。为了从源头上解决温度裂缝问题,三峡工程应用了中热水泥,美国胡佛大坝则使用了低热水泥,不过占比只有40%左右。白鹤滩坝顶弧长709米,拱坝厚度63米,扩大基础厚度93米,坝高289米,全面采用我国自主研制的新型低热水泥——低温硅酸盐水泥混凝土,总量达800多万立方米,保证大坝基本上不产生宏观裂缝。
  不仅如此,通过多年施工实践,大坝建造者还形成了与低热水泥混凝土相适应的温控防裂策略和配套的施工工艺。比如,
通过埋设的近7000支温度计,实时监控和分析大坝混凝土温度,自动、动态调整通水量。
  2019年4月1日,一条长约25.7米的常态混凝土芯样,穿过52个浇筑坯层,从白鹤滩大坝体内取出,甚至带出了最底部的基岩。这条世界最长的常态混凝土芯样,表面光滑密实,内部骨料均匀、气泡少,坯层间无明显分界线,与大坝基岩结合紧密,表明白鹤滩大坝堪称无缝大坝。
  
  2021年5月13日,工人在对白鹤滩水电站大坝进行养护。图|新华社
  
3.地下洞室群规模,世界第一。
  白鹤滩水电站地下工程规模巨大,各类洞室总长度达217千米,相当于北京到天津距离的1.7倍。洞室开挖量达2500万立方米,其中地下厂房长438米,岩梁以上宽34米,岩梁以下宽31米,高88.7米。
  
4.圆筒式尾水调压室规模,世界第一。
  白鹤滩水电站共布置8座尾水调压室,位于电站两岸山体之下400-600米深处,历时5年建成,在改善电站机组运行条件和提高机组调节品质方面发挥重要作用。
  调压室单体最大开挖直径48米,高度达128米(相当于40层楼的高度),总开挖量150万立方米,单个调压室规模与调压室群规模均为国内外水电工程之最。
  
5.无压泄洪洞群规模,世界第一。
  泄洪洞是水电工程中承担泄洪任务的建筑物,白鹤滩水电站布置了三条无压泄洪洞,是目前世界最大的无压泄洪洞群。单条泄洪洞长度2.1~2.3千米,断面尺寸宽15米、高18米,最大泄洪量为每秒1.225万立方米,这个速度18分钟就能灌满整个西湖,流速达到每秒47米,在泄洪设施建造史上名列前茅。
  
6.300米级高拱坝抗震参数,世界第一。
  除了六个第一,白鹤滩水电站拱坝承受的总水推力达1650万吨,仅次于云南小湾水电站的1800万吨,居世界第二:拱坝高289米,居世界第三;枢纽泄洪功率居世界第三。
  白鹤滩水电站还实现了“智能建造”。白鹤滩工程建设部副主任陈文夫表示,“大坝埋设了成千上万的传感器,全过程生产æ–

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