眾山皆小 世界驚殊——我國(guó)多項(xiàng)水電技術(shù)引領(lǐng)世界

張博庭

我國(guó)壩工建設(shè)水平和規(guī)模均居世界第一

我國(guó)水電機(jī)組制造技術(shù)已經(jīng)躋身世界前列

我國(guó)有多項(xiàng)水電建設(shè)技術(shù)引領(lǐng)世界

水電建設(shè)使高壓特高壓輸技術(shù)屢攀新高

溪洛渡大壩施工現(xiàn)場(chǎng)攝影/王連生

從1910年建設(shè)石龍壩水電站起，中國(guó)水電已經(jīng)走過百年歷程。解放以前由于連年戰(zhàn)亂，我國(guó)水電的發(fā)展幾乎處以停滯狀態(tài)。建國(guó)初期，由于受國(guó)家經(jīng)濟(jì)能力的局限，中國(guó)的水電發(fā)展也相對(duì)較慢。改革開放后，我們不斷加大水電開發(fā)的力度，建設(shè)步伐明顯加快。特別是進(jìn)入新世紀(jì)后，中國(guó)水電開始進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展的新階段。我們僅用了10年左右的時(shí)間，就實(shí)現(xiàn)了水電裝機(jī)容量比建國(guó)50年的總和將近翻了兩番的超越。

到2010年，中國(guó)水電裝機(jī)已經(jīng)突破2億kW，成為世界上最大的水力發(fā)電國(guó)。目前我國(guó)已建和在建的30m以上的大壩有5200余座，其中壩高100m以上的大壩有140多座；已投產(chǎn)5萬(wàn)kW以上的大中型水電站430余座（含蓄能21座）、30萬(wàn)kW以上的水電站100座（蓄能15座）、100萬(wàn)kW以上的水電站39座（蓄能7座），并創(chuàng)造了多項(xiàng)世界水電之最。

我國(guó)壩工建設(shè)水平和規(guī)模均居世界第一

我國(guó)的水力資源豐富，隨著大量的水電工程的實(shí)踐，我國(guó)各種壩型和復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的水工建筑物的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)不斷進(jìn)步。從全國(guó)解放初到80年代，我國(guó)的壩工建設(shè)特點(diǎn)主要是在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上土洋并舉，修建了數(shù)量眾多、型式多樣的各類大壩。除了常見的土壩外，建成了連拱壩、大頭壩、寬縫重力壩、重力拱壩、空腹重力壩、空腹拱壩等多種型式的壩型。80年代中期后，水電建設(shè)管理的新體制也極大地推動(dòng)了水電建設(shè)的發(fā)展，通過學(xué)習(xí)和引進(jìn)國(guó)外壩工新技術(shù)，開展國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)，我國(guó)研究解決了一系列復(fù)雜條件下的高壩建設(shè)技術(shù)難題。在很多領(lǐng)域內(nèi)，我國(guó)壩工建設(shè)技術(shù)已處于世界領(lǐng)先。

碾壓混凝土壩是上世紀(jì)80年代興起的筑壩新技術(shù)，我國(guó)在引進(jìn)碾壓混凝土筑壩技術(shù)的同時(shí)強(qiáng)調(diào)走自己的路，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況不斷自主創(chuàng)新。突破了在高溫多雨夏季和高海拔嚴(yán)寒低溫冬季筑壩的禁區(qū)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特色技術(shù)和國(guó)際先進(jìn)的筑壩工藝。低水泥用量、高摻粉煤灰、中膠凝材料干硬性混凝土，薄層連續(xù)碾壓，二級(jí)配碾壓混凝土防滲，變態(tài)混凝土過渡，廣泛采用誘導(dǎo)縫，不設(shè)縱縫，全倉(cāng)面或全壩面碾壓施工等很多都是我國(guó)首創(chuàng)的技術(shù)特色。2001年建成的沙牌拱壩是目前世界上最高的碾壓混凝土拱壩。2009年建成的216.5m高的龍灘大壩是世界最高碾壓混凝土重力壩。

溪洛渡大壩混凝土澆筑 攝影/王連生

堆石壩又稱是當(dāng)?shù)夭牧蠅?，筑壩材料在?dāng)?shù)鼐徒鉀Q，這樣不僅可以方便施工，而且還可以大幅度的降低造價(jià)，有利于環(huán)保。但是，由于各種天然筑壩材料的防滲性能往往難以保證，所以，用混凝土面板防滲并結(jié)合當(dāng)?shù)夭牧现蔚拿姘宥咽瘔?，就成為切?shí)可行的當(dāng)?shù)夭牧蠅巍?/p>

在面板堆石壩筑壩技術(shù)的研發(fā)上，我國(guó)提出了壩體粗料大尺度效應(yīng)、研究了壩體變形規(guī)律和破壞機(jī)理；在筑壩材料方面，拓寬了材料的使用范圍，首創(chuàng)可以在壩體一定部位使用軟巖和風(fēng)化巖石，充分利用開挖料；在防止面板裂縫技術(shù)方面，提出了大壩主堆石體與下游次堆石體的科學(xué)分區(qū)，采用了面板混凝土的改性工藝，面板混凝土摻加粉煤灰、摻加復(fù)合外加劑、采用補(bǔ)償收縮混凝土、纖維混凝土及高性能混凝土等技術(shù)。

依靠這些先進(jìn)技術(shù)，我國(guó)不僅建造了世界上最高的（233m）清江水布埡大壩，而且還建有一批各具特色的面板壩。如海拔4388m高的西藏查龍水電大壩，以及年最低氣溫-42.5℃、年冰期達(dá)5個(gè)月的高緯度高寒地區(qū)的蓮花等特殊環(huán)境下的水電大壩。

拱壩是最受歡迎的一種壩型，它通過拱形的受力特點(diǎn)把巨大的水壓力傳導(dǎo)給周圍的山體，大大提高了水壩的檔水能力，非常適合在狹窄的山谷中建造。相對(duì)于國(guó)外，我國(guó)的拱壩建設(shè)起步較晚，1958年我國(guó)才建成第一座混凝土拱壩——響洪甸壩。但從80年代以后，我國(guó)加強(qiáng)了拱壩建設(shè)技術(shù)的科學(xué)研究，多次把拱壩作為國(guó)家科技攻關(guān)研究項(xiàng)目。目前，已經(jīng)成功突破了300m級(jí)高拱壩建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著拱壩技術(shù)的研究和實(shí)踐，我國(guó)的混凝土高拱壩建設(shè)已經(jīng)出現(xiàn)了放寬對(duì)壩址地形和壩基巖體條件要求、拱壩體形多樣、厚度愈來愈薄、重視樞紐布置和泄洪消能等趨勢(shì)。目前，我國(guó)已建成世界上最高的（292m）小灣拱壩，在建中的錦屏拱壩（305m）是目前世界上最高的拱壩。

向家壩右岸大壩澆筑 攝影/ 高峰

我國(guó)水電機(jī)組制造技術(shù)已躋身世界前列

長(zhǎng)期以來，大型水電機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)制造曾是制約我國(guó)水電發(fā)展的一個(gè)主要瓶頸。解放初期，我國(guó)的機(jī)組制造工業(yè)就開始艱難起步。起初是自力更生，后來學(xué)習(xí)蘇聯(lián)，制造出最大單機(jī)容量過7.25萬(wàn)kW的水電機(jī)組（新安江）。蘇聯(lián)專家撤走后，我國(guó)哈爾濱電機(jī)廠自力更生開發(fā)制造出30萬(wàn)kW的機(jī)組（劉家峽）。

改革開放初期，我國(guó)機(jī)組的設(shè)計(jì)制造一方面立足自主研發(fā)，一方面也為進(jìn)口機(jī)組分包制造非核心部件。三峽工程開工后，國(guó)家明確提出要依托三峽工程，實(shí)行國(guó)際采購(gòu)招標(biāo)，以“技貿(mào)結(jié)合、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作生產(chǎn)”方式，引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，全面提升我國(guó)水電裝備制造整體水平。1996年三峽左岸電站采用國(guó)際招標(biāo)采購(gòu)14臺(tái)70萬(wàn)kW水輪發(fā)電機(jī)組。同時(shí)規(guī)定，外商投標(biāo)必須以向中方轉(zhuǎn)讓技術(shù)為前提條件。投標(biāo)者必須帶上中國(guó)有資格的企業(yè)參與設(shè)計(jì)、合作制造，中國(guó)制造企業(yè)分包的份額不低于合同總額的25%。且最后兩臺(tái)機(jī)組必須以中國(guó)企業(yè)為主制造。通過技術(shù)引進(jìn)，我國(guó)已具備了大機(jī)組的制造技術(shù)，2003年，當(dāng)三峽右岸電站12臺(tái)機(jī)組再次進(jìn)行國(guó)際招標(biāo)時(shí)，我國(guó)的哈電、東電與法國(guó)阿爾斯通各拿到了4臺(tái)機(jī)組的訂單。2008年三峽右岸電站12臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電，運(yùn)行結(jié)果表明我國(guó)哈電、東電制造的機(jī)組的穩(wěn)定性達(dá)到了國(guó)外同等水平。

通過三峽機(jī)組的引進(jìn)、消化、吸收加上自主創(chuàng)新，我國(guó)已經(jīng)完全具備了獨(dú)立設(shè)計(jì)制造特大機(jī)組的能力。我們用不到10年時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了30年的技術(shù)跨越。目前，制約我國(guó)大型水電機(jī)組制造的技術(shù)瓶頸已徹底打破，通過再創(chuàng)新，我國(guó)的某些技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先的水平。比如：國(guó)產(chǎn)機(jī)組已消除了長(zhǎng)期困擾水輪機(jī)特殊壓力脈動(dòng)帶現(xiàn)象，大型機(jī)組空冷技術(shù)和三峽右岸地下電站將采用的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，都達(dá)到了世界一流的水準(zhǔn)，絕緣技術(shù)也達(dá)到了世界級(jí)先進(jìn)水平。

目前，在大型機(jī)組制造的國(guó)際市場(chǎng)上，幾乎是我國(guó)一枝獨(dú)秀，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷?，F(xiàn)在，我國(guó)在建的向家壩工程，已經(jīng)安裝了世界上最大的80萬(wàn)kW的機(jī)組。同時(shí)我國(guó)也正自主研發(fā)單機(jī)容量為100萬(wàn)kW的水輪機(jī)組，不久將用在金沙江白鶴灘水電站。

向家壩工地全景 攝影/ 高峰

向家壩左岸廠房5～8尾水肘管正在緊張安裝。 攝影/ 高峰

我國(guó)已有多項(xiàng)水電建設(shè)技術(shù)引領(lǐng)世界

高水頭大流量泄洪及消能技術(shù)

我國(guó)水資源的季節(jié)性很強(qiáng)，汛期的高壩泄洪量大，消能要求高。例如，三峽超過102500m3/s，溪洛渡超過49000m3/s。我國(guó)水電工作者根據(jù)不同的壩型和泄洪規(guī)模，采用了不同的泄洪布置及其組合：重力壩主要通過壩身泄洪，以表孔為主，輔以深孔并兼作排沙等用途；拱壩通常以壩身孔口為主，輔以岸邊泄洪設(shè)施；土石壩則一般采用岸邊式溢洪道和泄洪隧洞為主。

我國(guó)有特色的泄洪消能類型主要有：窄縫消能、寬尾墩式聯(lián)合消能、摻氣分流墩消能、挑射水流平面碰撞消能、高低挑坎碰撞消能、挑流+水墊塘聯(lián)合消能、淹沒跌坎式底流消能、洞內(nèi)孔板消能以及洞內(nèi)漩流消能等。這些技術(shù)有效地解決了我國(guó)高壩運(yùn)行中的泄洪消能問題。經(jīng)過科技攻關(guān)，我國(guó)的消能技術(shù)不斷創(chuàng)新，在多種聯(lián)合消能、加大壩身泄洪、強(qiáng)化水舌空中擴(kuò)散與碰撞、分散落水點(diǎn)和減小沖擊力、建立二道壩形成水墊塘消能和隧洞內(nèi)消能等方面均有新的發(fā)展，并研究創(chuàng)新出許多新型的消能形式，有效減少了對(duì)建筑物的破壞，保障了工程的運(yùn)行安全。

高邊坡工程穩(wěn)定技術(shù)

大型水電站經(jīng)常建在深山峽谷之中，能否保障邊坡的穩(wěn)定安全是建設(shè)和運(yùn)行水電站的基本前提。因此，能否通過預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑穩(wěn)定等科技手段保持高邊坡的穩(wěn)定就是某些大型水電建設(shè)的重要制約因素。從某種意義上說，高邊坡的穩(wěn)定技術(shù)是制約某些水電項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)的重要條件之一。

在龍灘水電站，我們成功處理過左岸進(jìn)水口435m高邊坡。在小灣水電站的建設(shè)中，我們解決了左岸壩前堆積體700m高邊坡的穩(wěn)定問題。在錦屏一級(jí)水電站建設(shè)中，需要采取工程防護(hù)措施的左岸壩肩邊坡，高度達(dá)到530m。這些高邊坡工程的成功處理，不僅創(chuàng)造了多項(xiàng)世界之最，而且也是我國(guó)眾多高難度水電站成功開發(fā)建設(shè)的重要保障。

大流量深水河流截流技術(shù)

通過長(zhǎng)江、黃河等大江大河施工截流的科學(xué)研究和工程實(shí)踐，我國(guó)的截流技術(shù)已達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。衡量截流施工水平的各項(xiàng)主要指標(biāo)有截流流量、截流落差、流速、水深以及物料拋投強(qiáng)度等。

在三峽截流前，世界上曾有過4次難度較大的截流, 它們分別為巴西/巴拉圭的伊泰普截流、原蘇聯(lián)的Bratzk截流、美國(guó)的Menny截流和羅馬尼亞/南斯拉夫的鐵門截流。而我國(guó)三峽工程的前后兩次截流都突破了三項(xiàng)截流的世界最高指標(biāo)。截流流量1.03萬(wàn)m3/s，截流水深達(dá)到60m，截流落差4.11m,截流流速7.5m/s，截流拋石強(qiáng)度達(dá)到194000m3/d。

壩基覆蓋層的防滲處理技術(shù)

混凝土防滲墻作為覆蓋層地基和土石壩(圍堰)工程的防滲措施，其形式、規(guī)模和適用范圍都發(fā)展很快。1959年北京密云水庫(kù)白河主壩砂礫石地基中，自主創(chuàng)造出用鉆劈法建造深44m的槽孔型混凝土防滲墻的新方法。此后，尤其改革開放以來，我國(guó)防滲墻施工設(shè)備和方法不斷改進(jìn)，施工效率不斷提高，防滲墻施工的水平已經(jīng)跨入了世界先進(jìn)水平的行列。

在防滲墻深度方面，2008年西藏旁多水利樞紐壩基防滲試驗(yàn)創(chuàng)造了146.3m的成槽深度記錄，超過了加拿大馬尼克Ⅲ大壩的131m。2009年在四川瀘定水電站主壩防滲墻施工中又以154.8m的最大孔深，成為新的“世界最深防滲墻”。在防滲墻規(guī)模上，河北黃壁莊水庫(kù)加固工程副壩混凝土防滲墻長(zhǎng)度4860m、防滲面積27.1萬(wàn)m2，是我國(guó)工程量最大的混凝土防滲墻。在防滲施工強(qiáng)度方面，金沙江向家壩一期圍堰混凝土防滲墻，面積近5.2萬(wàn)m2，最大施工強(qiáng)度達(dá)到2.4萬(wàn)m2/月。漢江興隆水利樞紐工程圍堰防滲墻施工強(qiáng)度達(dá)到了5.36萬(wàn)m2/月。

在深層防滲施工的方法上，四川冶勒水電站壩基覆蓋層深度超過420m，壩基及岸坡混凝土防滲墻分上下兩段建造，下墻在專門開挖的隧洞中施工，最大深度達(dá)到84.85m，為國(guó)內(nèi)在隧洞中建成的最深防滲墻。在防滲墻體材料方面，我國(guó)也呈現(xiàn)出多樣化的嘗試，為與地基變形相適應(yīng)，我國(guó)推廣了塑性混凝土；出于結(jié)構(gòu)受力的需要，采用了高強(qiáng)混凝土，小浪底水利樞紐防滲墻強(qiáng)度達(dá)到35MPa；為加快施工進(jìn)度和降低造價(jià)，我國(guó)在多個(gè)工程中采用了自凝灰漿和固化灰漿防滲墻。

大型地下廠房和洞室群開挖建設(shè)技術(shù)

隨著水電建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，我國(guó)水電站大型地下廠房和地下洞室群的建設(shè)也正向高埋深、大跨度方向發(fā)展。2003年開始建設(shè)的龍灘水電站曾經(jīng)是中國(guó)最大地下廠房系統(tǒng)，洞室縱橫交錯(cuò)，錯(cuò)綜復(fù)雜，共119條洞室，洞挖量超過310萬(wàn)m3，主廠房長(zhǎng)388.5m、寬30.3m、高75.4m。

目前，溪洛渡水電站具有世界上最大的地下洞室群。地下洞室群總規(guī)模、洞室密集程度、洞挖總工程量都堪稱世界之最。溪洛渡水電站的各種洞室大約有380多條，首尾相連總長(zhǎng)約280多km。洞挖工程總量1402萬(wàn)m3，大約相當(dāng)于世界最長(zhǎng)隧道——日本青函隧道的730萬(wàn)m3與世界最大隧道——英法海峽隧道750萬(wàn)m3之和。

近臨著溪洛渡的向家壩水電站的地下廠房，再次創(chuàng)造了高度、跨度以及壓力鋼管直徑等多項(xiàng)世界之最。此外，我國(guó)錦屏二級(jí)水電站的引水隧洞，穿過上千m的高山，長(zhǎng)度達(dá)17km，堪稱是世界水電建設(shè)史上少有的奇跡。

蓄清排渾、控制泥沙淤積的電站運(yùn)行技術(shù)

上世紀(jì)50年代，我國(guó)三門峽水庫(kù)的淤積問題非常嚴(yán)重。為此，我國(guó)科研工作者研究和開創(chuàng)了“蓄清排渾”的控制泥沙淤積的水庫(kù)運(yùn)行方式，并于60年代初在個(gè)別水庫(kù)試驗(yàn)成功。在此基礎(chǔ)上，為解決三峽工程的泥沙淤積問題，我國(guó)的科研人員建立了一整套理論。并從理論上證明了“蓄清排渾”不僅可以在目標(biāo)單一、排沙有利的小水庫(kù)上實(shí)施，而且在一般的大水庫(kù)上也可以做到。

經(jīng)過三峽水庫(kù)幾年的實(shí)踐，這一理論已經(jīng)得到了證明。曾參與三峽工程建設(shè)可行性論證的加拿大CYJV評(píng)價(jià)說，平衡坡降和長(zhǎng)期保留庫(kù)容，在中國(guó)已經(jīng)是一門成熟的技術(shù)。此前，世界上還沒有哪一國(guó)家，能解決好水庫(kù)泥沙淤積的長(zhǎng)期使用問題。

水電建設(shè)使高壓特高壓輸技術(shù)屢攀新高

由于大型水電站的特點(diǎn)是發(fā)電量大，但是通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。所以，大型水電站的建設(shè)往往是推動(dòng)我國(guó)大容量、遠(yuǎn)距離、高電壓輸電技術(shù)屢攀新高的最直接動(dòng)力。從歷史上看，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，為滿足大容量、長(zhǎng)距離的輸送水電需求，我國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓等級(jí)一直在不斷提高，而且?guī)缀趺看翁岣叨寂c某個(gè)大型水電站的建設(shè)緊密相關(guān)。

解放初期的豐滿水電站，促進(jìn)了東北的電網(wǎng)建設(shè)；三門峽水電站的建設(shè)使我國(guó)建成了330kV線路；葛洲壩水電站的建設(shè)促進(jìn)了1981年建成500kV交流線路和1989年建成500kV直流線路。三峽工程促進(jìn)了2005年建成的750kV交流線路。

由于我國(guó)幅員遼闊，水能資源分布西部多、東部少。經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的西部12個(gè)省（區(qū)、市）水能資源約占全國(guó)總量的81.46%，而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、用電負(fù)荷集中的東部京、津、滬、粵等11個(gè)?。ㄊ校﹥H占4.88%。同時(shí)我國(guó)東部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，因此，非常需要水電的“西電東送”。目前我國(guó)已形成南、北、中三條“西電東送”的大通道，保障了我國(guó)“西電東送”能源戰(zhàn)略的有效實(shí)施。

我國(guó)未來水電開發(fā)主要集中在金沙江、怒江和雅魯藏布江等西部河流上。未來主要發(fā)電資源與負(fù)荷中心在地區(qū)上的不均衡性將更加突出。迫切需要解決大容量長(zhǎng)距離的水電輸送難題。為此，我國(guó)特別重視研究新興的特高壓電網(wǎng)技術(shù)，并取得了多項(xiàng)領(lǐng)先于世界的成績(jī)。2009年4月1000kV的晉東南-南陽(yáng)-荊門特高壓試驗(yàn)示范工程成功投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，±800kV云南-廣州和向家壩-上海兩條特高壓直流示范工程也已經(jīng)開工建設(shè)，標(biāo)志我國(guó)特高壓輸電技術(shù)已經(jīng)穩(wěn)居世界前列。

多年來，我國(guó)大型水電站的建設(shè)有力的推動(dòng)了大容量、遠(yuǎn)距離、高電壓輸電技術(shù)的進(jìn)步，而我國(guó)高壓電網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)步，又為我國(guó)西部水電開發(fā)提供了有力的保障。

溪洛渡建設(shè)工地夜景 攝影/王連生

結(jié)語(yǔ)

百年來，我國(guó)水電從無到有、從小到大、從弱到強(qiáng)。水電在為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)電力的同時(shí)，也在水資源綜合利用，推進(jìn)節(jié)能減排，改善大氣環(huán)境，促進(jìn)西部大開發(fā)，發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)，建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村，以及防洪、航運(yùn)、灌溉、供水、養(yǎng)殖等方面都發(fā)揮了重要作用。

今天，舉世矚目的中國(guó)水電正以其無可替代的重要地位，彰顯出歷久而彌新的動(dòng)人魅力。民生水電、綠色水電、生態(tài)水電、和諧水電，中國(guó)水電正在有力地推進(jìn)著我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。