我國水電科技創(chuàng)新與進步綜述

李菊根，雷定演，邴鳳山，焦雪梅

（1.中國水力發(fā)電工程學會，北京 100044；2.中國水電工程顧問集團公司，北京 100011）

從1910年云南石龍壩水電站開工建設伊始，中國的水電事業(yè)經歷了百余年的滄桑巨變，從無到有、從小到大、從弱到強，2004年和2005年，我國水電總裝機容量和年發(fā)電量先后躍居世界第一，水電建設的綜合技術水平邁入了世界先進行列。至2011年底，我國水電總裝機容量已達2.31億kW，建成了大中小型水電站45000余座，中國水電已邁入大電站、大機組、高電壓、自動化、信息化的新時代。

科學技術是第一生產力。新中國成立后特別是改革開放以來的我國水電科技工作，以科學技術為引領，以電力建設為主戰(zhàn)場，以國家重大工程為依托，以科技成果工程化為基點，掀起了水電建設的熱潮和高潮，走出了技術、資金和環(huán)保的約束困境，水電科技取得了全面進步。特別是舉世矚目的三峽工程開工建設，成為了改革開放以來最具影響力的30件大事之一，通過近20年的三峽工程建設，突破了五大工程領域關鍵技術，攻克了十大工程難題，創(chuàng)造了百余項工程技術世界之最，譜寫了中國乃至世界水電史上的新篇章。

1 水電壩工技術全面進步

（1）200 m級超高碾壓混凝土 （RCC）重力壩筑壩技術。從1986年在福建坑口建成的世界第1座高碾壓混凝土重力壩 （高75 m）到現(xiàn)在，我國已建成高碾壓混凝土重力壩近70座，在建30多座，其中壩高超過100 m的有20余座。龍灘水電站最大壩高216.5 m，是目前世界最大最高的RCC重力壩；四川沙牌電站大壩壩高132 m，是RCC三心重力拱壩；甘肅龍首電站RCC雙曲拱壩，壩高80 m，厚高比最小達0.17，是目前世界上最薄的RCC拱壩。

（2）200 m級超高混凝土面板堆石壩技術。我國的面板堆石壩幾乎遍布全國，涉及各種復雜地形、地質和氣候條件，因其較高的安全性、經濟性和適應性而得到廣泛應用。目前我國已建成高30 m及以上的混凝土面板堆石壩約170座，其中高150 m及以上的有近10座，在建、擬建的面板堆石壩各為40座左右。水布埡電站大壩高達233 m，為目前世界最高的混凝土面板堆石壩。目前我國的混凝土面板堆石壩在數(shù)量、大壩高度、工程規(guī)模和技術難度等均居世界前列，在設計、施工、科研、監(jiān)測和惡劣自然條件下建壩等方面積累了豐富的經驗，取得了令人矚目的成就，筑壩技術趨于成熟，且正向著技術更高、更難的方向發(fā)展。

（3）300 m級超高拱壩及100 m級超高碾壓混凝土拱壩技術。近幾十年來，我國在高拱壩的設計理論、計算方法、體形優(yōu)化、數(shù)字模擬和數(shù)字仿真技術等方面開展了大量研究探索工作，取得了一系列重大成果，其設計理論和施工技術等均居世界前列，如錦屏一級 （壩高305 m）、小灣 （壩高 295 m）、溪洛渡 （壩高285.5 m）等已建、在建拱壩，還有待建的白鶴灘等數(shù)座300 m級高拱壩水電工程的建設，把我國高拱壩建設技術推到世界壩工的巔峰。

（4）壩工基礎工程技術。隨著水電工程規(guī)模地不斷擴大和高壩、大庫、大電站的相繼出現(xiàn)，對地基處理的技術要求也越來越高，特別是水力資源富集的西南水電基地的建設，遇到世界少有的復雜和不良地質條件，對地基處理提出了一系列挑戰(zhàn)性技術難題，需要一一解決。當前在復雜特殊地質條件下，我國在壩體建基面確定技術、深層抗滑穩(wěn)定處理技術、地質缺陷處理和固結灌漿技術、壩基帷幕灌漿和壩基排水技術等方面均已取得了顯著成就，積累的技術和經驗走在了世界水電壩工基礎工程技術的前列。如已掌握深達150 m以上的防滲墻基礎處理技術，灌漿基礎處理技術的灌漿孔最大深度已超過200 m，高邊坡開挖、加固技術已達到700 m級。

（5）大壩抗震技術。我國的大壩抗震研究，始終堅持工程安全第一的原則，圍繞水電建設的中心任務，緊跟科技發(fā)展前沿，自主創(chuàng)新了大壩抗震設計理論和方法，走出了具有中國特色的工程抗震成功之路，有效解決了我國強地震區(qū)水電高壩建設遇到的一系列難題。特別是近十年來，隨著西部強震區(qū)修建的一系列高壩、大庫，促進了抗震設計和科研工作，在工程結構抗震安全經驗評價等方面，不斷取得了跨越式發(fā)展，突出表現(xiàn)在地震動輸入、結構地震響應、結構抗力、高壩抗震設計規(guī)范、工程安全評價相關技術等。2008年發(fā)生的汶川8.0級強烈地震，震區(qū)的全部水電站大壩經受住了嚴峻考驗，這是對我國過硬的大壩抗震技術的一次充分檢驗和有力證明。

（6）高壩泄流與消能工創(chuàng)新技術。在我國水電建設中，大流量、高水頭、大功率泄流、消能防沖、防空化、防空蝕等眾多工程技術難題擺在水電建設者面前，經過幾十年不斷地摸索實踐、經驗積累和自主創(chuàng)新，我國在水工建筑物樞紐布置開展消能工形式和結構的系統(tǒng)研究上取得了特色的創(chuàng)新成果，保障了水電工程的運行安全。如根據(jù)摻氣消能的機理，率先提出了使出閘孔水流產生收縮，加強水流沿壩面縱向分散和摻氣的寬尾墩技術，再如改造創(chuàng)新了底流消能工技術，均在我國水電工程上得到了廣泛應用。

（7）氧化鎂微膨脹混凝土筑壩技術。這是具有我國自主知識產權的首創(chuàng)技術，此技術用于混凝土大壩建設上，可以有效防止裂縫，簡化施工工序，加快建設速度，顯著提高工程經濟效益，被譽為國際筑壩技術重大創(chuàng)新和突破。

（8）大壩截流技術。三峽工程是代表當今世界水利水電建筑最高技術水平的創(chuàng)新工程，科技創(chuàng)新成果擁有100多項 “世界之最”，其中大江和導流明渠的兩次截流標志著我國河道截流技術已躋身世界領先地位。兩次截流，流量、落差、流速三項關鍵水力學指標與世界上單項水力學指標最高的一些截流工程相比都比較高，有效克服了大江截流中的水動力學、土力學問題，明渠截流正確處理了工程截流、導流、施工和通航問題，其綜合技術水平、困難程度和工程規(guī)模在世界截流史上均屬罕見，堪稱水電施工史上的豐碑。三峽工程大江截流設計及施工技術研究與工程實踐獲得了國家科技進步一等獎。

（9）水電站通航建筑物技術。江河水電建設促進了通航事業(yè)的發(fā)展，通航建筑物主要有船閘和升船機兩大類。目前我國已建成的船閘1000余座，升船機60余座。早期的通航設施規(guī)模和噸位較小，近年來隨著三峽工程等巨型水電工程的建設，一座座超大型的船閘和升船機相繼涌現(xiàn)。20世紀80年代建成的葛洲壩水利樞紐工程1、2、3號船閘，規(guī)模尺寸和通航能力均居當時世界一流水平；三峽工程雙線連續(xù)五級船閘，總水頭113 m，單級閘室尺寸及過船噸位均為世界最高水平，屬當今世界水頭最高、級數(shù)最多的內河船閘。20世紀80～90年代先后建成了丹江口水電站垂直+斜面升船機和巖灘水電站下水式升船機，各具特色和技術適用價值；進入21世紀，正在建設的三峽、向家壩一級全平衡齒輪齒條爬升式垂直升船機，工程規(guī)模尺寸和通航噸位及技術難度均為世界之最，為江河工程通航技術創(chuàng)造了奇跡，三峽升船機最大提升高度113 m，承船箱帶水總重11800 t，最大過船噸位為3000 t級客貨輪，單線年通航能力350萬人次；向家壩升船機最大提升高度114.2 m，金屬結構及設備工程總重量18590 t，年客運量40萬人次，年貨運量112萬t，可通過2×500 t級船隊。

2 水力發(fā)電機組設備國產化水平顯著提升

近年來，在振興民族制造業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展大環(huán)境下，我國充分發(fā)揮了國家重大工程對水電科技創(chuàng)新和重大技術裝備創(chuàng)新的帶動作用，水電設備制造業(yè)有了長足的進步，在混流式、軸流式和貫流式水電機組的設計、制造和安裝等方面已步入世界先進行列。特別是依托三峽工程的建設，創(chuàng)立了 “中國特色水電設備國產化的模式”，指導著我國水電設備制造業(yè)順利發(fā)展，走出了一條裝備國產化的成功道路。

改革開放后，隨著劉家峽、龍羊峽、巖灘、廣蓄等一批單機容量30萬kW級機組投入運行后，單機容量40萬kW的李家峽，55萬kW的二灘，40多臺單機容量70萬kW的三峽、龍灘、拉西瓦和首批3臺單機容量80萬kW的向家壩順利投產，依托白鶴灘和烏東德水電站開展科技攻關和研發(fā)的100萬kW水輪發(fā)電機組進展順利，在遵循自主創(chuàng)新的戰(zhàn)略方針下，我國大型水電機組的研發(fā)、制造能力和水平正逐步達到世界先進水平。目前，我國已建單機容量50萬kW及以上機組40多臺，在建100多臺，已建在建數(shù)量均居世界前列。

在100萬kW水輪機組的自主研發(fā)、設計和制造上，超出了現(xiàn)有的技術水平和標準，世界范圍內都沒有現(xiàn)成可借鑒的經驗，但通過三峽電站70萬kW機組引進消化吸收和技術創(chuàng)新，已經形成自有核心技術。目前我國已在100萬kW水電機組主要參數(shù)、機組結構等方面開展總體技術可行性研究，在水輪機水力設計、機組穩(wěn)定運行、機組高電壓線棒、高荷載推力軸承、發(fā)電機冷卻方式等方面開展專題研究，并已取得階段性成果，研發(fā)進入了技術、材料、工藝等方面的創(chuàng)新提高階段。百萬kW機組研制成功后，將可能首先應用于金沙江下游的兩個西電東送骨干工程——烏東德、白鶴灘巨型水電站。

我國抽水蓄能電站起步于20世紀60年代末，改革開放后的80年代末開始進入大規(guī)模建設階段。2000年全部建成投產的廣蓄一二期裝機容量共240萬kW、水頭535 m，為當時世界第一抽水蓄能電站；2008年全部建成投產的西龍池抽水蓄能電站總裝機容量120萬kW、額定水頭640 m，最高揚程超過700 m；2011年惠州抽水蓄能電站8臺機組全部投產，總裝機容量240萬kW，平均水頭532.40 m，躍升目前世界上最大的抽水蓄能電站。我國抽水蓄能電站建設已進入大容量、高水頭、高揚程的時代。國家有關部門對抽水蓄能機組國產化問題給予了高度重視，決定走 “三峽大機組國產化模式”，依托寶泉、惠州、白蓮河三座抽水蓄能電站16臺30萬kW可逆水泵水輪機組，采取統(tǒng)一招標、技貿結合、引進機組設計和制造核心技術等措施，逐步實現(xiàn)我國大型機組設備制造自主創(chuàng)新國產化。為了支持和鞏固機組核心技術，使轉受方哈爾濱電機廠有限責任公司、東方電氣集團電機有限公司能夠及時全面掌握所引進的技術，形成生產能力，國家又決定將蒲石河、深圳、呼和浩特、仙游和黑糜峰等抽水蓄能電站作為國家抽水蓄能機組設備國產化的后續(xù)依托工程項目，以確保大型抽水蓄能機組的國產化能在最短時間內發(fā)展起來，并以優(yōu)質先進的設備支援我國抽水蓄能電站建設。

3 水電建設帶動了高電壓、大電網的形成

古今中外，高等級電壓的出現(xiàn)和大電網的形成，都是伴隨著大水電站和大水電基地的建設而誕生，如巴西伊泰普水電站的建設，出現(xiàn)了±600 kV直流輸電線路及±800 kV輸變電設備；前蘇聯(lián)西伯利亞大水電站的建設，出現(xiàn)了1000 kV特高壓交流輸電線路。

新中國第一條110 kV輸電線路為由官廳水電站送電北京而建 （20世紀50年代）；第一條220 kV輸電線路為由豐滿水電站的修復工程送電沈陽而建設 （20世紀50年代中）；第一條330 kV輸電線路由劉家峽水電站輸送關中地區(qū)，形成了西北地區(qū)330 kV網架 （20世紀70年代）；第一條±500 kV直流輸電線路由葛洲壩水電站輸送上海等華東地區(qū)；依托公伯峽水電站建設了第一條750 kV（官亭-蘭州東）超高壓輸電線路，形成了西北五省區(qū)以750 kV為主網架的電網聯(lián)網；三峽水電站投產的交、直流輸電規(guī)模國內空前，直流輸出線路3000多km，三峽電站輸送上海、常州和廣州的三條±500 kV直流線路相繼投產，±500 kV直流換流站6個，直流變電項目44個，交流輸電線路900多km，建成500 kV交流線路61條，創(chuàng)造了多項世界之最，實施了150余項重大技術改造和20余項重大技術創(chuàng)新，有力地促進了全國聯(lián)網和實現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置。隨著西南部金沙江、瀾滄江、雅礱江等水電基地的推進開發(fā)，也推動了電網建設，如向家壩水電站——上海±800 kV超高壓直流、錦屏一二級水電站——蘇南±800 kV特高壓直流、溪洛渡水電站——浙江±800 kV超高壓直流等，形成了西電東送、南北互供、全國聯(lián)網的格局。為了進一步推進西部大開發(fā)和西電東送，滿足我國西部水電開發(fā)輸電需要，國家又啟動建設了1000 kV特高壓交流輸電示范工程，進一步確立了我國在特高壓輸電領域的領先優(yōu)勢，提升了我國電工裝備業(yè)的自主創(chuàng)新能力和核心競爭能力，對于建設堅強的特高壓骨干網架，促進大水電、大煤電、大核電和大型可再生能源發(fā)電基地的集約化開發(fā)，實現(xiàn)能源大范圍優(yōu)化配置，促進我國現(xiàn)代能源綜合運輸體系建設，具有十分重要的意義。

大型水電站的建設不僅帶動了高電壓、大電網的形成，更重要的是帶動了國家經濟社會的協(xié)調發(fā)展，促進了我國電機行業(yè)和電氣行業(yè)制造水平的提升和科學技術發(fā)展。

4 科學推進混合式電站發(fā)展

隨著可開發(fā)利用水力資源日趨開發(fā)飽和，人們對生態(tài)環(huán)境保護要求不斷地提高，電網中水電比例日趨下降，在常規(guī)水電站中增加可逆機組以形成混合式抽水蓄能電站將越來越顯現(xiàn)出優(yōu)勢。依托常規(guī)水電站較大的庫容，增加可逆機組后建設為大調節(jié)容量、長調節(jié)周期蓄能電站，具有建設周期短，可提高原電站綜合調節(jié)能力，有效解決部分電網擴容需求，且擴建的混合式電站一般不需增加庫容，不會引起局部環(huán)境的改變，不涉及移民問題，社會壓力較小等特點，可將其作為抽水蓄能電站發(fā)展的方向之一。

對于經濟相對發(fā)達但又缺乏水電資源的華東等地區(qū)，水電已基本開發(fā)完畢，通過在已建常規(guī)水電站特別是梯級開發(fā)的已建水電站中適當擴建可逆機組形成混合式電站，為地區(qū)電網甚至是全國電網提供調峰、調頻、調相和備用服務，更是具有重要意義。一些老舊常規(guī)水電機組電站通過增容擴機技術增加抽水蓄能機組后，其經濟社會效益也均大大提升，如河北崗南、河北潘家口、安徽響洪甸、西藏羊卓雍湖、吉林白山、湖北天堂、安徽佛磨等混合式電站。

總的來說，混合式電站對進一步優(yōu)化水資源利用，節(jié)省土建工程量及運行管理成本，尤其是對提高電網經濟安全運行具有重大意義。

5 龐大的水電科研實力和豐碩的研究成果

人才，是水電建設事業(yè)跨越式發(fā)展的第一資源。我國水電建設的人才，已有較完善的培養(yǎng)體系和良好的成長環(huán)境，通過有計劃的培養(yǎng)，經歷大量工程鍛煉，已形成龐大的、高水平的從事水力發(fā)電科學技術事業(yè)的隊伍。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前有涉及水電領域的中國科學院和中國工程院院士48人；清華大學、浙江大學、武漢大學、天津大學、四川大學、大連理工大學、河海大學等20余家高等學府和中國水利水電科學研究院、南京水利科學研究院、國網電力科學研究院、長江科學研究院、黃河水利科學研究院、哈爾濱大電機研究所等一批科研院所設有涉及水電的專業(yè)，擁有研究人員7000余人 （其中高級研究人員5000余人）；從事勘測設計的人員，目前水電系統(tǒng)9個央企單位有1萬余人，水利系統(tǒng)7個流域設計單位8000余人，加上省級水利水電設計單位總計全國超過2.5萬人；全國水利水電施工人員20多萬人，其中專業(yè)技術人員近3萬人 （高級職稱約5000人）；還有哈爾濱電機廠有限責任公司、東方電氣集團電機有限公司等制造企業(yè)和約500個大中型水電廠的上萬名技術人員。

目前全國已建成與水電科學研究有關的國家級重點實驗室和研究中心15個，分別為:水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心、國家大壩安全工程技術研究中心、水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室、水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室、水資源與水電工程科學國家重點實驗室、水利工程仿真與安全國家重點實驗室、國家水力發(fā)電設備工程技術研究中心、水力發(fā)電設備國家重點實驗室、流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室、水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室、國家能源水能高效利用與大壩安全技術研發(fā)中心、國家能源水電工程技術研究中心、國家水能風能研究中心、國家能源中小水電設備重點實驗室、國家能源潮汐海洋能發(fā)電技術重點實驗室。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2001年～2010年，水力發(fā)電科學技術研究方面取得豐碩成果，獲國家科技進步獎二等獎6項，三等獎1項；獲省部級科技進步獎特等獎1項，一等獎20項，二等獎54項，三等獎142項 （其中:中國電力科技進步獎一等獎10項，二等獎40項，三等獎114項；水力發(fā)電科學技術獎一等獎5項，二等獎8項，三等獎24項）。此外，許多水電工程還獲得全國性的優(yōu)秀工程勘察、工程項目獎和魯班獎、詹天佑獎等。

中國大壩在2007年～2011年獲國際里程碑工程稱號的共7座，分別為:龍灘大壩 （壩高216.5 m）獲國際碾壓混凝土壩里程碑工程；水布埡大壩 （壩高233 m）獲國際面板堆石壩里程碑工程；小浪底大壩 （156 m壩高+80 m防滲帷幕）獲國際心墻堆石壩里程碑工程；三峽大壩 （壩高181 m）獲國際混凝土重力壩里程碑工程；二灘大壩 （壩高240 m）獲國際混凝土拱壩里程碑工程；瀑布溝大壩 （壩高186 m）獲國際礫石土直心墻堆石壩里程碑工程；洪家渡大壩 （壩高179.5 m）獲國際面板堆石壩里程碑工程。紫坪鋪面板堆石壩 （壩高156 m）經受住了汶川5·12八級強震的考驗，在堆石壩抗震史上具有里程碑的意義，被評為特別工程獎。

在中國水力發(fā)電取得巨大成就，擁有高水平水電科技人才的背景下，許多國際組織在中國設立培訓、學術、標準化機構，推選中國專家擔任重要職務。如在杭州設立亞太地區(qū)小水電研究培訓中心、國際小水電中心，在北京設立國際泥沙研究培訓中心、國際電工委員會 （IEC）PC118智能電網用戶側接口項目委員會和TC115高壓直流技術委員會秘書處；國際大壩委員會第77屆執(zhí)行會議選舉中國水利水電科學研究院副院長賈金生為國際大壩委員會新一屆主席 （任期從2009年至2012年），國際大壩委員會水庫泥沙專委會、水電站與水庫綜合運行管理專委會和國際土力學與巖土工程學會大壩技術委員會等專委會主席由我國專家擔任，我國先后有陸佑楣院士、潘家錚院士、朱伯芳院士和陳厚群院士4位專家獲得國際大壩委員會榮譽獎。

6 結語

進入21世紀以來，國際經濟科技發(fā)展環(huán)境發(fā)生了深刻變化，國家間的競爭越來越體現(xiàn)為科技實力和綜合國力的競爭。只有把科技擺在國家發(fā)展的戰(zhàn)略地位上，才能把握國家發(fā)展的命運；只有掌握先進科技并及時轉化為現(xiàn)實生產力，才能在國際競爭中贏得主動；只有把經濟社會發(fā)展切實轉入依靠科學技術和創(chuàng)新的軌道上，才能形成可持續(xù)發(fā)展的內在動力。水能資源是目前我國唯一可大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的常規(guī)能源，是我國優(yōu)化調整能源結構和促進電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的支柱能源，水電行業(yè)的科技體制改革在歷次改革中都走在了經濟體制改革的前列。根據(jù)中長期發(fā)展規(guī)劃，到2020年我國水電裝機容量將達到4億kW左右，其中常規(guī)水電3.5億kW左右，抽水蓄能裝機5000萬kW左右，水電開發(fā)前程似錦，任重道遠。相信，通過廣大水電科技工作者的奮勇拼搏，開拓進取，我國水電科學技術自主創(chuàng)新水平一定會不斷邁上新臺階。