白鶴灘的N個(gè)世界之最 白鶴灘工程觀察報(bào)告

編輯 | 謝澤 王旭輝 繪圖 | 陳國(guó)華-Mark

報(bào)告編號(hào)：BHT13-J-DB-1

觀察項(xiàng)目：白鶴灘工程觀察

報(bào)告日期：2021年6月28日

百萬(wàn)千瓦機(jī)組長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪

觀察目的：

1.了解白鶴灘工程的世界之最

2.感受白鶴灘工程的智性之美

觀察項(xiàng)目：

1.又高又壯的智能大壩

2.白鶴灘大壩，對(duì)“無(wú)壩不裂”說(shuō)“不”

3.世界上最大的“地下城”

4.超級(jí)工程的超級(jí)“心臟”

5.巨型尾水調(diào)壓室護(hù)航百萬(wàn)機(jī)組

6.白鶴灘有座全球規(guī)模最大的“鏡廳”

1.又高又壯的智能大壩

大壩是水電站樞紐工程的核心建筑物，承擔(dān)著擋水與泄洪的重要任務(wù)。白鶴灘水電站大壩采用混凝土雙曲拱壩。壩身呈現(xiàn)水平向和豎直向彎曲，水平向彎曲可以發(fā)揮拱的作用，將大壩承受的巨大水壓力傳遞給兩側(cè)山體，以山體產(chǎn)生的反作用力使壩體維持穩(wěn)定，堪稱(chēng)名副其實(shí)的“借力打力”。豎直向彎曲可實(shí)現(xiàn)變中心、變半徑以調(diào)整拱壩上下部的曲率和半徑。

白鶴灘水電站大壩最大壩高289米，位居世界第三，相當(dāng)于103層大樓的高度。水庫(kù)總庫(kù)容206.27億立方米，其給予大壩的總水推力達(dá)到1650萬(wàn)噸，位居世界第二。但如此巨型的大壩又位列國(guó)內(nèi)壩址地質(zhì)條件最為復(fù)雜的高拱壩之一，這就要求白鶴灘大壩壩體特別強(qiáng)健。壩址區(qū)地震基本烈度按50年超越概率10%地震動(dòng)參數(shù)確定為8度，抗震參數(shù)在300米級(jí)特高拱壩中居世界第一。

為了保障這么一座大體型、有擔(dān)當(dāng)、又抗造的大壩能夠順利地建造運(yùn)行，工程師們將智能建造與筑壩技術(shù)深度融合，開(kāi)創(chuàng)了高拱壩智能建造先河。埋設(shè)在大壩壩體內(nèi)上萬(wàn)支監(jiān)測(cè)儀器，感知溫度、風(fēng)速、變形等重要信息，并將信息反饋給智能建造信息管理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷，使各項(xiàng)系統(tǒng)準(zhǔn)確進(jìn)行智能控制和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)建造運(yùn)行全周期精細(xì)化管控，讓白鶴灘水電站大壩成為名副其實(shí)的“最聰明的大壩”。

白鶴灘工程建筑物布置圖

2.白鶴灘大壩，對(duì)“無(wú)壩不裂”說(shuō)“不”

在水利水電領(lǐng)域，混凝土壩對(duì)質(zhì)量和安全穩(wěn)定的要求非常高，但“無(wú)壩不裂”一直是世界級(jí)難題?；炷翞槭裁磿?huì)出現(xiàn)裂縫？要解答這個(gè)疑問(wèn)，就要從混凝土的材料特性說(shuō)起。

混凝土在澆筑后會(huì)持續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)。作為一種放熱反應(yīng)，水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會(huì)累積在混凝土塊內(nèi)部。由于混凝土表面散熱快、溫度低，中心散熱慢、溫度相對(duì)高，若不加以控制，在極端情況下內(nèi)外溫差甚至可達(dá)到30℃以上。隨著混凝土幾何尺寸的增加，溫差產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)成倍增長(zhǎng)。

白鶴灘壩體混凝土方量達(dá)到803萬(wàn)立方米，而且拱壩體形復(fù)雜，壩身孔口眾多。壩址干熱河谷氣候特征明顯，常年大風(fēng)、晝夜溫差大。因此，白鶴灘拱壩的溫控防裂要求和難度均高于同類(lèi)工程。

為了攻克這一難題，白鶴灘大壩全壩采用低熱水泥澆筑。低熱水泥全稱(chēng)低熱硅酸鹽水泥，是一種以硅酸二鈣為主導(dǎo)礦物，鋁酸三鈣含量較低的水泥。

經(jīng)大量研究和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，低熱水泥具有良好的工作性、低水化熱、高后期強(qiáng)度、高耐久性、高耐侵蝕性等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)在三峽樞紐工程、向家壩水電站、溪洛渡水電站等項(xiàng)目中試驗(yàn)性使用了低熱水泥，經(jīng)過(guò)十多年的試驗(yàn)、論證和應(yīng)用，證明了低熱水泥性能的可靠性。

采用低熱水泥，能夠有效降低溫控設(shè)備投入，降低大壩混凝土開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，減少后期裂縫處理的成本。因?yàn)榈蜔崴嗟乃療岜戎袩崴嗪推胀ㄋ嘈?，所以大壩混凝土的絕熱溫升大大低于中熱水泥和普通水泥大壩混凝土的絕熱溫升（低5～10℃），這對(duì)降低溫度應(yīng)力、減少溫度裂縫非常有利。

無(wú)縫大壩

3.世界上最大的“地下城”

地下廠房

為建設(shè)白鶴灘水電站，建設(shè)者們?cè)诘刭|(zhì)條件十分復(fù)雜的山體中開(kāi)鑿了大量隧洞，縱橫交錯(cuò)，整個(gè)建設(shè)過(guò)程可謂游戲《地下城與勇士》的現(xiàn)實(shí)版本。

白鶴灘左右岸地下廠房尺寸均為長(zhǎng)438米、寬34米、高88.7米，是世界上已建水電工程中跨度最大的地下廠房。由于地下廠區(qū)存在高地應(yīng)力、軟弱夾層、硬脆玄武巖松弛的情況，圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題十分突出。左岸地下廠房垂直埋深260～330米，右岸地下廠房垂直埋深420～540米。所在區(qū)域?qū)儆诟叩貞?yīng)力區(qū)，左、右岸地下廠房區(qū)存在輕微巖爆或中等巖爆（在開(kāi)挖或其他外界擾動(dòng)下，巖體中聚積的彈性變形勢(shì)能突然釋放，導(dǎo)致圍巖爆裂并彈射而出的現(xiàn)象），片幫現(xiàn)象（側(cè)壁在壓力作用下變形、破壞而脫落的現(xiàn)象）較普遍且程度較嚴(yán)重。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，建設(shè)者們遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤監(jiān)測(cè)”開(kāi)挖支護(hù)原則，自上而下薄層開(kāi)挖，分區(qū)、分塊制定針對(duì)性爆破方案，在保證巖體穩(wěn)定性的同時(shí)，又讓爆破后的巖壁達(dá)到了理想狀態(tài)。

白鶴灘工程開(kāi)挖隧洞總長(zhǎng)度約217千米，相當(dāng)于從上海到寧波的距離；洞室開(kāi)挖量達(dá)2500萬(wàn)立方米，足夠填滿(mǎn)2個(gè)西湖或建起10座埃及的胡夫金字塔。左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)布置了超過(guò)160條隧洞，主要由進(jìn)水口、壓力管道、主副廠房洞、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾水出口等建筑物組成，加上各種廊道、管道，構(gòu)成一個(gè)龐大的地下洞室群，規(guī)模世界第一。

4.超級(jí)工程的超級(jí)“心臟”

白鶴灘水電站機(jī)組是世界上首批百萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)組，可謂世界水電行業(yè)的“珠穆朗瑪峰”。從葛洲壩工程17萬(wàn)千瓦機(jī)組、二灘水電站55萬(wàn)千瓦大型機(jī)組，到三峽工程70萬(wàn)千瓦巨型機(jī)組，向家壩80萬(wàn)千瓦機(jī)組，再到烏東德85萬(wàn)千瓦機(jī)組，一直到白鶴灘100萬(wàn)千瓦機(jī)組，單機(jī)容量有了巨大的跨越，其技術(shù)研究的復(fù)雜性和技術(shù)難度，遠(yuǎn)大于世界上其他大型機(jī)組。

大機(jī)組有著大“身材”，白鶴灘單臺(tái)百萬(wàn)千瓦機(jī)組從尾水管底板到機(jī)頭罩整體高度達(dá)50多米，單臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)重量達(dá)8000多噸，相當(dāng)于法國(guó)埃菲爾鐵塔的重量。

白鶴灘水電站擁有世界上單機(jī)容量最大的水輪機(jī)。每臺(tái)水輪機(jī)額定出力高達(dá)1015兆瓦，足以給6.7艘遼寧艦航母提供動(dòng)力。單機(jī)流量高達(dá)每秒545.49立方米，在16臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行情況下，每秒鐘的過(guò)流流量可以充滿(mǎn)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池。

白鶴灘水電站還擁有國(guó)內(nèi)電壓等級(jí)最高的水輪發(fā)電機(jī)。為減少銅的使用量，同時(shí)減小因電流發(fā)熱而引起的發(fā)電機(jī)定子繞組溫升，電站的發(fā)電機(jī)出口額定電壓高達(dá)24千伏。24千伏發(fā)電機(jī)出口電壓，比20世紀(jì)80年代修建的葛洲壩電站發(fā)電機(jī)出口額定電壓高出將近一倍，比20世紀(jì)末21世紀(jì)初修建的三峽電站發(fā)電機(jī)出口額定電壓高出20%，比擁有800兆瓦巨型水輪發(fā)電機(jī)的向家壩電站發(fā)電機(jī)出口電壓高出約5%。同時(shí)，機(jī)組出口電流也十分強(qiáng)大，在額定功率運(yùn)行的情況下，發(fā)電機(jī)出口電流達(dá)到26729安，可以同時(shí)點(diǎn)亮約6萬(wàn)只100瓦的燈泡。

而這么強(qiáng)大的機(jī)組，白鶴灘水電站裝有16臺(tái)！

百萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)組

5.巨型尾水調(diào)壓室護(hù)航百萬(wàn)機(jī)組

尾水，就是流過(guò)水輪機(jī)、完成發(fā)電后的出水。對(duì)于大型水電站工程，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組增加或丟棄負(fù)荷，水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)啟或關(guān)閉后，由于壓力水流的慣性，水道中將產(chǎn)生巨大的水流沖擊波——水錘，最大水錘壓力超過(guò)100米。之所以叫“水錘”，就是因?yàn)樗鳑_擊波力量巨大，就像用重錘擊打一樣。水錘壓力劇烈波動(dòng)會(huì)引起機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)高，導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)破壞，影響機(jī)組供電質(zhì)量。同時(shí)，水錘壓力在尾水隧洞中過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)隧洞襯砌混凝土造成損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生機(jī)組抬機(jī)事故。

白鶴灘水電站廠房水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為100萬(wàn)千瓦，與之配套的尾水隧洞最大長(zhǎng)度近2千米，這么長(zhǎng)的水道若不設(shè)置尾水調(diào)壓室，當(dāng)機(jī)組開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，將形成巨大的水錘，威脅機(jī)組安全，因此需要在靠近閘門(mén)部位設(shè)置巨型尾水調(diào)壓室，通過(guò)調(diào)壓室內(nèi)水位升降，減小尾水的水擊壓強(qiáng)，改善機(jī)組的運(yùn)行條件。

白鶴灘水電站的尾水調(diào)壓室采用圓筒阻抗式結(jié)構(gòu)。兩機(jī)共用一室，16臺(tái)機(jī)組共有8座巨大的尾水調(diào)壓室，左右岸各4座。尾水調(diào)壓室最大開(kāi)挖直徑為48米，相當(dāng)于2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)面積，最大開(kāi)挖高度128米，相當(dāng)于40層樓。8座尾水調(diào)壓室位于電站兩岸山體下400～600米深處，單個(gè)調(diào)壓室規(guī)模與調(diào)壓室群規(guī)模均為世界之最。

圓筒式尾水調(diào)壓室

6.白鶴灘有座全球規(guī)模最大的“鏡廳”

為實(shí)現(xiàn)白鶴灘“窄河谷、高水頭、巨泄量”的泄洪要求，白鶴灘水電站共布設(shè)了3套泄洪設(shè)施，分別為布置于壩身的7個(gè)深孔和6個(gè)表孔，以及布置于左岸的3條直線泄洪洞。樞紐總泄洪量為4.2萬(wàn)立方米/秒，泄洪洞要承擔(dān)約30%的泄洪任務(wù)，最大泄量為1.23萬(wàn)立方米/秒，單側(cè)泄量為世界之最。單條泄洪洞洞長(zhǎng)2.1～2.3千米，其中，1#泄洪洞長(zhǎng)2317米，單條泄洪洞長(zhǎng)度為世界第一。

白鶴灘泄洪洞采用了龍落尾式結(jié)構(gòu)，由進(jìn)水塔、上平段、龍落尾、挑流鼻坎、摻氣補(bǔ)氣系統(tǒng)組成，水頭落差120米。其中，龍落尾段在僅有的400米范圍內(nèi)水頭落差高達(dá)90米，最大流速47米/秒，相當(dāng)于水流按照180千米/小時(shí)的速度在隧洞中奔流而下。

泄洪洞的鏡面混凝土 攝影/劉濤

由于泄洪洞流量大、流速高，襯砌混凝土存在空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)。其中最容易造成大面積破壞的因素是混凝土表面缺陷，哪怕是有2～3毫米的一個(gè)錯(cuò)臺(tái)或指甲蓋大的坑洼，在高速水流下都可能逐步發(fā)展成大范圍損毀。為此，建設(shè)者改進(jìn)工藝，讓施工縫面無(wú)縫銜接、平順過(guò)渡，過(guò)流面不平整度控制在了在2米范圍內(nèi)最大不超過(guò)3毫米的精度，在水流養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下，表面光滑如鏡，置身其間，人影重重，宛如鏡廳。

襯砌混凝土厚度僅有1米，對(duì)于15米×18米的巨型洞室結(jié)構(gòu)而言相當(dāng)單薄，剛澆筑完成的混凝土對(duì)外界溫度變化極其敏感，稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。為了解決薄壁結(jié)構(gòu)襯砌混凝土“無(wú)襯不裂”的難題，泄洪洞參建各方聯(lián)合清華大學(xué)等高校，發(fā)明了薄壁結(jié)構(gòu)襯砌混凝土精細(xì)化溫控方案，采用智能溫控系統(tǒng)、智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了襯砌混凝土零溫度裂縫，完成了水工隧洞襯砌混凝土無(wú)缺陷建造。

白鶴灘水電站泄洪洞