當前位置: 首頁 > 走進企業(yè) > 市場脈搏

【特稿】白鶴灘:用科技創(chuàng)新鑄就大國重器

水電八局發(fā)布時間:2021-02-05 17:14:48  作者:潘 峰 楊珂欣

中國水電跨越百年。

1910年,通過引進國外先進技術(shù)設(shè)備,我國第一座水電站——石龍壩水電站開工建設(shè),設(shè)計總裝機容量480千瓦,單機容量僅為240千瓦。

1957年,中國第一座自己勘測、設(shè)計、施工和制造設(shè)備的大型水電站——新安江水電站開工建設(shè),設(shè)計總裝機容量60萬千瓦,單機容量7.5萬千瓦。

2010年,新中國自主設(shè)計、自行研制安裝機組設(shè)備、自己施工建造的世界在建最大水電站——白鶴灘水電站動工興建。中國電建運用全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢,承擔設(shè)計、施工、監(jiān)理一系列任務(wù),電站總裝機容量達到1600萬千瓦,單機容量100萬千瓦。

從240千瓦到100萬千瓦,從“引進”到“自強”,中國水電逐步實現(xiàn)了從跟跑者到并跑者、領(lǐng)跑者的躍進。中國電建堅決貫徹習近平總書記“把大國重器牢牢掌握在自己手里”的重要指示,堅持科技創(chuàng)新,在白鶴灘水電站創(chuàng)造了無數(shù)“世界第一”,首批機組即將于2021年7月發(fā)電。

萬里高臺,起于壘土

單機容量100萬千瓦居世界第一、圓筒式尾水調(diào)壓開規(guī)模世界第一、地下洞室群規(guī)模世界第一、300米級高壩抗震參數(shù)世界第一、首次在300米級特高拱壩全壩使用低熱水泥混凝土、無壓泄洪洞群規(guī)模世界第一……

白鶴灘水電站的超級體量,在令人驚嘆的同時,又像是一個“放大器”,使每一項子工程設(shè)計、建造的難度都成倍增加。中國電建黨委書記、董事長晏志勇要求:“加強科技創(chuàng)新,強化核心技術(shù)攻關(guān),高質(zhì)量建成世界第一座單機容量百萬千瓦的電站,為建黨100周年獻禮?!?/p>

設(shè)計單位邀請了十多名院士、大師組成的專家技術(shù)團隊聯(lián)合開展科研攻關(guān),與國內(nèi)外80余家科研機構(gòu)和高校共同開展了200余項技術(shù)攻關(guān)和模型論證工作,召開咨詢審查會300余次。通過大量的科研投入破解了世所罕見的技術(shù)難題,電建工匠用鋼筋和水泥的藝術(shù),開啟了金沙江畔的筑夢之旅。

基礎(chǔ)不牢,地動山搖。白鶴灘的壩基柱狀節(jié)理玄武巖出露,在這樣的壩基地質(zhì)條件下建特高拱壩,就像在“積木”上建特高拱壩,是否可行?如何修建?前人尚未進行過研究,外國專家也直搖頭。電建工匠為了破解難題,從上世紀90年代就啟動了地質(zhì)勘測和電站建設(shè)前期研究工作。

2001年,中國電建華東院地質(zhì)專業(yè)工程師,37歲的唐鳴發(fā)作為前期勘探團隊的一員,從千里之外的杭州出發(fā),歷經(jīng)57個小時的火車,一個通宵的汽車終于到此。不通電、鮮有路、兩幢平房,一百多人的團隊,一半人住在山洞里,開始了他們的勘測設(shè)計工作。

白鶴灘,地形是一個不對稱的“V”形河谷,地質(zhì)條件極其復(fù)雜。為了提升拱壩對地形不對稱性的適應(yīng)能力,電建工匠設(shè)計采用了橢圓線型雙曲拱壩,可調(diào)整的參數(shù)更多,能夠適應(yīng)更為復(fù)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(jié)理玄武巖出露部位澆筑混凝土擴大基礎(chǔ)等一系列措施,改善了地形地質(zhì)條件帶來的不利影響。

在完成勘探平洞2萬余米、鉆孔近3萬米的基礎(chǔ)上,電建工匠對易松弛的柱狀節(jié)理玄武巖展開全面系統(tǒng)研究。研發(fā)應(yīng)用了保護層分級開挖、復(fù)合聚能消能爆破實現(xiàn)精細化爆破控制、深層快速錨固、預(yù)留蓋重灌漿等創(chuàng)新技術(shù),制定壩基綜合處理措施,實現(xiàn)防松弛保護,攻克了柱狀節(jié)理玄武巖作為高拱壩壩基的世界難題,其關(guān)鍵技術(shù)獲評“中國巖石力學與工程學會科學技術(shù)獎一等獎”。

超級拱壩,重器典范

白鶴灘壩區(qū)為干熱河谷氣候,溫差特別明顯,導(dǎo)致壩體800多萬方混凝土的溫控防裂難度極大。

這座300米級特高拱壩,結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,受基巖約束作用強,壩體混凝土在多變環(huán)境下會產(chǎn)生復(fù)雜的溫度應(yīng)力,過大的拉應(yīng)力則可能導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

如何在源頭上解決?

低熱混凝土這一詞匯首次進入視線。

電建工匠有許多參與過三峽、溪洛渡等巨型水電站建設(shè),在大壩混凝土澆筑施工方面,擁有豐富經(jīng)驗。他們對比各類混凝土性能優(yōu)勢,開展白鶴灘高拱壩低熱水泥應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。通過調(diào)整低熱水泥礦物組成,優(yōu)化混凝土溫控指標和溫控措施,使生產(chǎn)的低熱水泥具有水化熱更低、放熱速度更慢、收縮更小、抗裂性更高的特性,提高了白鶴灘拱壩混凝土的抗裂安全度。

在大壩后方的棧橋上,有一排簡易雨棚,里面一排排米白色的柜子整齊排放著,它們叫“溫度控制柜”,雖說其貌不揚,卻是智能溫控系統(tǒng)的“心臟”。

傳統(tǒng)的大體積混凝土溫度測量采用埋設(shè)差阻式溫度計,人工讀數(shù)測溫、人工控制和簡單型通水控制方式,無法實現(xiàn)通水過程的實時、精確、個性化控制。

“而最終采用的智能溫控系統(tǒng),與傳統(tǒng)技術(shù)相比,這個系統(tǒng)非常先進,具有很多優(yōu)點”。工程技術(shù)員蘇江說,“新系統(tǒng)能自動采集和實時傳輸混凝土內(nèi)部溫度,提供個性化的溫度控制,節(jié)省溫控防裂費用,降低勞動成本并且提升工程質(zhì)量?!?/p>

據(jù)蘇江介紹,低熱水泥與中熱水泥混凝土各有優(yōu)劣,低熱水泥早齡期強度低不利于防裂,其絕熱溫升低、早期發(fā)熱慢、彈模小、徐變大這些因素均有利降低整體應(yīng)力水平,后期強度高則有利于提高后期安全系數(shù),降低開裂風險。

通過工藝創(chuàng)新與管理提升,中國電建創(chuàng)造了“19.5天”深孔鋼襯底板備倉,“87天”過泄洪深孔,單月澆筑72倉、27.3萬方混凝土的高強度行業(yè)紀錄。

2019年4月1日,白鶴灘水電站20#壩段,中國電建取出了一根直徑219毫米、長25.7米的常態(tài)混凝土長芯,一舉刷新自己在溪洛渡水電站創(chuàng)造的原世界紀錄(20.59米)。

“取芯過程,就像在產(chǎn)房外等待一樣?!比⌒緢F隊負責人潘勇說道,“牙簽的長度是直徑的35倍,而我們混凝土芯的長度是直徑的117倍,‘細’得不足牙簽的四分之一?!遍L芯成功取出,體現(xiàn)了大壩混凝土“內(nèi)實外光”的澆筑質(zhì)量,也彰顯了這座超級拱壩的品牌典范。

堅如磐石,穩(wěn)若泰山

300米級超級拱壩,4萬方/秒的最大泄洪量,白鶴灘大壩利用洶涌澎湃的金沙江水,變?yōu)樗啺l(fā)電機組轉(zhuǎn)動的巨大能量。勢能與動能轉(zhuǎn)換間,同時也面臨著三大挑戰(zhàn)。

一為抗震,二為泄洪,三為消能。

在大壩抗震設(shè)計中,電建工匠分別采用了拱梁分載法、有限元法、動力模型試驗等多種方法,將地震動輸入、壩體動力響應(yīng)、防震抗震措施及效果最新研究成果應(yīng)用到了白鶴灘工程。大壩設(shè)計上,采取了綜合抗震措施:結(jié)合壩體孔口布置,適當增加中上部結(jié)構(gòu)尺寸,做好壩體與擴大基礎(chǔ)及墊座的銜接,采用強度等級高的混凝土,布置抗震鋼筋,加強基礎(chǔ)、墊座及近壩抗力體錨固處理、軟弱結(jié)構(gòu)面置換處理、壩基固結(jié)灌漿處理等措施。這一系列創(chuàng)新技術(shù)手段,引領(lǐng)了強震區(qū)高壩高邊坡抗震設(shè)計,成功實現(xiàn)了工程抗震安全。

在世界最大泄洪洞施工中,電建工匠為防止高速水流對混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的破壞,創(chuàng)新研制“低坍落度砼連續(xù)送升系統(tǒng)”,填補了國內(nèi)這一領(lǐng)域技術(shù)空白。泄洪洞襯砌結(jié)構(gòu)無一條溫度裂縫,達到了“鏡面”效果。同時,研發(fā)的“大坡度重載自動化運料系統(tǒng)”,開啟了水電行業(yè)在大型洞室、陡傾角、多斷面襯砌施工的新篇章?!八じ吡魉倭鞯犁R面混凝土成套施工技術(shù)”,經(jīng)專家鑒定,達到“國際領(lǐng)先水平”。

在世界最大反拱型水墊塘施工中,電建工匠首次在國內(nèi)采用聚消能爆破新技術(shù),攻克了柱狀節(jié)理玄武巖地質(zhì)缺陷,使爆破擾動下降35%?!皡怯乐緞?chuàng)新工作室”成員還發(fā)明了一種萬向混凝土分料器,可克服場地限制,實現(xiàn)多方向澆筑?;炷列阅?、下料澆筑速度、拉模頻次、抹面工藝、養(yǎng)護保濕……電建工匠矢志科技創(chuàng)新,通過大量嘗試和對比實驗,摸索出成套的標準化精細化工藝流程,確保這塊長360米、寬130米、厚4米的“超級”反拱底板一次性澆筑成型。

地下尖兵,鍛造引擎

由于白鶴灘水電站處于“窄河谷”,需要開挖巨型地下洞室群來布置引水發(fā)電系統(tǒng),世界上最大的水工地下洞室群應(yīng)運而生。

它像是地下宮殿,因為體量足夠恢弘,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;又像是地下迷宮,364個地下洞室錯綜復(fù)雜地布置在峭壁之下,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(wěn)定斗智斗勇的過程?!敝袊娊ㄈA東院設(shè)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(nèi))錯動帶發(fā)育、巖石硬脆易碎、高地應(yīng)力和巨型洞室群聯(lián)動效應(yīng),開挖過程中圍巖易卸荷松弛、破裂、變形,圍巖穩(wěn)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(chuàng)新、技術(shù)突破,多角度揭示了高地應(yīng)力條件下立體交叉地下洞室群聯(lián)動效應(yīng)、洞室群圍巖局部破裂機理和層間錯動帶不連續(xù)變形演化規(guī)律。

團隊通過“玄武巖洞室群圍巖時空變形全過程調(diào)控”的成套技術(shù)與方法,創(chuàng)新抗剪結(jié)構(gòu)型式,解決了巖石變形、巨型洞室群聯(lián)動效應(yīng)等關(guān)鍵難題。創(chuàng)立“實時監(jiān)測、全過程分析、動態(tài)設(shè)計”的設(shè)計方法,保障洞室群的圍巖穩(wěn)定和施工安全,為打贏層崖峭壁下的攻堅戰(zhàn)提供技術(shù)保障。

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(yù)警系統(tǒng),實時掌握各洞室支護情況,自動化進行支護預(yù)警,有效保證支護及時性,確保洞室圍巖穩(wěn)定。同時,大力推廣了智能灌漿系統(tǒng)應(yīng)用,安裝灌漿作業(yè)全流程監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)自動完成各類地質(zhì)情況灌漿的記錄、自動調(diào)壓、自動配漿,灌漿整個過程中無需操作人員實時調(diào)控壓力,減少人為干預(yù),隱蔽工程真正實現(xiàn)陽光作業(yè)。

此外,還有創(chuàng)新開發(fā)的液壓自行式巖錨梁澆筑鋼模臺車,澆筑完成的巖錨梁如鏡面般光滑,承載著兩臺1300噸橋機安全運行;首創(chuàng)液壓爬模澆筑電站進水塔新工藝,戰(zhàn)勝年均7級以上大風200多天的殘酷自然環(huán)境,助力百米級進水塔、攔污柵全線安全優(yōu)質(zhì)澆筑封頂;率先啟動特大洞室鏡面混凝土工藝創(chuàng)新研究,打造“免裝修的藝術(shù)品”。

百萬機組,創(chuàng)造歷史

從高空俯瞰,蒼茫山嶺間十分規(guī)整排列的一個個巨型“格子”,那是白鶴灘水電站的進水口,蘊含巨大能量的金沙江水正是從這里流入,然后逐漸靠近電站的核心——16臺百萬裝機的立式水輪發(fā)電機組。

這是當前世界上單機容量最大的水輪發(fā)電機組,單機容量達100萬千瓦,運行水頭變幅達79.2米,具有“單機容量巨大、運行水頭變幅大”的特點。標志著我國巨型水輪發(fā)電機組設(shè)計、制造能力達到世界領(lǐng)先水平,具有劃時代意義。然而,從預(yù)可行性研究到今年首臺機組轉(zhuǎn)子成功吊裝,背后卻是十余年漫漫科研路。

水輪發(fā)電機組邁入百萬千瓦級,并非中小型機組的簡單放大,而是新材料、新工藝、新設(shè)備和新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。

白鶴灘水電站“高水頭”的特點,使原有600兆帕等級的鋼板,無法滿足蝸殼對鋼材強度的要求。電建工匠聯(lián)合鋼鐵企業(yè)進行技術(shù)攻關(guān),首次在白鶴灘采用100毫米厚800兆帕蝸殼鋼板,并提出相關(guān)標準,引領(lǐng)水電行業(yè)鋼材升級。

通過調(diào)整葉片角度,提高了機組在低水頭段的出力并減小了水輪機無葉區(qū)的壓力脈動幅值。提出了百萬千瓦機組及其主要配套設(shè)備的技術(shù)要求,為我國研制1000兆瓦級機組及其配套設(shè)備,制定國家和行業(yè)相關(guān)標準奠定基礎(chǔ)。

“最大的挑戰(zhàn)就是:遇到的問題都是超出傳統(tǒng)經(jīng)驗范疇的?!敝袊娊ㄈA東院白鶴灘項目副設(shè)總李勝兵說道。除了世界首臺百萬千瓦水輪機組,這里還有世界上最大的起重橋機、最大的單向變壓器、最大的門機、最大的氣體絕緣金屬封閉輸電線路、最大的“三支臂”弧形閘門。

在引水隧洞壓力鋼管施工中,電建工匠勇敢挑戰(zhàn)“百萬機組無人區(qū)”,工區(qū)主任李建兵帶領(lǐng)黨員技術(shù)尖子,在持續(xù)高溫的車間開展實驗,成功研發(fā)出針對不同工序的4臺套壓力鋼管安裝自動化設(shè)備,完美攻克制安難題,并多次受邀在行業(yè)內(nèi)開展經(jīng)驗交流。

百萬機組,世界第一。刷新世界紀錄,在這里不足為奇。白鶴灘的建設(shè)過程,正映射著中國水電的發(fā)展進程。白鶴灘的寶貴經(jīng)驗,也幫助人們從更寬廣的領(lǐng)域和維度去理解科技創(chuàng)新。目前,白鶴灘水電站已全面向蓄水發(fā)電目標發(fā)起沖鋒。



評論

用戶名:   匿名發(fā)表  
密碼:  
驗證碼:
最新評論0

相關(guān)閱讀

無相關(guān)信息