众山皆小世界惊殊——我国多项水电技术引领世界<br/>

众山皆小世界惊殊——我国多项水电技术引领世界

2011-05-18张博庭

中国三峡 2011年1期

关键词：拱坝防渗墙水电

张博庭

我国坝工建设水平和规模均居世界第一

我国水电机组制造技术已经跻身世界前列

我国有多项水电建设技术引领世界

水电建设使高压特高压输技术屡攀新高

溪洛渡大坝施工现场摄影/王连生

从1910年建设石龙坝水电站起，中国水电已经走过百年历程。解放以前由于连年战乱，我国水电的发展几乎处以停滞状态。建国初期，由于受国家经济能力的局限，中国的水电发展也相对较慢。改革开放后，我们不断加大水电开发的力度，建设步伐明显加快。特别是进入新世纪后，中国水电开始进入一个高速发展的新阶段。我们仅用了10年左右的时间，就实现了水电装机容量比建国50年的总和将近翻了两番的超越。

到2010年，中国水电装机已经突破2亿kW，成为世界上最大的水力发电国。目前我国已建和在建的30m以上的大坝有5200余座，其中坝高100m以上的大坝有140多座；已投产5万kW以上的大中型水电站430余座（含蓄能21座）、30万kW以上的水电站100座（蓄能15座）、100万kW以上的水电站39座（蓄能7座），并创造了多项世界水电之最。

我国坝工建设水平和规模均居世界第一

我国的水力资源丰富，随着大量的水电工程的实践，我国各种坝型和复杂地形地质条件下的水工建筑物的设计和施工技术不断进步。从全国解放初到80年代，我国的坝工建设特点主要是在传统工艺的基础上土洋并举，修建了数量众多、型式多样的各类大坝。除了常见的土坝外，建成了连拱坝、大头坝、宽缝重力坝、重力拱坝、空腹重力坝、空腹拱坝等多种型式的坝型。80年代中期后，水电建设管理的新体制也极大地推动了水电建设的发展，通过学习和引进国外坝工新技术，开展国家重点科技攻关，我国研究解决了一系列复杂条件下的高坝建设技术难题。在很多领域内，我国坝工建设技术已处于世界领先。

碾压混凝土坝是上世纪80年代兴起的筑坝新技术，我国在引进碾压混凝土筑坝技术的同时强调走自己的路，结合我国的实际情况不断自主创新。突破了在高温多雨夏季和高海拔严寒低温冬季筑坝的禁区，形成了具有自主知识产权的特色技术和国际先进的筑坝工艺。低水泥用量、高掺粉煤灰、中胶凝材料干硬性混凝土，薄层连续碾压，二级配碾压混凝土防渗，变态混凝土过渡，广泛采用诱导缝，不设纵缝，全仓面或全坝面碾压施工等很多都是我国首创的技术特色。2001年建成的沙牌拱坝是目前世界上最高的碾压混凝土拱坝。2009年建成的216.5m高的龙滩大坝是世界最高碾压混凝土重力坝。

溪洛渡大坝混凝土浇筑摄影/王连生

堆石坝又称是当地材料坝，筑坝材料在当地就近解决，这样不仅可以方便施工，而且还可以大幅度的降低造价，有利于环保。但是，由于各种天然筑坝材料的防渗性能往往难以保证，所以，用混凝土面板防渗并结合当地材料筑坝的面板堆石坝，就成为切实可行的当地材料坝。

在面板堆石坝筑坝技术的研发上，我国提出了坝体粗料大尺度效应、研究了坝体变形规律和破坏机理；在筑坝材料方面，拓宽了材料的使用范围，首创可以在坝体一定部位使用软岩和风化岩石，充分利用开挖料；在防止面板裂缝技术方面，提出了大坝主堆石体与下游次堆石体的科学分区，采用了面板混凝土的改性工艺，面板混凝土掺加粉煤灰、掺加复合外加剂、采用补偿收缩混凝土、纤维混凝土及高性能混凝土等技术。

依靠这些先进技术，我国不仅建造了世界上最高的（233m）清江水布垭大坝，而且还建有一批各具特色的面板坝。如海拔4388m高的西藏查龙水电大坝，以及年最低气温-42.5℃、年冰期达5个月的高纬度高寒地区的莲花等特殊环境下的水电大坝。

拱坝是最受欢迎的一种坝型，它通过拱形的受力特点把巨大的水压力传导给周围的山体，大大提高了水坝的档水能力，非常适合在狭窄的山谷中建造。相对于国外，我国的拱坝建设起步较晚，1958年我国才建成第一座混凝土拱坝——响洪甸坝。但从80年代以后，我国加强了拱坝建设技术的科学研究，多次把拱坝作为国家科技攻关研究项目。目前，已经成功突破了300m级高拱坝建设的关键技术。

随着拱坝技术的研究和实践，我国的混凝土高拱坝建设已经出现了放宽对坝址地形和坝基岩体条件要求、拱坝体形多样、厚度愈来愈薄、重视枢纽布置和泄洪消能等趋势。目前，我国已建成世界上最高的（292m）小湾拱坝，在建中的锦屏拱坝（305m）是目前世界上最高的拱坝。

向家坝右岸大坝浇筑摄影/ 高峰

我国水电机组制造技术已跻身世界前列

长期以来，大型水电机电设备的设计制造曾是制约我国水电发展的一个主要瓶颈。解放初期，我国的机组制造工业就开始艰难起步。起初是自力更生，后来学习苏联，制造出最大单机容量过7.25万kW的水电机组（新安江）。苏联专家撤走后，我国哈尔滨电机厂自力更生开发制造出30万kW的机组（刘家峡）。

改革开放初期，我国机组的设计制造一方面立足自主研发，一方面也为进口机组分包制造非核心部件。三峡工程开工后，国家明确提出要依托三峡工程，实行国际采购招标，以“技贸结合、技术转让、联合设计、合作生产”方式，引进、消化、吸收国外先进技术，全面提升我国水电装备制造整体水平。1996年三峡左岸电站采用国际招标采购14台70万kW水轮发电机组。同时规定，外商投标必须以向中方转让技术为前提条件。投标者必须带上中国有资格的企业参与设计、合作制造，中国制造企业分包的份额不低于合同总额的25%。且最后两台机组必须以中国企业为主制造。通过技术引进，我国已具备了大机组的制造技术，2003年，当三峡右岸电站12台机组再次进行国际招标时，我国的哈电、东电与法国阿尔斯通各拿到了4台机组的订单。2008年三峡右岸电站12台机组全部投产发电，运行结果表明我国哈电、东电制造的机组的稳定性达到了国外同等水平。

通过三峡机组的引进、消化、吸收加上自主创新，我国已经完全具备了独立设计制造特大机组的能力。我们用不到10年时间，实现了30年的技术跨越。目前，制约我国大型水电机组制造的技术瓶颈已彻底打破，通过再创新，我国的某些技术已经达到国际领先的水平。比如：国产机组已消除了长期困扰水轮机特殊压力脉动带现象，大型机组空冷技术和三峡右岸地下电站将采用的蒸发冷却技术，都达到了世界一流的水准，绝缘技术也达到了世界级先进水平。

目前，在大型机组制造的国际市场上，几乎是我国一枝独秀，独领风骚。现在，我国在建的向家坝工程，已经安装了世界上最大的80万kW的机组。同时我国也正自主研发单机容量为100万kW的水轮机组，不久将用在金沙江白鹤滩水电站。

向家坝工地全景摄影/ 高峰

向家坝左岸厂房5～8尾水肘管正在紧张安装。摄影/ 高峰

我国已有多项水电建设技术引领世界

高水头大流量泄洪及消能技术

我国水资源的季节性很强，汛期的高坝泄洪量大，消能要求高。例如，三峡超过102500m3/s，溪洛渡超过49000m3/s。我国水电工作者根据不同的坝型和泄洪规模，采用了不同的泄洪布置及其组合：重力坝主要通过坝身泄洪，以表孔为主，辅以深孔并兼作排沙等用途；拱坝通常以坝身孔口为主，辅以岸边泄洪设施；土石坝则一般采用岸边式溢洪道和泄洪隧洞为主。

我国有特色的泄洪消能类型主要有：窄缝消能、宽尾墩式联合消能、掺气分流墩消能、挑射水流平面碰撞消能、高低挑坎碰撞消能、挑流+水垫塘联合消能、淹没跌坎式底流消能、洞内孔板消能以及洞内漩流消能等。这些技术有效地解决了我国高坝运行中的泄洪消能问题。经过科技攻关，我国的消能技术不断创新，在多种联合消能、加大坝身泄洪、强化水舌空中扩散与碰撞、分散落水点和减小冲击力、建立二道坝形成水垫塘消能和隧洞内消能等方面均有新的发展，并研究创新出许多新型的消能形式，有效减少了对建筑物的破坏，保障了工程的运行安全。

高边坡工程稳定技术

大型水电站经常建在深山峡谷之中，能否保障边坡的稳定安全是建设和运行水电站的基本前提。因此，能否通过预应力锚索、抗滑稳定等科技手段保持高边坡的稳定就是某些大型水电建设的重要制约因素。从某种意义上说，高边坡的稳定技术是制约某些水电项目开发建设的重要条件之一。

在龙滩水电站，我们成功处理过左岸进水口435m高边坡。在小湾水电站的建设中，我们解决了左岸坝前堆积体700m高边坡的稳定问题。在锦屏一级水电站建设中，需要采取工程防护措施的左岸坝肩边坡，高度达到530m。这些高边坡工程的成功处理，不仅创造了多项世界之最，而且也是我国众多高难度水电站成功开发建设的重要保障。

大流量深水河流截流技术

通过长江、黄河等大江大河施工截流的科学研究和工程实践，我国的截流技术已达到了国际领先水平。衡量截流施工水平的各项主要指标有截流流量、截流落差、流速、水深以及物料抛投强度等。

在三峡截流前，世界上曾有过4次难度较大的截流, 它们分别为巴西/巴拉圭的伊泰普截流、原苏联的Bratzk截流、美国的Menny截流和罗马尼亚/南斯拉夫的铁门截流。而我国三峡工程的前后两次截流都突破了三项截流的世界最高指标。截流流量1.03万m3/s，截流水深达到60m，截流落差4.11m,截流流速7.5m/s，截流抛石强度达到194000m3/d。

坝基覆盖层的防渗处理技术

混凝土防渗墙作为覆盖层地基和土石坝(围堰)工程的防渗措施，其形式、规模和适用范围都发展很快。1959年北京密云水库白河主坝砂砾石地基中，自主创造出用钻劈法建造深44m的槽孔型混凝土防渗墙的新方法。此后，尤其改革开放以来，我国防渗墙施工设备和方法不断改进，施工效率不断提高，防渗墙施工的水平已经跨入了世界先进水平的行列。

在防渗墙深度方面，2008年西藏旁多水利枢纽坝基防渗试验创造了146.3m的成槽深度记录，超过了加拿大马尼克Ⅲ大坝的131m。2009年在四川泸定水电站主坝防渗墙施工中又以154.8m的最大孔深，成为新的“世界最深防渗墙”。在防渗墙规模上，河北黄壁庄水库加固工程副坝混凝土防渗墙长度4860m、防渗面积27.1万m2，是我国工程量最大的混凝土防渗墙。在防渗施工强度方面，金沙江向家坝一期围堰混凝土防渗墙，面积近5.2万m2，最大施工强度达到2.4万m2/月。汉江兴隆水利枢纽工程围堰防渗墙施工强度达到了5.36万m2/月。

在深层防渗施工的方法上，四川冶勒水电站坝基覆盖层深度超过420m，坝基及岸坡混凝土防渗墙分上下两段建造，下墙在专门开挖的隧洞中施工，最大深度达到84.85m，为国内在隧洞中建成的最深防渗墙。在防渗墙体材料方面，我国也呈现出多样化的尝试，为与地基变形相适应，我国推广了塑性混凝土；出于结构受力的需要，采用了高强混凝土，小浪底水利枢纽防渗墙强度达到35MPa；为加快施工进度和降低造价，我国在多个工程中采用了自凝灰浆和固化灰浆防渗墙。

大型地下厂房和洞室群开挖建设技术

随着水电建设事业蓬勃发展，我国水电站大型地下厂房和地下洞室群的建设也正向高埋深、大跨度方向发展。2003年开始建设的龙滩水电站曾经是中国最大地下厂房系统，洞室纵横交错，错综复杂，共119条洞室，洞挖量超过310万m3，主厂房长388.5m、宽30.3m、高75.4m。

目前，溪洛渡水电站具有世界上最大的地下洞室群。地下洞室群总规模、洞室密集程度、洞挖总工程量都堪称世界之最。溪洛渡水电站的各种洞室大约有380多条，首尾相连总长约280多km。洞挖工程总量1402万m3，大约相当于世界最长隧道——日本青函隧道的730万m3与世界最大隧道——英法海峡隧道750万m3之和。

近临着溪洛渡的向家坝水电站的地下厂房，再次创造了高度、跨度以及压力钢管直径等多项世界之最。此外，我国锦屏二级水电站的引水隧洞，穿过上千m的高山，长度达17km，堪称是世界水电建设史上少有的奇迹。

蓄清排浑、控制泥沙淤积的电站运行技术

上世纪50年代，我国三门峡水库的淤积问题非常严重。为此，我国科研工作者研究和开创了“蓄清排浑”的控制泥沙淤积的水库运行方式，并于60年代初在个别水库试验成功。在此基础上，为解决三峡工程的泥沙淤积问题，我国的科研人员建立了一整套理论。并从理论上证明了“蓄清排浑”不仅可以在目标单一、排沙有利的小水库上实施，而且在一般的大水库上也可以做到。

经过三峡水库几年的实践，这一理论已经得到了证明。曾参与三峡工程建设可行性论证的加拿大CYJV评价说，平衡坡降和长期保留库容，在中国已经是一门成熟的技术。此前，世界上还没有哪一国家，能解决好水库泥沙淤积的长期使用问题。

水电建设使高压特高压输技术屡攀新高

由于大型水电站的特点是发电量大，但是通常远离负荷中心。所以，大型水电站的建设往往是推动我国大容量、远距离、高电压输电技术屡攀新高的最直接动力。从历史上看，随着我国国民经济的不断发展，为满足大容量、长距离的输送水电需求，我国电网系统运行电压等级一直在不断提高，而且几乎每次提高都与某个大型水电站的建设紧密相关。

解放初期的丰满水电站，促进了东北的电网建设；三门峡水电站的建设使我国建成了330kV线路；葛洲坝水电站的建设促进了1981年建成500kV交流线路和1989年建成500kV直流线路。三峡工程促进了2005年建成的750kV交流线路。

由于我国幅员辽阔，水能资源分布西部多、东部少。经济相对落后的西部12个省（区、市）水能资源约占全国总量的81.46%，而经济发达、用电负荷集中的东部京、津、沪、粤等11个省（市）仅占4.88%。同时我国东部地区的经济相对发达，因此，非常需要水电的“西电东送”。目前我国已形成南、北、中三条“西电东送”的大通道，保障了我国“西电东送”能源战略的有效实施。

我国未来水电开发主要集中在金沙江、怒江和雅鲁藏布江等西部河流上。未来主要发电资源与负荷中心在地区上的不均衡性将更加突出。迫切需要解决大容量长距离的水电输送难题。为此，我国特别重视研究新兴的特高压电网技术，并取得了多项领先于世界的成绩。2009年4月1000kV的晋东南-南阳-荆门特高压试验示范工程成功投入商业运营，±800kV云南-广州和向家坝-上海两条特高压直流示范工程也已经开工建设，标志我国特高压输电技术已经稳居世界前列。

多年来，我国大型水电站的建设有力的推动了大容量、远距离、高电压输电技术的进步，而我国高压电网的技术进步，又为我国西部水电开发提供了有力的保障。