“智造”大国重器创新引领发展<br/>——聚焦白鹤滩水电站工程建设

“智造”大国重器创新引领发展
——聚焦白鹤滩水电站工程建设

2019-10-29韦凤年

中国水利 2019年18期

本刊记者韦凤年梁晨

工程名片

白鹤滩水电站工程主要由混凝土双曲拱坝、水垫塘及二道坝、左右岸引水发电系统、泄洪洞等建筑物组成。最大坝高289 m，正常蓄水位825 m，水库总库容206.27亿 m3，总装机容量1600万kW，多年平均发电量624.43亿kWh。2017年8月白鹤滩水电站全面转入主体工程施工，计划于2021年4月开始水库蓄水、7月首批机组投产发电，2023年工程整体完工。

白鹤滩，传说是白鹤歇息的地方，如今成了水利水电技术“亮翅”的地方。

在位于四川省凉山彝族自治州宁南县和云南省昭通市巧家县境内交界处金沙江下游河段的白鹤滩，一座在建总装机容量仅次于三峡电站、居世界第二、在建世界规模第一的大国重器——白鹤滩水电站正在建设中。

白鹤“亮翅”，令世人注目。面对地质条件复杂、施工难度大、技术要求高等重重困难，白鹤滩水电站工程建设者大胆改革创新，攻坚克难，创造了在建单机容量100万kW、地下洞室群规模、圆筒式尾水调压室规模、300 m级高拱坝抗震参数、300 m级高拱坝首次全坝使用低热水泥混凝土、无压泄洪洞群规模等六项世界第一。

自主创新，智能制造，勇攀高峰。白鹤滩水电站工程建设过程中的一系列科研攻关和技术管理创新，把我国水电设计水平、施工能力、重大装备制造能力、建设管理水平提升到一个全新的高度。特别是百万千瓦级水轮发电机组的成功制造，使我国的水电制造技术从“追赶”走向“引领”。

▲白鹤滩水电站开工动员大会摄／刘涛

开发水电助力攻坚

白鹤滩水电站库区涉及云南、四川两省7县（区），其中5个县（区）为国家级贫困县，区域经济相对落后，脱贫攻坚任务艰巨。虽然拥有丰富的矿产、水能等资源，但由于地处偏僻，基础设施落后，无法得到有效开发利用，当地仍以传统的农业经济为主。

▲白鹤滩镇与施工生活区摄／韦凤年

自主创新攻坚克难

作为在建装机规模世界第一的水电站，白鹤滩水电站工程建设需要攻克300 m级特高拱坝防震抗震、柱状节理玄武岩坝基处理、700 m级高陡边坡安全高效开挖、全坝采用低热混凝土高强度浇筑施工、50 m/s级高流速大泄量过流面混凝土抗冲耐磨防裂、复杂地质条件下超大规模地下洞室群开挖支护、百万千瓦级水轮发电机组制造安装等一系列世界级难题，挑战前所未有，可以说是当今世界上在建综合技术难度最大的水电工程。

白鹤滩大坝在施工中摄／黄正平

面对挑战，三峡集团确立了把白鹤滩水电站打造成世界一流精品工程、创新工程、绿色工程、民生工程、廉洁工程的目标。“白鹤滩建设者积极贯彻创新驱动发展战略，坚持自主创新、集成创新、技术创新、管理创新和智能建造，实现工程建设全领域、全过程创新，坚持以最高标准、最优工艺、最严管控，建成让人民放心、经得起历史检验的一流精品工程，全力以赴将白鹤滩水电站建设成为能够代表世界水电最高水平的创新工程和智能工程。”白鹤滩工程建设部党委书记、副主任樊义林介绍了他们的做法。

▲大坝仓面浇筑施工摄／梁晨

百万千瓦级发电机组实现自主创新

习近平总书记强调“真正的大国重器，一定要掌握在自己手里。核心技术、关键技术，化缘是化不来的，要靠自己拼搏。”在白鹤滩水电站工地，记者真正见识了大国重器是如何掌握在自己手里的。

为了掌握核心技术，三峡集团付出了许多努力。20多年来，三峡集团与哈尔滨电气集团、东方电气集团携手，依托三峡工程和金沙江溪洛渡、向家坝水电站等重大工程项目，创造了一条独具特色的“引进、消化、吸收、再创新”的成功之路，取得了我国70万kW水轮发电机组从无到有的历史性突破，并推动我国重大水电装备由“中国制造”向“中国创造”转型升级。

然而，从三峡工程单机70万kW 到向家坝水电站单机80万kW，再跨越到白鹤滩水电站单机100万kW并非易事。百万千瓦级机组的技术难度和复杂性更是史无前例。据介绍，百万千瓦级机组的设计制造已超出了现有的技术水平和规范，世界范围内无现成经验可借鉴，是我国水电向世界水电“无人区”的一次探索。

三峡集团组织国内设计院及机组厂家开展了百万千瓦级水轮发电机组的全面研究工作，对关键技术进行重点攻关。经过近8年努力，国内有关企业相继完成了百万千瓦级大型混流式水轮发电机组结构、水力开发、发电机通风模拟试验、局部通风及温升模拟试验、推力轴承、绝缘技术及机组总体设计等科研攻关。在重大装备科研、设计和制造、安装和运行链条中分层次有步骤地稳步推进国产化，已在机组设备、高压电气设备、辅助设备乃至基础材料上取得了重要成果，特别是白鹤滩水电站已成功研制800 MPa级高强蜗壳钢板、750 MPa级磁轭钢板，为水电行业的全面技术跨越打下了坚实的基础。

在百万千瓦级水轮发电机组核心技术研发中，实现了整个过流部件强度与水力性能的最佳匹配，各项稳定性指标达到世界先进水平；在转轮制造方面，通过现场建厂解决运输难题，采取转轮全低氢焊接技术、三维模拟精准确定、转轮过程监控等措施，保证了转轮焊后合格率全部实现精品制造目标。转轮的研制成功，标志着白鹤滩水电站百万千瓦级机组研发制造取得了关键性、阶段性成果，进一步推动了我国水电走向世界水电的“制高点”，向世界水电“无人区”又迈进了坚实的一步。目前已经形成多项具有自主知识产权的核心技术。

白鹤滩水电站首次全部采用国产的百万千瓦级水轮发电机组，开创了世界水轮发电机组的新纪元。

▲百万机组转轮加工摄／赵洋

边坡开挖堪比“虎口拔牙”

白鹤滩水电站大坝边坡开挖好比“虎口拔牙”。高深的峡谷、陡峭的山崖、奔腾的江水，钻爆、出渣、支护等工作全部在临江山坡上进行，边坡高陡、深卸荷，开挖支护处理工程量大、施工强度高，难度可想而知。

▲右岸主厂房施工中摄／赵洋

▲白鹤滩水电站左岸3号尾水调压室施工中摄／黄春江

面对右岸坝肩开挖和边坡治理工程开挖量大、垂直高度大、坡度大、出渣条件差等难题，技术骨干们经过反复计算，不断优化技术方案。为解决道路的开挖和支护两大突出矛盾，建设者提出“分区开挖、渣料分流、确保强度，实现边坡快速下降；分区排架、快速周转、跟进开挖，实现边坡快速支护”的施工组织方案，实现了右岸高陡边坡安全快速开挖，平均每月下降26.2 m，最大月开挖量68万m3，创造了国内外开挖速度最快的纪录。

针对左岸延吉沟边坡治理，白鹤滩工程建设部与参建单位认真研究，对边坡开挖进行合理分区，优化施工方案，合理规划施工道路和出渣流向，科学配备各种性能优良的施工设备，做好各分项工程之间的工序衔接与交接面控制，保证连续高强度施工。为了提高造孔精度，对钻机进行改造，将“飘钻”控制在有效范围内。坝肩开挖质量检测数据说明，左岸坝肩爆破效果优良，预裂缝成缝好，底部一次爆破到位，无残留岩埂，建基面平整，预裂孔位均匀，残留半孔清晰，分布均匀，半孔优良率达到100%，平整度合格率达到100%，超欠挖合格率达到99.1%。平整光滑的坝肩建基面如同精美的艺术品，雕刻在金沙江畔。

治理后的左岸边坡摄／黄春江

首次将柱状节理玄武岩作为大坝坝基

“白鹤滩大坝工程首次将柱状节理玄武岩作为大坝坝基，这就需要解决坝基开挖后柱状节理玄武岩卸荷松弛问题，还得处理坝基边坡层间层内错动带变形和河床薄层角砾熔岩保护问题。由此带来的大坝建基面开挖保护处理难度以及所面临的挑战超出现有工程经验和规范要求，综合技术难度巨大，大坝结构复杂程度为世界拱坝之最。”中国工程院院士、三峡集团原总工程师张超然在接受记者采访时说。

面对世界级难题，三峡集团在工程建设前期就联合国内外科研院所开展了相关研究，邀请院士、专家进行咨询，结合工程建设实际，研发了双保护层分区分级开挖、复合散能爆破、深层快速锚固等创新技术，制定成套建基面开挖保护处理工法。提出了柱状节理玄武岩卸荷松弛变形控制技术、层内错动带卸荷回弹剪切变形控制技术、坝基薄层角砾熔岩开挖保护技术，首次成功地解决了利用柱状节理玄武岩作为特高拱坝建基面的世界难题。形成的《白鹤滩特高拱坝复杂坝基开挖保护与处理关键技术》创新成果，获中国岩石力学与工程学会“科技进步一等奖”。

▲右岸引水洞上平段施工形象摄／赵洋

开挖规模世界第一的水电工程地下洞室群

白鹤滩水电站各类洞室总长度达217 km，洞室开挖量达2500万 m3，其中地下厂房长438 m，岩梁以上宽34 m，岩梁以下宽31 m，高88.7 m，是国内外水电工程中规模最大的地下洞室群。

白鹤滩水电站处于深V形峡谷，两岸空间有限，所以需要开挖地下洞室布置相关设备。而这些洞室和通道就像一个巨大的地下迷宫，其建造并非易事。由于地下洞室所处地层为层间层内错动带发育的玄武岩地层，建造“地下迷宫”就像在一个奶油夹层大蛋糕里掏一个个洞，要保证外部不变形。

针对厂房开挖断面尺寸大、埋深大、地应力高、围岩地质条件复杂、岩性多变等难题，白鹤滩工程建设部组织科研单位和参建各方一起，通过研究揭示了高地应力下硬脆玄武岩破裂力学特性、错动带不连续变形特性、围岩深层分区破裂特性，构建了玄武岩洞室群围岩时空变形全过程调控的成套技术与方法，提出了“认识围岩、利用围岩、保护围岩、监测反馈”的思路，施工时采用“先洞后墙、浅层分块、薄层开挖”的施工方式，按照“短进尺、弱爆破、勤支护”的原则开展工作，有效解决了爆破振动对围岩稳定性影响大、超挖严重的问题。形成了适应高地应力玄武岩开挖卸荷导致时空松弛特点的快速施工工艺及配套设备。

为确保在大山深处造出坚实的地下厂房和通道，建设者开展大断面、深竖井混凝土施工技术创新，研发了“滑模平台姿态监控系统”，实时监控平台姿态，适时报警，将平台倾斜风险控制在萌芽，使混凝土的浇筑质量可以得到较好的控制。

白鹤滩水电站设计有8个圆筒式尾水调压室，直径42～48 m，高度112～128 m，为世界水电工程中直径最大的圆筒式尾水调压室群。

▲泄洪洞上平段边墙衬砌“镜面”效果摄／刘涛

尾水调压室所处地层具有埋深大、地应力高、柱状节理发育、层间错动带等地质构造复杂的特点，开挖时极易发生变形、破碎、掉块、崩塌等问题。确保尾水调压室穹顶成型和围岩稳定是开挖过程中的一大难题。

在总结国内类似工程施工经验的基础上，建设单位提出“先中导洞后两侧、分扇形条块、开挖区域逐步扩大、应力分期释放、对穿锚索支护跟进”的施工方案，据此实施，有效地解决了穹顶成型和围岩稳定问题。

尾水调压室开挖无论是半孔率、超欠挖率，还是开挖整体水平，都堪称雕刻精品、艺术品。

泄洪洞工程混凝土浇筑面像面“镜子”

白鹤滩水电站泄洪建筑物由大坝坝身6个表孔、7个深孔和左岸3条无压泄洪洞组成，无压泄洪洞群规模居世界第一。泄洪洞工程由进水口、平洞段、龙落尾段、出口挑坎组成。其中，龙落尾段最大流速达到47 m/s，最大坡度23度，对过流面混凝土抗冲耐磨、温控防裂和平整光滑提出了很高的要求。

针对泄洪洞高流速过流面混凝土抗冲耐磨防裂难题，全面采用低热水泥混凝土，采取先边墙、后顶拱、再底板的衬砌方案。为提高混凝土的抗冲耐磨和温控防裂性能，还采用了低塌落度常态混凝土浇筑方案。

如何适应龙落尾段大坡度和衬砌坡比、断面的变化？白鹤滩建设者研制了大坡度变断面液压自行走混凝土衬砌台车，以解决传统泵送混凝土浇筑方案无法适应龙落尾段大坡度及其施工通道有限的难题；在没有经验可借鉴、没有成熟工具可利用的情况下，研制了大坡度重载快速自动供料系统，攻克了大坡度环境下常态混凝土运输难题；研制了大跨度重型三辊轴底板混凝土整平设备，提高了泄洪洞底板高流速过流面收面效率和平整度；研发智能保湿养护设备，提高了混凝土养护效率，降低施工成本。通过一系列混凝土浇筑技术创新，泄洪洞混凝土实现了体型精准、平整光滑、耐磨防裂，达到“镜面”效果。

在白鹤滩泄洪洞施工现场，记者看见已经浇筑好的混凝土表面缓缓流淌着细水。据介绍，这是在进行混凝土养护，整套养护过程是通过“智能养护控制柜”实现的，参数设计好后，通过编程，系统自动控制调节养护水管的启动开关，实现自动养护。

▲智能建造——白鹤滩水电站中控室摄／韦凤年

▲白鹤滩水电站智能APP 摄／韦凤年

▲地下工程通风系统摄／黄春江

▲三层廊道智能灌浆系统摄／赵洋

通过严格的管理和精细的施工要求，泄洪洞工程混凝土浇筑达到了金结安装的精度标准，呈现“镜面”效果。“镜面混凝土”也因此成为泄洪洞工程的质量名片。

“智能建造”把控大坝建设全过程

在工程建设中，三峡集团提出“智能建造”的理念，即借助先进的智能分析和控制技术，确保整个建造活动处于持续稳定可靠状态，并实时分析现场情况、预测变化趋势，进而采取相应措施进行调控，实现对整个工程建造过程的全方位把控，保证工程安全、优质、高效顺利建成。

记者看到白鹤滩工作人员的手机上有一个名叫“白鹤滩智能通水2.0温控平台”的APP，据介绍这个由三峡集团和清华大学共同研制的智能通水成套装备和移动实时软件平台，通过在新浇筑混凝土坝块和水管中安装数字温度传感器，实时测量混凝土温度和进出水温。点开手机页面，各种温度控制参数尽在掌握。在冷却水管中还安装温度、流量、开度为一体的集成控制装置，实现动态智能控制。

大坝埋设了成千上万的传感器，利用数字技术对大坝全生命周期工作性态进行监控。生产施工中的数据都会被采集和分析，从而实现施工质量全过程的在线实时监控和预报、预警及智能控制，可以根据实际情况调整施工方案，做到全面感知、真实分析、实时控制。

在白鹤滩水电站中控室，大屏幕上展示了大坝浇筑进度、大坝温控、缆机运输强度等信息。白鹤滩大坝智能建造信息管理平台包涵了混凝土浇筑、温控、固结、帷幕灌浆管理模块等，可实现坝体混凝土温度精细化控制，结合工程实际可开展性态仿真、进度仿真，满足现场实际进度分析需要，为大坝施工提供较好的技术支撑。

记者在工地采访中感受到了智能建造、智能管理无处不在。在大坝基础帷幕灌浆、地下厂房帷幕灌浆等重要部位都能看到智能化的身影。采用的智能灌浆系统提升了灌浆作业过程标准化、规范化、智能化，减轻了工人劳动强度，改善了灌浆作业环境，取得了较好的效果。

在穿梭来往的运输车辆上也有智慧的“大脑”在管理着。运输车辆都安装了基于卫星定位技术的大坝砂石骨料车辆运输安全管理系统，实现了对车辆位置、车速、车辆周围环境等实时监控，并可对超速、危险路段进行语音提醒，提高了骨料运输安全保障，提升了计量管理水平。

研发的“四同时”管理信息系统对现场完工、工程计量、质量验评、资料归档进行严格、规范的管理。

围绕建设一流精品工程，建设者利用智能温控系统、智能通水系统等实时监控大坝温度，降低了热胀冷缩导致大坝裂缝的可能性。同时通过各种智能手段，确保大坝建设质量和安全。智能建造贯穿白鹤滩水电站整个工程的全生命建设周期。

质量安全双控打造精品工程

白鹤滩建设者始终把质量和安全放在首位，以“如临深渊、如履薄冰”的态度，以精益求精、追求卓越的大国工匠精神，全力以赴把白鹤滩水电站建设成为让党和人民放心的精品工程。

白鹤滩工程建设部以“不留缺陷、不留隐患、不留疑问”持续保持着高标准建好工程的质量控制意识，坚持安全生产绝对优先原则，监督各层级各岗位落实安全生产责任，以问题为导向认真排查风险管控过程中出现的缺失、漏洞和失效环节，坚决把隐患消灭在事故发生之前。

大坝施工中埋设智能感应系统摄／赵洋、谢雷

为保障工程质量，尤其是加强对隐蔽工程施工过程的管控，白鹤滩水电站工程实施了对关键工序、重点部位进行影像拍摄、收集、建档、保存，确保隐蔽工程关键工序可检查、追溯；结合过程清量、联合完工清量闭合及灌浆防伪码周核查制度，加强施工过程管控。

建立了施工区公共试验检测平台，确保混凝土工程各项原材料的检测数据真实性、可靠性、唯一性和可追溯性，实现水电工程从原材料到成品的全过程检测控制。

低热水泥混凝土打破“无坝不裂”魔咒

混凝土有水化热，浇筑入仓后体积膨胀，遇寒又会收缩，热胀冷缩后，致使大坝产生温度裂缝，因此有“无坝不裂”的说法。

针对特高拱坝防裂难题，白鹤滩大坝全坝应用低热水泥混凝土，充分利用低热水泥水化热低、水化缓慢、后期强度高的特点，有效降低混凝土最高温峰、推迟最高温峰时间、降低混凝土中水泥用量，同时充分利用低热水泥特点，降低混凝土生产时制冷量和混凝土温降时的通水量，解决了大坝无温度裂缝这一世界级难题。

在白鹤滩大坝防裂最常被提及的一个指标就是温度。全坝划分为31个坝段，每个坝段的每一仓混凝土都埋设有数字温度计和冷却水管，浇筑好的混凝土铺着“保温被”，现场还有降温喷雾器随时待命。

白鹤滩大坝全坝应用低热水泥混凝土总量达850万m3，这在国际上尚属首例，其应用可保证大坝基本上不产生宏观裂缝，打破了“无坝不裂”这个魔咒。

据介绍，白鹤滩所处的地形左高右低，为了防止大坝裂缝的产生，还进行了拱坝不对称性结构设计。

对坝基柱状节理玄武岩出露部位浇筑混凝土以扩大基础，有效降低坝趾压应力水平，确保了大坝“脚下有根”、受力均匀，减少裂缝的产生。

大坝坝基固结灌浆是建设无裂缝双曲拱坝的关键一环。白鹤滩大坝坝基施工全部采用全孔无盖重加表层引管灌浆的方式，完美解决了坝体均衡上升和温控防裂等方面的问题。

在基岩面处理、钢筋施工、模板施工、混凝土下料、平仓、振捣实行“一条龙”作业，收面、保湿、养护、保温环环紧扣，有力保证了施工质量。据介绍大坝混凝土自开浇以来，上下游面、横缝及仓面未产生一条温度裂缝。

2019年4月，在电站左岸15号坝段和右岸20号坝段分别取出两根直径219 mm，长20.3 m和20.59 m的低热水泥混凝土芯样，经检测，所取芯样骨料分布均匀、层间结合良好，混凝土外观面无蜂窝麻面，证明白鹤滩大坝真正做到了内实外光。

大坝混凝土浇筑取芯验收摄／黄春江

水垫塘反拱底板——被称为“青花瓷”般的艺术品

水垫塘是泄洪消能的重要组成部分，而反拱底板作为水垫塘的主体部分，其稳定性是实现消能防冲的关键，在泄洪消能中发挥着至关重要的作用。

作为目前在建水电站最大的反拱底板，顺河向仓面长度15 m，横河向宽度16.10 m。浇筑高程为563.22～573.50 m，垂直高差达10.28 m，平面最大面积241.50 m2。建设者克服了定型圆弧模板安装精度要求高、卷扬机施工困难、过流面圆弧段抹面质量要求高、一次性浇筑成型难度大等一系列困难。通过对施工过程的各个细节牢牢把控，4 m厚的结构混凝土一次性浇筑成型。

反拱底板在接受联合检查时，被专家称为“青花瓷”般的艺术品。这一点评不仅高度肯定了施工质量上的成绩，更是对施工工艺的极大赞赏。

这只是两例白鹤滩建设者在为打造世界一流精品工程所付出的努力，这样的事例在白鹤滩还有许多。

泄洪洞底板施工工艺可达“镜面”效果摄／赵洋

最美承诺：守好这一方绿水青山

在长江大保护中，白鹤滩水电站作为构筑长江生态屏障的重要一环，与流域梯级水库群共同承担着涵养、修复长江流域生态环境的重大责任。

据了解，三峡集团在白鹤滩水电站工程环境保护顶层设计的同时，立足具体项目精准发力，力求实现“大坝长青、江河不老”。白鹤滩水电站环境论证长达20年，三峡集团从流域、河段和项目三大层面对影响工程的生态环境敏感因素进行识别，使流域梯级开发与生态环境保护相适应。通过流域层面的环境观测和措施规划，以及对部分河段水生态环境修复、水生动植物保护和工程所在地环境治理，建立了一整套完善的环境保护体系。

为保护好白鹤滩库区水质，三峡集团投入大量资金，在库区配套建设污染防治体系和污水处理系统，并在金沙江下游建立相应的水生态监测系统实时观测反馈，切实保护水环境和水安全。

在业主营地后方建设有一个占地面积8.82万㎡的植物园,分为古树迁移保护区、珍稀苗木观赏区、乡土园林植物培育应用研究区三部分，其中古树移栽保护区用来保护从施工区和库区淹没线以下移栽过来的古树。这样既有利于古树集中保护，又美化了施工区环境。

施工区目前有4个生活污水处理厂，均采用先进的污水处理技术，确保每一滴排放的污水处理回用达标。生活废水处理后，水质各项指标全部达到《生活污水综合排放标准》一级排放标准，其中业主营地生活污水处理厂中水回用于营地和植物园的绿化养护。

面对生产废水处理的“老大难”问题，白鹤滩水电站工程给出了“绿色方案”。由建设部牵头对施工区砂石加工废水处理系统进行了改造升级，生产废水先后经过机械预处理、辐流沉淀池和机械脱水处理后，全部回用到砂石加工中，实现了砂石加工废水零排放，废水经处理达标后进行排放，或回用于施工区洒水降尘。

白鹤滩施工区属干热河谷气候，特有的地理、气候条件造成施工粉尘控制难、效果差。建设部为此牵头在钻孔、爆破、运输、翻渣、弃渣五个环节“对症下药”。施工区内大坝骨料运输全部采用LNG运输车——以低温液态天然气为燃料的新一代天然气汽车，既能满足施工续驶里程长的需要，又能有效减少汽车尾气排放。

▲上村梁子营地植物园摄／谢雷

▲古树保护摄／韦凤年

白鹤滩水电站位于群山之中，工程场内交通多是开凿的隧洞。由于施工通道布置复杂，地下洞室埋深大、通透性差，且多工作面、多工序持续平行交叉作业，施工环境要求高，施工通风难度大。传统的方法无法满足地下洞室群的通风需求，建设者采用变频电机及风带，采用自然通风与机械通风结合、正压送风和负压排风混合技术，解决了大规模、高埋深洞室群通风散热难题。爆破后30分钟内各工作面污染物浓度指标均低于国家规范要求。

地下洞室施工还有一大难题就是解决施工人员上厕所问题。据介绍，白鹤滩工程建设部积极推进施工区厕所革命，首批投入8座移动式真空环保厕所，有效保证了厕所干净卫生环保，提升了地下洞室施工环境。

在“绿色向心力”的驱动下，参建各方形成了共护绿水青山、共抓环境保护的工作氛围。