在建规模世界第一 白鹤滩水电站都有哪些黑科技?
发布时间:2018-04-22 17:34:00  点击665

        我们知道,世界上规模最大的水电站,是总装机容量2250万千瓦的三峡电站。那世界上第二大的水电站在哪里呢?答案是:也在中国。 

   准确地说,它就在三峡大坝的上游不远处,它就是总装机容量1600万千瓦的白鹤滩水电站。 

   一条江上真的容得下两座这么大的水电站吗?请容我细细道来。 

  (一)不算不知道,整个长江竟然蕴藏着八个三峡 

  长江,尤其是上游的金沙江落差很大,水量丰沛,蕴藏着数不尽的水能资源,水电富集程度居世界之最。经计算,中国西南的长江水系中可供开发的水电总量可以达到8个三峡的总装机容量。 

  在中国金沙江水电基地的规划中,在三峡以上的流域中共规划了20座大大小小的水电站,将金沙江变成了一个水库连接一个水库的平湖。整个梯级开发成功后,金沙江上游藏川段丰富的水能资源将借助超高压或特高压电网通过四川转送华中、华东电网,成为中国西电东送的主力,为中国的去煤化和环境保护做出巨大贡献。

(长江干流剖面图)

 

   这其中,白鹤滩水电站就是最大的一座。 

  它位于云南省巧家县大寨镇与四川省凉山彝族自治州宁南县六城镇交界的白鹤滩,上游与乌东德梯级电站相接,下游尾水与溪洛渡梯级电站相连,是金沙江下游河段四个梯级开发的第二级,也是发电量最大的一级。 

  白鹤滩水电站的拦河坝为混凝土双曲拱坝,高289米,坝顶高834米,顶宽13米,最大底宽72米。相比起宽达2308米的三峡大坝,白鹤滩大坝显得十分狭窄,水量也与三峡大坝有着明显的差距。但金沙江巨大的落差使得等量的水在这里蕴藏着更加巨大的能量,看起来小小的白鹤滩水电站却拥有着接近三峡大坝的发电能力。 

  可以说,在金沙江开发水电,效率高得惊人。

  

  (二)发电量接近的三峡和白鹤滩水电站,为何形状却大不相同? 

    三峡水电站和白鹤滩水电站,作为两个发电量接近的电站,形状看起来却完全不同。

    三峡大坝是一条笔直的大坝,两侧很宽,又矮又长,横截面是一个直角梯形。而白鹤滩大坝则看起来又薄又高,全坝呈水平的拱形,凸边面向上游,两端紧贴着峡谷壁。 

  是什么造成了这种区别呢?

   

  

        原来,三峡大坝和白鹤滩大坝,恰好是两类最重要水坝的典型代表:重力坝和拱坝。 

  水坝的两侧水压不均,上游压力大,下游压力小。随着两侧水高度差的增加,这种压力差往往能达到十几个大气压之多。水坝要想正常工作,就必须平衡这一巨大的压力差。其中,重力坝是依靠坝体自重产生的压力来抵消水压力的,而拱坝则是借助于拱的形状将水压传递给两侧的岩体。 

  相对而言,重力坝的结构冗余度较大,因此比较安全可靠,耐久性好,可以抵抗渗漏。即使发生洪水、地震、战争等灾难对水坝造成了破坏,只要你没有把坝体移走,那么被破坏后完全失效的重力坝残骸也仍然拥有挡水的能力,不会瞬间发生泄洪,对下游造成毁灭性的破坏。 

  对于三峡这一容不得半点闪失的国家重要枢纽工程,采用重力坝的坝体模式是十分科学的。尤其是长江在三峡段的江面十分宽阔,两侧也缺乏足够坚固的基岩可以传力,重力坝恰好可以应对这样的环境。

 

(重力坝示意图)

 

  不过,对于白鹤滩水电站这样的大坝,重力坝的模式就显得不合时宜了。 

  白鹤滩水电站的落差很大,重力坝要想承担这么高的压力差,所需要的大坝体积将会极其惊人。这既造成极大的材料浪费,拖延工期,而且也对地基造成了巨大的压力。 

  而采用拱坝模式,则大大提高了坝体的利用效率,让大坝的每一处都能均匀受力,也大大减轻了地基的压力。此外,由于金沙江白鹤滩处水面狭窄,两侧的山体比较坚实,恰好能够承担拱坝传递过来的水压力。

 

(拱坝示意图)

 

  在各种拱坝形式中,白鹤滩大坝属于形式最为科学的一类,叫做双曲拱坝。它的坝体为双曲面,受力模式最为科学,可以使拱坝的厚度减小、坝高增大。尤其是对于白鹤滩这样的V型河谷,可以有效地节省坝体材料,同时提高安全性。

 

(白鹤滩的V形河谷)

 

  (三)位处滑坡段下游,白鹤滩水电站如何保证地质安全? 

  白鹤滩水电站所处的位置,地质条件还算稳定,但在其上游仅5公里处就是地质学中著名的金江滑坡。这是一处在四万五千年间经历了四次滑动破坏的滑坡体,其堆积体积达1.58亿立方米,平均厚度达56米。 

  金沙江中下游本来就处于印度洋板块与亚欧板块的碰撞断裂带上,这里地震频发,岩层破碎,很容易发生地质灾害。当受到地震或其它外界扰动时,这部分滑坡体是否会发生进一步变形,并对下游的坝体产生影响?(作者  清华大学土木工程博士)

 

 

   对此,成都理工大学进行了专门的研究。经过细致地实地考察和数学模拟分析,研究人员发现,金江滑坡的整体稳定性很好,整体失稳的可能性不大,但仍然存在局部失稳的可能。 

  经计算,如果确实受到8度强烈地震的作用,滑坡体发生失稳滑落时,会在下游5公里的大坝处掀起6米左右的浪高。这虽然会对大坝的正常使用造成一定的威胁,但不存在翻坝的危险。 

  此外,白鹤滩水电站还有更高层面上的安全保障。 

  在白鹤滩水电站下游245公里处,就是与其相配合的溪洛渡水电站。它的发电量与白鹤滩水电站接近,二者相互配合,即使白鹤滩水电站发生了事故,溪洛渡水电站处所形成的次生洪峰也只会引起江水位上涨4米。 

  这对防洪库容达42.8亿立方米的溪洛渡巨型水利枢纽基本上不构成威胁,对于整个金沙江的安全通航和下游的防洪也不会造成威胁。

 

  (四)几百米高、几十万吨重的巨型大坝如何维持坚固? 

   大坝与普通建筑最大的不同点就是其体积巨大。

   在几百米、几十万吨的尺度上,在人类看起来坚如磐石的混凝土结构也会显得十分柔软。外界条件稍有变动,或是内部应力稍微错乱,再坚硬的大坝也会像饼干一样发生开裂乃至破坏。因此,大坝的建设者必须十分精密地计算和施工,才能让大坝维持稳固。

 

 

   大坝的建设需要面临的首要问题,就是大坝自身的体积变化。

    大坝浇筑时,混凝土本身会水化放热,在浇筑入模后会发生体积膨胀。膨胀本身问题不大,但当后期温度逐渐下降时,已经成型的混凝土又会发生收缩。 

  对于普通的建筑而言,这种收缩问题还不大;但大坝的体积巨大,内外都有很强的约束,这种收缩就会产生强大的拉应力,将坝体拉出许多的裂缝。因此,在筑坝领域向来有无坝不裂的说法。 

  然而,裂缝对于大坝质量的影响又很大。裂缝会导致大坝渗水,进而产生内部的腐蚀和结构破坏。也正因为如此,能否控制得好大坝开裂,成为了衡量大坝建造成功与否的重要标准。 

  为了控制裂缝,白鹤滩水电站多种措施并用。 

  大坝全面采用了新型低热水泥,其水化放热量远低于普通水泥。这在世界上还是第一次。 

  对于全坝31个坝段,每一仓混凝土中都在不同位置处埋设有数支温度传感器和循环冷却水管,可以实时监测混凝土内部的温升,并进行有针对性的降温。浇筑好的混凝土铺着保温被以隔绝外界阳光直射,现场还有降温喷雾器随时待命。 

  如此一来,大坝各处的混凝土温度都低于设计要求2-3℃,有效地防止了开裂。

 

 (大坝的控温)

  除了内部温度因素外,外部的地质变动也会导致大坝变形直至开裂。白鹤滩水电站附近的岩层有一个独特的地质现象,就是玄武岩柱状节理。这种节理很容易产生松弛、崩落等现象。

 

 (玄武岩柱状节理)

 

  针对这种不良地质环境,工程师们对表层岩体进行了锚固、强化灌浆等处理。此外,还对拱坝进行了不对称性结构设计,对玄武岩的露出部位设置了混凝土扩大基础,有效降低坝趾的压应力水平,确保大坝脚下有根,防止大坝的不均匀沉降。

 

  结语 

  2018年,白鹤滩水电站的主体结构建成,首批机组开始发电。预计到2022年,整个水电站都将彻底完工,白鹤滩将成为世界第二大水电站。 

  它不仅能够自身发电,还能有效地调节金沙江的水流,增加下游溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝等梯级水电站的年发电量24.3亿千瓦时,明显改善下游各梯级的电能质量,减少高峰期废电,增加枯水期有效电,发电效益巨大。 

  建成后,白鹤滩水电站不仅将成为中国西电东送的一大主力,而且也会对地区社会经济发展必将起到积极的带动作用,做到以电扶贫