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“豆腐块”里建大坝,世界最薄双曲拱坝太难建了(图)

新闻来源: 了不起的中国制造 于2020-08-04 17:03:04  提示:新闻观点不代表本网立场

 作者 | 一安电流,电力从业人员

  作为清洁能源的主力军,水电一直以来被寄予厚望,水电多了,或许雾霾就少了。

  在四川会东县和云南禄劝县交界的金沙江河道上,有这样一座水电站,它是目前我国已核准建设的第三大水电站,于前不久刚实现首批机组发电,预计2021年全部机组投产发电,建成后将成为中国第四、世界第七大水电站,它,就是乌东德水电站。

  

  (乌东德工程上游面全景)


  乌东德水电站是金沙江下游河段四个梯级水电站(其他三位按照江水流向分别是白鹤滩、溪洛渡、向家坝水电站)的最上游一级,装机容量1020万千瓦,两岸将各安装6台单机容量85万千瓦的水轮发电机组,预估平均年发电量约389.1亿千瓦时。

  这是什么概念呢?2019年,北京全社会用电量累计为1166.4亿千瓦时,也就是说一个乌东德可以供应北京2019全年用电量的33%,堪称“高产”。

  

  (金沙江下游四大水电站)

  乌东德水电站主要由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物三大部分组成。挡水与泄水建筑物均为混凝土双曲拱坝,另外岸边泄洪洞辅助泄洪,混凝土双曲拱坝,河床建基面高程718米,坝顶高程988米,最大坝高270米,底厚51.41米,建成后将成为世界最薄的300米级双曲拱坝。

  (一)为什么要选金沙江做梯级水电基地?


  金沙江地处喜马拉雅火山地震带,频繁的地壳运动造就了诸多高山深谷,也造就了金沙江水位落差巨大、水能资源丰富的独特优势。

  从中国国情来看,70%的水电资源都集中在西南,这一地区正处在印度板块向亚洲板块的挤压带,同时天然峡谷与水资源也在这里产生,相伴相生。而修水电站就是要利用淹没土地少、水库大的峡谷优势,就是要选择高山峡谷作为坝址;而高山峡谷从地质构造成因来说,多半是在火山地震带上,也就是说建水电站多半都绕不开抗震的问题。

  

  (世界火山地震带)

  但是综合来看,金沙江占据着巨大的水能资源,其蕴藏量达1.124亿千瓦,约占全国的16.7%,可开发水能资源达9000万千瓦,其水能资源的富集程度堪称世界之最,所以在这里建梯级水电,是相当划算的。

  目前,金沙江全流域共计划开发27级水电站,数量之多令人叹为观止,从四川攀枝花至宜宾的下游河段四级水电站(开篇提到的那四位),装机总容量相当于2个三峡水电站。

  

  (长江主干流域梯级水电站分布图)

  乌东德水电站所择坝址处于狭窄河谷,地形完整,构造简单,岩体质量优良,是国内难得的优良高拱坝坝址。

  (1)拱坝宽高比小,大坝安全性高

  乌东德拱坝宽高比接近1比1,也就是坝顶河谷的宽度与坝高的几乎一样,这种大坝承受的水推力小,安全性高;另一方面,大坝体型较薄,便于施工质量控制。另外,乌东德拱坝最大厚度仅50米,平均只有40多米,体型薄,施工也相对容易。

  (2)坝址的地形地质条件优越,有利于防震抗震

 
 乌东德水电站地处西南地震高发区,大坝抗震水平的高低直接决定了电站的质量水平。

  在乌东德预可行性研究阶段,水电工程抗震专家陈厚群院士谈到乌东德水电站的抗震设计时表示,因为乌东德水电站坝址河谷非常窄,两岸的岩石也很完整,地形比较对称,其地震强度属于中等水平,这在西部众多高坝当中是十分罕见的。

  经过计算分析,在地震工况下,乌东德水电站的拱坝中高部拉应力比上下游大部分水电站的应力都要好。从抗震角度来讲,乌东德坝址具有天然优势,适合建高拱坝。

  (二)世界最薄的双曲拱坝建造难在哪儿?


  都说中国是“基建狂魔”,基建搞起来又快又好,没有任何困难能够难倒中国的工程师们,在修建大坝上,我们的技术也是世界一流的。

  既然如此,那乌东德水电站这双曲拱坝应该也不在话下吧?事实是,这次又碰上了一块“硬骨头”,偏偏我们就爱挑战自己。

  首先说说为什么建双曲拱坝,这种大坝适用于地势险要、江面不十分宽阔但落差大的地形地貌,在一般大型水电工程中很少采用。由于坝体垂直看一面呈弧形,水平看坝底也成弧形,故名双曲拱坝。

  双曲拱坝依靠水和坝体之间的物理作用形成坝的稳定状,可大大节省建设材料,建设乌东德大坝用混凝土约为三峡电站的五分之一。

  

  (双曲拱坝)


  刚才我们已经提到,在这里建水电站,抗震抗洪是绕不开的问题,在陡峭山壁建坝如何防震防洪呢?

  施工人员提出了“静力设计、动力调整”的体形设计方法,以较小代价即可显著增大抗震能力。该方法的基本思路是:按非地震工况优选一个基本体形,即“静力设计”体形;在“静力设计”体形基础上,调整优化约束条件,得出一组体形,再逐一进行动力计算,得到符合预期要求的体形。

  在泄洪方面,乌东德水电站采用坝身和岸边联合的泄洪方式,利用深水垫及硬岩横向谷较好的边坡条件以简化消能泄洪方案,最终大坝采用坝身5个表孔、6个中孔、岸边3条泄洪洞的联合泄洪方案,取得了良好效果。

  除了抗震抗洪外,由于乌东德大坝的“纤细身材”需要承载起千万级特大型水电站的蓄水需求,所以它面临的第二个,也是主要的挑战来自坝体内部——防裂缝。

  坝越薄,抗裂缝的能力越差,一旦裂缝坝就会漏水就会失去作用。为预防开裂,坝体需要保持连续上升,大坝浇筑的每一个单元浇筑间隔不能超过14天,但是坝址所在为干热型河谷,环境温度高,内外温差极易导致混凝土裂缝。

  为有效控温,工程采用了新研发的智能通水2.0系统对大坝混凝土进行通水冷却,开创了实时控温、自动控制、精准把控的新模式,完美实现了浇筑无缝大坝的目标。

  乌东德水电站坝址两岸岸坡陡峭,为狭窄“V”型河谷,大坝为混凝土双曲拱坝,坝高270米。考虑到坝体有5个表孔、6个中孔,岸边还有3条泄洪洞,结构复杂,金属结构安装与混凝土浇筑又交叉进行,适合布置缆机浇筑混凝土。

  乌东德水电站遇到的第三个问题就是,高山深谷如何进行缆机布置。

  

  (河谷两岸高程图与低位方案缆机平面布置图)


  从高程图来看,左岸缓台与右岸缓坡对称分布不同,缓台与缓坡相对高差达70米,故需对两岸缆机平台调节研究,以获得最优缆机布置。施工人员根据两岸地形地质条件,结合投资、效率与安全考虑,最终选取运行效率高、投资适中、适应性好的低位方案作为大坝缆机布置方案。

  该方案沿山脊布置缆机平台,贴合电站进水口布置和倾向上游的缓坡地形,以最小开挖量保证了大坝的正常施工。

  (三)建造梯级水电站对生态有什么影响?

  毫无疑问,建造梯级水电站会对生态环境造成一定影响,因为梯级水电站的本质就是将水能丰沛的一段河流围起来,圈成“湖”,最终该段河流的生态就会演变成类湖泊的一种生态系统。

  科学研究表明,水坝上游因为水速较缓,营养物质容易富集沉淀,容易滋生水草、藻类,而水坝下游的鱼类无法洄游,种群繁衍也受到了影响。但是,是否因此便真的有必要放弃水能这种易得的清洁能源呢?我们应该理性看待这个问题,相信并寻求一种既能满足人类社会能源需求又能最小程度干扰自然生态的处理方式。

  乌东德大坝建立在水流落差最大的上游位置,对鱼类洄游影响不太大,且大坝设置的众多泄洪孔洞也最大程度维持了河流的生态原貌。

  乌东德水电站选址处周围人口也比较稀少,不用大量迁徙人口,1万千瓦仅需迁移40多人,在此建坝对陆地生物的生存环境影响也较小。

  综合考虑,乌东德水电站及其领衔的梯级电站蕴含的巨大的能源价值将进一步推动社会发展,其建设的有益面大于不利面。

  随着技术的进步,未来我们将更好地建设与自然和谐共生的生态型建筑,这需要社会各界的共同努力。

  

  (乌东德水电站夜景)


  结语


  金沙江梯级水电站是代表着世界水电最高水平的创新工程和智能工程,乌东德水电站大坝代表着中国筑坝技术的先进水平,面对复杂的气候和地质条件,乌东德水电站创造了诸项世界第一,树立了中国水电工程技术领先世界的新标杆。

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  [参考文献]


  1世界最薄300米级双曲拱坝乌东德水电站泄洪洞进水塔全线封顶,https://www.hb.chinanews.com/news/2018/0929/311048.html

  2世界上最薄特高拱坝——乌东德水电站大坝整体浇筑过半,https://news.bjx.com.cn/html/20181029/937398.shtml

  3探访金沙江两大在建水电工程:“智造”大国重器,https://news.bjx.com.cn/html/20181008/931978.shtml

  4中国是世界拱坝大国也是世界拱坝强国——在《特高拱坝建设总结及安全运行管理研究》会议上的发言,[期刊论文]朱伯芳,ZHUBofang-《水利水电技术》2017年2期

  5国内难得的优良高拱坝坝址——院士谈乌东德水电站

  [期刊论文]周双超,王波,刘鑫,ZHOUShuang-chao,WANGBo,LIUXin-《四川水力发电》2010年3期

  6乌东德大坝施工缆机布置方案研究,[期刊论文]王翔,梁仁强,翁永红,WANGXiang,LIANGRenqiang,WENGYonghong-《水利水电技术》2014年1期

  7乌东德水电站拱坝坝基岩体松弛特征研究,[期刊论文]王吉亮,许琦,黄孝泉,郝文忠,杨静,魏雨军,周炳强,徐磊,WANGJiliang,XUQi,HUANGXiaoquan,HAOWenzhong,YANGJing,WEIYujun,ZHOUBingqiang,XULei-《资源环境与工程》2017年4期
网编:睿文

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