6月11日,烏東德水電站大壩工程全線貫通,首批機組進入投產發電倒計時。

  作為金沙江下游河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四個水電梯級中的最上游梯級,烏東德水電站創下了大壩單位壩頂弧長泄量世界第一、地下廠房高度世界第一、導流洞開挖斷面世界第一等多項世界紀錄。這些“高光數據”的背后,卻是建設條件復雜艱巨的現狀、建設規模與難度無先例的挑戰。

  攀登世界水電高峰,向科技要答案。烏東德工程建設者們將科技創新運用于工程規劃、設計、施工等各環節,形成了筑壩的強勁動力。

數千只“溫度計”打造恒溫大壩

  烏東德大壩最大壩高270米,平均厚度40米,厚高比僅為0.19,是目前世界上最薄的300米級雙曲拱壩,也是世界首座全壩應用低熱水泥混凝土澆筑的特高拱壩。

  大壩所在的金沙江干熱河谷,大風頻發,日照強烈,晝夜溫差大。壩體受溫度不均影響,極易產生裂縫。

  高壩大庫的建設質量和安全事關國計民生,業界以往有“無壩不裂”之說。但打造“無縫大壩”,是烏東德水電站工程的硬核目標。要實現“無縫”,首先要在混凝土上“下功夫”。

  混凝土中的低熱水泥堪稱大壩的“退燒藥”——發熱量低,能顯著降低混凝土最高溫度,有助于防止大壩溫度裂縫的產生。早在三峽工程建設期間,三峽集團就開始了低熱水泥的研究與實踐,并在烏東德水電站大壩建設中首次實現全壩應用。

  追求材料創新的同時,烏東德水電站也在“智能建造”方面更進一步。

  在烏東德智能通水系統中,數千支監測儀器埋設入壩體。這些儀器如同一支支敏感的“體溫計”,時刻記錄并反饋壩體溫度。當系統檢測到壩體部分過熱時,預埋在大壩中的管道便會對發熱部位進行通水冷卻。通過分析判斷,改變水管中的流量和水溫,系統可實現壩體溫度“微調”。

  除了壩體,周圍山體也在建設者“嚴密監視”范圍內。山體裂縫會影響水庫蓄水,而且萬一滲漏,也會對大壩安全產生影響。為此,建設者需要將水泥漿灌入山體裂隙,使巖石縫隙之間、大壩和山體之間“無縫可鉆”。

  為了提高灌漿質量,三峽集團歷時兩年研發出全自動控制智能灌漿系統,并在烏東德工程首次應用。系統可實現自動加水、加漿、配漿。“整個過程就像操作家里的自動洗衣機一樣簡單。”三峽集團烏東德工程建設部大壩項目部黃偉說。

  施工區內,信息技術和傳統大壩建設接口正在打通:得益于烏東德iDam2.0拱壩智能建造系統技術,一個共享、協同、交互的智能大壩業務管理平臺已然形成。在這個平臺上,智能振搗、智能通水、智能噴霧等技術協同發力,保障施工順利、穩定。

  據烏東德工程建設部大壩項目部楊寧介紹,“黑科技”造大壩已然滲透到工作的方方面面:“烏東德工程首次將紅外視頻監控技術與人工智能相結合,應用于大壩混凝土澆筑全過程,有效提升了施工質量精細化控制程度。”

“豆腐塊”里建“地下宮殿”

  烏東德地下電站廠房靠河床側布置于左右兩岸山體中,主廠房開挖最大寬度32.5米,高度89.8米,相當于30層樓,是目前世界最高的地下電站主廠房。

  在長江勘測規劃設計研究院副總工程師、烏東德項目設計總工程師翁永紅看來,地下廠房建設如同“在豆腐塊里施工”。

  確保安全,是工程建設的重中之重、難中之難。

  在地下廠房的開挖中,建設者們及時采取針對性措施,如淺層及深層加固處理等辦法,避免下挖后引發的山體變形等問題對工程進度產生影響;同時創新“小洞進大洞、先洞后墻、錨索深層加固”施工方案,確保山體受力平衡,同時進行填縫灌漿,增強巖體整體性,從而抑制變形增長,有效保障了施工安全。

  由于施工影響,地下廠房四周的巖體狀態、應力實時變動。為了掌握相關情況,“高邊墻開挖動態實時反饋分析系統”派上大用場。它可以進行三維設計,并根據安全監測數據進行實時計算,不放過四周巖體的任何“小缺陷”、“小動作”。

  同時,人員設備定位系統還能幫助管理人員實時看到混凝土運輸車、振搗棒、纜機等設備的位置,助力優化施工方案;人臉識別技術應用在工程的重要部位,代替傳統的工號牌。

  “很多新技術的應用,已顛覆了傳統,這樣的變化是革命性的。”烏東德工程建設部技術管理部劉科說。

  創新,不僅僅在技術,也在管理。

  為及時了解掌握施工和運行期間大型洞室圍巖應力、應變情況,烏東德水電站建立了“監控、量測、分析、反饋”系統以及“一般情況周報制、特殊情況日報制”等制度,從流程上保障了施工安全。

向巨型水輪發電機組“無人區”挺進

  烏東德85萬千瓦機組,堪稱世界水電的“無人區”。

  2006年起,長江勘測規劃設計研究有限責任公司牽頭開展烏東德、白鶴灘電站巨型水輪發電機組創新研究工作。在施工設計階段,設計機電埋件和施工安裝圖17000余萬張,校審廠家計算書和圖紙約近3000份。

  在水輪發電機組這個環環相扣的力學傳動系統中,最重要的部分是轉輪。它是將水流動能轉化為電能的主要運動裝置。

  可以說,轉輪直接關系著機組的穩定性和能量轉化的效能,是機組中研發難度最大、制造難題最多,也是最為精密的部分。

  為此,三峽集團組織國內外廠家開展烏東德水輪發電機組整體升級設計。通過十幾年的潛心研究,上百次仿真計算、模擬、實驗、優化,烏東德水輪機轉輪在保障高效率的同時,更是在核心參數方面全面提升。

  為保障機組運行穩定,機組的重要部件材料需要進行整體“升級”——有的要更輕、更薄,有的要更硬、更韌,以保證相應部位具備足夠的抗壓、抗撕裂的性能。

  為保障高水頭下的抗壓性能與成本控制,水輪機蝸殼首次大規模采用800兆帕高強鋼。這種鋼材通常用于起重機械的建造,比之溪洛渡、向家壩水電站所選用的600兆帕高強鋼,烏東德水輪機蝸殼具有更大的屈服強度和抗拉強度,可以在保障高性能工作的同時,大大節省了蝸殼總重、焊條量和人力成本。

  技術難點也同樣突出——與普通鋼板相比,800兆帕高強鋼的焊接無先例可循。焊接技術團隊花了一年多時間,攻克了一系列難題,掌握了高強鋼焊接技術。

  新材料、新工藝、新技術的背后,是三峽集團多年來與參與工程建設的國內外設計、制造、施工各方精誠合作,不斷攻克關鍵技術、創新建設模式,帶動中國水電裝備制造水平日益成熟的實踐。

  從巍峨大壩到地下廠房,再到巨型水輪發電機組,世界見證著這座綠色能源基地的崛起,烏東德也見證著中國水電工程多年來的創新求索。

  三峽集團黨組書記、董事長雷鳴山表示:“烏東德水電站工程建設中,開展了一系列技術和管理創新,攻克了一項項世界級難題,在地下工程、壩工技術、裝備制造等方面提升了中國乃至世界水電科技發展水平,展示了全球大型水電工程智能建造的‘中國智慧’。”(《中國三峽工程報》全媒體特約記者 王璐)