震撼！如何在海拔3000米之上修大壩 中國又一超級工程誕生
在中國的西部，由于山勢險(xiǎn)峻，水量充沛，這里大大小小的江河中一直蘊(yùn)含著巨大的水電資源。近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家對電力的需求越
在中國的西部，由于山勢險(xiǎn)峻，水量充沛，這里大大小小的江河中一直蘊(yùn)含著巨大的水電資源。
近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家對電力的需求越來越大，對西部地區(qū)的水電開發(fā)也越玩越“高端”：從長江中游海拔185米的三峽，到上游金沙江海拔834米的白鶴灘水電站，再到海拔2010米高的虎跳峽水電站……海拔越高，山勢越險(xiǎn)峻，落差越大，蘊(yùn)藏的水能資源越豐富，開發(fā)起來收益也越大。
可是再往上，到了海拔3000米，連人都會有高原反應(yīng)的地方，這水電站該怎么修呢？位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江兩河口水電站，正是在這樣的海拔上修建起來的土石壩。
它不僅海拔高，自身也高。通常70米以上的土石壩就被稱為高壩，而兩河口水電站則高達(dá)295米，比美國的胡佛大壩還要高出15層樓那樣的高度。
這樣一座水電站是怎么修建起來的呢？
（一）海拔高自身也高，土石壩是如何修建的？
顧名思義，土石壩就是利用當(dāng)?shù)赝亮稀⑹匣蚧旌狭现傻膿跛畨危c混凝土修建的拱壩和重力壩很不相同。
一座混凝土大壩的澆筑量少說也要幾百萬噸，如三峽大壩這樣的巨型大壩，混凝土的澆筑量甚至超過7000萬噸。每噸混凝土的造價(jià)要一百多元，因此光是混凝土的造價(jià)就高達(dá)數(shù)億元。
要是在平原地帶或者公路運(yùn)輸通暢的地方，這個(gè)混凝土價(jià)格尚且可以接受；但兩河口水電站位于高山深谷之中，交通極不便利，不僅使得混凝土的運(yùn)費(fèi)大幅上漲，一旦因?yàn)閻毫犹鞖夂吐窙r阻礙了交通，混凝土在供應(yīng)量上也很難跟得上，會嚴(yán)重影響工程的進(jìn)度。
因此，建設(shè)者們只好就地取材，利用當(dāng)?shù)刈畛Ｒ姷乃槭M(jìn)行建設(shè)。
雖然名為土石壩，但大壩不可能完全由土石建成。土石的簡單堆積體透水性極強(qiáng)，起不到擋水作用，在長期水流沖擊下也很容易被水沖潰。因此，現(xiàn)實(shí)中的土石壩是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體。
大壩中心位置的心墻是由防滲性極強(qiáng)的黏土填充而成，而起保護(hù)作用的外殼則是由抗壓性極高的砂石填筑。這些砂石都經(jīng)過嚴(yán)格篩選，不僅本身的強(qiáng)度要非常高，而且還要大小搭配均勻，級配良好，這樣才可以在堆積過程中將砂石之間的縫隙填充得盡可能密實(shí)，提高大壩整體的強(qiáng)度。
土石壩所用砂石
土石壩中心的心墻，向來是土石壩的核心技術(shù)，其施工難度隨壩體高度的增加而升高。它不僅要起到重要的防滲作用，而且還兼具著維持壩體穩(wěn)定的重要作用。其施工難度大，對材料要求高，因此常常成為決定工期和工程質(zhì)量的重要指標(biāo)。
經(jīng)過多方勘察、比選上下游的14個(gè)土料場發(fā)現(xiàn)，兩河口大壩周邊土料的抗?jié)B性能雖然可以滿足超高壩防滲要求，但總體顆粒偏細(xì)，壓縮模量、力學(xué)指標(biāo)偏低，協(xié)調(diào)變形性能不能滿足超高壩的要求，需要摻加礫石改性。
土石壩心墻示意圖
在心墻中摻加礫石會提高心墻的強(qiáng)度，但同時(shí)也會降低抗?jié)B性能。此外，摻加礫石的種類也會對心墻的性能造成影響。
經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，工程師們最終找到了最佳的填充方式，使得心墻的強(qiáng)度和抗?jié)B性能都能達(dá)到要求。
（二）砂石填筑量達(dá)一億噸，砂石中的學(xué)問可不小
松散的砂石本身并不具有強(qiáng)度，土石壩需要依靠砂石層層向上傾斜的堆積維持強(qiáng)度，因此土石壩的厚度往往很大，相同規(guī)模的土石壩所用砂石量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土壩的材料用量。
兩河口水電站的砂石填筑量就達(dá)到了一億噸，比三峽大壩還多。為了維持如此巨大的砂石供應(yīng)，兩河口水電站建設(shè)項(xiàng)目專門開辟了幾座山做為采石場。為了修建整座土石壩，需要消耗兩萬噸炸藥，這相當(dāng)于一顆廣島原子彈的當(dāng)量。
然而，由于土石壩對于砂石的質(zhì)量要求很高，能夠?yàn)榇髩翁峁┒蚜系纳讲⒉欢唷?/span>
傳統(tǒng)的平行起爆方法爆破方法比較差，產(chǎn)生的碎石最大尺寸太大，級配不合格。因此，工程改用了較為少見的斜線起爆的方式。
經(jīng)過艱苦的跟蹤試驗(yàn)，反復(fù)調(diào)整爆孔和炸藥的技術(shù)參數(shù)，爆破工程師們找到了最佳的解決方案，將碎石的最大粒徑降低到了0.8米以下。
石料開采爆破現(xiàn)場
每次爆破可以炸出5萬立方米、十萬噸左右的砂石，這些砂石攪拌均勻后會被運(yùn)到山下的填筑場。
光有質(zhì)量合格的砂石還不夠，在填筑過后，這些砂石料還要經(jīng)過反復(fù)的碾軋才能達(dá)到足夠的致密程度，這樣才足以抵擋相當(dāng)于三萬臺推土機(jī)的江水壓力，并起到保護(hù)大壩心墻的作用。
如果碾軋不緊實(shí)，大壩就會在使用的過程中發(fā)生不均勻沉降，嚴(yán)重影響大壩的質(zhì)量，甚至容易被水沖潰。在碾軋的過程中，工程中的每臺碾壓機(jī)都要碾過相當(dāng)于繞地球六圈的路程才能將大壩夯實(shí)成合格的狀態(tài)。這會將整座大壩壓低30米，相當(dāng)于10層樓的高度。
但是，施工現(xiàn)場有那么多臺碾壓機(jī)，應(yīng)當(dāng)如何控制碾壓機(jī)的軌跡和工作程度，以使得壩體得到充分碾軋呢？
工程師們研發(fā)了一種能夠通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)來追蹤碾壓機(jī)軌跡的方法，能夠直接監(jiān)控每一臺碾壓機(jī)的工作情況，精確指導(dǎo)碾壓機(jī)的每個(gè)動作。
在碾軋完成后，現(xiàn)場工程師還要對每一處碾壓成果進(jìn)行精密的檢測。設(shè)計(jì)圖紙上的坐標(biāo)信號被傳送到RTK基站，信號和太空中的北斗衛(wèi)星進(jìn)行比對，再反饋到現(xiàn)場的質(zhì)檢工程師手中。如此一來，填筑的平整度和密實(shí)度誤差就能被控制在厘米級以內(nèi)，大壩的質(zhì)量得到保障。
（三）維持邊坡穩(wěn)定的近5萬噸鋼材，全靠人拉肩扛
橫斷山脈的高聳山峰和狹隘崖壁形成1000多公里長的雅礱峽谷，這樣的地形很適合修建攔河大壩。
勘探人員們用了半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間找到了兩河口這個(gè)建設(shè)大壩的最佳地點(diǎn)，兩河口之間的花崗巖強(qiáng)度極高，可以作為基巖支撐這座世界最高的土石壩。
盡管兩岸巖土堅(jiān)實(shí)，然而一座上億噸重的土石壩憑空出現(xiàn)在河谷當(dāng)中，還是會打破原有的巖體結(jié)構(gòu)和受力平衡，對區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件造成巨大改變。
兩河口水電站位處橫斷山脈中央，是印度洋板塊和亞歐板塊碰撞的交匯處，正處于地震帶上。因此，在這六百多米高的尺度上，陡峭的邊坡穩(wěn)定性仍然無法保障，需要進(jìn)行人為的支護(hù)。
對整座山進(jìn)行支護(hù)，需要將鋼錨索插入山體中，將山體巖石牢牢拉住，這原本是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)。但這項(xiàng)工程總共要消耗一萬五千根錨索，鋼材總重近5萬噸，相當(dāng)于一座“鳥巢”的用鋼量。將這些鋼材運(yùn)送到海拔3000米、交通不便的山上，很大程度上并不依賴什么高科技，而是依賴最原始的人拉肩扛。
靠這種最原始的建設(shè)手段，兩河口水電站的工人們建成了世界上最高的邊坡支護(hù)，并能抵御8級地震，創(chuàng)下了世界紀(jì)錄。
（四）土石壩的發(fā)電布置，不僅僅是一座大壩那么簡單
不同于整體性的混凝土壩可以將發(fā)電設(shè)備直接嵌入壩體內(nèi)，土石壩的內(nèi)部是實(shí)心堆積的砂土，因此水壩只是將水?dāng)r住，再通過一條引水洞將水引出，在下游布置電站。這樣，相當(dāng)于將整條河流裝進(jìn)了一條密閉通道中，最大限度地利用河水的動能。
土石壩的水壩與電站布置示意圖
在兩河口水壩的側(cè)面，人們挖掘了一個(gè)長276米，寬29米，高76米的地下電站。這條足以停放6架波音747的渦輪機(jī)主廠房將來會安裝6座3400噸重的巨型發(fā)電機(jī)組。江水通過壓力引水洞被引入水輪機(jī)中，驅(qū)動水輪機(jī)組轉(zhuǎn)動發(fā)電。消耗掉動能的水再從輪機(jī)下方的排水道排出電站，進(jìn)入下游河道。
土石壩盡管可以利用全部的河水能量，但卻絕不能將河流全部堵死。
為了雅礱江內(nèi)的魚類和其它水生動物能夠不受影響地生存和繁殖，水電站還專門規(guī)劃出了一條魚類的生存通道，讓它們可以沿著這條通道自由地遷徙到雅礱江的上游，而大壩攔河形成的114平方公里的水庫本身也將成為魚類的重要棲息地。
可以說，兩河口水電站不僅提供了清潔的電力，在其他的方方面面也是一樣環(huán)境友好。
結(jié)語
兩河口水電站預(yù)計(jì)將在2021年底首臺機(jī)組發(fā)電，2023年底完全竣工。屆時(shí)，它的年發(fā)電量高達(dá)110億千瓦時(shí)，相當(dāng)于535萬噸原煤的發(fā)電量，可供上海市一個(gè)夏季高峰期的用電所需。
此外，作為雅礱江的最上游電站，它還具有蓄水蓄能、分擔(dān)長江中下游防洪任務(wù)、改善長江航道枯水期航運(yùn)條件的功能和作用，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。（作者 清華大學(xué)土木工程博士）
原標(biāo)題:震撼世界！如何在海拔3000米之上修大壩，中國又一超級工程誕生
責(zé)任編輯：李鑫
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