在建規(guī)模世界第一 白鶴灘水電站都有哪些黑科技?
我們知道,世界上規(guī)模最大的水電站,是總裝機容量2250萬千瓦的三峽電站。那世界上第二大的水電站在哪里呢?答案是:也在中國。準(zhǔn)確地說,它...
我們知道,世界上規(guī)模最大的水電站,是總裝機容量2250萬千瓦的三峽電站。那世界上第二大的水電站在哪里呢?答案是:也在中國。
準(zhǔn)確地說,它就在三峽大壩的上游不遠處,它就是總裝機容量1600萬千瓦的白鶴灘水電站。
一條江上真的容得下兩座這么大的水電站嗎?請容我細(xì)細(xì)道來。
(一)不算不知道,整個長江竟然蘊藏著八個三峽
長江,尤其是上游的金沙江落差很大,水量豐沛,蘊藏著數(shù)不盡的水能資源,水電富集程度居世界之最。經(jīng)計算,中國西南的長江水系中可供開發(fā)的水電總量可以達到8個三峽的總裝機容量。
在中國金沙江水電基地的規(guī)劃中,在三峽以上的流域中共規(guī)劃了20座大大小小的水電站,將金沙江變成了一個水庫連接一個水庫的平湖。整個梯級開發(fā)成功后,金沙江上游藏川段豐富的水能資源將借助超高壓或特高壓電網(wǎng)通過四川轉(zhuǎn)送華中、華東電網(wǎng),成為中國“西電東送”的主力,為中國的去煤化和環(huán)境保護做出巨大貢獻。
(長江干流剖面圖)
這其中,白鶴灘水電站就是最大的一座。
它位于云南省巧家縣大寨鎮(zhèn)與四川省涼山彝族自治州寧南縣六城鎮(zhèn)交界的白鶴灘,上游與烏東德梯級電站相接,下游尾水與溪洛渡梯級電站相連,是金沙江下游河段四個梯級開發(fā)的第二級,也是發(fā)電量最大的一級。
白鶴灘水電站的攔河壩為混凝土雙曲拱壩,高289米,壩頂高834米,頂寬13米,最大底寬72米。相比起寬達2308米的三峽大壩,白鶴灘大壩顯得十分狹窄,水量也與三峽大壩有著明顯的差距。但金沙江巨大的落差使得等量的水在這里蘊藏著更加巨大的能量,看起來小小的白鶴灘水電站卻擁有著接近三峽大壩的發(fā)電能力。
可以說,在金沙江開發(fā)水電,效率高得驚人。
(二)發(fā)電量接近的三峽和白鶴灘水電站,為何形狀卻大不相同?
三峽水電站和白鶴灘水電站,作為兩個發(fā)電量接近的電站,形狀看起來卻完全不同。
三峽大壩是一條筆直的大壩,兩側(cè)很寬,又矮又長,橫截面是一個直角梯形。而白鶴灘大壩則看起來又薄又高,全壩呈水平的拱形,凸邊面向上游,兩端緊貼著峽谷壁。
是什么造成了這種區(qū)別呢?
原來,三峽大壩和白鶴灘大壩,恰好是兩類最重要水壩的典型代表:重力壩和拱壩。
水壩的兩側(cè)水壓不均,上游壓力大,下游壓力小。隨著兩側(cè)水高度差的增加,這種壓力差往往能達到十幾個大氣壓之多。水壩要想正常工作,就必須平衡這一巨大的壓力差。其中,重力壩是依靠壩體自重產(chǎn)生的壓力來抵消水壓力的,而拱壩則是借助于拱的形狀將水壓傳遞給兩側(cè)的巖體。
相對而言,重力壩的結(jié)構(gòu)冗余度較大,因此比較安全可靠,耐久性好,可以抵抗?jié)B漏。即使發(fā)生洪水、地震、戰(zhàn)爭等災(zāi)難對水壩造成了破壞,只要你沒有把壩體移走,那么被破壞后完全失效的重力壩殘骸也仍然擁有擋水的能力,不會瞬間發(fā)生泄洪,對下游造成毀滅性的破壞。
對于三峽這一容不得半點閃失的國家重要樞紐工程,采用重力壩的壩體模式是十分科學(xué)的。尤其是長江在三峽段的江面十分寬闊,兩側(cè)也缺乏足夠堅固的基巖可以傳力,重力壩恰好可以應(yīng)對這樣的環(huán)境。
(重力壩示意圖)
不過,對于白鶴灘水電站這樣的大壩,重力壩的模式就顯得不合時宜了。
白鶴灘水電站的落差很大,重力壩要想承擔(dān)這么高的壓力差,所需要的大壩體積將會極其驚人。這既造成極大的材料浪費,拖延工期,而且也對地基造成了巨大的壓力。
而采用拱壩模式,則大大提高了壩體的利用效率,讓大壩的每一處都能均勻受力,也大大減輕了地基的壓力。此外,由于金沙江白鶴灘處水面狹窄,兩側(cè)的山體比較堅實,恰好能夠承擔(dān)拱壩傳遞過來的水壓力。
(拱壩示意圖)
在各種拱壩形式中,白鶴灘大壩屬于形式最為科學(xué)的一類,叫做“雙曲拱壩”。它的壩體為雙曲面,受力模式最為科學(xué),可以使拱壩的厚度減小、壩高增大。尤其是對于白鶴灘這樣的V型河谷,可以有效地節(jié)省壩體材料,同時提高安全性。
(白鶴灘的V形河谷)
(三)位處滑坡段下游,白鶴灘水電站如何保證地質(zhì)安全?
白鶴灘水電站所處的位置,地質(zhì)條件還算穩(wěn)定,但在其上游僅5公里處就是地質(zhì)學(xué)中著名的金江滑坡。這是一處在四萬五千年間經(jīng)歷了四次滑動破壞的滑坡體,其堆積體積達1.58億立方米,平均厚度達56米。
金沙江中下游本來就處于印度洋板塊與亞歐板塊的碰撞斷裂帶上,這里地震頻發(fā),巖層破碎,很容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)受到地震或其它外界擾動時,這部分滑坡體是否會發(fā)生進一步變形,并對下游的壩體產(chǎn)生影響?(作者 清華大學(xué)土木工程博士)
對此,成都理工大學(xué)進行了專門的研究。經(jīng)過細(xì)致地實地考察和數(shù)學(xué)模擬分析,研究人員發(fā)現(xiàn),金江滑坡的整體穩(wěn)定性很好,整體失穩(wěn)的可能性不大,但仍然存在局部失穩(wěn)的可能。
經(jīng)計算,如果確實受到8度強烈地震的作用,滑坡體發(fā)生失穩(wěn)滑落時,會在下游5公里的大壩處掀起6米左右的浪高。這雖然會對大壩的正常使用造成一定的威脅,但不存在翻壩的危險。
此外,白鶴灘水電站還有更高層面上的安全保障。
在白鶴灘水電站下游245公里處,就是與其相配合的溪洛渡水電站。它的發(fā)電量與白鶴灘水電站接近,二者相互配合,即使白鶴灘水電站發(fā)生了事故,溪洛渡水電站處所形成的次生洪峰也只會引起江水位上漲4米。
這對防洪庫容達42.8億立方米的溪洛渡巨型水利樞紐基本上不構(gòu)成威脅,對于整個金沙江的安全通航和下游的防洪也不會造成威脅。
(四)幾百米高、幾十萬噸重的巨型大壩如何維持堅固?
大壩與普通建筑最大的不同點就是其體積巨大。
在幾百米、幾十萬噸的尺度上,在人類看起來堅如磐石的混凝土結(jié)構(gòu)也會顯得十分柔軟。外界條件稍有變動,或是內(nèi)部應(yīng)力稍微錯亂,再堅硬的大壩也會像餅干一樣發(fā)生開裂乃至破壞。因此,大壩的建設(shè)者必須十分精密地計算和施工,才能讓大壩維持穩(wěn)固。
大壩的建設(shè)需要面臨的首要問題,就是大壩自身的體積變化。
大壩澆筑時,混凝土本身會水化放熱,在澆筑入模后會發(fā)生體積膨脹。膨脹本身問題不大,但當(dāng)后期溫度逐漸下降時,已經(jīng)成型的混凝土又會發(fā)生收縮。
對于普通的建筑而言,這種收縮問題還不大;但大壩的體積巨大,內(nèi)外都有很強的約束,這種收縮就會產(chǎn)生強大的拉應(yīng)力,將壩體拉出許多的裂縫。因此,在筑壩領(lǐng)域向來有“無壩不裂”的說法。
然而,裂縫對于大壩質(zhì)量的影響又很大。裂縫會導(dǎo)致大壩滲水,進而產(chǎn)生內(nèi)部的腐蝕和結(jié)構(gòu)破壞。也正因為如此,能否控制得好大壩開裂,成為了衡量大壩建造成功與否的重要標(biāo)準(zhǔn)。
為了控制裂縫,白鶴灘水電站多種措施并用。
大壩全面采用了新型低熱水泥,其水化放熱量遠低于普通水泥。這在世界上還是第一次。
對于全壩31個壩段,每一倉混凝土中都在不同位置處埋設(shè)有數(shù)支溫度傳感器和循環(huán)冷卻水管,可以實時監(jiān)測混凝土內(nèi)部的溫升,并進行有針對性的降溫。澆筑好的混凝土鋪著“保溫被”以隔絕外界陽光直射,現(xiàn)場還有降溫噴霧器隨時待命。
如此一來,大壩各處的混凝土溫度都低于設(shè)計要求2-3℃,有效地防止了開裂。
(大壩的控溫)
除了內(nèi)部溫度因素外,外部的地質(zhì)變動也會導(dǎo)致大壩變形直至開裂。白鶴灘水電站附近的巖層有一個獨特的地質(zhì)現(xiàn)象,就是玄武巖柱狀節(jié)理。這種節(jié)理很容易產(chǎn)生松弛、崩落等現(xiàn)象。
(玄武巖柱狀節(jié)理)
針對這種不良地質(zhì)環(huán)境,工程師們對表層巖體進行了錨固、強化灌漿等處理。此外,還對拱壩進行了不對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計,對玄武巖的露出部位設(shè)置了混凝土擴大基礎(chǔ),有效降低壩趾的壓應(yīng)力水平,確保大壩“腳下有根”,防止大壩的不均勻沉降。
結(jié)語
2018年,白鶴灘水電站的主體結(jié)構(gòu)建成,首批機組開始發(fā)電。預(yù)計到2022年,整個水電站都將徹底完工,白鶴灘將成為世界第二大水電站。
它不僅能夠自身發(fā)電,還能有效地調(diào)節(jié)金沙江的水流,增加下游溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩等梯級水電站的年發(fā)電量24.3億千瓦時,明顯改善下游各梯級的電能質(zhì)量,減少高峰期“廢電”,增加枯水期“有效電”,發(fā)電效益巨大。
建成后,白鶴灘水電站不僅將成為中國“西電東送”的一大主力,而且也會對地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展必將起到積極的帶動作用,做到“以電扶貧”。
原標(biāo)題:在建規(guī)模世界第一,白鶴灘水電站都有哪些黑科技?
責(zé)任編輯:李鑫
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