壁立千仞、攻克世界難題,中國16載築“掛”絕壁上的水電站

2021年10月01日14:16

原標題:壁立千仞、攻克世界難題,中國16載築“掛”絕壁上的水電站 來源:澎湃新聞

走近位於四川甘孜的兩河口水電站,很難不被此處高絕陡峭的群山險峰所震撼。世界級高土石壩壩高295米,遠遠望去,就像“掛”在絕壁上。電站坐落於川西高原的雅礱江幹流上,一壩鎖三江,高海拔高寒冷的惡劣環境無形之中給項目建設帶來了極大挑戰。但中國水電人用勇氣與科技,耗時16年,在深穀中築起超級能源工程。9月29日,兩河口水電站正式投產發電。

初識雅礱江兩河口水電站,澎湃新聞(www.thepaper.cn)發現,它與大家最為熟悉的三峽工程長得很不一樣。三峽“瘦長”,兩河口則是個高胖的“大個子”。近300米高的世界第二高土石壩嵌入海拔3000米的V字形高原峽穀之中,連接奇峰陡立、峭壁對峙的雅礱江兩岸。

世界級高土石壩嵌在高原峽穀之中
世界級高土石壩嵌在高原峽穀之中

雅礱江流域水電開發有限公司(下稱雅礱江公司)兩河口建設管理局副局長張貴科對澎湃新聞介紹稱,大江大河的開發多採用壩式水電站,如三峽、葛洲壩、白鶴灘、二灘、兩河口都屬於壩式水電站。根據壩型不同,壩式水電站又可細分為土石壩、重力壩和拱壩。“三峽採用的重力壩是由混凝土或漿砌石修築的,主要依靠壩體自重來維持穩定。二灘、白鶴灘的拱壩,是在平面上呈凸向上遊的拱形擋水建築物,借助拱的作用將水壓力傳給河穀兩岸的基岩。兩河口採用的土石壩是歷史最為悠久、應用最廣泛的壩型,對地基適應性強,可以因地製宜、就地取材。古代的都江堰、鄭國渠、靈渠等,都是採用土石材料修築的。目前我國有9.8萬座水壩,大部分都是土石壩。”

儘管土石壩是古老又廣泛應用的壩型,但在兩河口工程壩址上,建設者們面臨的是一系列前所未有的極限挑戰:高海拔、高邊坡、高土石壩、高地應力地下廠房、高泄洪流速等諸多世界級技術難題。

兩河口水電站大壩鳥瞰
兩河口水電站大壩鳥瞰

壩高295米的土石壩,總填築量達4300萬方,填築施工受冬雨季施工影響,有效施工時間短,填築強度高、質量標準高,施工技術複雜,國內外均無成熟、可借鑒經驗。張貴科回顧道,在兩河口水電站建設可行性研究報告中,綜合考慮對外交通運輸條件、地形地質條件、當前水電築壩技術水平及工程投資等因素,確定了採用“礫石土心牆堆石壩”。就土石壩建設而言,國內現行施工規範適用於高度200米以內的大壩,像兩河口電站這樣300米級的水電站大壩在國內外均屈指可數。土石壩以當地土、石材料為築壩材料,受壩址區多源寬級配土料和砂板岩互層石料複雜物理力學性質影響,兩河口電站大壩填築技術質量嚴格。不僅如此,“工程規模增大超過一定限度就會由量變引起質變,相應建設難度將呈幾何級數方式增長。”

由於填築物料為石料、黏土等材料,一般人眼裡的土石壩“土氣”十足,與混凝土大壩相比,土石壩體型巨大,顯得粗獷豪放,給人一種“科技含量不夠”的印象,但張貴科不這麼認為。

“土石壩不‘土’,土石壩也‘嬌’。”為什麼土石壩不“土”呢?張貴科說,土石壩作為當地材料壩,相對於混凝土壩型來說,其築壩材料地方特色顯著,如兩河口工程土料場分散,土料成因和物理力學性能差異大,因此土料、石料的計算參數尚有很大不確定性,現有的各種定量計算分析手段還不能準確反映土石壩應力、變形和滲透等複雜特性,很多關鍵技術問題還需要結合當地材料性質通過大型的現場試驗來解決。以大壩築壩材料研究作為工程關鍵技術問題,雅礱江公司在項目預可研、可研、招標和施工圖階段聯合國內主要知名科研院所、高校進行了大量的專項科研試驗、現場專項試驗及生產性試驗,取得了具有前沿性的科技成果,這些都使土石壩工程科技含量十足。

土體凍結後內部冰晶明顯
土體凍結後內部冰晶明顯

之所以說土石壩也“嬌”,是因為土石壩材料有著嚴格的級配、分區、物理力學性能和防滲性能等技術質量指標要求。為保證高土石壩心牆與壩殼石料的變形協調,心牆土料須摻加礫石改善其物理力學性能,即使是天然含礫土料也往往因為其礫石含量在空間上分佈不均勻而需進行摻和均勻後方能上壩填築。另外,土料性能對負溫和含水量變化敏感,這給大壩冬季和雨季的施工進度和質量控制帶來極大挑戰。

兩河口水電站位於川西高原氣候區,屬於季節凍土區,土體在冬季易發生日循環凍融作用,也即夜晚凍結、白天融化。凍土問題是目前國內工程冬季施工一大難題。在水利水電工程中,以往遇到的是長時間的凍結,只能在冬季停工;僅在一些小型工程中遇到過日循環凍融作用,沒有開展過系統研究,所以沒有可以借鑒的經驗。如果兩河口大壩心牆採用停工方式,將大大延長工期、增加成本。

土體凍結後內部冰晶明顯
土體凍結後內部冰晶明顯

為瞭解決季節性凍土難題,雅礱江公司針對性研究防滲土料凍融機理,通過持續監測掌握溫度變化規律,創新了國內外高海拔地區防滲土料凍融防控理論、技術標準和施工成套技術,開創了高原凍土區冬季土心牆大規模連續施工的先例。“作為大壩生命線的防滲心牆土料,需在冬雨季施工時應採取相應的防雨、防凍、調整含水率等措施,要‘跟照顧小孩似的’去進行大壩心牆料的填築施工。”張貴科說,從這個角度上講,土石壩顯得“嬌氣”。

中國工程院院士、長江勘測規劃設計研究院院長鈕新強稱,兩河口水電站創新了國內外高海拔地區防滲土料凍融防控理論、技術標準和施工成套技術,開創了高原凍土區冬季土心牆大規模連續施工的先例。

山高穀深的複雜地形下建設300米級特高土石壩,就決定了兩河口水電站的高邊坡規模巨大,其中最高邊坡684米,比中國第一高樓上海中心大廈還高50來米,位居世界水電第二高邊坡。面對水深超260米、運行期漲落變幅達80米的大型水庫,如何保證複雜地形地質條件下超大規模工程邊坡的穩定呢?

建設者們採取“納鞋底”的方式加固山體。山體上密密麻麻的小點,便是“納鞋底”的“針線”——錨索。據瞭解,項目總共需要向山體釘入超1.6萬束錨索,每束錨索約70米長、2噸重,相當於把整個“鳥巢”的主結構用鋼量搬運到海拔3000多米的高山上。

俯瞰兩河口
俯瞰兩河口

“一束錨索得三四十人一齊用力,經常要扛著往五六十米垂直高度的作業面送。”來自四川涼山的錨索工人說,由於缺氧,經常走十來米就得歇一會兒,有的工友還會流鼻血,完工時肩膀也磨破了。

看著“笨重”的錨索其實也暗藏玄機。有部分錨索安裝了感應器,能夠實時監測相應邊坡範圍的張拉力,進行遠程實時智能監測。

在高海拔地區,土料對於低溫霜凍和含水量的變化極為敏感,全年有效施工時間只有200天左右。為了工程又好又快地建成,兩河口的建設者們不斷摸索創新:寒冬時節,要讓心牆蓋上“保溫被”防凍,通過研發快速收放機,覆蓋差不多三個足球場大小的心牆僅需3小時;雨季期間,心牆礫石土料含水過高將致碾壓機無法碾壓作業,且使土料出現“彈簧土“現象無法壓實,需要挖除外理,“有時填築方量還比不上被挖除的方量,心牆越填越低”,針對雨季施工難題,建設者們引入氣象雷達開展降雨精準預報,採用填築麵龜背狀施工、小倉面快速輪換施工、雨前平碾光面封閉等措施,使雨季施工效率成倍提升。

兩河口水電站地下廠房
兩河口水電站地下廠房

兩河口水電站是我國水電開發向高海拔寒冷地區發展的標誌性工程。“兩河口水電站的成功建設,為川藏鐵路建設和青藏高原水電開發提供了可靠的經驗借鑒,對國家碳達峰、碳中和戰略目標的順利實施都具有深遠意義。”中科院西北生態環境資源研究院院長、中國科學院賴遠明院士表示,兩河口水電站的順利建設,創新了國內外高海拔地區防滲土料凍融防控理論、技術標準和施工成套技術,開創了高原季節性凍土區冬季土心牆大規模連續施工的先例,為高海拔地區建設特大型水電工程積累了寶貴經驗,是高海拔高原高寒地區建設大型水電工程的典範,是水電建設的又一里程碑。

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