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壁立千仞、攻克世界难题,中国16载筑“挂”绝壁上的水电站

2021-10-02 12:04 出处: 人气: 评论(0
走近位于四川甘孜的两河口水电站,很难不被此处高绝陡峭的群山险峰所震撼。世界级高土石坝坝高295米,远远望去,就像“挂”在绝壁上。电站坐落于川西高原的雅砻江干流上,一坝锁三江,高海拔高寒冷的恶劣环境无形之中给项目建设带来了极大挑战。但中国水电人用勇气与科技,耗时16年,在深谷中筑起超级能源工程。9月29日,两河口水电站正式投产发电。
初识雅砻江两河口水电站,澎湃新闻(www.thepaper.cn)发现,它与大家最为熟悉的三峡工程长得很不一样。三峡“瘦长”,两河口则是个高胖的“大个子”。近300米高的世界第二高土石坝嵌入海拔3000米的V字形高原峡谷之中,连接奇峰陡立、峭壁对峙的雅砻江两岸。

世界级高土石坝嵌在高原峡谷之中

雅砻江流域水电开发有限公司(下称雅砻江公司)两河口建设管理局副局长张贵科对澎湃新闻介绍称,大江大河的开发多采用坝式水电站,如三峡、葛洲坝、白鹤滩、二滩、两河口都属于坝式水电站。根据坝型不同,坝式水电站又可细分为土石坝、重力坝和拱坝。“三峡采用的重力坝是由混凝土或浆砌石修筑的,主要依靠坝体自重来维持稳定。二滩、白鹤滩的拱坝,是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物,借助拱的作用将水压力传给河谷两岸的基岩。两河口采用的土石坝是历史最为悠久、应用最广泛的坝型,对地基适应性强,可以因地制宜、就地取材。古代的都江堰、郑国渠、灵渠等,都是采用土石材料修筑的。目前我国有9.8万座水坝,大部分都是土石坝。”
尽管土石坝是古老又广泛应用的坝型,但在两河口工程坝址上,建设者们面临的是一系列前所未有的极限挑战:高海拔、高边坡、高土石坝、高地应力地下厂房、高泄洪流速等诸多世界级技术难题。

两河口水电站大坝鸟瞰

坝高295米的土石坝,总填筑量达4300万方,填筑施工受冬雨季施工影响,有效施工时间短,填筑强度高、质量标准高,施工技术复杂,国内外均无成熟、可借鉴经验。张贵科回顾道,在两河口水电站建设可行性研究报告中,综合考虑对外交通运输条件、地形地质条件、当前水电筑坝技术水平及工程投资等因素,确定了采用“砾石土心墙堆石坝”。就土石坝建设而言,国内现行施工规范适用于高度200米以内的大坝,像两河口电站这样300米级的水电站大坝在国内外均屈指可数。土石坝以当地土、石材料为筑坝材料,受坝址区多源宽级配土料和砂板岩互层石料复杂物理力学性质影响,两河口电站大坝填筑技术质量严格。不仅如此,“工程规模增大超过一定限度就会由量变引起质变,相应建设难度将呈几何级数方式增长。”
由于填筑物料为石料、黏土等材料,一般人眼里的土石坝“土气”十足,与混凝土大坝相比,土石坝体型巨大,显得粗犷豪放,给人一种“科技含量不够”的印象,但张贵科不这么认为。
“土石坝不‘土’,土石坝也‘娇’。”为什么土石坝不“土”呢?张贵科说,土石坝作为当地材料坝,相对于混凝土坝型来说,其筑坝材料地方特色显著,如两河口工程土料场分散,土料成因和物理力学性能差异大,因此土料、石料的计算参数尚有很大不确定性,现有的各种定量计算分析手段还不能准确反映土石坝应力、变形和渗透等复杂特性,很多关键技术问题还需要结合当地材料性质通过大型的现场试验来解决。以大坝筑坝材料研究作为工程关键技术问题,雅砻江公司在项目预可研、可研、招标和施工图阶段联合国内主要知名科研院所、高校进行了大量的专项科研试验、现场专项试验及生产性试验,取得了具有前沿性的科技成果,这些都使土石坝工程科技含量十足。 之所以说土石坝也“娇”,是因为土石坝材料有着严格的级配、分区、物理力学性能和防渗性能等技术质量指标要求。为保证高土石坝心墙与坝壳石料的变形协调,心墙土料须掺加砾石改善其物理力学性能,即使是天然含砾土料也往往因为其砾石含量在空间上分布不均匀而需进行掺和均匀后方能上坝填筑。另外,土料性能对负温和含水量变化敏感,这给大坝冬季和雨季的施工进度和质量控制带来极大挑战。
两河口水电站位于川西高原气候区,属于季节冻土区,土体在冬季易发生日循环冻融作用,也即夜晚冻结、白天融化。冻土问题是目前国内工程冬季施工一大难题。在水利水电工程中,以往遇到的是长时间的冻结,只能在冬季停工;仅在一些小型工程中遇到过日循环冻融作用,没有开展过系统研究,所以没有可以借鉴的经验。如果两河口大坝心墙采用停工方式,将大大延长工期、增加成本。

土体冻结后内部冰晶明显

为了解决季节性冻土难题,雅砻江公司针对性研究防渗土料冻融机理,通过持续监测掌握温度变化规律,创新了国内外高海拔地区防渗土料冻融防控理论、技术标准和施工成套技术,开创了高原冻土区冬季土心墙大规模连续施工的先例。“作为大坝生命线的防渗心墙土料,需在冬雨季施工时应采取相应的防雨、防冻、调整含水率等措施,要‘跟照顾小孩似的’去进行大坝心墙料的填筑施工。”张贵科说,从这个角度上讲,土石坝显得“娇气”。
中国工程院院士、长江勘测规划设计研究院院长钮新强称,两河口水电站创新了国内外高海拔地区防渗土料冻融防控理论、技术标准和施工成套技术,开创了高原冻土区冬季土心墙大规模连续施工的先例。
山高谷深的复杂地形下建设300米级特高土石坝,就决定了两河口水电站的高边坡规模巨大,其中最高边坡684米,比中国第一高楼上海中心大厦还高50来米,位居世界水电第二高边坡。面对水深超260米、运行期涨落变幅达80米的大型水库,如何保证复杂地形地质条件下超大规模工程边坡的稳定呢?
建设者们采取“纳鞋底”的方式加固山体。山体上密密麻麻的小点,便是“纳鞋底”的“针线”——锚索。据了解,项目总共需要向山体钉入超1.6万束锚索,每束锚索约70米长、2吨重,相当于把整个“鸟巢”的主结构用钢量搬运到海拔3000多米的高山上。

俯瞰两河口

“一束锚索得三四十人一齐用力,经常要扛着往五六十米垂直高度的作业面送。”来自四川凉山的锚索工人说,由于缺氧,经常走十来米就得歇一会儿,有的工友还会流鼻血,完工时肩膀也磨破了。
看着“笨重”的锚索其实也暗藏玄机。有部分锚索安装了感应器,能够实时监测相应边坡范围的张拉力,进行远程实时智能监测。
在高海拔地区,土料对于低温霜冻和含水量的变化极为敏感,全年有效施工时间只有200天左右。为了工程又好又快地建成,两河口的建设者们不断摸索创新:寒冬时节,要让心墙盖上“保温被”防冻,通过研发快速收放机,覆盖差不多三个足球场大小的心墙仅需3小时;雨季期间,心墙砾石土料含水过高将致碾压机无法碾压作业,且使土料出现“弹簧土”现象无法压实,需要挖除外理,“有时填筑方量还比不上被挖除的方量,心墙越填越低”,针对雨季施工难题,建设者们引入气象雷达开展降雨精准预报,采用填筑面龟背状施工、小仓面快速轮换施工、雨前平碾光面封闭等措施,使雨季施工效率成倍提升。

两河口水电站地下厂房

两河口水电站是我国水电开发向高海拔寒冷地区发展的标志性工程。“两河口水电站的成功建设,为川藏铁路建设和青藏高原水电开发提供了可靠的经验借鉴,对国家碳达峰、碳中和战略目标的顺利实施都具有深远意义。”中科院西北生态环境资源研究院院长、中国科学院赖远明院士表示,两河口水电站的顺利建设,创新了国内外高海拔地区防渗土料冻融防控理论、技术标准和施工成套技术,开创了高原季节性冻土区冬季土心墙大规模连续施工的先例,为高海拔地区建设特大型水电工程积累了宝贵经验,是高海拔高原高寒地区建设大型水电工程的典范,是水电建设的又一里程碑。 (本文来自澎湃新闻,更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP) 性感可爱丝袜女郎高清写真
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