白鹤滩工程

    1.工程背景及意义
    水电作为一种清洁、高效的可再生能源，在全球能源战略中扮演着重要角色。中国是世界水能资源最丰富的国家，在水电开发方面拥有悠久的历史，取得了令人瞩目的成就。白鹤滩水电站是我国实施“西电东送”的重大工程，也是世界上建成的技术难度最高的水电工程，其多项关键技术指标达到世界第一。白鹤滩工程以发电为主，兼顾防洪、航运、水资源综合利用和水生态安全等多项任务，其总装机容量1600万千瓦，多年平均发电量624.43亿千瓦时，绿色电能将跨越2000余公里到达华东地区，助力当地经济高质量发展。白鹤滩水电站的建成，标志着中国在长江上全面建成由长江干流乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝、三峡和葛洲坝六座梯级电站构成的世界最大清洁能源走廊，这条走廊生产的电能替代了大量化石燃料，助力实现“双碳”目标。仅白鹤滩水电站所有机组全部投产发电后，每年就可节约标准煤约1968万吨，减少二氧化碳排放约5200万吨，为改善我国能源结构发挥积极作用，具有显著的生态效益。同时，白鹤滩水电站建设改善了当地交通、通信等基础设施和教育卫生条件，创造了近十万个工作岗位，改变了当地经济基础薄弱和群众生活水平较低的困境，为地方经济发展注入新动能。
    2.工程概况
    白鹤滩水电站为金沙江下游四个水电梯级-乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝中的第二个梯级电站，位于四川省宁南县和云南省巧家县交界的金沙江河道上，总投资2200亿元,上游距巧家县城约41 km，距乌东德坝址约182 km；下游距离溪洛渡水电站约195 km，距离宜宾市河道里程约380 km。水电站坝址控制流域面积43.03万km2，占金沙江以上流域面积的91%。电站距昆明公路里程306 km，至重庆、成都、贵阳直线距离均在400 km左右，到广州的直线距离约1150 km，到华中地区武汉的直线距离约1200 km，到华东地区上海的直线距离约1850 km。

    白鹤滩水电站为I等大（1）型工程，枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成，拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m排名世界第三，拱顶厚度14 m，基础最大厚度95 m。坝下设水垫塘和二道坝，泄洪设施包括大坝的6个表孔、7个深孔和左岸的3条泄洪洞。泄洪洞承担泄洪任务，白鹤滩3条无压泄洪洞最大泄水量约每秒1.2万m3，流速约每秒47 m。地下厂房对称布置在左、右两岸，厂房内各安装8台单机容量世界最大的100万千瓦水轮发电机组，左岸8台由中国东方电气集团自主研发制造、右岸8台为哈尔滨电气集团自主研发制造，全部实现国产化。

    白鹤滩水电站2010年6月开始筹建，主体工程2017年全面开工建设，2021年6月28日首批机组投产发电，2022年12月20日全部机组投产发电。电站投运以来，各项功能均达到设计目标，枢纽建筑物各项性态指标均优于设计值，机组运行稳定高效。2023年10月，累计发电量突破1000亿千瓦时。

    3.攻关难点
    白鹤滩水电站不仅是当代水利枢纽工程的集大成者，更是技术上的创新者、引领者。其一年的发电量可满足6500万人全年生活用电需求。在几代人的共同努力，白鹤滩水电站已经是名副其实的超级工程。白鹤滩水电站于2010年开始筹建，主要技术指标迄今已创造了许多世界纪录。如水电机组单机容量百万千瓦世界第一、地下电站洞室群规模世界第一、无压泄洪洞群规模世界第一、圆筒式尾水调压室规模世界第一、300 m级高拱坝抗震参数世界第一、世界首次全坝使用低热水泥混凝土等六项世界第一；白鹤滩水电站总装机容量1600万千瓦，居世界第二，仅次于三峡工程；水电站能承受的总水推力达1650万吨，位居世界第二；拦河拱坝高289 m，相当于100层楼高，为世界第三；最大泄洪量达到每秒42348 m3，6分钟即可灌满整个西湖，枢纽泄洪功率世界第三。详细的技术攻关难点如下：

    （1）混凝土温控防裂：温度裂缝是由混凝土内外温度变化产生的裂缝，也是大坝建设面临的普遍难题，关系到拱坝质量。白鹤滩坝区为干热河谷，温差大、大风天气多，因此混凝土温控防裂难度大。在其他大型工程研究应用的基础上，三峡集团组织科研院所联合攻关，开展白鹤滩高拱坝低热水泥应用关键技术研究，调整低热水泥矿物组织，优化混凝土温控指标和温控措施，使生产的低热水泥具有水化热更低、放热速度更慢、收缩更小、抗裂性更高的特性，提高了白鹤滩拱坝混凝土的抗裂安全度。全坝采用的低热水泥混凝土温度控制效果良好，为“无缝大坝”提供了坚实保障。
    （2）柱状节理玄武岩高拱坝坝基：白鹤滩大坝坝基出露柱状节理玄武岩，为柱状镶嵌结构，开挖后岩体易松弛，变形模量降低，国内外对柱状节理岩体工程特性的研究甚少，柱状节理玄武岩作为拱坝坝基 岩体尚属首次。结合白鹤滩拱坝设计研究，对柱状节理玄武岩作为拱坝坝基的可行性、坝体结构适应性、爆破开挖技术、防松弛保护措施及灌浆处理效果开展了全面、系统的研究，取得了丰硕的成果。研究结果表明，微新柱状节理玄武岩可以作为高拱坝基础，预计开挖后松弛层厚度2——3 m，经灌浆处理后岩体的声波波速大于4000 m/s。经充分论证，微新柱状节理玄武岩可以作为高拱坝基础，但必须重视浅层岩体的开挖与保护。从实施效果来看，处理措施是合理的，地下洞室施工也要克服柱状节理玄武岩的难题。

    （3）百万千瓦水电机组：全球单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组，没有先例可以参考，犹如攀登水电行业的“珠峰”。研究人员攻克了发电机组结构、水力设计、发电机通风、机组总体设计等一个又一个技术难题，把核心技术牢牢掌握在企业自己手中，实现了中国高端装备制造的重大突破。作为世界上首批百万千瓦水电机组，不仅实现了单机容量的巨大跨越，背后的技术支撑更是引领了我国整个水电装备制造产业技术水平的全面提升，中国水电已从“跟跑者”走向“引领者”。
    （4）枢纽泄洪消能：白鹤滩面临“高水头、窄河谷、巨泄量、不对称”泄洪消能问题，总泄量42348 m3/s，泄洪功率高达90000 MW，泄洪功率仅次于三峡和溪洛渡工程。为使不对称拱坝实现对称泄洪消能，优化孔口布置、设计建设了世界规模最大反拱型水垫塘和最大无压泄洪洞群。得益于结构设计上的创新，针对性地解决了枢纽泄洪消能问题。此外，为改善地形不对称和坝体的应力、位移分布及稳定条件，左岸坝顶设置混凝土垫座，柱状节理玄武岩出露部位采用混凝土以扩大基础。
    （5）巨型地下洞室群围岩稳定：在巨大规模和复杂地质条件的双重影响下，白鹤滩地下厂房开挖的稳定控制问题尤为严峻。通过建立设计、施工、监测一体化实时动态反馈分析机制，借助多种技术方案，成功应对了高地应力、层间错动带、硬脆玄武岩等复杂地质综合作用下的洞室群围岩稳定问题。此外，为进一步提高洞室群整体稳定性，适当增大了厂房与主变洞的间距，尾水调压室采用了围岩稳定条件较好和对洞群影响较小的圆筒形，从而减小洞群效应的影响。
    （6）强震区高拱坝、高边坡动力反应及抗震措施研究：白鹤滩工程处于地震活动强烈的川、滇地震带，坝址的地震动参数在300 m级高坝中属世界最高。新的《中国地震动参数区划图》《水电工程水工建筑物抗震设计规范》颁布实施后，对工程抗震研究和设计提出了更高的要求。华东勘测设计研究院联合国内4家抗震经验丰富的科研单位和高校开展了高拱坝的抗震安全研究，并进行了动力模型试验，论证了高拱坝的抗震安全研究，并进行了动力模型试验，论证了白鹤滩拱坝强度和稳定能够满足大坝的抗震设计要求，提出了大坝抗震的主要措施。针对白鹤滩左岸水垫塘强卸荷边坡首次开展了边坡抗震模型试验研究，专门研究了边坡沿高程的加速度变化规律和放大效果，为提升高边坡抗震分析方法和抗震设计提供了依据。

    （7）巨型圆筒尾水调压室设计：白鹤滩两岸电站尾水系统均较长，为解决长大复杂尾水系统的水力过渡过程稳定问题和高边墙围岩稳定问题，左右岸各布置4个大直径圆筒形阻抗式尾水调压室，开挖直径43——48 m，高90 m。调压室区域地质条件复杂，地应力高，层间层内错动带及柱状节理玄武岩在巨型调压室穹顶发育，穹顶围岩稳定问题突出。为解决这一难题，设计从穹顶体型优化、施工顺序、支护参数及监测设计等多方面研究，获得了适合本工程地质条件的尾水调压室穹顶设计成果，并获得诸多创新成果。
    （8）复杂水文地质条件坝基和洞室群的防渗：白鹤滩水电站地下厂房采用首部开发方案布置，距库区近，坝基及厂区分布多条层间错动带，对大坝及厂房防渗影响较大，厂区渗流问题复杂。华东勘测设计研究院对厂坝区防渗排水布置、渗流场和渗透稳定进行了大量实验研究。除常规实验外，特别针对主要层间错动带和断层开展了现场大型结构面原位渗透变形试验和高压渗透试验。将拱坝和两岸地下厂房的防渗排水系统连接成一体，形成整体防渗排水体系。对厂坝区防渗排水系统进行了多角度、多方案的论证和敏感性分析，通过非饱和渗流研究分析了降雨入渗和泄洪雾化对左岸边坡及左右岸抗力体渗流场的影响。针对层间错动带和断层，首次提出了帷幕洞和截渗洞联合截渗的防渗技术。