【大国重器白鹤滩】揭秘！世界技术难度最高水电站的科技密码

6月28日，由华东院承担全过程勘测设计的世界在建最大水电站——白鹤滩水电站首批机组已投产发电，目前电站监测数据均优于设计限定值，工程建设取得重大胜利！电站多项技术指标位居世界前列，代表了目前世界水电建设的最高水平，对我国巨型电站勘测设计、建设施工、建设管理、装备制造升级等具有重要意义。

金沙江蕴藏的巨大能量，如何转化为点亮万家灯火的清洁能源？江涛汹涌，如何在湍流江水中建起特高拱坝？巅崖崛峍，如何破解巨型地下洞室群的建设难题？下面，让我们一起揭秘白鹤滩水电站的“科技密码”。

 

复杂的地形地质条件，如何探明？

1991年3月，第一批华东院人来到白鹤滩，一头扎进大山开展前期勘察工作。高山环绕、江水汹涌，这是白鹤滩给很多人留下的第一印象。那个时候道路不通，缺水缺电，他们住探洞，饮江水、啃冷馒头；毒蛇猛兽时时威胁生命安全；洪水暴发时，在山里一堵就是几个星期。

2001年春天，华东院骨干力量带队来到白鹤滩。在经费十分有限的情况下，大家省吃俭用。环境无比艰苦，信念无比坚定。他们的足迹踏遍杳无人烟处，很多人在此一待，就是二十年。

最初的住所与其说是房子，不如说是茅棚，“晚上刮大风，怕屋顶被吹跑”。不够住怎么办？还有五、六十号人住在简易的探洞里，窄小、阴冷的探洞成了暂时的安身之所。不通电怎么办？营地有三台柴油发电机，白天不舍得用，仅晚上提供三小时照明；室内光线不好，白天也十分昏暗，团队常常搬着绘图板到院子里工作，白鹤滩的风又干又劲，吹得人睁不开眼。

2004年，华东院全面开展可行性研究后，白鹤滩举世罕见的复杂地质情况才进一步被揭示出来。坝基柱状节理玄武岩发育，能否在这样的地质条件上建高拱坝，世界上没有这样的先例，外国专家也直摇头。

为了查明复杂的地质条件，勘测人员夙兴夜寐、风餐露宿，穿越每一条沟谷和山脊，测绘每一条地质构造，鉴别每一种岩性，完成钻孔近20万米、勘探平洞5万余米，勘察工作量举世罕见。十余年的殚精竭虑，查明了工程地质条件，查清了每一个工程地质问题，仅地质专题研究就开展了二十余项。凭借着一股韧劲儿，他们几十年如一日，为电站的一项项世界难题的攻克，提供了坚实的一手资料。

建在“积木”上的特高拱坝，

如何设计？

如今，挺立在河谷中央的白鹤滩拱坝，仿佛注定该在这个位置。然而当初这里还是一片苍茫高山的时候，大坝为什么选建在这个位置？其背后是一次次沉谋研虑。

在可行性研究阶段，根据地形地质条件，按照坝址与坝型相结合的原则，华东院提出了中坝址双曲拱坝、下坝址重力拱坝、上坝址重力拱坝和上坝址堆石坝等3个坝址4个坝型进行全面比选。

综合分析三个坝址的水能条件、地形地质条件、建坝技术难度、施工条件、建设征地、环境保护等因素后，推荐中坝址混凝土双曲拱坝方案，并在2007年8月北京召开的《金沙江白鹤滩水电站可行性研究选坝阶段设计研究报告》审查会上获批通过。

虽然坝址坝型确定了，但随着地勘工作的层层深入，复杂的地质条件向工程师们发起了异常严峻的挑战。原拟定的拱坝左岸坝肩部位，发现了深且长的强卸荷裂缝，最深处达109米。左岸为斜顺倾地层，如果继续以此处为坝肩，山体能否承受住巨大的水推力被打上了一个大大的问号。

项目团队从工程的绝对安全考虑，毅然决定调整拱坝位置。可该向上游还是下游调整？对此，即便是有着丰富经验的专家们也意见不一。

若向上游调整，右岸将受到特大型泥石流沟大寨沟的不利影响，左岸坝肩可用的地形也变得越来越低，泄洪洞、引水洞等建筑物的布置需要变得更加紧凑；若向下游调整，左岸强卸荷裂缝和性状差的错动带将会被泡在水库里面，未来可能威胁到工程安全。

面对坝线选择的不同观点、不同建议，设计团队秉持开放的心态，在争鸣中加速创新、凝聚共鸣、完善自我，而这在此后也成为了白鹤滩的一种优秀文化，不同意见在此碰撞后迸发出更为强劲的活力。

结合更加深入的地质勘探一手资料，从地形地质条件、枢纽布置、施工条件、工期和投资等方面进行详细研究，综合多方意见后，设计团队作出了将坝线向上游调整的决定。

然而作为世界上坝址地形地质条件最为复杂的特高拱坝工程之一，白鹤滩拱坝在当时还有诸多难题亟待解决。如何以易松弛易破碎的柱状节理玄武岩为坝基，筑世界第三高拱坝？如何在不对称的地形地质情况下，优化拱坝体形以改善大坝适应能力？如何克服缓倾角错动带和陡倾角断层的不利影响，在1650万吨水推力下确保坝肩稳定？

华东院同步开展了多项专题研究，进行了大量现场试验，他们几乎翻遍了国内外所有同类工程的设计资料。针对左岸复杂的地质条件，进行坝区岩体力学特性及参数取值、坝区左岸边坡稳定性、拱坝左坝肩稳定性等多项专题研究后，最终明确处理方案。采用多种数值分析方法和整体地质力学模型试验，研究大坝工作性态，论证大坝超载能力。

对柱状节理玄武岩作为高拱坝坝基的可行性、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等开展了全面、系统研究，得出了柱状节理玄武岩可以作为特高拱坝基础的结论。结合拱坝体形、结构设计研究，创新性提出了适当扩大拱坝底部尺寸形成扩大基础，设垫座以改善地形，优化拱坝体形，在建基面开挖成型前预留5米保护层，基础预先锚固和灌浆等多管齐下的设计方案，方案科学、技术先进，得到专家们的一致认同。

 

 

世界难度最大的泄洪消能，

如何实现？

金沙江流域降水年内分配极不均匀，汛期降雨来势汹汹。白鹤滩拱坝位于金沙江上的河谷狭窄处，即便经水库调洪削峰后，每秒仍有约42300立方米水需要安全泄放，下泄落差高达190米，泄洪功率达9万兆瓦。巨大的能量需要通过不对称的拱坝在不对称的河谷内消刹，这是世界上难度最大的“泄洪消能”。

面对“高水头、窄河谷、巨泄量和不对称拱坝”的特点，设计团队提出了具有创新性的解决方案，提高了高坝枢纽泄洪安全性。如坝身表孔、深孔和岸边泄洪洞三套泄洪设施的优化组合和灵活应用，不对称坝身泄洪孔口布置实现对称消能，世界上规模最大的反拱底板水垫塘，白鹤滩特有的、克服了常规泄洪洞缺陷的超长高流速大型无压直泄洪洞，新颖的泄洪洞掺气、补气系统，泄洪洞三支臂弧形工作闸门等。

针对坝身泄洪消能，华东院综合分析下游河床承受能力、坝身孔口布置方式、坝身开孔对坝体结构影响等因素，通过大量水工模型试验验证，在坝身设置了6个无齿坎分层大差动表孔、7个分层多股水流深孔，设计世界规模最大的反拱水垫塘，提高了孔口运用的灵活性和水垫塘的消能率及稳定性，有效解决了超大泄洪规模不对称拱坝坝身泄洪消能的技术难题。

3条无压泄洪洞布置在左岸山体内，裁弯取直，消能避开峡谷河段，减小与坝身联合泄洪对边坡稳定的叠加影响；首创“底+侧”非同步立体掺气减蚀结构、洞顶和掺气坎分别独立洞外补气系统。

“横向三支臂弧形闸门”技术在白鹤滩水电站之前，国内尚无应用实例，放眼世界也寥寥无几。该项技术可使弧门及混凝土结构的承载能力比常规的两支臂弧门提高1.5倍，同时可降低下游消能防冲难度，然而与之相随的是设计、制造、施工难度的大幅升级。

这好比两点连一线很容易，但要确保三点都在一条直线上则难度倍增。华东院针对横向三支臂弧形闸门开展专题研究，从制造、安装的角度完善闸门结构设计，提出实现办法和控制标准，最终破解这一难题。

锱铢必较在白鹤滩体现得淋漓尽致，为了一个好的方案，设计团队十里挑一，甚至是三十里挑一也在所不辞。“左右岸布置”和“全左岸布置”，“3条方案”和“4条方案”，“无压”和“有压接无压”型式，对11种布置方案进行层层遴选，才敲定左岸三条无压泄洪洞方案。仅仅是泄洪洞出口水流归槽的挑流鼻坎型式，工程师们初拟的方案就多达30余种，并在大比尺模型上反复验证。

 

错综复杂的“地下宫殿”，

如何筑起？

由于白鹤滩水电站建在高山峡谷中，大坝和泄洪消能设施已占据整个河道，需要开挖巨型地下洞室群布置引水发电系统，世界上规模最大的水工地下洞室群应运而生。它的体量令人震惊，2500万立方米的开挖总量能填满10座胡夫金字塔，364个地下洞室错综复杂地布置在峭壁之下，山体挖空率达到37%。

建设这座前所未见的“地下宫殿”，遭遇的困难不言而喻。由于地应力高、错动带发育、岩石硬脆易碎和巨型洞室间的相互影响，地下洞室群开挖过程中围岩极易发生卸荷松弛、破裂和变形，围岩稳定控制难度空前。

在大量试验研究的基础上，设计团队多角度揭示了高地应力条件下洞室群围岩局部破裂的发生原因和规律、错动带不连续变形的演化规律以及立体交叉地下洞室群的联动效应。团队研发了洞室群围岩时空变形全过程调控的成套技术与方法，创新提出了通过主洞与支洞联合控制贯穿性错动带不连续变形的抗剪结构型式，解决了高地应力下玄武岩卸荷破裂松弛、错动带不连续变形及巨型洞室群联动效应等关键难题。岩石力学理论获得创新，围岩稳定控制技术实现突破。

2020年8月18日，起吊重量近2400吨的世界首台百万千瓦水轮发电机组转子，在白鹤滩地下厂房成功吊装。桥机与转子的重量之和达到3300吨，承载着这一重担的，是地下厂房的关键部位——岩壁吊车梁。

白鹤滩水电站岩壁吊车梁的规模和承载能力居世界之首。精巧的结构，使其有着“四两拨千斤”的本事，将巨大的荷载由钢筋混凝土梁体、锚杆最终传递到围岩上，对减小地下厂房跨度、降低围岩稳定控制难度发挥至关重要的作用。

然而，岩壁吊车梁的建成并非一帆风顺。尽管已采用了先进的预加固、精细爆破技术，复杂的地质条件仍导致吊车梁岩台多处出现开挖成型差、岩梁壁座缺失严重等现象，右岸岩台完全缺失比例居然高达60%以上。设计团队迎难而上，精研岩壁吊车梁受力机理，提出补强加固方案，并开展稳定性、承载特性分析论证。针对不同的开挖情况，团队提出6种型式的补强加固措施，并首次引用加载分析法进行复核，在超载4倍的情况下岩壁吊车梁仍能稳如泰山。

 

百万千瓦水轮发电机组，

如何迈入“无人区”？

白鹤滩水电站左右岸各设8台100万千万的水轮发电机组，这是世界单机容量最大的水轮发电机组，标志着我国巨型水轮发电机组设计、制造能力达到世界领先水平，具有划时代意义。运行水头变幅达79.2米，具有“单机容量巨大、运行水头变幅大”的特点。然而，从蓝图到投入运行，背后却是十余年漫漫科研路。 

水轮发电机组迈入百万千瓦级，并非中小型机组的简单放大，而是新材料、新工艺、新设备和新技术的研发与应用。

白鹤滩水电站“高水头”的特点，使原有600兆帕等级的钢板，无法满足蜗壳对钢材强度的要求。华东院凝聚骨干力量，联合钢铁企业进行技术攻关，首次在白鹤滩采用100毫米厚800兆帕蜗壳钢板，提出了采用新材料所需满足的技术要求和技术标准，以及800兆帕蜗壳厚钢板的检测方法，引领水电行业钢材升级。

华东院提出了百万千瓦机组及其主要配套设备的一整套技术要求，为研制百万千瓦级机组及其配套设备，制定国家和行业相关标准奠定基础。仅为了确定机组的额定水头，华东院联合东电、哈电进行水轮机模型转轮的开发和试验研究，就花费了四年时间。同时在提高机组低水头段出力和改善水轮机无叶区压力脉动幅值方面成效显著，指标达到了国际领先水平。

除了世界首台百万千瓦水轮机组，这里还有世界上最大的起重桥机，最大的单向变压器，最大的门机和最大的气体绝缘金属封闭输电线路……刷新世界记录，在这里不足为奇，白鹤滩水电站的建设历程，映射着中国水电的发展进程。

 

金沙江白鹤滩水电站是世界第二大水电工程，年均发电量约624亿千瓦时，每年可节约标准煤1968万吨，减排二氧化碳5160万吨，为我国按期实现“碳达峰”“碳中和”目标发挥重要作用，是长江经济带上游脱贫攻坚和推进绿色发展的重大工程。

一路创新，一路发展。以核心技术研发，在绿色清洁能源发展的征程中引吭高歌，这是白鹤滩水电站建设的缩影，映射着时代赋予我们的责任。

初心不改，使命永记。自1991年第一批华东院人来到白鹤滩开始这段艰苦卓绝、攻坚克难的宏伟征程以来，任其东西南北风，“把白鹤滩建成世界上最美好的第一流大水电工程”信念从未更改。水泥、钢铁交织而成的国之重器，正联结着科技创新和时代伟业，奏响最美妙的水电华章！