科技為階 更上層樓
——烏東德水電站科技創(chuàng)新工作回顧
6月11日，烏東德水電站大壩工程全線貫通，首批機(jī)組進(jìn)入投產(chǎn)發(fā)電倒計(jì)時(shí)。
作為金沙江下游河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四個(gè)水電梯級(jí)中的最上游梯級(jí),烏東德水電站創(chuàng)下了大壩單位壩頂弧長泄量世界第一、地下廠房高度世界第一、導(dǎo)流洞開挖斷面世界第一等多項(xiàng)世界紀(jì)錄。這些“高光數(shù)據(jù)”的背后，卻是建設(shè)條件復(fù)雜艱巨的現(xiàn)狀、建設(shè)規(guī)模與難度無先例的挑戰(zhàn)。
攀登世界水電高峰，向科技要答案。烏東德工程建設(shè)者們將科技創(chuàng)新運(yùn)用于工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等各環(huán)節(jié)，形成了筑壩的強(qiáng)勁動(dòng)力。
數(shù)千只“溫度計(jì)”打造恒溫大壩
烏東德大壩最大壩高270米，平均厚度40米，厚高比僅為0.19，是目前世界上最薄的300米級(jí)雙曲拱壩，也是世界首座全壩應(yīng)用低熱水泥混凝土澆筑的特高拱壩。
大壩所在的金沙江干熱河谷，大風(fēng)頻發(fā)，日照強(qiáng)烈，晝夜溫差大。壩體受溫度不均影響，極易產(chǎn)生裂縫。
高壩大庫的建設(shè)質(zhì)量和安全事關(guān)國計(jì)民生，業(yè)界以往有“無壩不裂”之說。但打造“無縫大壩”，是烏東德水電站工程的硬核目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)“無縫”，首先要在混凝土上“下功夫”。
混凝土中的低熱水泥堪稱大壩的“退燒藥”——發(fā)熱量低，能顯著降低混凝土最高溫度，有助于防止大壩溫度裂縫的產(chǎn)生。早在三峽工程建設(shè)期間，三峽集團(tuán)就開始了低熱水泥的研究與實(shí)踐，并在烏東德水電站大壩建設(shè)中首次實(shí)現(xiàn)全壩應(yīng)用。
追求材料創(chuàng)新的同時(shí)，烏東德水電站也在“智能建造”方面更進(jìn)一步。
在烏東德智能通水系統(tǒng)中，數(shù)千支監(jiān)測儀器埋設(shè)入壩體。這些儀器如同一支支敏感的“體溫計(jì)”，時(shí)刻記錄并反饋壩體溫度。當(dāng)系統(tǒng)檢測到壩體部分過熱時(shí)，預(yù)埋在大壩中的管道便會(huì)對(duì)發(fā)熱部位進(jìn)行通水冷卻。通過分析判斷，改變水管中的流量和水溫，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)壩體溫度“微調(diào)”。
除了壩體，周圍山體也在建設(shè)者“嚴(yán)密監(jiān)視”范圍內(nèi)。山體裂縫會(huì)影響水庫蓄水，而且萬一滲漏，也會(huì)對(duì)大壩安全產(chǎn)生影響。為此，建設(shè)者需要將水泥漿灌入山體裂隙，使巖石縫隙之間、大壩和山體之間“無縫可鉆”。
為了提高灌漿質(zhì)量，三峽集團(tuán)歷時(shí)兩年研發(fā)出全自動(dòng)控制智能灌漿系統(tǒng)，并在烏東德工程首次應(yīng)用。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加水、加漿、配漿?！罢麄€(gè)過程就像操作家里的自動(dòng)洗衣機(jī)一樣簡單?！比龒{集團(tuán)烏東德工程建設(shè)部大壩項(xiàng)目部黃偉說。
施工區(qū)內(nèi)，信息技術(shù)和傳統(tǒng)大壩建設(shè)接口正在打通：得益于烏東德iDam2.0拱壩智能建造系統(tǒng)技術(shù)，一個(gè)共享、協(xié)同、交互的智能大壩業(yè)務(wù)管理平臺(tái)已然形成。在這個(gè)平臺(tái)上，智能振搗、智能通水、智能噴霧等技術(shù)協(xié)同發(fā)力，保障施工順利、穩(wěn)定。
據(jù)烏東德工程建設(shè)部大壩項(xiàng)目部楊寧介紹，“黑科技”造大壩已然滲透到工作的方方面面：“烏東德工程首次將紅外視頻監(jiān)控技術(shù)與人工智能相結(jié)合，應(yīng)用于大壩混凝土澆筑全過程，有效提升了施工質(zhì)量精細(xì)化控制程度?！?/p>
“豆腐塊”里建“地下宮殿”
烏東德地下電站廠房靠河床側(cè)布置于左右兩岸山體中，主廠房開挖最大寬度32.5米，高度89.8米，相當(dāng)于30層樓，是目前世界最高的地下電站主廠房。
在長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院副總工程師、烏東德項(xiàng)目設(shè)計(jì)總工程師翁永紅看來，地下廠房建設(shè)如同“在豆腐塊里施工”。
確保安全，是工程建設(shè)的重中之重、難中之難。
在地下廠房的開挖中，建設(shè)者們及時(shí)采取針對(duì)性措施，如淺層及深層加固處理等辦法，避免下挖后引發(fā)的山體變形等問題對(duì)工程進(jìn)度產(chǎn)生影響；同時(shí)創(chuàng)新“小洞進(jìn)大洞、先洞后墻、錨索深層加固”施工方案，確保山體受力平衡，同時(shí)進(jìn)行填縫灌漿，增強(qiáng)巖體整體性，從而抑制變形增長，有效保障了施工安全。
由于施工影響，地下廠房四周的巖體狀態(tài)、應(yīng)力實(shí)時(shí)變動(dòng)。為了掌握相關(guān)情況，“高邊墻開挖動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反饋分析系統(tǒng)”派上大用場。它可以進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并根據(jù)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,不放過四周巖體的任何“小缺陷”、“小動(dòng)作”。
同時(shí)，人員設(shè)備定位系統(tǒng)還能幫助管理人員實(shí)時(shí)看到混凝土運(yùn)輸車、振搗棒、纜機(jī)等設(shè)備的位置，助力優(yōu)化施工方案；人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在工程的重要部位，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工號(hào)牌。
“很多新技術(shù)的應(yīng)用，已顛覆了傳統(tǒng)，這樣的變化是革命性的?！睘鯑|德工程建設(shè)部技術(shù)管理部劉科說。
創(chuàng)新，不僅僅在技術(shù)，也在管理。
為及時(shí)了解掌握施工和運(yùn)行期間大型洞室圍巖應(yīng)力、應(yīng)變情況，烏東德水電站建立了“監(jiān)控、量測、分析、反饋”系統(tǒng)以及“一般情況周報(bào)制、特殊情況日報(bào)制”等制度，從流程上保障了施工安全。
向巨型水輪發(fā)電機(jī)組“無人區(qū)”挺進(jìn)
烏東德85萬千瓦機(jī)組，堪稱世界水電的“無人區(qū)”。
2006年起，長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司牽頭開展烏東德、白鶴灘電站巨型水輪發(fā)電機(jī)組創(chuàng)新研究工作。在施工設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)機(jī)電埋件和施工安裝圖17000余萬張，校審廠家計(jì)算書和圖紙約近3000份。
在水輪發(fā)電機(jī)組這個(gè)環(huán)環(huán)相扣的力學(xué)傳動(dòng)系統(tǒng)中，最重要的部分是轉(zhuǎn)輪。它是將水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的主要運(yùn)動(dòng)裝置。
可以說，轉(zhuǎn)輪直接關(guān)系著機(jī)組的穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)化的效能，是機(jī)組中研發(fā)難度最大、制造難題最多，也是最為精密的部分。
為此，三峽集團(tuán)組織國內(nèi)外廠家開展烏東德水輪發(fā)電機(jī)組整體升級(jí)設(shè)計(jì)。通過十幾年的潛心研究，上百次仿真計(jì)算、模擬、實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化，烏東德水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在保障高效率的同時(shí)，更是在核心參數(shù)方面全面提升。
為保障機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組的重要部件材料需要進(jìn)行整體“升級(jí)”——有的要更輕、更薄，有的要更硬、更韌，以保證相應(yīng)部位具備足夠的抗壓、抗撕裂的性能。
為保障高水頭下的抗壓性能與成本控制，水輪機(jī)蝸殼首次大規(guī)模采用800兆帕高強(qiáng)鋼。這種鋼材通常用于起重機(jī)械的建造，比之溪洛渡、向家壩水電站所選用的600兆帕高強(qiáng)鋼，烏東德水輪機(jī)蝸殼具有更大的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，可以在保障高性能工作的同時(shí)，大大節(jié)省了蝸殼總重、焊條量和人力成本。
技術(shù)難點(diǎn)也同樣突出——與普通鋼板相比，800兆帕高強(qiáng)鋼的焊接無先例可循。焊接技術(shù)團(tuán)隊(duì)花了一年多時(shí)間，攻克了一系列難題，掌握了高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)。
新材料、新工藝、新技術(shù)的背后，是三峽集團(tuán)多年來與參與工程建設(shè)的國內(nèi)外設(shè)計(jì)、制造、施工各方精誠合作，不斷攻克關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新建設(shè)模式，帶動(dòng)中國水電裝備制造水平日益成熟的實(shí)踐。
從巍峨大壩到地下廠房，再到巨型水輪發(fā)電機(jī)組，世界見證著這座綠色能源基地的崛起，烏東德也見證著中國水電工程多年來的創(chuàng)新求索。
三峽集團(tuán)黨組書記、董事長雷鳴山表示：“烏東德水電站工程建設(shè)中，開展了一系列技術(shù)和管理創(chuàng)新，攻克了一項(xiàng)項(xiàng)世界級(jí)難題，在地下工程、壩工技術(shù)、裝備制造等方面提升了中國乃至世界水電科技發(fā)展水平，展示了全球大型水電工程智能建造的‘中國智慧’?！保ā吨袊龒{工程報(bào)》全媒體特約記者 王璐）