投资369亿元人民币,中国在大渡河建了座世界第一高坝

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  中国拥有全世界最为丰富的水能资源,中国一直在试图开发利用它,三峡水电站、白鹤滩水电站、乌东德水电站……中国的大型水利工程俯拾即是,双江口水电站也是其中非常有代表性的一座。


  (一)中国为什么要大力开发水能资源?

  在过去的40年间,中国经济以非常迅猛的速度增长,伴随其一同增长的就是能源的消耗。

  而在2016年以前,中国原煤燃烧供应的能量占全部能源的比例始终超过70%。燃煤是一种碳排放极高的供能方式,为了削减碳排放,必须用更加清洁的能源来进行替代。

  

  (2016年中国大陆全口径发电量构成)

  对此,多数耗能大国和经济体,如美国、俄罗斯和欧盟,选择了天然气进行替代,天然气的碳排放量更低、使用方式也更灵活。

  但是,这对于中国而言却并不适用:中国地质条件复杂,天然气储量虽多但开采难度较大,如果全部依赖进口,不仅价格高昂难以接受,而且会令中国的能源供应受制于人。


  不过,极端复杂的地形却也让中国拥有一项其他国家无法比拟的清洁能源天赋:水电。

  中国的地形跨越三级阶梯,跨越这些落差的河流中蕴藏着极为丰富的动能,将其开发出来就会成为清洁而廉价的能源。

  水电站虽然前期投入高,但一朝建成后便可以以极为低廉的价格源源不断地生产电能,而且使用寿命极长,一座水电站甚至可以在建成100年后仍旧稳定供电。

  更重要的是,一座水利枢纽不仅仅可以发电,同时还可以提供农业灌溉、控制洪水甚至改善气候。可以说,中国的水能资源是大自然留给我们的宝贵财富。

  (二)长江上游的水电开发:大渡河梯级工程

  修建水电站,并非选取一条河流并在中间修建一座大坝将其拦腰截断就万事大吉。要尽可能充分利用一条河流的全部水能资源,就必须将全河段分成若干个河段来开发利用。

  在一条河流上,自上而下,建造一个接一个的水利枢纽,成为一系列的梯级枢纽,这种开发方式称为河流的梯级开发。梯级开发中的一系列水电站,称为梯级电站。


  例如,世界最大的水电站——三峡水利枢纽,其总装机容量为2240万千瓦,远远超过总装机容量1386万千瓦的第二大水电站——溪洛渡水电站。而如果对长江的上游——金沙江进行梯级开发,则可以得到8891万千瓦的总装机容量,相当于四座三峡电站。

  在长江上游的一条二级支流——大渡河上,也有一项这样的梯级开发工程。它发源于青海省果洛山东南麓,分东、西两源,东源为足木足河,西源为绰斯甲河,以东源为主源。大渡河干流河道全长1062公里,天然落差4175米,整条河流被开发为3库22级电站,总装机容量2340万千瓦,与三峡电站不相上下。


  作为一条二级支流,大渡河径流量并不大,多年平均流量1490立方米/秒,仅为长江三峡处的不足3%。然而,大渡河流域落差大,径流稳定,因此发出的电力十分稳定,而且梯级坝址地质条件一般较好,单位装机淹没损失均小于全国各大水电基地的平均值,非常适合于进行水电开发。

  加之大渡河流域距离四川电力负荷中心很近,输电距离短,线路建设投资省,线损小,因此无论供电四川或参与西电东送都具有较好的区位优势。借此,大渡河水电基地成为了国家规划的十三大水能基地之一。


  (三)大渡河上的世界第一高坝——双江口水电站

  双江口水电站是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库工程,是大渡河流域梯级电站开发的关键项目之一。

  它位于整条大渡河3库22级开发方案中的第5级,上游为卜寺沟水电站,下游为金川水电站。双江口水电站坝址位于大渡河上源足木足河与绰斯甲河汇口处以下2千米河段,电站总装机容量200万千瓦,总投资369亿元人民币,最大坝高314米,为世界第一高坝。

  双江口水电站拦河后抬升上游水面,形成了一座面积40平方千米,库容31.15亿千米的水库。它具有调节水量的功能,在丰水期蓄水,枯水期放水调节,可增加下游梯级电站枯期年发电量66亿千瓦时。


  双江口大坝是一座土心墙堆石坝,这是一种利用当地土料、石料或混合料筑成的挡水坝,与混凝土修建的拱坝和重力坝很不相同。

  大坝的体积高达数百万吨,由于混凝土价格昂贵,加之大坝所处位置交通不便,因此在大坝建设中全部使用混凝土往往不够经济。因此,建设者们只好就地取材,利用当地最常见的碎石进行建设。


  (双江口土心墙堆石坝截面示意图)

  虽然名为土石坝,但大坝不可能完全由土石建成。

  土石的简单堆积体透水性极强,起不到挡水作用,在长期水流冲击下也很容易被水冲溃。

  因此,现实中的土石坝是一个复杂的结构体。大坝中心位置的心墙是由防渗性极强的黏土配合一定量用于提高强度的改性砾石填充而成的,而起保护作用的外壳则是由抗压性极高的砂石填筑的。

  这些砂石都经过严格筛选,不仅本身的强度要非常高,而且还要大小搭配均匀,级配良好,这样才可以在堆积过程中将砂石之间的缝隙填充得尽可能密实,提高大坝整体的强度。


  (施工中的双江口土石坝)

  双江口水电站的防渗土料选用了下游近坝的当卡料场和上游的木尔宗料场。这两处料场出产的黏土颗粒偏细,防渗性能良好,但强度不足。因此,工程师们对其进行了级配调整,掺入当地出产的花岗岩破碎料以提高坝心墙强度。

  将每次数百吨的土石料混合均匀,与在搅拌机中混合几吨重的混凝土难度不可同日而语。如果砂土混合不匀,就会造成坝体强度不均,进而产生变形。

  工程师们采用平铺立采法为当卡料场土料掺合加工方法,将黏土料与砾石料按重量比折算成铺料厚度,分层、互层铺料,然后推土机平料,用挖掘机或装载机立采,并多次装卸,使得坝体材料在宏观性能上均一稳定。

  (四)大量运用计算机技术,这是一座智能大坝

  双江口大坝的建设中大量运用了现代计算机技术进行精细化的管理,显著提高了建设效率,并对水电站进行全寿命周期的管理和全方位的风险预判,并以此为基础进行调控。


  (双江口水电站智能指挥中心)

  大坝的施工进度智能控制模块会基于当前工程面貌进行施工进度进行仿真预测和智能分析,当发现下一阶段施工仿真进度与计划进度发生偏差时,通过分析,给出下阶段施工方案优化措施和建议,进而确保进度目标的实现。

  在施工中,智能控制模块会结合物料运输和施工强度规划,通过仿真计算枢纽建筑物各时段、各部位的施工强度、最大强度、各道路行车密度、最大行车密度等数据,进而动态演示出坝段的填筑进度成果,让工程师们对施工进度以及物料供给情况了然于胸。

  同时,在施工的全过程中辅助以无人机航摄技术,持续不断地采集大坝建设中的真实数据,不仅可以全方面地掌握施工的实际进度,而且还可以观测到大坝的施工对周围自然环境,尤其是水环境的影响,进而可以进行有针对性的生态保护。


  结语

  从设计阶段开始计算,双江口水电站的总工期长达121个月。2019年3月25日,双江口水电站砾石土心墙堆石坝首仓混凝土浇筑启动,标志着该电站大坝工程由基础开挖全面进入主体混凝土浇筑阶段。

  预计2024年开始,电站机组开始投入发电,每年为国家贡献83.41亿千瓦时电量,减少燃煤消耗296万吨,减少碳排放总量718万吨,显著提升大渡河下游城市的防洪能力,有助于推动所在地将资源优势转化为经济优势。

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  编辑| 史文慧

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