世界水电技术的“珠穆朗玛峰”：白鹤滩水电站

泄洪中的白鹤滩水电站

长江自青海发源，穿行于西藏、四川、云南的高山峡谷，水色金黄、古产沙金，故在此段又称金沙江。这里流急坎陡、水势惊险、落差巨大，是中国水能资源的富矿。2010年10月开工、2021年6月首批机组投产发电的白鹤滩水电站，就坐落在其下游段，被称为“当今世界在建规模最大、技术难度最高的水电工程”。

极复杂的地质

极优越的水能

早在20世纪50年代，中国就在金沙江下游开展了水电站规划选点工作，认为此处十分适宜开发建设梯级水电站（指水能资源开发中，相邻联系比较紧密、互相影响比较显著、地理位置相对比较靠近的水电站群）。但因经济和技术条件限制，直到90年代，金沙江下游巨型梯级水电站（金沙江下游现有乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4座梯级水电站）的设计建设才开始落地。

位于四川省宁南县和云南省巧家县交界处的白鹤滩水电站是其中最大的一级，地质条件也最为复杂。研究人员经过1991—2000年的10年勘察、2001—2010年的10年设计，最终攻克了各项世界级难题，完成稳妥完善的设计方案。

水电站建设是与石头打交道，因此地质条件对技术难度的影响是决定性的。而工程师们为白鹤滩水电站艰苦攻关的世界级难题，也大都由当地的复杂地质条件“提供”。例如：其大坝所在的河段，峡谷左缓右陡，对要求受力对称的拱坝非常不利；大坝脚下、厂房头顶存在大面积的柱状节理玄武岩，非常易碎；其两岸山体由11层岩浆和火山灰堆叠而成，层间错动带脆弱透水。

白鹤滩水电站大坝俯视图（供图/ 李明熹）

那为何还要在此建水电站？因为与极端复杂的地质条件伴生的，是极其优越的水能条件。据估计，若白鹤滩水电站全部机组一起发电，其一天发电量可为50万人口提供一年的生活用电。

巨大“零件” 

助力水资源利用

工程师们设计了一系列巨大的“零件”，以充分利用白鹤滩河段的水力资源。

首先说大坝。白鹤滩水电站坝高289米，是非对称双曲拱坝。大坝拦挡江水，形成水库，使水的势能得以保存，同时坝身开孔可宣泄2/3的洪水。别看它坝高居世界第三，其总水推力1650万吨却是世界第二，反拱型水垫塘（重要的泄洪消能设施）规模更居世界第一，水平地震加速度设计值也是世界第一。

白鹤滩水电站三维效果图（供图/ 李明熹）

再次是洞室群。水电站的300多条洞室组成了引水发电系统洞室群。引水洞把水引到主厂房，将水的势能转化为动能，推动水轮发电机转动；发完电的水，通过调压室的平衡，由尾水洞排出山体；泄洪洞可宣泄1/3的洪水。其中，世界最大的主厂房长438米、宽34米、高88米，可以放进一艘航空母舰——左右岸各建设1个；世界最大的调压室高120多米、直径48米，可以放进3架头尾相接的运-20飞机——左右岸各建设4个。洞室总长度超过230千米，规模世界第一。

另外，这里还有16台水轮发电机组。其单机功率达100万千瓦（1小时可发电100万度），居世界第一；总装机容量为1600万千瓦，居世界第二。机组把水的动能转化为电能，再转换成交流电并接入电网，就可以送进千家万户了。机组以外的辅助设备，包括变压器、开关设备、输电设备等，规模都居世界第一或前列。

虽说中国很多工程都能举出世界级的指标，但像白鹤滩这样几乎所有指标都居世界前列的，却十分罕见，再与极端复杂的地质条件叠加，对技术难度的增益难以想象。

“积木”上

筑起的无缝拱坝

白鹤滩大坝除了非对称、双曲体型设计复杂之外，基础处理是最大难点。因为在其大坝下方，存在大面积的柱状节理玄武岩，这种岩石虽然在原生态情况下非常坚固，但一旦开挖就会松弛，就像拆积木时一样。当时，国内外还从未在柱状节理玄武岩上建过如此高坝。

 雙曲拱坝示意图（供图/李明熹）  单个机组与成年男子的比例示意图（供图/李明熹）

为解决此难题，工程师们联合科研人员全面系统地研究了此类岩体的力学特性。通过现场小规模爆破试验和声波测试等方法，他们揭示出此类岩体松弛变形的时空规律，从而制定了“厚层保护、灌浆固结、深层锚固、精准爆破”的综合处理措施。经过长达4年小心翼翼地开挖锚固，2017年4月，被认为像积木一样一旦开挖就易碎的大坝基础处理完成，全面达到技术质量指标，开始浇筑大坝主体混凝土。

左岸地下厂房（供图/ 李明熹）

白鹤滩大坝体积巨大，主体混凝土用量达2000多万吨。传统混凝土在硬化时会大量放热导致温度骤升骤降，热胀冷缩必然会产生裂缝。为建设高性能无缝大坝，工程师们放弃使用洞室开挖出的大量玄武岩，选中50公里外一座灰岩构成的小山，开挖破碎制成混凝土骨料——灰岩骨料混凝土放热低，不易产生裂缝。此外，工程师们还合作研发出低热水泥和智能通水冷却系统，三管齐下，大幅压制了混凝土放热。

又一个4年过去，2021年5月，那座灰岩小山挖平了，白鹤滩大坝筑了起来。它打破世界水电界“无坝不裂”的行业“魔咒”，创造了高性能无缝特高拱坝的工程奇迹。

“千层糕”里

挖出巨型电站

白鹤滩左右岸两座巨大的地下电站，被多条层间错动带（影响地下洞室围岩稳定性的主要地质构造之一）、断层带横穿，就像在千层糕里挖迷宫一样，上部山体压力更是最高达33兆帕，相当于水下3300米的压力。为防止顶拱受压变形和洞群复合变形，工程师们自主研发三维数字可视化设计平台，精算出既牢靠又经济的洞室体型和支护措施。

典型柱状节理玄武岩（供图/ 李明熹）

在施工过程中，工程师们通过洞室内装设的上千个监测仪器，全天候监控洞室承压情况，及时调整优化支护措施和施工时机，确保万无一失。2014—2019年，经过6年精心施工，巨大的洞室群全部开挖完成。

白鹤滩水电站是实施“西电东送”的国家重大工程。中国的水电工程科技，从上世纪五六十年代跟在发达国家后面跑，到八九十年代并跑，再到现在遥遥领先，凝聚着几代中国水电人的心血、汗水和智慧。未来，水电和新能源等可再生能源开发还大有可为，水电人也会继续努力、一往无前，为中国实现“双碳”目标、更好地服务人民群众，作出新的更大贡献。如果你也有兴趣，现在就开始努力吧！