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，首批機組進入投產發(fā)電倒計時。
作為金沙江下游河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四個水電梯級中的最上游梯級,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、導流洞開挖斷面世界第一等多項世界紀錄。這些“高光數據”的背后，卻是建設條件復雜艱巨的現(xiàn)狀、建設規(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。烏東德工程建設者們將科技創(chuàng)新運用于工程規(guī)劃、設計、施工等各環(huán)節(jié)，形成了筑壩的強勁動力。
數千只“溫度計”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米級雙曲拱壩，也是世界首座全壩應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，大風頻發(fā)，日照強烈，晝夜溫差大。壩體受溫度不均影響，極易產生裂縫。
高壩大庫的建設質量和安全事關國計民生，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。要實現(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生。早在三峽工程建設期間，三峽集團就開始了低熱水泥的研究與實踐，并在烏東德水電站大壩建設中首次實現(xiàn)全壩應用。
追求材料創(chuàng)新的同時，烏東德水電站也在“智能建造”方面更進一步。
在烏東德智能通水系統(tǒng)中，數千支監(jiān)測儀器埋設入壩體。這些儀器如同一支支敏感的“體溫計”，時刻記錄并反饋壩體溫度。當系統(tǒng)檢測到壩體部分過熱時，預埋在大壩中的管道便會對發(fā)熱部位進行通水冷卻。通過分析判斷，改變水管中的流量和水溫，系統(tǒng)可實現(xiàn)壩體溫度“微調”。
除了壩體，周圍山體也在建設者“嚴密監(jiān)視”范圍內。山體裂縫會影響水庫蓄水，而且萬一滲漏，也會對大壩安全產生影響。為此，建設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”。
為了提高灌漿質量，三峽集團歷時兩年研發(fā)出全自動控制智能灌漿系統(tǒng)，并在烏東德工程首次應用。系統(tǒng)可實現(xiàn)自動加水、加漿、配漿。“整個過程就像操作家里的自動洗衣機一樣簡單。”三峽集團烏東德工程建設部大壩項目部黃偉說。
施工區(qū)內，信息技術和傳統(tǒng)大壩建設接口正在打通：得益于烏東德iDam2.0拱壩智能建造系統(tǒng)技術，一個共享、協(xié)同、交互的智能大壩業(yè)務管理平臺已然形成。在這個平臺上，智能振搗、智能通水、智能噴霧等技術協(xié)同發(fā)力，保障施工順利、穩(wěn)定。
據烏東德工程建設部大壩項目部楊寧介紹，“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)控技術與人工智能相結合，應用于大壩混凝土澆筑全過程，有效提升了施工質量精細化控制程度。”
“豆腐塊”里建“地下宮殿”
烏東德地下電站廠房靠河床側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)劃設計研究院副總工程師、烏東德項目設計總工程師翁永紅看來，地下廠房建設如同“在豆腐塊里施工”。
確保安全，是工程建設的重中之重、難中之難。
在地下廠房的開挖中，建設者們及時采取針對性措施，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工程進度產生影響；同時創(chuàng)新“小洞進大洞、先洞后墻、錨索深層加固”施工方案，確保山體受力平衡，同時進行填縫灌漿，增強巖體整體性，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)、應力實時變動。為了掌握相關情況，“高邊墻開挖動態(tài)實時反饋分析系統(tǒng)”派上大用場。它可以進行三維設計，并根據安全監(jiān)測數據進行實時計算,不放過四周巖體的任何“小缺陷”、“小動作”。
同時，人員設備定位系統(tǒng)還能幫助管理人員實時看到混凝土運輸車、振搗棒、纜機等設備的位置，助力優(yōu)化施工方案；人臉識別技術應用在工程的重要部位，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工號牌。
“很多新技術的應用，已顛覆了傳統(tǒng)，這樣的變化是革命性的。”烏東德工程建設部技術管理部劉科說。
創(chuàng)新，不僅僅在技術，也在管理。
為及時了解掌握施工和運行期間大型洞室圍巖應力、應變情況，烏東德水電站建立了“監(jiān)控、量測、分析、反饋”系統(tǒng)以及“一般情況周報制、特殊情況日報制”等制度，從流程上保障了施工安全。
向巨型水輪發(fā)電機組“無人區(qū)”挺進
烏東德85萬千瓦機組，堪稱世界水電的“無人區(qū)”。
2006年起，長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司牽頭開展烏東德、白鶴灘電站巨型水輪發(fā)電機組創(chuàng)新研究工作。在施工設計階段，設計機電埋件和施工安裝圖17000余萬張，校審廠家計算書和圖紙約近3000份。
在水輪發(fā)電機組這個環(huán)環(huán)相扣的力學傳動系統(tǒng)中，最重要的部分是轉輪。它是將水流動能轉化為電能的主要運動裝置。
可以說，轉輪直接關系著機組的穩(wěn)定性和能量轉化的效能，是機組中研發(fā)難度最大、制造難題最多，也是最為精密的部分。
為此，三峽集團組織國內外廠家開展烏東德水輪發(fā)電機組整體升級設計。通過十幾年的潛心研究，上百次仿真計算、模擬、實驗、優(yōu)化，烏東德水輪機轉輪在保障高效率的同時，更是在核心參數方面全面提升。
為保障機組運行穩(wěn)定，機組的重要部件材料需要進行整體“升級”——有的要更輕、更薄，有的要更硬、更韌，以保證相應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，水輪機蝸殼首次大規(guī)模采用800兆帕高強鋼。這種鋼材通常用于起重機械的建造，比之溪洛渡、向家壩水電站所選用的600兆帕高強鋼，烏東德水輪機蝸殼具有更大的屈服強度和抗拉強度，可以在保障高性能工作的同時，大大節(jié)省了蝸殼總重、焊條量和人力成本。
技術難點也同樣突出——與普通鋼板相比，800兆帕高強鋼的焊接無先例可循。焊接技術團隊花了一年多時間，攻克了一系列難題，掌握了高強鋼焊接技術。
新材料、新工藝、新技術的背后，是三峽集團多年來與參與工程建設的國內外設計、制造、施工各方精誠合作，不斷攻克關鍵技術、創(chuàng)新建設模式，帶動中國水電裝備制造水平日益成熟的實踐。
從巍峨大壩到地下廠房，再到巨型水輪發(fā)電機組，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。
三峽集團黨組書記、董事長雷鳴山表示：“烏東德水電站工程建設中，開展了一系列技術和管理創(chuàng)新，攻克了一項項世界級難題，在地下工程、壩工技術、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’。”（《中國三峽工程報》全媒體特約記者 王璐）