白鹤滩的N个世界之最

白鹤滩的N个世界之最

白鹤滩工程观察报告

观察目的

1. 了解白鹤滩工程的世界之最

2. 感受白鹤滩工程的智性之美

观察项目

1. 又高又壮的智能大坝

2. 白鹤滩大坝，对“无坝不裂”说“不”

3. 世界上最大的“地下城”

4. 超级工程的超级“心脏”

5. 巨型尾水调压室护航百万机组

6. 白鹤滩有座全球规模最大的“镜厅”

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又高又壮的智能大坝

大坝是水电站枢纽工程的核心建筑物，承担着挡水与泄洪的重要任务。白鹤滩水电站大坝采用混凝土双曲拱坝。坝身呈现水平向和竖直向弯曲，水平向弯曲可以发挥拱的作用，将大坝承受的巨大水压力传递给两侧山体，以山体产生的反作用力使坝体维持稳定，堪称名副其实的“借力打力”。竖直向弯曲可实现变中心、变半径以调整拱坝上下部的曲率和半径。

白鹤滩水电站大坝最大坝高289米，位居世界第三，相当于103层大楼的高度。水库总库容206.27亿立方米，其给予大坝的总水推力达到1650万吨，位居世界第二。但如此巨型的大坝又位列国内坝址地质条件最为复杂的高拱坝之一，这就要求白鹤滩大坝坝体特别强健。坝址区地震基本烈度按50年超越概率10%地震动参数确定为8度，抗震参数在300米级特高拱坝中居世界第一。

为了保障这么一座大体型、有担当、又抗造的大坝能够顺利地建造运行，工程师们将智能建造与筑坝技术深度融合，开创了高拱坝智能建造先河。埋设在大坝坝体内上万支监测仪器，感知温度、风速、变形等重要信息，并将信息反馈给智能建造信息管理平台进行实时分析判断，使各项系统准确进行智能控制和实时调节，实现建造运行全周期精细化管控，让白鹤滩水电站大坝成为名副其实的“最聪明的大坝”。

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白鹤滩大坝对“无坝不裂”说“不”

在水利水电领域，混凝土坝对质量和安全稳定的要求非常高，但“无坝不裂”一直是世界级难题。混凝土为什么会出现裂缝？要解答这个疑问，就要从混凝土的材料特性说起。

混凝土在浇筑后会持续进行水化反应。作为一种放热反应，水化反应产生的热量会累积在混凝土块内部。由于混凝土表面散热快、温度低，中心散热慢、温度相对高，若不加以控制，在极端情况下内外温差甚至可达到30℃以上。随着混凝土几何尺寸的增加，温差产生的应力会成倍增长。

白鹤滩坝体混凝土方量达到803万立方米，而且拱坝体形复杂，坝身孔口众多。坝址干热河谷气候特征明显，常年大风、昼夜温差大。因此，白鹤滩拱坝的温控防裂要求和难度均高于同类工程。

为了攻克这一难题，白鹤滩大坝全坝采用低热水泥浇筑。低热水泥全称低热硅酸盐水泥，是一种以硅酸二钙为主导矿物，铝酸三钙含量较低的水泥。

经大量研究和实验证实，低热水泥具有良好的工作性、低水化热、高后期强度、高耐久性、高耐侵蚀性等优点。我国在三峡枢纽工程、向家坝水电站、溪洛渡水电站等项目中试验性使用了低热水泥，经过十多年的试验、论证和应用，证明了低热水泥性能的可靠性。

采用低热水泥，能够有效降低温控设备投入，降低大坝混凝土开裂的风险，减少后期裂缝处理的成本。因为低热水泥的水化热比中热水泥和普通水泥小，所以大坝混凝土的绝热温升大大低于中热水泥和普通水泥大坝混凝土的绝热温升（低5～10℃），这对降低温度应力、减少温度裂缝非常有利。

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世界上最大的“地下城”

为建设白鹤滩水电站，建设者们在地质条件十分复杂的山体中开凿了大量隧洞，纵横交错，整个建设过程可谓游戏《地下城与勇士》的现实版本。

白鹤滩左右岸地下厂房尺寸均为长438米、宽34米、高88.7米，是世界上已建水电工程中跨度最大的地下厂房。由于地下厂区存在高地应力、软弱夹层、硬脆玄武岩松弛的情况，围岩的稳定性问题十分突出。左岸地下厂房垂直埋深260～330米，右岸地下厂房垂直埋深420～540米。所在区域属于高地应力区，左、右岸地下厂房区存在轻微岩爆或中等岩爆（在开挖或其他外界扰动下，岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩爆裂并弹射而出的现象），片帮现象（侧壁在压力作用下变形、破坏而脱落的现象）较普遍且程度较严重。为应对这一问题，建设者们遵循“短进尺、弱爆破、强支护、勤监测”开挖支护原则，自上而下薄层开挖，分区、分块制定针对性爆破方案，在保证岩体稳定性的同时，又让爆破后的岩壁达到了理想状态。

白鹤滩工程开挖隧洞总长度约217千米，相当于从上海到宁波的距离；洞室开挖量达2500万立方米，足够填满2个西湖或建起10座埃及的胡夫金字塔。左右岸引水发电系统布置了超过160条隧洞，主要由进水口、压力管道、主副厂房洞、主变室、尾水调压室、尾水隧洞、尾水出口等建筑物组成，加上各种廊道、管道，构成一个庞大的地下洞室群，规模世界第一。

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超级工程的超级“心脏”

白鹤滩水电站机组是世界上首批百万千瓦水轮发电机组，可谓世界水电行业的“珠穆朗玛峰”。从葛洲坝工程17万千瓦机组、二滩水电站55万千瓦大型机组，到三峡工程70万千瓦巨型机组，向家坝80万千瓦机组，再到乌东德85万千瓦机组，一直到白鹤滩100万千瓦机组，单机容量有了巨大的跨越，其技术研究的复杂性和技术难度，远大于世界上其他大型机组。

大机组有着大“身材”，白鹤滩单台百万千瓦机组从尾水管底板到机头罩整体高度达50多米，单台水轮发电机重量达8000多吨，相当于法国埃菲尔铁塔的重量。

白鹤滩水电站拥有世界上单机容量最大的水轮机。每台水轮机额定出力高达1015兆瓦，足以给6.7艘辽宁舰航母提供动力。单机流量高达每秒545.49立方米，在16台机组同时运行情况下，每秒钟的过流流量可以充满4个标准游泳池。

白鹤滩水电站还拥有国内电压等级最高的水轮发电机。为减少铜的使用量，同时减小因电流发热而引起的发电机定子绕组温升，电站的发电机出口额定电压高达24千伏。24千伏发电机出口电压，比20世纪80年代修建的葛洲坝电站发电机出口额定电压高出将近一倍，比20世纪末21世纪初修建的三峡电站发电机出口额定电压高出20%，比拥有800兆瓦巨型水轮发电机的向家坝电站发电机出口电压高出约5%。同时，机组出口电流也十分强大，在额定功率运行的情况下，发电机出口电流达到26729安，可以同时点亮约6万只100瓦的灯泡。而这么强大的机组，白鹤滩水电站装有16台！

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巨型尾水调压室护航百万机组

尾水，就是流过水轮机、完成发电后的出水。对于大型水电站工程，当水轮发电机组增加或丢弃负荷，水轮机导叶开启或关闭后，由于压力水流的惯性，水道中将产生巨大的水流冲击波——水锤，最大水锤压力超过100米。之所以叫“水锤”，就是因为水流冲击波力量巨大，就像用重锤击打一样。水锤压力剧烈波动会引起机组转速过高，导致金属结构破坏，影响机组供电质量。同时，水锤压力在尾水隧洞中过大时，会对隧洞衬砌混凝土造成损伤，严重时甚至会产生机组抬机事故。

白鹤滩水电站厂房水轮发电机单机容量为100万千瓦，与之配套的尾水隧洞最大长度近2千米，这么长的水道若不设置尾水调压室，当机组开启或关闭时，将形成巨大的水锤，威胁机组安全，因此需要在靠近闸门部位设置巨型尾水调压室，通过调压室内水位升降，减小尾水的水击压强，改善机组的运行条件。

白鹤滩水电站的尾水调压室采用圆筒阻抗式结构。两机共用一室，16台机组共有8座巨大的尾水调压室，左右岸各4座。尾水调压室最大开挖直径为48米，相当于2个标准篮球场面积，最大开挖高度128米，相当于40层楼。8座尾水调压室位于电站两岸山体下400～600米深处，单个调压室规模与调压室群规模均为世界之最。

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白鹤滩有座全球规模最大的“镜厅”

为实现白鹤滩“窄河谷、高水头、巨泄量”的泄洪要求，白鹤滩水电站共布设了3套泄洪设施，分别为布置于坝身的7个深孔和6个表孔，以及布置于左岸的3条直线泄洪洞。枢纽总泄洪量为4.2万立方米/秒，泄洪洞要承担约30%的泄洪任务，最大泄量为1.23万立方米/秒，单侧泄量为世界之最。单条泄洪洞洞长2.1~2.3千米，其中，1#泄洪洞长2317米，单条泄洪洞长度为世界第一。

白鹤滩泄洪洞采用了龙落尾式结构，由进水塔、上平段、龙落尾、挑流鼻坎、掺气补气系统组成，水头落差120米。其中，龙落尾段在仅有的400米范围内水头落差高达90米，最大流速47米/秒，相当于水流按照180千米/小时的速度在隧洞中奔流而下。

由于泄洪洞流量大、流速高，衬砌混凝土存在空蚀破坏的风险。其中最容易造成大面积破坏的因素是混凝土表面缺陷，哪怕是有2～3毫米的一个错台或指甲盖大的坑洼，在高速水流下都可能逐步发展成大范围损毁。为此，建设者改进工艺，让施工缝面无缝衔接、平顺过渡，过流面不平整度控制在了在2米范围内最大不超过3毫米的精度，在水流养护状态下，表面光滑如镜，置身其间，人影重重，宛如镜厅。

衬砌混凝土厚度仅有1米，对于15米×18米的巨型洞室结构而言相当单薄，刚浇筑完成的混凝土对外界温度变化极其敏感，稍有不慎就会产生温度裂缝。为了解决薄壁结构衬砌混凝土“无衬不裂”的难题，泄洪洞参建各方联合清华大学等高校，发明了薄壁结构衬砌混凝土精细化温控方案，采用智能温控系统、智能养护系统，实现了衬砌混凝土零温度裂缝，完成了水工隧洞衬砌混凝土无缺陷建造。

绘图：陈国华-Mark

编辑：谢泽 王旭辉

美编：孙钰芳