作者 | 一安電流，電力從業(yè)人員
作為清潔能源的主力軍，水電一直以來(lái)被寄予厚望,水電多了，或許霧霾就少了。在四川會(huì)東縣和云南祿勸縣交界的金沙江河道上，有這樣一座水電站，它是中國(guó)在建第三大水電站，計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)首批機(jī)組發(fā)電，2021年全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，建成后將成為中國(guó)第四、世界第七大水電站，它，就是烏東德水電站。
?。鯑|德工程上游面全景）
烏東德水電站是金沙江下游河段四個(gè)梯級(jí)水電站（其他三位按照江水流向分別是白鶴灘、溪洛渡、向家壩水電站）的最上游一級(jí)，裝機(jī)容量1020萬(wàn)千瓦，兩岸將各安裝6臺(tái)單機(jī)容量85萬(wàn)千瓦的水輪發(fā)電機(jī)組，預(yù)估平均年發(fā)電量約389.1億千瓦時(shí)。
這是什么概念呢？2018年，北京全社會(huì)用電量累計(jì)為1142.38億千瓦時(shí)，也就是說(shuō)一個(gè)烏東德可以供應(yīng)北京2018全年用電量的34%，堪稱“高產(chǎn)”。
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烏東德水電站主要由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物三大部分組成。擋水與泄水建筑物均為混凝土雙曲拱壩，另外岸邊泄洪洞輔助泄洪，混凝土雙曲拱壩，河床建基面高程718米，壩頂高程988米，最大壩高270米，底厚51.41米，建成后將成為世界最薄的300米級(jí)雙曲拱壩。
（一）為什么要選金沙江做梯級(jí)水電基地？
金沙江地處喜馬拉雅火山地震帶，頻繁的地殼運(yùn)動(dòng)造就了諸多高山深谷，也造就了金沙江水位落差巨大、水能資源豐富的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
從中國(guó)國(guó)情來(lái)看，70%的水電資源都集中在西南，這一地區(qū)正處在印度板塊向亞洲板塊的擠壓帶，同時(shí)天然峽谷與水資源也在這里產(chǎn)生，相伴相生。而修水電站就是要利用淹沒(méi)土地少、水庫(kù)大的峽谷優(yōu)勢(shì)，就是要選擇高山峽谷作為壩址；而高山峽谷從地質(zhì)構(gòu)造成因來(lái)說(shuō)，多半是在火山地震帶上，也就是說(shuō)建水電站多半都繞不開(kāi)抗震的問(wèn)題。
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但是綜合來(lái)看，金沙江占據(jù)著巨大的水能資源，其蘊(yùn)藏量達(dá)1.124億千瓦，約占全國(guó)的16.7%，可開(kāi)發(fā)水能資源達(dá)9000萬(wàn)千瓦，其水能資源的富集程度堪稱世界之最，所以在這里建梯級(jí)水電，是相當(dāng)劃算的。
目前，金沙江全流域共計(jì)劃開(kāi)發(fā)27級(jí)水電站，數(shù)量之多令人嘆為觀止，從四川攀枝花至宜賓的下游河段四級(jí)水電站（開(kāi)篇提到的那四位），裝機(jī)總?cè)萘肯喈?dāng)于2個(gè)三峽水電站。
?。ㄩL(zhǎng)江主干流域梯級(jí)水電站分布圖）
烏東德水電站所擇壩址處于狹窄河谷，地形完整，構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖體質(zhì)量?jī)?yōu)良，是國(guó)內(nèi)難得的優(yōu)良高拱壩壩址。
?。?）拱壩寬高比小，大壩安全性高
烏東德拱壩寬高比接近1比1，也就是壩頂河谷的寬度與壩高的幾乎一樣，這種大壩承受的水推力小，安全性高；另一方面，大壩體型較薄，便于施工質(zhì)量控制。另外，烏東德拱壩最大厚度僅50米，平均只有40多米，體型薄，施工也相對(duì)容易。
?。?）壩址的地形地質(zhì)條件優(yōu)越，有利于防震抗震
烏東德水電站地處西南地震高發(fā)區(qū)，大壩抗震水平的高低直接決定了電站的質(zhì)量水平。
在烏東德預(yù)可行性研究階段，水電工程抗震專家陳厚群院士談到烏東德水電站的抗震設(shè)計(jì)時(shí)表示，因?yàn)闉鯑|德水電站壩址河谷非常窄，兩岸的巖石也很完整，地形比較對(duì)稱，其地震強(qiáng)度屬于中等水平，這在西部眾多高壩當(dāng)中是十分罕見(jiàn)的。
經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，在地震工況下，烏東德水電站的拱壩中高部拉應(yīng)力比上下游大部分水電站的應(yīng)力都要好。從抗震角度來(lái)講，烏東德壩址具有天然優(yōu)勢(shì)，適合建高拱壩。
（二）世界最薄的雙曲拱壩建造難在哪兒？
都說(shuō)中國(guó)是“基建狂魔”，基建搞起來(lái)又快又好，沒(méi)有任何困難能夠難倒中國(guó)的工程師們，在修建大壩上，我們的技術(shù)也是世界一流的。
既然如此，那烏東德水電站這雙曲拱壩應(yīng)該也不在話下吧？事實(shí)是，這次又碰上了一塊“硬骨頭”，偏偏我們就愛(ài)挑戰(zhàn)自己。
首先說(shuō)說(shuō)為什么建雙曲拱壩，這種大壩適用于地勢(shì)險(xiǎn)要、江面不十分寬闊但落差大的地形地貌，在一般大型水電工程中很少采用。由于壩體垂直看一面呈弧形，水平看壩底也成弧形，故名雙曲拱壩。
雙曲拱壩依靠水和壩體之間的物理作用形成壩的穩(wěn)定狀，可大大節(jié)省建設(shè)材料，建設(shè)烏東德大壩用混凝土約為三峽電站的五分之一。
?。p曲拱壩）
剛才我們已經(jīng)提到，在這里建水電站，抗震抗洪是繞不開(kāi)的問(wèn)題，在陡峭山壁建壩如何防震防洪呢？
施工人員提出了“靜力設(shè)計(jì)、動(dòng)力調(diào)整”的體形設(shè)計(jì)方法，以較小代價(jià)即可顯著增大抗震能力。該方法的基本思路是：按非地震工況優(yōu)選一個(gè)基本體形，即“靜力設(shè)計(jì)”體形；在“靜力設(shè)計(jì)”體形基礎(chǔ)上，調(diào)整優(yōu)化約束條件，得出一組體形，再逐一進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，得到符合預(yù)期要求的體形。
在泄洪方面，烏東德水電站采用壩身和岸邊聯(lián)合的泄洪方式，利用深水墊及硬巖橫向谷較好的邊坡條件以簡(jiǎn)化消能泄洪方案，最終大壩采用壩身5個(gè)表孔、6個(gè)中孔、岸邊3條泄洪洞的聯(lián)合泄洪方案，取得了良好效果。
除了抗震抗洪外，由于烏東德大壩的“纖細(xì)身材”需要承載起千萬(wàn)級(jí)特大型水電站的蓄水需求，所以它面臨的第二個(gè)，也是主要的挑戰(zhàn)來(lái)自壩體內(nèi)部——防裂縫。
壩越薄，抗裂縫的能力越差，一旦裂縫壩就會(huì)漏水就會(huì)失去作用。為預(yù)防開(kāi)裂，壩體需要保持連續(xù)上升，大壩澆筑的每一個(gè)單元澆筑間隔不能超過(guò)14天，但是壩址所在為干熱型河谷，環(huán)境溫度高，內(nèi)外溫差極易導(dǎo)致混凝土裂縫。
為有效控溫，工程采用了新研發(fā)的智能通水2.0系統(tǒng)對(duì)大壩混凝土進(jìn)行通水冷卻，開(kāi)創(chuàng)了實(shí)時(shí)控溫、自動(dòng)控制、精準(zhǔn)把控的新模式，完美實(shí)現(xiàn)了澆筑無(wú)縫大壩的目標(biāo)。
烏東德水電站壩址兩岸岸坡陡峭，為狹窄“V”型河谷，大壩為混凝土雙曲拱壩，壩高270米?？紤]到壩體有5個(gè)表孔、6個(gè)中孔，岸邊還有3條泄洪洞，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬結(jié)構(gòu)安裝與混凝土澆筑又交叉進(jìn)行，適合布置纜機(jī)澆筑混凝土。
烏東德水電站遇到的第三個(gè)問(wèn)題就是，高山深谷如何進(jìn)行纜機(jī)布置。
?。ê庸葍砂陡叱虉D與低位方案纜機(jī)平面布置圖）
從高程圖來(lái)看，左岸緩臺(tái)與右岸緩坡對(duì)稱分布不同，緩臺(tái)與緩坡相對(duì)高差達(dá)70米，故需對(duì)兩岸纜機(jī)平臺(tái)調(diào)節(jié)研究，以獲得最優(yōu)纜機(jī)布置。施工人員根據(jù)兩岸地形地質(zhì)條件，結(jié)合投資、效率與安全考慮，最終選取運(yùn)行效率高、投資適中、適應(yīng)性好的低位方案作為大壩纜機(jī)布置方案。
該方案沿山脊布置纜機(jī)平臺(tái)，貼合電站進(jìn)水口布置和傾向上游的緩坡地形，以最小開(kāi)挖量保證了大壩的正常施工。
（三）建造梯級(jí)水電站對(duì)生態(tài)有什么影響？
毫無(wú)疑問(wèn)，建造梯級(jí)水電站會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定影響，因?yàn)樘菁?jí)水電站的本質(zhì)就是將水能豐沛的一段河流圍起來(lái)，圈成“湖”，最終該段河流的生態(tài)就會(huì)演變成類湖泊的一種生態(tài)系統(tǒng)。
科學(xué)研究表明，水壩上游因?yàn)樗佥^緩，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)容易富集沉淀，容易滋生水草、藻類，而水壩下游的魚類無(wú)法洄游，種群繁衍也受到了影響。但是，是否因此便真的有必要放棄水能這種易得的清潔能源呢？我們應(yīng)該理性看待這個(gè)問(wèn)題，相信并尋求一種既能滿足人類社會(huì)能源需求又能最小程度干擾自然生態(tài)的處理方式。
烏東德大壩建立在水流落差最大的上游位置，對(duì)魚類洄游影響不太大，且大壩設(shè)置的眾多泄洪孔洞也最大程度維持了河流的生態(tài)原貌。
烏東德水電站選址處周圍人口也比較稀少，不用大量遷徙人口，1萬(wàn)千瓦僅需遷移40多人，在此建壩對(duì)陸地生物的生存環(huán)境影響也較小。
綜合考慮，烏東德水電站及其領(lǐng)銜的梯級(jí)電站蘊(yùn)含的巨大的能源價(jià)值將進(jìn)一步推動(dòng)社會(huì)發(fā)展，其建設(shè)的有益面大于不利面。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)我們將更好地建設(shè)與自然和諧共生的生態(tài)型建筑，這需要社會(huì)各界的共同努力。
?。鯑|德水電站夜景）
結(jié)語(yǔ)
金沙江梯級(jí)水電站是代表著世界水電最高水平的創(chuàng)新工程和智能工程，烏東德水電站大壩代表著中國(guó)筑壩技術(shù)的先進(jìn)水平，面對(duì)復(fù)雜的氣候和地質(zhì)條件，烏東德水電站創(chuàng)造了諸項(xiàng)世界第一，樹(shù)立了中國(guó)水電工程技術(shù)領(lǐng)先世界的新標(biāo)桿。
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[參考文獻(xiàn)]
1世界最薄300米級(jí)雙曲拱壩烏東德水電站泄洪洞進(jìn)水塔全線封頂，http://www.hb.chinanews.com/news/2018/0929/311048.html
2世界上最薄特高拱壩——烏東德水電站大壩整體澆筑過(guò)半，http://news.bjx.com.cn/html/20181029/937398.shtml
3探訪金沙江兩大在建水電工程：“智造”大國(guó)重器，http://news.bjx.com.cn/html/20181008/931978.shtml
4中國(guó)是世界拱壩大國(guó)也是世界拱壩強(qiáng)國(guó)——在《特高拱壩建設(shè)總結(jié)及安全運(yùn)行管理研究》會(huì)議上的發(fā)言，[期刊論文]朱伯芳,ZHUBofang-《水利水電技術(shù)》2017年2期
5國(guó)內(nèi)難得的優(yōu)良高拱壩壩址——院士談烏東德水電站
[期刊論文]周雙超,王波,劉鑫,ZHOUShuang-chao,WANGBo,LIUXin-《四川水力發(fā)電》2010年3期
6烏東德大壩施工纜機(jī)布置方案研究，[期刊論文]王翔,梁仁強(qiáng),翁永紅,WANGXiang,LIANGRenqiang,WENGYonghong-《水利水電技術(shù)》2014年1期
7烏東德水電站拱壩壩基巖體松弛特征研究，[期刊論文]王吉亮,許琦,黃孝泉,郝文忠,楊靜,魏雨軍,周炳強(qiáng),徐磊,WANGJiliang,XUQi,HUANGXiaoquan,HAOWenzhong,YANGJing,WEIYujun,ZHOUBingqiang,XULei-《資源環(huán)境與工程》2017年4期
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