給大壩裝“大腦” 給心墻蓋“被子”
兩河口水電站創(chuàng )九項世界之最
四川省雅江縣縣城上游約25km的雅礱江干流，曾經(jīng)洶涌湍急的河流變成了高峽平湖，我國海拔最高的百萬(wàn)千瓦級水電站——兩河口水電站橫跨雅礱江，穩穩地嵌入V字形峽谷中。
295米高土石壩海拔世界第一，高邊坡群施工規模世界第一，泄洪抗沖旋挖樁群水電施工規模世界第一……近日，隨著(zhù)最后一臺機組完成72小時(shí)試運行并正式投入商運，這個(gè)創(chuàng )下九項“世界之最”的水電站全部投產(chǎn)發(fā)電。
面臨一系列世界級難題，工程建設用上了哪些“黑科技”?記者帶您一探究竟——
主要轉動(dòng)部件擺度僅有一根頭發(fā)絲直徑的二分之一
機電設備實(shí)現“特別質(zhì)量”
隨著(zhù)進(jìn)水口閘門(mén)的打開(kāi)，奔騰的江水通過(guò)高壓管道進(jìn)入水輪機，帶動(dòng)設備高速旋轉，發(fā)出強大電流。
與此同時(shí)，兩河口水電站的值班人員一邊根據調度情況調整導葉開(kāi)度，一邊在監控室內通過(guò)智能監控系統監測著(zhù)發(fā)電機組振動(dòng)、擺度、各部瓦溫等參數，確保機組穩定運行。
機電設備被視為電站“心臟”。作為目前國內海拔最高的百萬(wàn)千瓦級水電站，兩河口水電站擁有著(zhù)一顆強勁有力的“心臟”——6臺單機50萬(wàn)千瓦大型水輪發(fā)電機組。全部機組在完成72小時(shí)試運行后，無(wú)任何安全隱患和質(zhì)量缺陷，開(kāi)創(chuàng )了國內全部大型機組免維修轉商運的先例。
技術(shù)人員至今仍然記得的一個(gè)細節是，由于兩河口水庫所處海拔高、庫容大、蓄水周期長(cháng)，發(fā)電機組長(cháng)期在低水頭工況運行，給機組轉輪核心部件等穩定性帶來(lái)極大考驗。
高海拔下，機組如何高效、平穩運行?大容量水輪發(fā)電機組線(xiàn)棒防暈、定子工頻磁化試驗共振問(wèn)題、定子和轉子圓度控制及機組軸線(xiàn)調整等，這些困擾行業(yè)已久的難題都是技術(shù)人員亟須“啃”下的“硬骨頭”。
歷時(shí)九個(gè)多月，在各方共同努力下，兩河口發(fā)電機電子線(xiàn)棒研制成功，實(shí)現絕緣技術(shù)的核心突破，并創(chuàng )下高海拔大型機組定子線(xiàn)棒防暈技術(shù)的世界第一。最終，機組平穩運行能力增加10%，電站水輪發(fā)電機組的擺度均控制在100微米以?xún)?，振?dòng)均在30微米以?xún)?。其?號機組擺度控制在40微米以?xún)?，相當于一根頭發(fā)絲直徑的二分之一。
有關(guān)技術(shù)人員給記者擺出了這樣一組數據：機組轉輪直徑6.25米，轉子直徑超10米，轉輪到轉子上端軸共18.4米。如此龐大的轉動(dòng)體系，要在轉速166.7轉/分鐘的高速運行狀態(tài)下，將擺度控制在幾十微米，其難度可想而知。尤其是還面臨著(zhù)高海拔下制造難度大、人機降效明顯的重大挑戰。這背后有何特別密碼?
“質(zhì)量是命。”據介紹，雅礱江公司從一開(kāi)始就提出機電設備“特別質(zhì)量”的戰略部署，致力于打造兩河口水電站精品機電設備。
以發(fā)電機轉子為例。兩河口機組轉子高度超3米，直徑超10米，重達805噸。作為發(fā)電機組中最重、最大的核心部件，它由近萬(wàn)片4毫米厚的750兆帕磁軛沖片疊加而成，運行時(shí)最大線(xiàn)速度可達340公里/小時(shí)。安裝精度稍有偏差將直接威脅整個(gè)機組安全。
轉子圓不圓，熱脹最關(guān)鍵。通過(guò)群策群力，團隊最終研究出有效應對高原高寒氣候的轉子熱脹專(zhuān)項方案，使轉子圓度控制在了0.4毫米以?xún)取?/p>
智能大壩系統實(shí)時(shí)掌握壩體健康狀況
工程建設實(shí)現數字化向智能化跨越
6個(gè)“鳥(niǎo)巢”的體積加起來(lái)有多大?在兩河口水電站可以找到答案——作為我國第一高土石壩，兩河口大壩的總填筑量達到4300萬(wàn)立方米。如果將其分解成1立方米的正方體，連起來(lái)可以繞地球一圈多。
在平均海拔3000米的環(huán)境下，完成如此大的填筑量，挑戰巨大。在兩河口之前，國內外均無(wú)成熟、可借鑒的經(jīng)驗。怎么辦?
面對高海拔、高心墻堆石壩、高填筑量這一系列世界級難題，工程建設者們走出了一條“智取”之路：打造了國內第一座用“施工全過(guò)程智能化技術(shù)”修建的300米級超高土石壩，填補了高寒地區超高土石壩的建設空白，實(shí)現了大壩建設由數字化向智能化的跨越。
余良松，兩河口大壩工程的重要建設者和見(jiàn)證者，中國電建兩河口水電站一二·五聯(lián)合體項目經(jīng)理。
4月6日，記者聯(lián)系到余良松時(shí)，他正在整理項目竣工資料。談及兩河口的“智取”之路，他難掩自豪與激動(dòng)。
據介紹，借助高精度衛星定位、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數據等先進(jìn)技術(shù)，他們給大壩裝上了敏銳的“神經(jīng)感知系統”和發(fā)達的“智能大腦”，由此實(shí)現了對壩料開(kāi)采、運輸、攤鋪、碾壓等全過(guò)程實(shí)時(shí)監控。
“大壩內部埋設了1300多只大小不一、長(cháng)相各異的傳感器，它們就像遍布大壩全身的‘神經(jīng)末梢’，將感知到的溫度、濕度、風(fēng)速等信息反饋給‘智能大腦’——兩河口大壩智能監測系統平臺，從而實(shí)現對大壩運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測分析。”余良松告訴記者，借助智能大壩系統，現場(chǎng)工作人員可以實(shí)時(shí)掌握大壩的“健康”狀況，并針對問(wèn)題采取有針對性的處理措施。
其中，不得不提的就是施工中使用的新型智能無(wú)人碾壓機。
據介紹，要讓大壩抵擋住近300米高、108億立方米庫容的水壓力，碾壓緊實(shí)是最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟。295米高的土石壩，相當于100層樓高。每填筑30厘米土石料，就需要碾壓機來(lái)回碾壓十遍，壓實(shí)到26厘米。如此算來(lái)，一共需要填筑1100多層，精度要控制在厘米級。
有著(zhù)25年水電建設工作經(jīng)驗、曾參與多個(gè)水電站建設的余良松告訴記者，在以往土石壩碾壓施工中，常常是通過(guò)人工翻牌計數來(lái)記錄遍數，碾壓軌跡也是靠監理工程師的眼睛來(lái)判斷。而在兩河口大壩建設中，碾壓速度、軌跡、遍數、壓實(shí)厚度等參數，均可在智能大壩系統相關(guān)界面得以顯示，遇到問(wèn)題系統還可實(shí)時(shí)自動(dòng)報警。
“與傳統碾壓機不同，新型智能無(wú)人碾壓機完全實(shí)現無(wú)人駕駛。”據項目有關(guān)負責人介紹，他們共改裝完成各類(lèi)“會(huì )思考”的碾壓機18臺，實(shí)現了大壩碾壓機運行狀態(tài)和障礙物智能感知、作業(yè)軌跡厘米級定位、機群百米級遙控互聯(lián)，施工更加安全、質(zhì)量更加穩定，施工效率提高約15%。
研發(fā)“保溫被”快速收放機，解決凍土難題
開(kāi)創(chuàng )高原凍土區冬季土心墻大規模連續施工先例
兩河口水電站位于川西高原氣候區，晝夜溫差大，最低氣溫可達近零下20度，屬于季節凍土區。
而凍土問(wèn)題，一開(kāi)始幾乎讓整個(gè)工程停滯。
據介紹，為了擋水防滲，要在大壩中心區砌上保護墻——心墻。然而，每年11月中旬至次年3月上旬三四個(gè)月的時(shí)間，大壩心墻土料會(huì )出現凍結現象，成為影響大壩質(zhì)量和進(jìn)度的關(guān)鍵制約因素之一。
“它的學(xué)名叫高頻短時(shí)凍土，夜晚凍結，白天出太陽(yáng)之后融化。”雅礱江公司兩河口建設管理局局長(cháng)王金國說(shuō)，經(jīng)過(guò)多次凍結融化之后，土體顆粒會(huì )越變越細，孔洞越來(lái)越多，防滲性越來(lái)越差，一旦用這樣的土料筑成大壩，將面臨潰壩的風(fēng)險。
為破解這一難題，產(chǎn)學(xué)研用多方聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)了冬季土料開(kāi)采、運輸、摻拌、攤鋪、碾壓成套技術(shù)體系，確保“凍土不上壩、凍土不碾壓、碾后不受凍”。
“為了防止心墻受凍，我們在冬季會(huì )采用土工膜對心墻區域進(jìn)行全覆蓋。”余良松告訴記者，每天晚上，現場(chǎng)施工人員都會(huì )給心墻蓋上重達幾十噸的“保溫被”，待白天升溫后再揭開(kāi)繼續施工。
為提高工作效率，項目技術(shù)人員還先后研發(fā)出兩代“保溫被”快速收放機。“原來(lái)人工揭蓋‘保溫被’需要約4個(gè)小時(shí)，通過(guò)這一設備，可縮減到1至2個(gè)小時(shí)，從而讓冬季大溫差和高寒低溫環(huán)境下心墻全天候全倉面快速連續施工成為現實(shí)。”余良松說(shuō)。
除了凍土問(wèn)題外，兩河口水電站建設項目還面臨雨水多的問(wèn)題。據了解，水電站所在地區每年6月至10月為豐水期，七八月份平均降水量超過(guò)700毫米，用施工人員的話(huà)說(shuō)，“雨說(shuō)來(lái)就來(lái)”。在這個(gè)季節，碾壓機的鋼輪由于掛泥無(wú)法將土料壓實(shí)，“有時(shí)被刮掉的土料比填筑方量還多，心墻越填越低。”
為應對突發(fā)降雨，項目建設者引入氣象雷達，在料場(chǎng)和壩上設置小型氣象站，結合衛星云圖，提前預測降雨信息。同時(shí)結合填筑面龜背狀施工、小倉面快速輪換施工等方式，提高施工效率。“在接到預警信息后，施工人員將心墻用平碾快速進(jìn)行龜背形土層封閉，人工形成2%的坡比進(jìn)行自動(dòng)排水，并在反濾料區左右岸方向每隔40米設置一道排水溝進(jìn)行排水。”余良松介紹。雨停后，再將表層土料鏟除，快速恢復填筑施工。
冬季保溫、雨季放水。就這樣，項目建設者們開(kāi)創(chuàng )了高原凍土區冬季土心墻大規模連續施工的先例，最終實(shí)現“大壩提前一年到頂，全部機組投產(chǎn)發(fā)電時(shí)間提前半年”。
從數字看兩河口水電站
●總填筑量達到4300萬(wàn)立方米，分解成1立方米的正方體，連起來(lái)可以繞地球一圈多。
●左岸邊坡最高達684米，比中國第一高樓還高約50米，施工時(shí)一共用了約1.6萬(wàn)束錨索，每束錨索的重量約1噸。
●廠(chǎng)房長(cháng)276米、寬29米，可并排停放8列8輛編組的動(dòng)車(chē)。
●總庫容108億立方米，相當于770個(gè)西湖加起來(lái)的水量，可為雅礱江中下游、金沙江下游和長(cháng)江干流電站產(chǎn)生巨大補償效益，增加平枯期年發(fā)電量約342億千瓦時(shí)，超過(guò)去年四川全社會(huì )用電量的1/10。
●電站年發(fā)電量加上補償效益增加的發(fā)電量，相當于每年減少原煤消耗1330萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放2130萬(wàn)噸，相當于少建4座年產(chǎn)400萬(wàn)噸的大型煤礦。（本報記者 王珍）
