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給大壩裝“大腦” 給心墻蓋“被子”

兩河口水電站創(chuàng)九項(xiàng)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，我國海拔最高的百萬千瓦級水電站——兩河口水電站橫跨雅礱江，穩(wěn)穩(wěn)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(guī)模世界第一，泄洪抗沖旋挖樁群水電施工規(guī)模世界第一……近日，隨著最后一臺機(jī)組完成72小時試運(yùn)行并正式投入商運(yùn)，這個創(chuàng)下九項(xiàng)“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(shè)用上了哪些“黑科技”？記者帶您一探究竟——

主要轉(zhuǎn)動部件擺度僅有一根頭發(fā)絲直徑的二分之一

機(jī)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)“特別質(zhì)量”

隨著進(jìn)水口閘門的打開，奔騰的江水通過高壓管道進(jìn)入水輪機(jī)，帶動設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)，發(fā)出強(qiáng)大電流。

與此同時，兩河口水電站的值班人員一邊根據(jù)調(diào)度情況調(diào)整導(dǎo)葉開度，一邊在監(jiān)控室內(nèi)通過智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測著發(fā)電機(jī)組振動、擺度、各部瓦溫等參數(shù)，確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

機(jī)電設(shè)備被視為電站“心臟”。作為目前國內(nèi)海拔最高的百萬千瓦級水電站，兩河口水電站擁有著一顆強(qiáng)勁有力的“心臟”——6臺單機(jī)50萬千瓦大型水輪發(fā)電機(jī)組。全部機(jī)組在完成72小時試運(yùn)行后，無任何安全隱患和質(zhì)量缺陷，開創(chuàng)了國內(nèi)全部大型機(jī)組免維修轉(zhuǎn)商運(yùn)的先例。

技術(shù)人員至今仍然記得的一個細(xì)節(jié)是，由于兩河口水庫所處海拔高、庫容大、蓄水周期長，發(fā)電機(jī)組長期在低水頭工況運(yùn)行，給機(jī)組轉(zhuǎn)輪核心部件等穩(wěn)定性帶來極大考驗(yàn)。

高海拔下，機(jī)組如何高效、平穩(wěn)運(yùn)行？大容量水輪發(fā)電機(jī)組線棒防暈、定子工頻磁化試驗(yàn)共振問題、定子和轉(zhuǎn)子圓度控制及機(jī)組軸線調(diào)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”。

歷時九個多月，在各方共同努力下，兩河口發(fā)電機(jī)電子線棒研制成功，實(shí)現(xiàn)絕緣技術(shù)的核心突破，并創(chuàng)下高海拔大型機(jī)組定子線棒防暈技術(shù)的世界第一。最終，機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行能力增加10%，電站水輪發(fā)電機(jī)組的擺度均控制在100微米以內(nèi)，振動均在30微米以內(nèi)。其中2號機(jī)組擺度控制在40微米以內(nèi)，相當(dāng)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(shù)據(jù)：機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑6.25米，轉(zhuǎn)子直徑超10米，轉(zhuǎn)輪到轉(zhuǎn)子上端軸共18.4米。如此龐大的轉(zhuǎn)動體系，要在轉(zhuǎn)速166.7轉(zhuǎn)/分鐘的高速運(yùn)行狀態(tài)下，將擺度控制在幾十微米，其難度可想而知。尤其是還面臨著高海拔下制造難度大、人機(jī)降效明顯的重大挑戰(zhàn)。這背后有何特別密碼？

“質(zhì)量是命?！睋?jù)介紹，雅礱江公司從一開始就提出機(jī)電設(shè)備“特別質(zhì)量”的戰(zhàn)略部署，致力于打造兩河口水電站精品機(jī)電設(shè)備。

以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為例。兩河口機(jī)組轉(zhuǎn)子高度超3米，直徑超10米，重達(dá)805噸。作為發(fā)電機(jī)組中最重、最大的核心部件，它由近萬片4毫米厚的750兆帕磁軛沖片疊加而成，運(yùn)行時最大線速度可達(dá)340公里/小時。安裝精度稍有偏差將直接威脅整個機(jī)組安全。

轉(zhuǎn)子圓不圓，熱脹最關(guān)鍵。通過群策群力，團(tuán)隊(duì)最終研究出有效應(yīng)對高原高寒氣候的轉(zhuǎn)子熱脹專項(xiàng)方案，使轉(zhuǎn)子圓度控制在了0.4毫米以內(nèi)。

智能大壩系統(tǒng)實(shí)時掌握壩體健康狀況

工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化向智能化跨越

6個“鳥巢”的體積加起來有多大？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(dá)到4300萬立方米。如果將其分解成1立方米的正方體，連起來可以繞地球一圈多。

在平均海拔3000米的環(huán)境下，完成如此大的填筑量，挑戰(zhàn)巨大。在兩河口之前，國內(nèi)外均無成熟、可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。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(shè)者們走出了一條“智取”之路：打造了國內(nèi)第一座用“施工全過程智能化技術(shù)”修建的300米級超高土石壩，填補(bǔ)了高寒地區(qū)超高土石壩的建設(shè)空白，實(shí)現(xiàn)了大壩建設(shè)由數(shù)字化向智能化的跨越。

余良松，兩河口大壩工程的重要建設(shè)者和見證者，中國電建兩河口水電站一二·五聯(lián)合體項(xiàng)目經(jīng)理。

4月6日，記者聯(lián)系到余良松時，他正在整理項(xiàng)目竣工資料。談及兩河口的“智取”之路，他難掩自豪與激動。

據(jù)介紹，借助高精度衛(wèi)星定位、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)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(tǒng)”和發(fā)達(dá)的“智能大腦”，由此實(shí)現(xiàn)了對壩料開采、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓等全過程實(shí)時監(jiān)控。

“大壩內(nèi)部埋設(shè)了1300多只大小不一、長相各異的傳感器，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(jiān)測系統(tǒng)平臺，從而實(shí)現(xiàn)對大壩運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測分析。”余良松告訴記者，借助智能大壩系統(tǒng)，現(xiàn)場工作人員可以實(shí)時掌握大壩的“健康”狀況，并針對問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人碾壓機(jī)。

據(jù)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)鍵的一個步驟。295米高的土石壩，相當(dāng)于100層樓高。每填筑30厘米土石料，就需要碾壓機(jī)來回碾壓十遍，壓實(shí)到26厘米。如此算來，一共需要填筑1100多層，精度要控制在厘米級。

有著25年水電建設(shè)工作經(jīng)驗(yàn)、曾參與多個水電站建設(shè)的余良松告訴記者，在以往土石壩碾壓施工中，常常是通過人工翻牌計(jì)數(shù)來記錄遍數(shù)，碾壓軌跡也是靠監(jiān)理工程師的眼睛來判斷。而在兩河口大壩建設(shè)中，碾壓速度、軌跡、遍數(shù)、壓實(shí)厚度等參數(shù)，均可在智能大壩系統(tǒng)相關(guān)界面得以顯示，遇到問題系統(tǒng)還可實(shí)時自動報警。

“與傳統(tǒng)碾壓機(jī)不同，新型智能無人碾壓機(jī)完全實(shí)現(xiàn)無人駕駛。”據(jù)項(xiàng)目有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，他們共改裝完成各類“會思考”的碾壓機(jī)18臺，實(shí)現(xiàn)了大壩碾壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和障礙物智能感知、作業(yè)軌跡厘米級定位、機(jī)群百米級遙控互聯(lián)，施工更加安全、質(zhì)量更加穩(wěn)定，施工效率提高約15%。

研發(fā)“保溫被”快速收放機(jī)，解決凍土難題

開創(chuàng)高原凍土區(qū)冬季土心墻大規(guī)模連續(xù)施工先例

兩河口水電站位于川西高原氣候區(qū)，晝夜溫差大，最低氣溫可達(dá)近零下20度，屬于季節(jié)凍土區(qū)。

而凍土問題，一開始幾乎讓整個工程停滯。

據(jù)介紹，為了擋水防滲，要在大壩中心區(qū)砌上保護(hù)墻——心墻。然而，每年11月中旬至次年3月上旬三四個月的時間，大壩心墻土料會出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)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)名叫高頻短時凍土，夜晚凍結(jié)，白天出太陽之后融化?！毖诺a江公司兩河口建設(shè)管理局局長王金國說，經(jīng)過多次凍結(jié)融化之后，土體顆粒會越變越細(xì)，孔洞越來越多，防滲性越來越差，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)了冬季土料開采、運(yùn)輸、摻拌、攤鋪、碾壓成套技術(shù)體系，確?！皟鐾敛簧蠅?、凍土不碾壓、碾后不受凍”。

“為了防止心墻受凍，我們在冬季會采用土工膜對心墻區(qū)域進(jìn)行全覆蓋?！庇嗔妓筛嬖V記者，每天晚上，現(xiàn)場施工人員都會給心墻蓋上重達(dá)幾十噸的“保溫被”，待白天升溫后再揭開繼續(xù)施工。

為提高工作效率，項(xiàng)目技術(shù)人員還先后研發(fā)出兩代“保溫被”快速收放機(jī)?！霸瓉砣斯そ疑w‘保溫被’需要約4個小時，通過這一設(shè)備，可縮減到1至2個小時，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(xù)施工成為現(xiàn)實(shí)?！庇嗔妓烧f。

除了凍土問題外，兩河口水電站建設(shè)項(xiàng)目還面臨雨水多的問題。據(jù)了解，水電站所在地區(qū)每年6月至10月為豐水期，七八月份平均降水量超過700毫米，用施工人員的話說，“雨說來就來”。在這個季節(jié)，碾壓機(jī)的鋼輪由于掛泥無法將土料壓實(shí)，“有時被刮掉的土料比填筑方量還多，心墻越填越低?！?/p>

為應(yīng)對突發(fā)降雨，項(xiàng)目建設(shè)者引入氣象雷達(dá)，在料場和壩上設(shè)置小型氣象站，結(jié)合衛(wèi)星云圖，提前預(yù)測降雨信息。同時結(jié)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?！霸诮拥筋A(yù)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)行自動排水，并在反濾料區(qū)左右岸方向每隔40米設(shè)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(fù)填筑施工。

冬季保溫、雨季放水。就這樣，項(xiàng)目建設(shè)者們開創(chuàng)了高原凍土區(qū)冬季土心墻大規(guī)模連續(xù)施工的先例，最終實(shí)現(xiàn)“大壩提前一年到頂，全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電時間提前半年”。

從數(shù)字看兩河口水電站

●總填筑量達(dá)到4300萬立方米，分解成1立方米的正方體，連起來可以繞地球一圈多。

●左岸邊坡最高達(dá)684米，比中國第一高樓還高約50米，施工時一共用了約1.6萬束錨索，每束錨索的重量約1噸。

●廠房長276米、寬29米，可并排停放8列8輛編組的動車。

●總庫容108億立方米，相當(dāng)于770個西湖加起來的水量，可為雅礱江中下游、金沙江下游和長江干流電站產(chǎn)生巨大補(bǔ)償效益，增加平枯期年發(fā)電量約342億千瓦時，超過去年四川全社會用電量的1/10。

●電站年發(fā)電量加上補(bǔ)償效益增加的發(fā)電量，相當(dāng)于每年減少原煤消耗1330萬噸，減少二氧化碳排放2130萬噸，相當(dāng)于少建4座年產(chǎn)400萬噸的大型煤礦。

本報記者 王珍