眾山皆小 世界驚殊——我國多項水電技術引領世界

張博庭

我國壩工建設水平和規模均居世界第一

我國水電機組制造技術已經躋身世界前列

我國有多項水電建設技術引領世界

水電建設使高壓特高壓輸技術屢攀新高

溪洛渡大壩施工現場攝影/王連生

從1910年建設石龍壩水電站起，中國水電已經走過百年歷程。解放以前由于連年戰亂，我國水電的發展幾乎處以停滯狀態。建國初期，由于受國家經濟能力的局限，中國的水電發展也相對較慢。改革開放后，我們不斷加大水電開發的力度，建設步伐明顯加快。特別是進入新世紀后，中國水電開始進入一個高速發展的新階段。我們僅用了10年左右的時間，就實現了水電裝機容量比建國50年的總和將近翻了兩番的超越。

到2010年，中國水電裝機已經突破2億kW，成為世界上最大的水力發電國。目前我國已建和在建的30m以上的大壩有5200余座，其中壩高100m以上的大壩有140多座；已投產5萬kW以上的大中型水電站430余座（含蓄能21座）、30萬kW以上的水電站100座（蓄能15座）、100萬kW以上的水電站39座（蓄能7座），并創造了多項世界水電之最。

我國壩工建設水平和規模均居世界第一

我國的水力資源豐富，隨著大量的水電工程的實踐，我國各種壩型和復雜地形地質條件下的水工建筑物的設計和施工技術不斷進步。從全國解放初到80年代，我國的壩工建設特點主要是在傳統工藝的基礎上土洋并舉，修建了數量眾多、型式多樣的各類大壩。除了常見的土壩外，建成了連拱壩、大頭壩、寬縫重力壩、重力拱壩、空腹重力壩、空腹拱壩等多種型式的壩型。80年代中期后，水電建設管理的新體制也極大地推動了水電建設的發展，通過學習和引進國外壩工新技術，開展國家重點科技攻關，我國研究解決了一系列復雜條件下的高壩建設技術難題。在很多領域內，我國壩工建設技術已處于世界領先。

碾壓混凝土壩是上世紀80年代興起的筑壩新技術，我國在引進碾壓混凝土筑壩技術的同時強調走自己的路，結合我國的實際情況不斷自主創新。突破了在高溫多雨夏季和高海拔嚴寒低溫冬季筑壩的禁區，形成了具有自主知識產權的特色技術和國際先進的筑壩工藝。低水泥用量、高摻粉煤灰、中膠凝材料干硬性混凝土，薄層連續碾壓，二級配碾壓混凝土防滲，變態混凝土過渡，廣泛采用誘導縫，不設縱縫，全倉面或全壩面碾壓施工等很多都是我國首創的技術特色。2001年建成的沙牌拱壩是目前世界上最高的碾壓混凝土拱壩。2009年建成的216.5m高的龍灘大壩是世界最高碾壓混凝土重力壩。

溪洛渡大壩混凝土澆筑 攝影/王連生

堆石壩又稱是當地材料壩，筑壩材料在當地就近解決，這樣不僅可以方便施工，而且還可以大幅度的降低造價，有利于環保。但是，由于各種天然筑壩材料的防滲性能往往難以保證，所以，用混凝土面板防滲并結合當地材料筑壩的面板堆石壩，就成為切實可行的當地材料壩。

在面板堆石壩筑壩技術的研發上，我國提出了壩體粗料大尺度效應、研究了壩體變形規律和破壞機理；在筑壩材料方面，拓寬了材料的使用范圍，首創可以在壩體一定部位使用軟巖和風化巖石，充分利用開挖料；在防止面板裂縫技術方面，提出了大壩主堆石體與下游次堆石體的科學分區，采用了面板混凝土的改性工藝，面板混凝土摻加粉煤灰、摻加復合外加劑、采用補償收縮混凝土、纖維混凝土及高性能混凝土等技術。

依靠這些先進技術，我國不僅建造了世界上最高的（233m）清江水布埡大壩，而且還建有一批各具特色的面板壩。如海拔4388m高的西藏查龍水電大壩，以及年最低氣溫-42.5℃、年冰期達5個月的高緯度高寒地區的蓮花等特殊環境下的水電大壩。

拱壩是最受歡迎的一種壩型，它通過拱形的受力特點把巨大的水壓力傳導給周圍的山體，大大提高了水壩的檔水能力，非常適合在狹窄的山谷中建造。相對于國外，我國的拱壩建設起步較晚，1958年我國才建成第一座混凝土拱壩——響洪甸壩。但從80年代以后，我國加強了拱壩建設技術的科學研究，多次把拱壩作為國家科技攻關研究項目。目前，已經成功突破了300m級高拱壩建設的關鍵技術。

隨著拱壩技術的研究和實踐，我國的混凝土高拱壩建設已經出現了放寬對壩址地形和壩基巖體條件要求、拱壩體形多樣、厚度愈來愈薄、重視樞紐布置和泄洪消能等趨勢。目前，我國已建成世界上最高的（292m）小灣拱壩，在建中的錦屏拱壩（305m）是目前世界上最高的拱壩。

向家壩右岸大壩澆筑 攝影/ 高峰

我國水電機組制造技術已躋身世界前列

長期以來，大型水電機電設備的設計制造曾是制約我國水電發展的一個主要瓶頸。解放初期，我國的機組制造工業就開始艱難起步。起初是自力更生，后來學習蘇聯，制造出最大單機容量過7.25萬kW的水電機組（新安江）。蘇聯專家撤走后，我國哈爾濱電機廠自力更生開發制造出30萬kW的機組（劉家峽）。

改革開放初期，我國機組的設計制造一方面立足自主研發，一方面也為進口機組分包制造非核心部件。三峽工程開工后，國家明確提出要依托三峽工程，實行國際采購招標，以“技貿結合、技術轉讓、聯合設計、合作生產”方式，引進、消化、吸收國外先進技術，全面提升我國水電裝備制造整體水平。1996年三峽左岸電站采用國際招標采購14臺70萬kW水輪發電機組。同時規定，外商投標必須以向中方轉讓技術為前提條件。投標者必須帶上中國有資格的企業參與設計、合作制造，中國制造企業分包的份額不低于合同總額的25%。且最后兩臺機組必須以中國企業為主制造。通過技術引進，我國已具備了大機組的制造技術，2003年，當三峽右岸電站12臺機組再次進行國際招標時，我國的哈電、東電與法國阿爾斯通各拿到了4臺機組的訂單。2008年三峽右岸電站12臺機組全部投產發電，運行結果表明我國哈電、東電制造的機組的穩定性達到了國外同等水平。

通過三峽機組的引進、消化、吸收加上自主創新，我國已經完全具備了獨立設計制造特大機組的能力。我們用不到10年時間，實現了30年的技術跨越。目前，制約我國大型水電機組制造的技術瓶頸已徹底打破，通過再創新，我國的某些技術已經達到國際領先的水平。比如：國產機組已消除了長期困擾水輪機特殊壓力脈動帶現象，大型機組空冷技術和三峽右岸地下電站將采用的蒸發冷卻技術，都達到了世界一流的水準，絕緣技術也達到了世界級先進水平。

目前，在大型機組制造的國際市場上，幾乎是我國一枝獨秀，獨領風騷。現在，我國在建的向家壩工程，已經安裝了世界上最大的80萬kW的機組。同時我國也正自主研發單機容量為100萬kW的水輪機組，不久將用在金沙江白鶴灘水電站。

向家壩工地全景 攝影/ 高峰

向家壩左岸廠房5～8尾水肘管正在緊張安裝。 攝影/ 高峰

我國已有多項水電建設技術引領世界

高水頭大流量泄洪及消能技術

我國水資源的季節性很強，汛期的高壩泄洪量大，消能要求高。例如，三峽超過102500m3/s，溪洛渡超過49000m3/s。我國水電工作者根據不同的壩型和泄洪規模，采用了不同的泄洪布置及其組合：重力壩主要通過壩身泄洪，以表孔為主，輔以深孔并兼作排沙等用途；拱壩通常以壩身孔口為主，輔以岸邊泄洪設施；土石壩則一般采用岸邊式溢洪道和泄洪隧洞為主。

我國有特色的泄洪消能類型主要有：窄縫消能、寬尾墩式聯合消能、摻氣分流墩消能、挑射水流平面碰撞消能、高低挑坎碰撞消能、挑流+水墊塘聯合消能、淹沒跌坎式底流消能、洞內孔板消能以及洞內漩流消能等。這些技術有效地解決了我國高壩運行中的泄洪消能問題。經過科技攻關，我國的消能技術不斷創新，在多種聯合消能、加大壩身泄洪、強化水舌空中擴散與碰撞、分散落水點和減小沖擊力、建立二道壩形成水墊塘消能和隧洞內消能等方面均有新的發展，并研究創新出許多新型的消能形式，有效減少了對建筑物的破壞，保障了工程的運行安全。

高邊坡工程穩定技術

大型水電站經常建在深山峽谷之中，能否保障邊坡的穩定安全是建設和運行水電站的基本前提。因此，能否通過預應力錨索、抗滑穩定等科技手段保持高邊坡的穩定就是某些大型水電建設的重要制約因素。從某種意義上說，高邊坡的穩定技術是制約某些水電項目開發建設的重要條件之一。

在龍灘水電站，我們成功處理過左岸進水口435m高邊坡。在小灣水電站的建設中，我們解決了左岸壩前堆積體700m高邊坡的穩定問題。在錦屏一級水電站建設中，需要采取工程防護措施的左岸壩肩邊坡，高度達到530m。這些高邊坡工程的成功處理，不僅創造了多項世界之最，而且也是我國眾多高難度水電站成功開發建設的重要保障。

大流量深水河流截流技術

通過長江、黃河等大江大河施工截流的科學研究和工程實踐，我國的截流技術已達到了國際領先水平。衡量截流施工水平的各項主要指標有截流流量、截流落差、流速、水深以及物料拋投強度等。

在三峽截流前，世界上曾有過4次難度較大的截流, 它們分別為巴西/巴拉圭的伊泰普截流、原蘇聯的Bratzk截流、美國的Menny截流和羅馬尼亞/南斯拉夫的鐵門截流。而我國三峽工程的前后兩次截流都突破了三項截流的世界最高指標。截流流量1.03萬m3/s，截流水深達到60m，截流落差4.11m,截流流速7.5m/s，截流拋石強度達到194000m3/d。

壩基覆蓋層的防滲處理技術

混凝土防滲墻作為覆蓋層地基和土石壩(圍堰)工程的防滲措施，其形式、規模和適用范圍都發展很快。1959年北京密云水庫白河主壩砂礫石地基中，自主創造出用鉆劈法建造深44m的槽孔型混凝土防滲墻的新方法。此后，尤其改革開放以來，我國防滲墻施工設備和方法不斷改進，施工效率不斷提高，防滲墻施工的水平已經跨入了世界先進水平的行列。

在防滲墻深度方面，2008年西藏旁多水利樞紐壩基防滲試驗創造了146.3m的成槽深度記錄，超過了加拿大馬尼克Ⅲ大壩的131m。2009年在四川瀘定水電站主壩防滲墻施工中又以154.8m的最大孔深，成為新的“世界最深防滲墻”。在防滲墻規模上，河北黃壁莊水庫加固工程副壩混凝土防滲墻長度4860m、防滲面積27.1萬m2，是我國工程量最大的混凝土防滲墻。在防滲施工強度方面，金沙江向家壩一期圍堰混凝土防滲墻，面積近5.2萬m2，最大施工強度達到2.4萬m2/月。漢江興隆水利樞紐工程圍堰防滲墻施工強度達到了5.36萬m2/月。

在深層防滲施工的方法上，四川冶勒水電站壩基覆蓋層深度超過420m，壩基及岸坡混凝土防滲墻分上下兩段建造，下墻在專門開挖的隧洞中施工，最大深度達到84.85m，為國內在隧洞中建成的最深防滲墻。在防滲墻體材料方面，我國也呈現出多樣化的嘗試，為與地基變形相適應，我國推廣了塑性混凝土；出于結構受力的需要，采用了高強混凝土，小浪底水利樞紐防滲墻強度達到35MPa；為加快施工進度和降低造價，我國在多個工程中采用了自凝灰漿和固化灰漿防滲墻。

大型地下廠房和洞室群開挖建設技術

隨著水電建設事業蓬勃發展，我國水電站大型地下廠房和地下洞室群的建設也正向高埋深、大跨度方向發展。2003年開始建設的龍灘水電站曾經是中國最大地下廠房系統，洞室縱橫交錯，錯綜復雜，共119條洞室，洞挖量超過310萬m3，主廠房長388.5m、寬30.3m、高75.4m。

目前，溪洛渡水電站具有世界上最大的地下洞室群。地下洞室群總規模、洞室密集程度、洞挖總工程量都堪稱世界之最。溪洛渡水電站的各種洞室大約有380多條，首尾相連總長約280多km。洞挖工程總量1402萬m3，大約相當于世界最長隧道——日本青函隧道的730萬m3與世界最大隧道——英法海峽隧道750萬m3之和。

近臨著溪洛渡的向家壩水電站的地下廠房，再次創造了高度、跨度以及壓力鋼管直徑等多項世界之最。此外，我國錦屏二級水電站的引水隧洞，穿過上千m的高山，長度達17km，堪稱是世界水電建設史上少有的奇跡。

蓄清排渾、控制泥沙淤積的電站運行技術

上世紀50年代，我國三門峽水庫的淤積問題非常嚴重。為此，我國科研工作者研究和開創了“蓄清排渾”的控制泥沙淤積的水庫運行方式，并于60年代初在個別水庫試驗成功。在此基礎上，為解決三峽工程的泥沙淤積問題，我國的科研人員建立了一整套理論。并從理論上證明了“蓄清排渾”不僅可以在目標單一、排沙有利的小水庫上實施，而且在一般的大水庫上也可以做到。

經過三峽水庫幾年的實踐，這一理論已經得到了證明。曾參與三峽工程建設可行性論證的加拿大CYJV評價說，平衡坡降和長期保留庫容，在中國已經是一門成熟的技術。此前，世界上還沒有哪一國家，能解決好水庫泥沙淤積的長期使用問題。

水電建設使高壓特高壓輸技術屢攀新高

由于大型水電站的特點是發電量大，但是通常遠離負荷中心。所以，大型水電站的建設往往是推動我國大容量、遠距離、高電壓輸電技術屢攀新高的最直接動力。從歷史上看，隨著我國國民經濟的不斷發展，為滿足大容量、長距離的輸送水電需求，我國電網系統運行電壓等級一直在不斷提高，而且幾乎每次提高都與某個大型水電站的建設緊密相關。

解放初期的豐滿水電站，促進了東北的電網建設；三門峽水電站的建設使我國建成了330kV線路；葛洲壩水電站的建設促進了1981年建成500kV交流線路和1989年建成500kV直流線路。三峽工程促進了2005年建成的750kV交流線路。

由于我國幅員遼闊，水能資源分布西部多、東部少。經濟相對落后的西部12個省（區、市）水能資源約占全國總量的81.46%，而經濟發達、用電負荷集中的東部京、津、滬、粵等11個省（市）僅占4.88%。同時我國東部地區的經濟相對發達，因此，非常需要水電的“西電東送”。目前我國已形成南、北、中三條“西電東送”的大通道，保障了我國“西電東送”能源戰略的有效實施。

我國未來水電開發主要集中在金沙江、怒江和雅魯藏布江等西部河流上。未來主要發電資源與負荷中心在地區上的不均衡性將更加突出。迫切需要解決大容量長距離的水電輸送難題。為此，我國特別重視研究新興的特高壓電網技術，并取得了多項領先于世界的成績。2009年4月1000kV的晉東南-南陽-荊門特高壓試驗示范工程成功投入商業運營，±800kV云南-廣州和向家壩-上海兩條特高壓直流示范工程也已經開工建設，標志我國特高壓輸電技術已經穩居世界前列。

多年來，我國大型水電站的建設有力的推動了大容量、遠距離、高電壓輸電技術的進步，而我國高壓電網的技術進步，又為我國西部水電開發提供了有力的保障。

溪洛渡建設工地夜景 攝影/王連生

結語

百年來，我國水電從無到有、從小到大、從弱到強。水電在為我國經濟社會發展提供優質電力的同時，也在水資源綜合利用，推進節能減排，改善大氣環境，促進西部大開發，發展區域經濟，建設社會主義新農村，以及防洪、航運、灌溉、供水、養殖等方面都發揮了重要作用。

今天，舉世矚目的中國水電正以其無可替代的重要地位，彰顯出歷久而彌新的動人魅力。民生水電、綠色水電、生態水電、和諧水電，中國水電正在有力地推進著我國的可持續發展。