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让水电工程成匠心之作

  来源:互联网    关键词: 水电  工程 


潘家铮(左)和王仁坤(右)在溪洛渡

拱坝被认为是水电界最复杂的建筑物,但中国电建集团成都勘测设计院有限公司(以下简称“成都院”)副总经理兼总工程师王仁坤,却能应对自如。由他主持设计的溪洛渡、锦屏一级、大岗山等特高拱坝巨型水电站成功投产,代表着当今世界水电技术最高水平。王仁坤如何和拱坝结缘?为什么溪洛渡拱坝优化设计报告被潘家铮院士称为“高坝设计宝典”?如何克服设计过程中遇到的困难,并做到工程与环境和谐共处?带着诸多问题,记者近日独家专访了王仁坤。

溪洛渡拱坝优化节省6亿元

记着:拱坝设计是您的专长,溪洛渡、锦屏一级、大岗山等特高拱坝巨型水电站都出自您手,与水电尤其是拱坝如何结缘的?

王仁坤:我1986年从河海大学研究生毕业后,分配到成都院。成都院当时正在设计中国最大的水电项目——二滩水电站,拱坝高240米,也是我国首座突破200米大关的高坝工程,我有幸参与其中。二滩作为世行贷款项目,不但吸引了国内的著名水电专家和优秀建设团队,也带来了国外先进的技术和管理经验。

二滩工程的成功投产,带动了后续多座特高坝工程的建设。随着西部大开发、西电东送战略的实施,成都院从上世纪90年代开始,以溪洛渡、锦屏一级、瀑布沟等三大项目为主的一系列水电工程加快了前期研究论证进程。其中溪洛渡、锦屏一级拱坝高300米级,是超大型世界工程。

我所在的水工二处当时主要承担高混凝土坝枢纽工程设计,参与或主持了二滩、溪洛渡、锦屏一级、大岗山等特高拱坝枢纽工程设计。这些工程都已建成投产、运行正常,充分发挥出了综合效益,作为参与者,我的内心充满激动和骄傲。
记者:您参与过20多项国内外大中型水电工程的设计,哪个水电工程设计让您印象最深刻?

王仁坤:谈谈溪洛渡吧。溪洛渡可行性研究报告的审查意见,充分肯定了工程的技术方案。在招标设计阶段,本着为国家、业主高度负责的态度,体现设计人员精益求精的精神,我率领一大批设计科研人员,开展了一系列设计优化和深化工作。

双曲拱坝适合于狭窄河谷修建,安全性与经济性较好,而且结构合理,受力好,可以大大节省混凝土。作为总设计师,我经常问自己:“我们设计的拱坝是不是既能保证安全又能兼具达到经济和环保?”“建基面抬高,能保证安全吗?”我记忆中,溪洛渡拱坝优化设计乃至整个工程的优化设计,每前进一步,都付出了无数艰辛。在工程招标和技施设计阶段,优化设计共节省了直接投资15亿元。如今工程已正常运行5年,这让我倍感欣慰。

记者:溪洛渡拱坝高达300米量级,电站规模巨大,在优化设计中,工程安全是第一位,经济也很重要,如何把握和平衡?

王仁坤:溪洛渡拱坝优化设计的研究论证工作是多方面的。我从最具挑战性的拱坝建基面优化研究着手。

拱坝建基面在可研阶段放在微新岩体上,进行优化后,主要利用弱风化下段岩体,建基面平均外移15-20米。虽然这是主攻方向,但问题也随之而来,对于一座特高拱坝,这样做行不行?对大坝的安全有没有影响?影响到什么程度?显然不能靠简单的算数题得出结论。特高拱坝的建基面嵌深嵌浅,对投资影响巨大。

建基面外移至弱风化岩体,通过加强基础固结灌浆及锚固处理,仍可维持良好的承载能力和抗滑稳定,优化后的拱坝方案,不仅维持大坝安全原有等级不变,而且因建基面嵌深减少,拱的跨度减小,整体刚度增强,大坝整体超载安全度略有提高——这些都经过了巨量数值分析计算和物理模型验证。

别小看这么一个细微调整,基础开挖和大坝混凝土浇筑工程量比可研推荐方案分别减少了约160万m3和110万m3,节省工程直接投资约6亿元,经济效益十分显著。

《混凝土拱坝优化设计报告》获得多名院士、专家组成的评审组一致肯定,被潘家铮院士称为“高坝设计宝典”。溪洛渡拱坝优化设计获得2006年度全国优秀咨询一等奖,建基面优化科研成果获得四川省2010年度科技进步一等奖。

攻克世界最难出线竖井

记者:除了解决拱坝建基面优化,还有哪些极具挑战的设计?

王仁坤:溪洛渡左右岸地下厂房各布置2条出线竖井,深度约500米,内径达11米,高度甚至超过上海环球金融中心。

竖井内主要分设管道井、电梯井、楼梯间、前室、加压送风井及电缆井等。以目前的施工技术,如果在岩石上开挖如此深度的竖井,并不算难事,而溪洛渡竖井偏偏遇到拦路虎——深度覆盖层120米,往下才是岩体。

考虑结构衬砌需要,开挖断面直径在14至15米,这么大尺寸的电缆竖井穿越如此巨厚覆盖层,在水电工程及其他矿井工程中没有先例。

记者:如何设计?如何施工?又如何确保施工安全?

王仁坤:我们常说,设计是工程建设的灵魂。只设计,不考虑施工的可行和难易,或者直接推给业主和施工方解决这个难题,那肯定不行,设计的灵魂作用就没有了。

由于没有类似经验可以借鉴,我们追寻答案的过程,并不顺利。当时了解到煤矿的一些矿井组成,与溪洛渡的出线竖井的覆盖层有相似性,我们便去调研并收集施工经验,结果令人失望。这些矿井的组成,更有利于井的形成,最大的不同是深度往往较小,超过50米的都不多见,处理起来相对容易。依葫芦画瓢,绝对行不通。

在工程界,覆盖层成井的处理方式,大致有冷冻法、沉井法、灌注桩法等。照搬这些常规方法,费用无法估量,也不符合工程实际。在这些“寻常路”上绕圈,总是不得要领。但问题摆在那儿,总是要解决。

后来,我们打破传统方法,创新性地提出“二衬法”以及针对上部洪积层的井口锁固和小梯段开挖衬砌施工等。所谓“二衬法”,即衬砌分2次完成,第一次只衬砌外层一部分,起覆盖层竖井的固壁作用,让竖井开挖成型;第二次将余下的衬砌完成,因为竖井已经稳定牢靠,这个阶段可以同时进行竖井内其它结构的施工。“二衬法”可以确保竖井施工过程中的井壁稳定和安全,又满足机电预埋件和设备安装的定位和精度要求。

记者:为了达到工程设计最优化,听说有的工程仅设计方案就有20多个。

王仁坤:水电工程特殊性强、影响面广,决定它的设计绝不可能一蹴而就。不同的坝址及枢纽工程方案,从规划选点、预可行性研究、可行性研究直到建设实施,从坝址、坝线、坝型比选和枢纽布置格局及各建筑物的设计,先后开展20多个方案研究,这很正常,大型水电工程更是如此。不同方案的比较或深化,就是工程方案优选、建筑物设计不断完善、细化的过程,如此才能实现工程安全可靠、经济合理、技术可行、环境友好,资源节约的目的,才能成为技术和艺术相结合的匠心之作。

巧解枢纽泄洪消能问题

记者:溪洛渡枢纽泄洪流量及泄洪功率高居世界峡谷高坝之最,几乎是二滩拱坝枢纽的3倍。如何解决?

王仁坤:分散泄洪、分区消能,按需防护,是峡谷高坝枢纽泄洪消能设施布置研究的基本原则,这也是二滩等拱坝水电站建设中总结出来的经验。设计的关键,是如何布置设施,协调好各种可能矛盾,满足各种运行的需要。

溪洛渡枢纽泄洪设施布置格局在总结已有经验的基础上,结合自身特点,修改调整,反复计算,模型验证,最终采用坝身7表孔+8深孔和左右岸各2条泄洪洞的实施方案,是在数十个格局方案中逐步深化遴选出来。例如,光坝身孔口泄洪,就比较了2层孔口和3层孔口,以及各层孔数及孔口尺寸大小的多种组合。因为坝身不同孔口泄洪格局,不仅关系下游河床的承受能力,也影响孔口对坝体结构、水舌归槽及消能效果,以及水库调蓄、施工、运行维护等。每个方面的影响都需要探究细致,清楚明了,不能留下工程隐患。具体到每个泄洪建筑物,还需细化其流道体型,通过模型试验及设置必要的掺气减蚀措施,确保泄流流态稳定,不会对建筑物造成破坏。

巨大地下洞室群的设计与建设,也是如此。总之,溪洛渡规模大、难度大、问题突出,要完成好这一世界伟大工程的设计,绝不是一件轻松容易的事。没有系统全面、深入细致的研究论证,绝不轻易实施,否则后患无穷。

记者:都说溪洛渡是工程与环境和谐相处的典范,您怎么看?

王仁坤:水电是清洁能源,我们有责任和使命让水电工程更加环保,使其成为环境友好经典工程。

溪洛渡工程除混凝土拱坝挡水和坝身泄洪设施外,其余引水发电建筑物和泄洪洞均布置在两岸山体内,与坝址峡谷地貌和谐相处。洞挖渣料又作为大坝混凝土骨料,减少了地表堆存占地。开挖弃渣堆存于沟谷,或平整为施工加工场地,或用作跨沟路堤。整个工区的道路两旁和弃渣坡面均有植被绿化。

枢纽区金沙江大桥是连接左右岸的重要通道。在初期设计方案中,大桥位于最终修建位置的下游100多米处,因该处河道窄,建桥基础好,与左右岸道路衔接通畅。但该处右岸桥端距离山体岩壁近,而岩壁危岩体多,若要保证道路通行安全,势必需要对分布高度数百米的危岩体进行处理。这些危岩体因风化掉块所致,也形成了许多栩栩如生的天然壁画和雕像,如溪仙姑、貂蝉、弥勒佛,还有白蛇传、西游记等人物。为保护这一自然景观,最后将大桥上移至现在的位置,至于右岸桥端与地面道路衔接转弯半径不够的问题,我们采用半立交的方式得到解决。

为保护左岸工区一棵上百年历史的黄果树,设计主动修改交通线路。类似的事例还有许多。

不负时代赋予的使命

中国能源报:您刚获得“全国工程勘察设计大师”称号,此前,您还获得过“全国优秀科技工作者”、“首届中国大坝杰出工程师”等多项荣誉,可谓多种荣誉加身,荣誉代表着对国家的贡献。

王仁坤:这些成绩和荣誉,是整个水电团队共同努力的结果,是成都院集体共同创造出来,更是这个伟大的时代赋予水电工作者的使命。国家西部大开发和“西电东送”战略的实施,一大批重大水电项目上马开工,如三峡、溪洛渡,这些项目给广大水电建设者提供了施展才华的广阔舞台。我们只需要在这个舞台上,尽情挥洒智慧和汗水。

东方欲晓,莫道君行早。“全国勘察设计大师”这份荣誉不仅是对我本人的鼓励,更会鞭策我不忘初心、继续前进。中国水电事业,还任重道远,需要众多“同心而共济,始终如一”的水电建设者。

记者:请您谈谈对中国水电发展的个人感想。

王仁坤:中国水电的发展成效令世界瞩目。截至2015年底,我国水电装机达到3.2亿千瓦,占全球的27%,居世界第一位。中国水电事业已迈入大电站、大机组、高电压、自动化、信息化、智能化的全新时代,在电站建设及技术管理方面均取得重大突破。鉴于此,中国水电已成为一张闪亮的中国名片,带动中国技术、中国标准、中国制造和中国文化“走出去”,是中国“一带一路”倡议中重要的角色扮演者和承载者。

中国水电的薪火相传,离不开老一辈水电专家“甘为人梯”的铺垫。今天水电发展的成就,是站在张光斗、潘家铮等一大批水电泰斗们的肩膀上,通过代代传承实现的。没有他们的鞠躬尽瘁和言传身教,很难有我们这一代水电人的长足进步。

水电项目,尤其是重大项目,难度大、涉及面广、影响深远,凭一己之力,无法较好地开发建设好,需要群体智慧。我们在科研、设计、施工全过程中,不断相互学习提升,既成功建设项目,也促进中国乃至世界水电事业的发展。

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