白鹤滩水电站六个世界第一背后是金沙江半个世纪的从无到有

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这座仅次于三峡工程的世界第二大水电站,位于四川省宁南县和云南省巧家县交界处,是金沙江下游梯级电站的第二级,总投资2200亿元,总装机容量达到1600万千瓦,共安装16台我国自主研制的全球单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组。

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中国是世界上水能资源最丰富的国家,其中,70%的水能资源集中在西南地区——云贵川藏。基于丰富的资源,中国规划有十三大水电基地。白鹤滩水电站所属的金沙江水电基地,是其中最大的水电基地。故有“世界水电在中国,中国水电在西南,西南水电在金沙”一说。

金沙江得名于江水中裹挟着黄色沙土和能淘到少量沙金。作为长江的上游河段,它起于青海四川交界处的玉树州直门达,止于四川省宜宾市东北翠屏区合江门,横穿青、藏、川、滇四省区,全长2308千米,流域面积近50万平方千米,翻越横断山脉,干流落差达3300米。特殊的地理条件,造就了金沙江丰富的水力资源。早在上个世纪末,就有专家指出,金沙江中下游的水电资源相当于年产0.15Gt的煤矿。“滚滚长江向东流,流的全是煤和油”,主要指的就是金沙江的水电资源。目前,金沙江干支流水能资源理论蕴藏量为1.21亿千瓦,占长江流域水能资源理论蕴藏量的42.25%。

自20世纪50年代初,长江水利委员会、成都勘测设计研究院、昆明勘测设计研究院以及中国科学院等单位陆续展开了针对金沙江干流开发的大量勘测、规划和设计等工作,并提出了《金沙江复勘报告》(1957)《长江流域综合利用规划要点报告》(1959)《金沙江流域规划意见书》(1960)等研究报告。

此后,有关金沙江开发利用的研究一直在持续。直到1990年,长江水利委员会推出《长江流域综合利用规划简要报告》,该简要报告以1960年编制的《金沙江流域规划意见书》中的梯级开发代表方案(8级开发)为基础,结合成都和昆明等勘测设计院所做规划,提出选择虎跳峡、洪门里、梓里、皮厂、观音岩、乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝9个坝址,组成本河段的梯级开发方案。

当年6月,简要报告由全国水资源与水土保持工作领导小组主持审查通过,并由国务院批准实施。

随着新千年的到来,我国的“西部大开发”战略和“西电东送”工程拉开大幕,西部水电集中开发建设也全面步入流域梯级开发的新阶段。金沙江的梯级开发规划也有了新的进展。

2003年10月,长江水利委员会编制的《金沙江干流综合规划报告》显示,金沙江水电开发将由19个梯级组成。到2017年,金沙江全流域开发的梯级已经增加到27级,包括上游(云南石鼓以上)13级、中游(石鼓至四川攀枝花)10级,以及下游(攀枝花至宜宾)4级,总装机量会超过8000万千瓦,规模约为四座三峡工程。

中国水力发电工程学会副秘书长张博庭表示,这主要是基于距离用电负荷中心的远近和方便建设的考虑。离负荷中心近的项目输电线路更短,建完之后输电线路和施工道路可以继续沿用,经济性更高。

2002年2月26日,下游的第3级溪洛渡电站开出了“金沙江开发第一标”,标志着金沙江水电开发建设正式展开。期间,部分中游水电站已经建成投产运营——2012年8月金安桥水电站的机组全部投运,2014年龙开口水电站和鲁地拉水电站先后投运。

直到2016年4月,金沙江上游河段才开启首座水电站的建设——第10级苏洼龙水电站。

自1991年开始,华东勘测设计研究院就承担白鹤滩水电站前期工作,2000年启动预可行性研究。2006年5月,国家发改委通过了白鹤滩水电站预可行性研究报告。2010年10月,国家发展改革委同意白鹤滩水电站开展前期工作,白鹤滩水电站自此开始筹建。

2017年7月31日,白鹤滩水电站正式通过国家发改委核准。8月3日,工地举行建设动员大会,标志着全面开工建设,白鹤滩水电站成为当时世界在建规模最大的水电工程,标志着我国乃至世界的水电建设进入新的纪元。

白鹤滩水电站面对的是极其复杂的地质地形条件,其坝址区地震基本烈度为8度,峡谷地形不对称,岩性复杂,岩质“硬、脆、碎”。在这些挑战下,白鹤滩水电站交出的是六项世界第一的成绩单。

三峡工程总装机量为2250万千瓦,位居世界第一,但单机容量只有70万千瓦,金沙江下游的溪洛渡和向家坝水电站的单机容量分别是77万千瓦和80万千瓦,6月16日刚刚投入运行的乌东德水电站则实现了85万千瓦。

当年,在研讨白鹤滩水电站机组单机容量的时候,为了稳妥起见,有的专家提出采用2台100万千瓦机组,其余机组采用80万千瓦的方案。但最终,白鹤滩左右两岸各安装了8台100万千瓦的水轮发电机组,这也是我国自主设计制造的完全国产化的百万千瓦机组。

这背后离不开转轮的研制成功,转轮是水轮发电机组的“引擎力”,也是检测机组稳定、平衡的关键一步。此前,工程师接受记者采访时,将一枚硬币放在白鹤滩发电机组上,硬币在每分钟111圈的转动速度下,纹丝不动。

2021年4月25日,工人在白鹤滩水电站的地下厂房安装设备。图|IC photo

值得关注的是,在金沙江前期的项目中,虽然承建方都是国企,但中标方中仍有外企的身影,到了白鹤滩水电站,首次彻底实现了全国产化。

“拱坝裂缝”是水利工程的致命问题。为了从源头上解决温度裂缝问题,三峡工程应用了中热水泥,美国胡佛大坝则使用了低热水泥,不过占比只有40%左右。白鹤滩坝顶弧长709米,拱坝厚度63米,扩大基础厚度93米,坝高289米,全面采用我国自主研制的新型低热水泥——低温硅酸盐水泥混凝土,总量达800多万立方米,保证大坝基本上不产生宏观裂缝。

不仅如此,通过多年施工实践,大坝建造者还形成了与低热水泥混凝土相适应的温控防裂策略和配套的施工工艺。比如,通过埋设的近7000支温度计,实时监控和分析大坝混凝土温度,自动、动态调整通水量。

2019年4月1日,一条长约25.7米的常态混凝土芯样,穿过52个浇筑坯层,从白鹤滩大坝体内取出,甚至带出了最底部的基岩。这条世界最长的常态混凝土芯样,表面光滑密实,内部骨料均匀、气泡少,坯层间无明显分界线,与大坝基岩结合紧密,表明白鹤滩大坝堪称无缝大坝。

白鹤滩水电站地下工程规模巨大,各类洞室总长度达217千米,相当于北京到天津距离的1.7倍。洞室开挖量达2500万立方米,其中地下厂房长438米,岩梁以上宽34米,岩梁以下宽31米,高88.7米。

白鹤滩水电站共布置8座尾水调压室,位于电站两岸山体之下400-600米深处,历时5年建成,在改善电站机组运行条件和提高机组调节品质方面发挥重要作用。

调压室单体最大开挖直径48米,高度达128米(相当于40层楼的高度),总开挖量150万立方米,单个调压室规模与调压室群规模均为国内外水电工程之最。

泄洪洞是水电工程中承担泄洪任务的建筑物,白鹤滩水电站布置了三条无压泄洪洞,是目前世界最大的无压泄洪洞群。单条泄洪洞长度2.1~2.3千米,断面尺寸宽15米、高18米,最大泄洪量为每秒1.225万立方米,这个速度18分钟就能灌满整个西湖,流速达到每秒47米,在泄洪设施建造史上名列前茅。

除了六个第一,白鹤滩水电站拱坝承受的总水推力达1650万吨,仅次于云南小湾水电站的1800万吨,居世界第二:拱坝高289米,居世界第三;枢纽泄洪功率居世界第三。

白鹤滩水电站还实现了“智能建造”。白鹤滩工程建设部副主任陈文夫表示,“大坝埋设了成千上万的传感器,全过程生产施工数据都会被采集和分析,从而实现了施工质量全过程的精细化、在线实时监控和预报、预警及智能控制。他还做了一个生动的比喻,就像一个人头痛脑热,不用医生,靠自己就能够采集血液等进行体检,然后开出应对处方。

这是清代乾隆年间,钦差大臣缪弘受命督工金沙江第一次大规模开辟航运时,写下的七言绝句。

正如缪弘所感叹的,金沙江穿越横断山脉,地势险峻、水流湍急,通舟困难,当地居民出行受阻,生活贫困,千百年来都没有太大改善。

巧家县地处金沙江和牛栏江之间,中间还高耸着大药山,“两江夹一山”的地理环境,严重影响当地人的出行。直到1997年,全县才实现村村通公路,但是,每到雨季这些土石路都会因坍塌和泥石流被阻断。巧家县通往外界的唯一出路,是一条修建于1958年的土石公路,连接昆明,去一趟要走三四天。

当地居民张世春回忆到,上世纪50年代,她外公渡船过江时,船翻了,尸体都没找到。后来,她父亲出去修路,途中被崖上滚落的一块飞石打着脑壳,当场去世了。她还有个妹妹,10岁那年背着甘蔗下山,不小心绊了一跤,直接滚下了悬崖……

船不通,路难行,巧家县人们只能“飞”出山外。1999年,一条距离江面260米高、长达400多米的溜索桥架了起来。随后,7条溜索桥陆续连接起巧家县与外面的世界,金沙江上就有6条。但是,溜索桥危险系数也很高,吊在百米高空滑到对岸,十分考验搭乘人的心理承受能力,此外,遇到大风或者停电,溜索都不能使用,赶上坏天气或夜间过溜也很不方便。

除了出行的不便,受地形影响,当地的耕地面积也很少,巧家县下面的鹦哥村有586户2073人,人均只有1亩多土地,老百姓们不敢种植经济作物,种了也卖不出去,只能依靠薄田自给自足,生活条件十分艰苦。

白鹤滩水电站的开建,改变了这些。与三峡水电站一样,白鹤滩水电站也进行了大移民,涉及人口近10万。

正如白鹤滩工程建设部党委书记樊义林所说,随着白鹤滩水电站移民安置和工程建设的启动,大量的资金、资源集中配置在这一区域,极大改善当地的基础设施和交通条件,带动该地区其他资源开发和相关产业发展,增加税收和就业机会,同时,通过移民安置,可提高当地居民生活水平,加快库区脱贫致富。

自2011年1月1日下达“封库令”以来,巧家县搬迁安置人口为17154户共50178人,占云南部分搬迁人口的94.94%,占总库区的46.52%。同时,巧家县规划建设了大寨镇王家湾、白鹤滩镇黎明、金塘迁建集镇、蒙姑镇十里坪等8个移民安置区,包含安置房723栋21841套,面积达313.7万平方米,是白鹤滩水电站安置人口规模最大的库区。

【注:大中型水利水电工程建设征地范围内禁止新增建设项目和迁入人口的通告,简称为“封库令”。】

2021年1月21日,云南昭通白鹤滩水电站巧家库区金塘迁建集镇移民安置区,移民在搬家。图|视觉中国

随着白鹤滩水电站下闸蓄水,此前建设的葫芦口大桥被淹没,一座总投资2.6亿元的白鹤滩金沙江大桥在其身后架起,将四川省宁南县和对岸的云南省巧家县连在一起。大桥全长746米,全桥设计行车速度为40千米每小时,既方便群众出行,也联通了两地经济命脉。

4月8日拍摄的白鹤滩水电站库区金沙江葫芦口段,低处的老大桥即将被淹没,高处为新建的白鹤滩金沙江大桥。图源:人民日报

纵览全局,白鹤滩移民工程工作量巨大,包括8000多万方开挖回填量、580多万平方米房屋建筑、70千米等级公路和120千米农村道路、800多千米供水管渠以及地质条件复杂的山地安置点等工程。

白鹤滩水电站建成后,带动了当地旅游、物流等行业的发展,为村民们增加就业机会,还吸引了许多在外务工者返乡工作,对当地消费和GDP增长起到了强有力的拉动作用。

2020年5月,巧家县退出贫困县序列。正所谓,建好一座电站、带动一方经济、改善一片环境、造福一批移民。

白鹤滩水电站的开发目的,以发电为主,兼顾防洪、航运、拦沙等效益,开始运行后,不管是“单打独斗”还是“抱团”,都有着惊人的影响。

单看白鹤滩水电站,到2022年7月全部投入运行后,其一天的发电量可以满足50万人一整年的生活用电,成为“西电东送”骨干电源,在电网中承担系统调峰、事故备用等任务。

目前,华东、华中和南方电网覆盖区内的主要用电负荷地区,均在白鹤滩水电站特高压输电线路可送达范围内。这些地区经济相对发达,能源和电力需求量大,但能源资源相对缺乏,需求缺口十分明显。白鹤滩水电站所发水电,丰水期将全额送出,枯水期部分留存四川,对改善四川丰余枯缺的电源结构起到积极作用,也能极大解决我国经济发展与能源分布不均衡的矛盾。

白鹤滩水库在金沙江下游四个梯级中库容最大,正常蓄水位825米,防洪库容75亿立方米,相当于1.5个太湖容量,仅次于三峡工程和丹江口工程。它与溪洛渡水电站联合调度,可以承担川江河段防洪任务,提高川江河段沿岸宜宾、泸州、重庆等城市防洪标准;它配合三峡水库联合调度,承担长江中下游的防洪任务,可进一步提高长江中下游的防洪标准。

以往,每年10月到次年4月,金沙江下游流速低于1000立方米/秒,河段基本有半年时间不能通航。白鹤滩水电站建成后,因为水库库容具有年调节能力,可以实现枯水期均匀下泄,从而增加下游河段流量,直接改善下游枯水期航道通航条件,实现库区在不同时期全程或局部通航,促进库区社会经济发展。

四座巨型电站与三峡工程、葛洲坝工程一起,则构成了世界上最大的“清洁能源走廊”,总装机将达7169.5万千瓦,全部总发电量将达2932亿千瓦时/年。

除了增加能源供应和储备,改善我国能源结构,白鹤滩水电站也在为我国的“碳达峰”“碳中和”做出贡献。

为了履行国际责任,国务院印发《“十三五”控制温室气体排放工作方案》,其中提出,到2020年力争常规水电装机达到3.4亿千瓦。到2020年“十三五”规划收官之际,我国全口径水电装机容量达3.7亿千瓦。2021年,先后投入运行的乌东德和白鹤滩水电站,助力我国水电装机容量更上一层楼

在2020年的第七十五届联合国大会上,我国政府提出“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的承诺。

白鹤滩水电站每年可节约标煤量约2007万吨,减少二氧化碳排放约4179万吨、一氧化碳排放约0.6万吨、碳氢化合物排放约0.26万吨、氮氧化物排放约25.5万吨、二氧化硫排放约37.7万吨,环保效益惊人,有利于实现我国制定的二氧化碳减排行动目标。

可以说,在“十四五“的开局之年,白鹤滩水电站已成为继三峡工程之后中国水电的新“国家名片”。

回溯历史,从1912年我国第一座水电站——云南石龙坝水电站建成,到2021年装机规模世界第二的白鹤滩水电站首批机组正式投产发电,从新中国成立初的36万千瓦水电装机容量到2020年底的3.7亿千瓦,中国的水电建设事业已走过109年的时光。目前,全球前五大水电站中,中国占据四座,全球在建和投运的70万千瓦以上机组有127台,中国占了104台。

毫无疑问,我国的水电建设的综合技术水平早已迈入世界先进行列,并将行稳致远。

1.三峡的建设与金沙江的西电东送陈黔明、赵明娜,《电网技术》,1995年第8期

2.金沙江水电基地及前期工作概况彭亚,《中国三峡建设》,2004年第4期

3.世界第二大水电站白鹤滩开建,四川金沙江27级水电雏形初现杨漾、王灿,澎湃新闻,2017年8月3日

5.向家坝水电站 开启金沙江的“新黄金时代”但棣瑶,《中国三峡》,2021年第1期

8.中国在建的这座水电站,又创多个世界第一!新华视点,2017年8月21日

9.全面开建!白鹤滩将拿下这些水电工程“世界之最”陈磊,科技日报,2017年8月21日

10.中国造的这座坝,顶得住世界级水推力朱静霞、黄克瑶,中国三峡集团官网,2021年5月31日

12.白鹤滩投产发电!建成世界唯一百万千瓦机组水电站有多难霍思伊,中国新闻周刊,2021年6月28日

13.金沙江白鹤滩水电站工程建设的重大作用樊启祥、汪志林、吴关叶《水力发电》,2018年6月

14.白鹤滩水电站投产发电 对四川意味着什么?李欣忆,四川日报,2021年6月29日原标题:《一举交出六个世界第一!建一座水电站,为啥要埋7000支温度计、上万传感器?》

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