水压大流量小,非洲这座电站刷新了中国技术新高度

subtitle 了不起的中国制造07-06 06:51 跟贴 12039 条
赞比亚下凯富峡水电站是一座碾压混凝土大坝,与普通浇筑混凝土不同,碾压混凝土需要经过一遍遍碾压才能硬化成型,混凝土的强度、开裂,都与碾压的过程息息相关。而且,对于这样一座水压高、流量小的水电站来说,引水隧道必须承受极高的水压和流水腐蚀,技术含量极高。

出品| 网易新闻

作者| 须臾千秋,清华大学土木工程博士

在非洲中南部有这样一个国家,它身居内陆,却雨量丰富,植被繁茂;它自然环境优越,舒适宜居,却只有1700万人;它贫穷落后,却是全非洲治安最好的国家;它有丰富的自然资源,尤其是铜矿,但长久以来却一直饱受基础设施不足、电力短缺的困扰,这就是赞比亚。

赞比亚是一个天赋异禀的国家,却受限于基建的短板而难以发展,这是一件非常可惜的事情。为了弥补这一短板,在凯富埃河上,赞比亚建设了一座南部非洲规模最大的水电站——下凯富峡水电站,由“基建狂魔”中国承建。

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(一)与众不同的碾压混凝土坝,混凝土的碾压是个大学问

我们所熟知的三峡大坝是一座浇筑混凝土坝,它的发电机组布置在坝体内,水直接流经发电机组,再排到下游河道中,而下凯富峡电站的大坝和发电站则是分开布置的。

它的坝体由实心的碾压混凝土建成,拦截河道进行蓄水形成水位很高的水库,造成很高的水压,高压河水通过引水涵洞直接引入下游,并在下游涵洞的出口处布置发电机组。除挡水升高水位外,大坝还兼具泄洪、调节水量等作用。

与普通浇筑混凝土不同,碾压混凝土的施工过程要复杂得多。它采用的混凝土骨料粒径大,水泥用量少,这使得它具有水化放热量少、成本低廉等优点,对于混凝土用量超过130万吨的巨型大坝来说,这些优点十分重要;但它也因而十分干硬,堆积在那里如同一堆碎石一样高高耸立,不像普通混凝土那样只需简单振捣即可成型。

这些干硬的碾压混凝土需要经过碾压机一遍一遍碾压,最后才能硬化成型,形成人们所需要的形状。

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下凯富峡水电站大坝高达120米(作者拍摄)

(浇筑中的大坝平面)

然而,混凝土的碾压可是个大学问,混凝土的强度、开裂,都与碾压的过程息息相关。

碾车在混凝土施工平面上跑来跑去,必须要有一定的秩序,如果随意行驶,或者路线规划不当,就会造成大坝的碾压程度不均匀,进而强度不均匀,产生裂缝。一旦有了裂缝,无孔不入的河水就会沿着裂缝进入大坝内部,破坏大坝,十分危险。

因此,碾车的行驶必须按照既定的路线进行,碾压的程度也必须保持一致。在下层混凝土碾压完毕后,还必须进行后续工作,将骨料集中的部位剔除,用高压水枪将混凝土表面冲毛,以使得新浇筑的碾压混凝土可以与下层混凝土紧密结合。

由于碾压混凝土被碾车施加巨大的压力,大坝的模板很容易在巨大的压力下发生跑模、变形,这对模板的安装精度、位移监控也有极高的要求。碾压混凝土的自身强度较低,因此对大坝的温度控制要求也很高。这些都需要高超的设计水平和丰富的施工经验才能完成。

加之每一个工程所处的环境差异都很大,每一个碾压混凝土坝都需要根据具体情况来进行施工。因此,下凯富峡工程的工程师们常说,虽然中国人建了无数个大坝,却总是需要学习如何建造大坝。

在房屋建筑中,经常使用流动性很大的“泵送混凝土”,亦即将混凝土通过高压泵管输送到指定的位置直接进行浇筑,省去了混凝土运输消耗的巨大人力物力,而干硬的碾压混凝土显然不能通过泵管来运输。

事实上,这些混凝土是通过皮带传送的。皮带的运输效率甚至比泵管更高,它们极大地提高了施工效率,节省了劳动力。

(输送混凝土的皮带)

(二)赞比亚工业基础薄弱,混凝土的原材料只能依赖进口

赞比亚的工业基础十分薄弱,建筑材料的产能很低,加之交通不便,一个下凯富峡水电站就吸纳了有效运输范围内的全部水泥产能,而且还时常紧缺。

大坝水泥所必需的粉煤灰是火力发电厂的副产物,赞比亚更是没有,需要从工业较为发达的南非进口。

这样一来,由于供不应求,建筑材料的价格持续飙升,从大坝浇筑开始短短几个月的时间,水泥价格已经上调了三次。

为了应付这样的情况,工程一方面采用了胶凝材料用量较少的碾压混凝土,从源头上减少材料用量;另一方面通过优化配合比设计和骨料级配,进一步在保证混凝土强度和性能的基础上减少胶凝材料用量;此外,从中国海运过来的混凝土高级组分——高效外加剂也为混凝土的质量提供了可靠保障。

(混凝土原料加工厂,作者供图)

(三)高水压、小流量电站,引水隧道和发电机组技术含量极高

下凯富峡电站的发电机组布置在大坝下游几公里处,通过漫长的引水隧道将大坝上游水库中的水引入发电机组中。与普通的隧道不同,这条引水隧道必须承担极高的水压和流水的腐蚀,技术含量很高。

(隧洞入口,作者供图)

到发电机组处时,水头(编者注:即任意断面处单位重量水的能量)高度已经达到了130多米,这意味着水中已经蕴含有极强的水压。在水压的作用下,河水冲击5组15万千瓦的发电机组使之转动,进而切割磁感线产生电力。

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下凯富峡水电站施工中的发电厂房(作者拍摄)

(施工中的发电厂房,作者供图)

下凯富峡水电站属于典型的高水头、小流量电站,河水的流量不大,但水压极高,因此对压力水管和水轮机的质量要求都极高。

工程中的五台水轮机都是在中国国内生产,并通过海运运往赞比亚,在现场进行组装的。与发电机组相配套的还有一套完善的信息化管理系统,在发电机组开始运行后,工作人员们可以在控制大厅里实时监控发电机组的运转情况,一旦发生故障,可以第一时间进行排查和处置。

除了水轮机所在的主发电厂房外,工程还配套修建了具有综合性功能的副厂房,发电机的励磁系统、变压系统、空调系统以及紧急处理系统都布置在其中。

在水轮机故障发生时,轮机中的油会迅速通过紧急处理系统排出到指定舱室内以避免爆炸和泄漏,再经油水分离系统进行收集处置,防止进入到凯富埃河中污染水质。

除了这道75万千瓦的主水电站外,在大坝的附近还配套修建有一道几万千瓦的小水电站,它也是采用引水管——出口设置水轮机的模式,如同一个袖珍版的主水电站。它发出的电被用于维持大坝营地的正常运转和周边局部地区的日常用电。

(作者供图)

(四)大坝施工需要绝水,引水河道给了河水一条“临时通道”

大坝的施工,混凝土的硬化需要在绝水的环境中进行,在大坝的上游和下游都要预先修建围堰将水挡住,在围堰中间的干燥场地处进行大坝施工,而下游引水隧道出口处的发电机组则更需要在干燥的环境中进行安装,因此,不仅引水隧道中暂时不能有水,发电机组的下游也要修建挡水围堰。

那么问题来了:凯富埃河奔流不绝,这水电站一修好几年,水从哪里走呢?

其实,人们早就想到了这个问题,避开大坝所处的主河道,在旁边修建了引水河道以供河水临时使用,而且,这条引水河道还不仅仅在大坝修筑时有用。

凯富埃河水质优良,水生动物品种丰富,河中产的小龙虾尤其个大味美。在水电站修筑完成后,尽管河水主要被引入引水涵洞中用于发电,但这些水生动物们总不能跟水一起走发电机这条路吧?一旦被卷入发电机,这些鱼虾就被打成鱼滑、虾滑了。因此,仍要有一小部分河水被分流在引水河道中,以维持凯富埃河的整体生态。

此外,赞比亚地区的雨季和旱季差异鲜明,不同季节河水流量变化很大。在洪水来临时,这条引水河道还要兼具分流泄洪的作用,以避免上游水库水位过高。

结语

下凯富峡水电站的碾压混凝土重力坝高达120米,项目装机容量75万千瓦,年发电量30亿度,总投资高达100亿元人民币,是中国水电在非洲最大规模的投资项目。

按照计划,它将于2019年夏天建成,2020年蓄水发电,届时,这座价值百亿的水电站将会极大地缓解赞比亚国内电力紧张的情况,为千家万户带去光明与文明。

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编辑| 史文慧

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