水电工程技术创新实践与挑战范文

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中国大陆水力资源理论蕴藏量达6亿kW，技术可开发装机容量达5．4亿kW，经济可开发装机容量达4．0亿kW，水力资源居世界第一位。1949年以前，我国水电装机容量不过360MW。新中国成立以来，我国的水电工程建设发展迅猛，特别是近十余年来，三峡、溪洛渡、小湾、龙滩、水布垭、构皮滩、彭水、拉西瓦、锦屏、向家坝等多座高坝大库相继投入运行，中国水电工程建设取得了举世瞩目的成就，截至2014年底，我国水电装机3．02亿kW，约占全球水电装机总量的1/4。按规划，2020年装机将达到3．5亿kW，水电开发还具有巨大的潜力。依托以三峡工程为代表的一批国家重大水电工程建设，通过原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新，我国的水电工程在筑坝技术、电站技术、通航技术等关键技术上取得了许多重大突破。目前，我国水电工程的建设规模、技术难度和技术创新等方面都已进入世界先进和领先行列。

1水电工程技术创新实践

1．1坝工技术

1．1．1混凝土重力坝20世纪50年代以来，我国建成了一批高混凝土重力坝，积累了丰富的高重力坝设计施工经验，取得了诸多重要成果和突破性进展［1］，如大坝深层抗滑稳定技术、多层大孔口结构技术、大坝温控防裂技术等。三峡大坝按1000a一遇洪水流量98800m3/s设计，按10000a一遇洪水加大10%洪水流量124300m3/s校核。大坝所需泄洪前缘和电站进水口前缘长度均较长，工程布置困难，且1～5号坝段深层抗滑稳定问题突出。针对三峡大坝高水头、泄洪量大、排沙量多等特点，对泄洪坝段采用表孔、深孔和导流底孔3层相间布置，以缩短泄洪前缘长度;利用左导墙、纵向围堰和右岸非溢流坝段布置3个泄洪排漂孔;左、右厂房坝段共设10个排沙孔，在150m水位下兼用于泄洪。采取上述措施，使泄洪前缘长度控制在483m，不仅满足了泄洪、排沙、排漂及施工导流等功能，同时也解决了泄洪坝段与电站布置的难题。三峡大坝泄洪坝段布置有22个表孔、23个深孔、22个导流底孔，其中表孔尺寸8m×17m，深孔尺寸7m×9m，底孔尺寸6m×8．5m，坝体孔洞多、孔口大、门槽多，坝体多层大孔口结构体型复杂。设计中通过优化孔口布置，使表孔、深孔、底孔错层相间布置，以合理利用有限的泄水前缘长度;在坝段中央布置泄洪深孔，表孔跨缝布置，其下方布置导流底孔;通过孔口体型优化、横缝接触灌浆等措施，改善了孔口应力，增大了坝体侧向刚度，减少了孔口对坝体刚度的削弱，提高了结构安全裕度。三峡左岸1～5号坝段为电站厂房坝段，缓倾角结构面发育，倾角20°～30°，最大连通率达83．1%，深层抗滑稳定问题突出。通过采用厂坝联合受力、坝踵设置混凝土齿槽、厂坝基础联合封闭抽排、固结灌浆、相邻坝段横缝灌浆、预应力锚索加固等综合处理措施，有效解决了深层抗滑稳定问题。

1．1．2高拱坝2000年，我国建成了最大坝高240m的二滩混凝土拱坝，成为中国拱坝建设的里程碑。继二滩大坝之后，坝高285．5m的溪洛渡、坝高294．5m的小湾、坝高305m的锦屏一级等一批特高拱坝相继建成。岩溶地区最高的拱坝———构皮滩拱坝坝高达232．5m，亦投产发电。超高拱坝建设需解决坝基坝肩岩体变形与抗滑稳定问题、强震区抗震安全问题、泄洪消能问题等。近十余年来，我国在高拱坝设计理论与施工技术方面取得了许多重大突破，如岩溶地区高拱坝枢纽布置、高拱坝体形优化设计、大功率泄洪消能技术、大坝抗震设计等。针对复杂岩溶对拱坝稳定与变形的影响问题，结合构皮滩双曲拱坝工程实践，研究提出了岩溶地区“精细勘探、大坝优先、避让为上、系统兼顾”的枢纽布置原则，解决了岩溶地区优良岩体范围有限所导致的水工建筑物布置难题，为岩溶地区筑坝提供了新思路。

1．1．3碾压混凝土坝碾压混凝土技术具有机械化程度高、简化施工程序、缩短工期、节省投资等优点。目前，我国已建在建的碾压混凝土坝有120余座，无论数量、规模、技术难度、工艺水平均处于世界领先地位。其中世界最高的碾压混凝土重力坝龙滩水电站，坝高达216．5m，获得“碾压混凝土国际里程碑工程”荣誉。在三峡三期碾压混凝土重力坝围堰建设中，通过提出的适应快速施工的结构措施、相应快速施工技术，创造了最大月浇筑强度47．5万m3、最大日浇筑强度21066m3、连续上升37．5m的世界纪录，其最大浇筑强度已超过国内外当时纪录的1倍以上［1］。由我国设计建造的马来西亚沐若水电站碾压混凝土坝，首次提出了“坝体上游设置防渗区+强化碾压层面施工质量+利用坝面排水孔全面压水检查浇筑缺陷+灌浆强化处理浇筑缺陷”的先进坝体防渗设计技术，及热带雨林地区碾压混凝土施工工艺与质量控制技术，为多雨地区碾压混凝土大坝建设提供了宝贵经验。

1．1．4高堆石坝土石坝由于其具备对基础条件良好的适应性、就地取材、能充分利用开挖料、造价较低等优点，是世界各国广泛采用的坝型。土石坝类型多样，其中近年来我国在高混凝土面板堆石坝与高心墙堆石坝筑坝技术上发展迅猛。(1)混凝土面板堆石坝。混凝土面板堆石坝具有较高的安全性、经济性和适应性等优点，具有很强的竞争力和生命力。目前，我国已建在建坝高超30m以上的混凝土面板堆石坝达210余座，其中水布垭面板堆石坝坝高233m，是世界上已建、在建的最高面板坝，是“面板堆石坝里程碑工程”。针对面板坝建设中存在的难题，如高应力下堆石体力学特性变化、超高坝变形控制、适应大变形的止水结构与材料等，相关单位通过自主创新、集成创新，在坝料性能及试验方法、坝体变形控制、大坝防渗系统结构和材料、大坝施工与质量控制、大坝性状监控及安全评价等方面均有重大创新和突破，形成了一整套超高面板坝筑坝关键技术体系［2］。如“坝体变形时空预沉降控制法”、“反抬法”预压以及下游堆石区与主堆石区同参数施工等技术，有效解决了高面板坝变形控制难题;以表层为主的面板止水系统的设计新理念与相应的结构措施，以及面板中上部设置永久水平缝的结构措施，可显著提高面板适应坝体变形的能力。(2)心墙堆石坝。国内100m级高心墙堆石坝较多，先后建成了碧口、石头河、鲁布革、茅坪溪、水牛家等，积累了丰富的工程经验;200m级已建成小浪底、瀑布沟。特别是近十余年来，高心墙堆石坝技术取得了较快发展，在建的长河坝坝高240m，而坝高261．5m的糯扎渡水电站已于2014年全面投产;拟建的300m级两河口水电站坝高达295m、双江口水电站坝高达314m。结合工程实践，我国对高心墙堆石坝坝体结构与材料分区、大坝变形及渗流控制、坝体分析方法、大坝安全评价及预警等关键技术开展了系统研究，形成了超高心墙堆石坝静动力稳定分析理论与方法、渗控分析方法、设计准则与筑坝成套技术，建立了超高心墙堆石坝安全综合评价体系［3］。

1．2电站技术

1．2．1巨型机组设计制造技术水轮发电机组是水电站的“心脏”，其设计制造直接关系到水电站在各种运行方式下的稳定性。三峡工程之前，我国国内最大的电站机组仅为320MW。三峡工程设计施工中，通过创新思路，以市场换技术，成功实践了“引进、吸收、消化、国产化、再创新”的技术和产业发展道路，取得了许多关键技术，研究开发出世界首创的全空气冷却700MW级水轮发电机，并在三峡地下电站800MW发电机上首次采用全空冷和蒸发冷却方式，打破了巨型机组只能采用风冷技术的论断。对三峡工程而言，在同一电站的巨型水轮发电机中同时采用全空冷、半空冷和蒸发冷却3种冷却方式，推动了水轮发电机冷却技术的进步和发展［4］。通过三峡工程实践，我国实现了巨型水电机组的国产化，并推广应用至向家坝电站(单机容量800MW)、溪洛渡电站(单机容量770MW)等后期建设的大型水电站，为我国重大技术装备的发展作出了重要贡献。特别是目前自主研发了百万级巨型机组成套技术，使我国巨型机组设计制造技术水平跨入世界领先行列。

1．2．2巨型机组蜗壳埋设技术蜗壳埋设技术关系到机组稳定运行与厂房结构安全。三峡电站蜗壳进口直径及控制结构变形的HD2值为同期世界最大，而蜗壳外围混凝土相对较薄。大型电站蜗壳埋设国外均采用充水保压技术，在三峡工程建设工程中，研究发现该技术需7道工序，工艺复杂、施工困难、工期长、投资大。在系统研究保温保压埋设、垫层埋设、直埋设等方式的基础上，研发了巨型机组蜗壳“组合埋设”新技术，建立了相应的技术标准。组合埋设技术只需两道工序，大大简化了施工，有利于缩短工期。三峡巨型机组蜗壳不同埋入方式在电站的成功实施以及完整设计技术体系与相关技术标准的形成，不仅保证了水电站引水发电建筑物及机组安全稳定运行，而且为巨型机组相关行业规范制定技术标准奠定了基础，提高了我国水电行业的竞争力。组合埋设技术完全取代了国外的充水保压技术，已被国内外后续的多座巨型电站采用。

1．2．3大型地下电站洞室稳定控制技术我国大型地下电站多位于西部高山峡谷区，单机规模大，洞室稳定控制技术难度大。随着一批复杂地质条件下大型地下电站洞室的成功建设，我国在大型地下电站洞室勘察、设计等方面积累了丰富经验，取得了众多创新成果，如大型洞室“岩体稳定拱”设计理论［5］、地下电站“单洞型”布置新型式、厂房轴线与岩层走向“小交角”布置的设计新理念、大型洞室岩溶软岩及大型关键块体处理的成套综合新技术等。三峡地下电站应用“岩体稳定拱”设计理论，成功建成了埋深最小的大型地下电站;彭水地下厂房采用“小交角”布置，成功避让了岩溶系统，并采用“单洞型”布置、高边墙变形综合控制技术，顺利建成首座洞轴线与岩层走向呈零度交角的大型地下厂房。

1．3高坝通航技术内河通航建筑物主要分为船闸和升船机两大类。以长江三峡双线连续5级船闸、长江三峡水利枢纽垂直升船机为代表的通航建筑物，使我国水利水电工程通航技术水平跃居世界前列。

1．3．1船闸三峡船闸通航水头达113m，通航标准高，要求大坝泄洪达56700m3/s时万吨船队安全过闸，而且工期紧，须在2003年蓄水时投运，避免长江断航。船闸设计面临船闸结构型式、深切高边坡稳定、高水头大流量输水、巨型人字门及启闭设备等关键技术问题［6］。三峡船闸长达1600m的主体建筑需沿山体深挖(最深170m)后建造，设计成双线(上、下行)5级，每一线船闸分别设有5个闸室，每个闸室长280m，宽34m，由10个大型船闸组成，槛上最小水深5m，首末船闸上下游落差达113m。船闸若采用传统重力式结构，开挖及混凝土量巨大、工期长、高边坡复杂。基于三峡船闸良好的地质条件，研究采用“全衬砌船闸”新型式，闸首和闸室墙全部采用钢筋混凝土薄衬砌结构，通过专门研制的拉剪型高强锚杆，形成衬砌－锚杆－岩体联合受力的全衬砌船闸结构体系，共同承受人字门、水压力和船舶等荷载，有效减少了工程开挖和混凝土量，降低了高边坡施工难度。三峡船闸高边坡采用预应力锚固技术，对边坡岩体进行系统和随机加固支护，通过截、防、导排等措施，在边坡岩体一定范围疏干地下水，减小渗水压力，并严格控制施工程序与开挖爆破，有效解决了高边坡的变形稳定问题。三峡船闸单级闸室最大输水水头45．2m，最大输水流量720m3/s。高水头大流量条件下，船闸采用“高空化数输水廊道”技术，解决了特高水头船闸输水系统阀门空蚀与振动等难题;采用改进型“等惯性输水系统”，保障了船舶在闸室内安全停泊和升降;采用等惯性分散正向进水和旁侧泄水方式，使上下游引航道具有良好的通航水流条件。闸室采用人字门挡水，双线5级共24扇门。每扇门长38．5m、宽20m、厚3m，最大单扇门重850t，其外形与重量均为世界之最。船闸采用“低周高应力”人字门结构设计理论，解决了巨型人字门易产生疲劳裂纹的问题，采用液压启闭机“无级变速”和“负载分级平衡”技术，解决了大淹没水深人字门运行时大型卧式细长油缸的稳定性问题。

1．3．2升船机三峡升船机过船规模为3000t级，上下游水位差达113m，且航道水位变幅和变率均较大，其中上游水位变幅30m，下游水位变幅11．8m，变率±0．50m/h;受船闸充、泄水影响，上、下游引航道水流通航条件复杂。通过比选，采用齿轮齿条爬升式垂直升船机，船厢有效水域为20m×18m×3．5m，船厢总重11500t，最大提升高度113m。升船机设计面临船厢全平衡及安全控制、承重塔柱变形要求严等关键技术问题［7］。三峡工程升船机采用齿轮齿条爬升式垂直升船机技术，当船厢升降中发生漏水等失衡事故时，安全机构可随时将船厢锁定在螺母柱上，避免发生船厢坠落或冲顶事故，安全可靠性高。针对承重塔柱变形控制严的难点，采用“墙－筒体－墙－筒体－墙”的整体对称结构，满足塔柱结构的整体刚度要求，保证塔柱与船厢变形协调。继三峡水利枢纽垂直升船机之后，该关键技术已在向家坝升船机等工程中得到推广应用。

1．4其他除了上述介绍的筑坝技术、电站技术、高坝通航技术外，依托多个大型水电站的工程实践，水电工程在复杂地形地质条件下的综合勘探技术、高水头大流量泄洪消能、深水大流量高落差截流、深厚覆盖层处理、水工新材料、大型水电工程施工与建设管理等方面均取得了巨大的成就，为我国的水电建设提供了强有力的技术支撑。

2我国水电工程面临的挑战与创新方向

2．1面临的挑战

2．1．1更加恶劣的自然条件随着西部大开发和西电东送的大力推进，我国水电工程建设重点地域也从中、东部转向西部。未来的高坝大库多集中在这些高海拔、高寒、高地震烈度、高陡边坡地区，水电工程面临的自然环境更加恶劣。在高海拔、高寒地区修建大坝，坝基冰冻覆盖层与破碎岩层一般难以挖除，冰冻覆盖层与破碎岩层在蓄水后的变形和渗流控制难度大;高海拔、高寒地区筑坝材料抗冰冻和耐久性问题突出;有效施工时段短，加之高海拔地区缺氧等恶劣环境下，施工人员和机械设备作业困难，施工质量控制难度大;高强度地震可能带来坝体结构与基础破坏或严重变形、坝体液化、涌浪超高，或堰塞湖等危害。

2．1．2生态环境更加脆弱西部地区是我国生态环境最脆弱的地区，环境承载力低。修建高坝大库，可能会引起多年冻土层融化。这种变化使区域地下水位及生态水位发生重新分配，结果表现为水分不再被局限于近地表土层的深度，植物可利用的水分大为减少，可能导致短根系植物枯死，生物多样性减少，植被退化，土地荒漠化趋势增强等生态环境问题。特别是海拔3700m以上高寒植被一旦遭到破坏，其恢复和再造将非常困难。

2．1．3工程移民更加困难工程移民本身是一个非常复杂的社会问题。西部地区本身可用于耕作的土地资源就十分稀缺，筑坝蓄水淹没了大量可耕作的土地，人多地少矛盾更加突出，传统安置方式难以满足移民安稳致富要求。西部又多为少数民族聚集地，生计模式、社会结构特殊，宗教文化复杂，这些更增加了移民的难度。水电工程建设区，地方经济基础薄弱，地方政府对水电开发促进经济发展寄予厚望，导致水电开发企业工程移民投资大，影响了水电开发企业的积极性。

3科技创新方向的探讨

针对我国水电工程建设面临的新挑战，未来需要从安全、技术、环保、移民等方面开展研究。

3．1提升工程安全理念工程建设安全自始至终是开发水电资源的先决条件，抛弃工程安全，一味追求世界第一的虚荣心理，是不理智的行为。面对新挑战，必须要革新工程安全文化理念，包括公开透明、以人为本、加强投入。公开透明，就是要系统分析工程建设区域可能存在的安全风险，并使工程建设参与各方对安全风险有深入认识。人是各种生产要素中最活跃的因素，以人为本就是要确保人的安全。高寒、高海拔、高陡边坡地区，空气稀薄，自然环境条件恶劣，需加强投入，提高劳动安全保障措施和标准。

3．2提高工程技术水平

3．2．1完善与提升技术标准体系目前我国设计标准“政出多门，参差不齐”，应协调统一现有国家标准、行业标准(电力标准、水利标准)、地方标准。未来水电工程建设的趋势是高坝大库，现有的技术标准适用范围有限，应总结高坝建设的实践经验，拓展完善现有标准。我国虽已成为水电建设的主战场，但设计标准尚未与国际接轨。随着“一带一路”战略的提出，我国水电建设理应借此东风，推进标准国际化，加快国际化进程。

3．2．2研发及实践“四新”技术探索应用新材料、新技术、新工艺、新设备，提升工程建设能力。针对高寒地区施工，研发高性能混凝土，提高抗冻性、抗碳化等耐久性能;面对西部高地震烈度建设环境，研究总结高地震烈度下高坝抗震技术，支撑后续工程建设;高寒、高海拔地区基础处理更加复杂，应探索高寒、高海拔地区基础处理工艺;针对高海拔地区，传统的地质勘探手段受到限制，应研发地质勘探的新设备。

3．2．3应用现代信息技术信息技术在水电工程中的应用，使信息的重要生产要素和战略资源的作用得以发挥，使人们能更高效地进行资源优化配置，从而推动水电行业不断升级，提高社会劳动生产率和社会运行效率。“大数据”、云计算、BIM、“4S”技术等现代信息技术，能实现工程设计数字化、可视化、协同化，工程建设管理监控自动化、管理规范化，及工程运行管理高效化、智能化。

3．2．4倡导绿色水电开发受能源需求的约束，水电适度开发是大势所趋。在水电工程建设中，需强化高原生态环境保护研究，深入研究高原高坝大库对气候及生态环境的影响及保护措施。如永久冻土层融化对生态环境的影响，气候改变引起冰川变化，水量、水质变化对上下游环境与生态的影响，河流生态系统变化对生物群落的影响。在高原地区建设水电工程，需深入论证，在保护生态的前提下，绿色开发水电，实现可持续发展。

3．2．5重视水库移民问题水电建设往往涉及大量移民，移民问题是水电工程能否顺利实施和最终成败的关键。水电建设移民安置要与时俱进、以人为本，深刻认识水库淹没对移民造成的损失和机遇，用动态和发展的观点，把移民安置放在更大的时空范围去谋划，突破“三原”补偿限制，推动水电开发和当地经济社会可持续发展。探索新型移民安置方式，搭建良性发展平台，积极推动农业结构调整，发展优势农业。探索“灵活就业+技能培训+社会保障”的综合安置模式。重视移民社会重建，增强移民归属感、认同感和融合度，物质方面与精神方面重建并重;构建居住安全、功能配套、邻里和谐、环境优美的新社区。突破“三原”补偿限制，建立库区和安置区经济社会发展的长效机制。重视有形损失补偿，适度关注无形损失补偿，加大后期扶持力度，共享工程效益。

4结语

在全球倡导绿色能源及我国大力实施减能减排的大背景下，我国能源结构亟需调整，水能资源需综合开发利用，未来大多数工程处于我国西部，自然条件更加复杂，只有通过不断创新，才能解决工程建设中的关键技术难题，并推进水利水电行业的科技进步，使我国真正由水电大国成为水电强国，水电技术走出国门，引领世界。

作者：钮新强 单位：长江勘测规划设计研究院 国家大坝安全工程技术研究中心