【特稿】追梦大河弯 圆梦锦屏山――记国家科技进步二等奖获奖项目“锦屏二级超深埋特大引水隧洞发电工程关键技术”

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2018-05-04 19:21:21

中共中央、国务院1月8日上午在北京隆重举行国家科学技术奖励大会,由华东院作为牵头研发单位与雅砻江流域水电开发有限公司等单位共同完成的“锦屏二级超深埋特大引水隧洞发电工程关键技术”荣获了2017年度国家科技进步二等奖。该技术成果作为技术攻关成功范例写入《电力发展“十三五”规划》,对此后我国深埋地下工程建设起到引领和示范作用。未来,电建人将继续沿着十九大指明的方向,将这些成果全面应用到新时代美丽中国建设的新征程中,继续为国家经济社会发展和人民美好生活作出新的更大的贡献。

大河弯之梦

锦屏二级水电站利用雅砻江大河弯的天然落差,截弯取直开挖隧洞引水发电,总装机容量4800mw,是雅砻江各梯级电站中利用水头最高、发电量最大、效益最好的水电站,是实施“西电东送”和“川电外送”战略的标志性工程。其中,4条引水隧洞和2条辅助洞及1条施工排水洞组成7条平行的大型深埋隧洞群,总长达到120公里,具有埋藏深、洞线长、洞径大、地应力水平高、岩溶水文地质条件复杂、施工布置困难等特点,是目前世界上已建、在建总体规模最大、综合难度最高的水工隧洞群工程。

雅砻江锦屏大河弯的规划和勘测设计工作始于上世纪60年代。在锦屏大河弯上截弯取直,开凿隧洞穿过锦屏山引水发电的构想美妙得令人神往,但是其中所遭遇的困难、险阻也令构想它的人们呕心沥血,夜不能寐。

已故两院院士,水电“泰斗”潘家铮曾说:锦屏二级引水隧洞一定能成立,但是会遇到很多困难;有害气体不可怕,最可怕的是岩爆和突涌水。

如何解决高地应力强岩爆和高压大流量突涌水是制约工程建设的关键瓶颈。

世界规模最大的岩溶水文示踪试验

上世纪九十年代,为了获得隧洞沿线工程区的地质信息,华东院提出在引水洞线上平行开挖两条5公里长的地质勘探平硐,以进一步探明锦屏水电站的工程地质和水文地质条件,这在我国水电勘测史上是前所未有的。然而,当1号探洞掘进至3948m处时发生巨大喷水,历时1312天的勘探试验洞被迫“暂停掘进”。

此后,为查明地下水补给、径流和富集条件,华东院技术人员从长探硐的开挖、地下水封堵所揭露的水文地质现场分析入手,绕着150公里的大河弯,开展了世界规模最大、分析方法领先的大型岩溶水文示踪试验。

调查人员多次翻越海拔4488米的锦屏山,踏遍了雅砻江两岸的山山水水,调查面积超过1680平方公里,掌握了大量第一手资料,重新编制完成《锦屏二级水电站岩溶水文地质专题报告》。该报告是我国第一部全面、系统、深入分析锦屏山地区岩溶水文地质的研究成果,为解决锦屏二级水电站建设的重大问题提供了科学依据,为高山峡谷区岩溶区的工程建设提供经验,并丰富了岩溶研究的理论与实践,对整个地区的公路、铁路、隧道等基础设施的建设起到了重大促进作用。

成果经鉴定,达到了国际领先水平。

裁弯取直 洞穿锦屏

2000年后,紧跟国家西部大开发的坚定步伐,华东院人再次踏上这片“魂萦梦绕半世纪、艰苦奋斗三代人”的土地。为了解决工程对外交通问题,为四条世界级的引水隧洞作超前勘探,华东院创新提出了提前建设锦屏辅助洞,即现在的锦屏交通洞的设想。

八年里,为了解决辅助洞涌水问题,华东院技术专家和设计人员搬到潮湿寒冷的隧洞里与施工人员同吃同住数月有余;

为了掌握第一手信息,他们每人一瓶水、几个包子,靠一根绳索进入突涌水点现场观察,泡在冰冷的涌水中,一待就是一整天;

为了保证现场施工的合理和安全,地质人员常常冒着随时都有可能发生岩爆的风险,每天对新开挖的洞室进行现场巡视和地质素描;

他们离家别子、潜心钻研、攻营拔寨、勇克难关,与大山为伴,与大河同行,黑发变成了白发,白发夹带着黑发,与雅砻江流域水电开发有限公司共同书写了锦屏建设史上壮美的华章,刷新了多项全国记录、乃至世界记录。

2008年8月8日,第一条成功横穿锦屏山的隧道――锦屏辅助洞b洞率先贯通。建设者们用汗水、鲜血甚至生命第一次洞穿锦屏山,也将我国长隧道技建设技术推向新的高峰。他们总结形成了《高压大流量稳定地下涌水封堵处理方法》、《超高压突发性地下喷涌水的分流减压处理方法》,并取得国家发明专利,有效指导了应对突涌水的施工作业,为解决突涌水问题提供了重要的技术支撑,为四条世界难度最高的引水隧洞建设奠定了坚实的基础。

穿山引水 梦圆锦屏

辅助洞的成功贯通大大鼓舞了所有参建人员的士气。随着辅助洞的顺利贯通,锦屏二级工程前进的脚步越来越快。

随后不到三年时间,锦屏4条引水隧洞和1条施工排水洞相继贯通,成功实现“一年五通”!世界最大规模水工隧洞群在这里诞生!

“这是一个人间奇迹!”时任雅砻江流域开发有限公司董事长王会生这样评价。

项目实施过程中,华东院地质、施工、引水、厂房等15个专业近400人长年在一线从事锦屏工程设计、勘测、科研等各方面的工作。即使这样,设计人员几乎每天都在加班加点来和时间赛跑。

锦屏二级水电站设计项目经理张春生,现任华东院院长,既是前方“指挥”,又是后方“保障”。每次遇到问题,他总是第一时间赶到现场。一到工地就直接往隧洞里钻。尤其在处理涌水问题那段时间,他经常穿着雨衣、水裤和雨靴,拄着竹竿,拿着探照灯,与其他设计人员手牵手在齐腰深的污水中摸索着前行,边查勘、边商量施工措施。

“既然我们承担了工程设计工作,就要对每一环节负责到底。”张春生说。十多年来,张春生牵头建立了能够准确描述超高应力开挖卸荷下大理岩力学模型与分析方法,发明了超高压地下突水分流减压治理技术,建立了以抑制围岩时效破裂扩展为核心的隧洞成洞设计方法,构建了超深埋、超高外水压力条件下水工隧洞防渗承载复合结构体系,研发了水力瞬变流计算数值仿真系统和多井集成、双拱隔墙、多孔阻抗、分流减跨的差动式调压室型式等,为国家超深埋特大隧洞技术进步发挥了重要作用。

2014年11月,拥有世界综合规模最大、综合建造难度最高水工隧洞群的锦屏二级水电站全面建成投产,华东院人“穿山引水”,追逐了半个多世纪的锦屏梦终于梦想成真。

历经数十载的攻坚克难,依托锦屏二级水电站建设,雅砻江公司、华东院联合多家科研单位,紧密围绕国家能源科技“十二五”规划中对于深埋、高地应力、高外水压力长隧洞关键技术需求,以国家自然科学基金、雅砻江联合研究基金为支撑,以“产学研用”模式开展联合科技攻关,成功攻克了超埋深超高地应力、超高压大流量岩溶地下水、超深埋隧洞成洞、复杂水力瞬变流等世界性技术难题。创建了超深埋特大隧洞强烈岩爆风险预测与防控集成技术体系,提出了超高压大流量岩溶突涌水灾害预测预警与防治成套技术,建立了超深埋特大隧洞成洞设计方法,创新了长大引水发电系统机电一体化水力设计方法和调控方法等。

利用本项目成果建成了中国首个世界最深的地下实验室―中国锦屏地下实验室,对于推动重大基础前沿课题研究意义重大。研究成果获省部级科技进步特等奖2项、一等奖4项、二等奖2项;授权发明专利37项,软件著作权6项;出版专著7部,sci、ei收录论文118篇,纳入6部国家(行业)规范、2部行业手册,极大推进了本领域的科技进步,并作为技术攻关成功范例写入《电力发展“十三五”规划》。

“山还是那座山,江还是那条江,但锦屏电站却象一颗光彩夺目的明珠,在岁月的浸润下愈加熠熠生辉”。

锦屏二级电站

4条世界埋深最大、规模最大的引水隧洞群

锦屏二级水电站调压井群三维图