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12专刊2016年11月03日

科技攻关 铸就两河口“魅力”土石坝


两河口水电站大坝心墙开始填筑。 宋志评 摄

    300米级超高土石坝工程,世界级技术难题亟待突破

    在四川甘孜藏区,雅砻江干流和鲜水河汇合口下游2公里处,一座世界级的高土石坝——两河口水电站大坝正在悄然崛起。
    300米级超高土石坝、600米级超高边坡群、高流速泄洪建筑物……两河口水电站建设项目面临世界级的技术难题。就国内外类似工程建设来看,两河口300米级的砾石土心墙堆石坝目前没有成熟可借鉴的经验,而在深山峡谷地区,两河口水电站大坝大方量、高强度的填筑对施工场地、交通道路、机械设备配置和施工组织管理都提出了很高的要求,这种难度在国内外也是罕见的。
    技术难题需要攻克,科技引领显得尤为重要。让我们走进两河口,走进这座世界级高难度的土石坝,近距离感受土石坝建设的“魅”与“力”。
□欣忆
信息化之魅
引领智慧大坝
    10月31日,两河口数字大坝系统前方指挥中心,数名工作人员盯着电脑屏幕上的监测数据,通过对讲机传递着一道道指令:“5号位置碾压度可以了,去6号位置碾压”“8号掺拌正铲还有一次掺拌次数没完成,请继续”……大屏幕上,两河口大坝的实时施工进展面貌一览无余,依托现代信息化技术,大坝工程的实施显得尤为“智能化”。
    这是两河口水电站建设项目的一角,这一角却是两河口大坝建设的“科技一角”和“核心一角”。这里位于两河口大坝右岸的坝顶平台,指挥中心里占据一面墙壁大小的屏幕上,集合了包括灌浆监控与分析系统、心墙料掺和工艺监控系统、坝体堆石自动加水监控系统、大坝填筑运输与碾压等11个子系统的信息体系,全过程实时监控着大坝主体工程施工。
    雅砻江公司两河口建设管理局工程技术一部员工王爱国说,这是雅砻江公司与天津大学合作研发的系统在两河口工程的最新应用。利用这套系统,可实现对大坝建设的建基面灌浆环节、砾石土料掺拌环节、上坝料运输环节、上坝料坝外加水环节与坝体填筑碾压等各个环节进行在线实时监测与反馈控制。像掺拌系统中连续对物料掺拌3次(俗称“抖三抖”)监控的工艺、摊铺碾压系统将物料由事后压实厚度的控制变为事前摊铺厚度的控制等工艺,都是业内首次运用。
    早在2012年,雅砻江公司就与天津大学展开合作,研究开发出了一种具有实时性、连续性、自动化、高精度等特点的心墙堆石坝施工质量监控系统。依靠这一信息系统,两河口水电站大坝建设工程在坝料开采、运输、掺和、水量调节、摊铺和碾压全过程各环节均实现了实时监控,使得能够对两河口水电站大坝施工进行远程、实时、动态监控。
    谈起这套质量监控系统,王爱国赞叹不已,他说这套系统依托地理信息系统、现代遥感及网络通讯技术、物联网、云计算与大数据等信息技术手段,建立了动态精细化的可感知、可分析、可控制的智能化大坝建设与管理体系。也正是依托于这样一些现代信息化技术,“科技大坝”或者可以称之为“智慧大坝”的两河口大坝将屹立在康巴大峡谷中。
技术之力
让土石坝不“土”
    就土石坝建设而言,国内现行规范仅适用于200米以内的大坝,目前国内已建成的250米及以上级别的土石坝只有一座(澜沧江上的糯扎渡水电站大坝)。从国内外水电行业来看,300米级别的,甚至250米以上的大坝都屈指可数。作为当地材料坝,每一座土石坝都有着独一无二的地形地质、水文气象、筑坝料源等外部环境制约条件,其工程难点也各不相同。“工程规模一旦变大之后,其建设难度就会由量变引起质变,呈几何级数方式增长。”雅砻江公司两河口建设管理局总工程师张贵科说。
    在初期的电站预可研报告和可研报告中,对两河口水电站大坝建设的坝型选择进行了详细论证,综合考虑其运输条件、地形地质条件、当地建筑材料特性、当前水电筑坝技术水平及工程投资等边界条件,最终选定砾石土心墙堆石坝。由于填筑物料为石料、黏土等材料,一般人眼里的土石坝“土气”十足,与混凝土大坝相比,土石坝体型巨大,显得粗犷豪放,给人以“科技含量不够”的印象,但张贵科可不这么认为。
    “土石坝不‘土’,土石坝也‘娇’。”为什么土石坝不“土”呢?张贵科说,土石坝作为当地材料坝,相对于混凝土坝型来说,其筑坝材料地方特色显著,如两河口工程土料场分散,土料成因和物理力学性能差异大,因此土料、石料的计算参数尚有很大不确定性,现有的各种定量计算分析手段还不能准确反映土石坝应力、变形和渗透等复杂特性,很多关键技术问题还需要结合当地材料性质通过大型的现场试验来解决。大坝筑坝材料研究作为工程关键技术问题,在预可研、可研、招标和施工图阶段联合国内主要知名科研院所、高校进行了大量的专项科研试验、现场专项试验及生产性试验,取得了具有前沿性的科技成果,这些都使得土石坝工程科技含量十足。
    说土石坝也“娇”,是因为土石坝材料有着严格的级配、分区、物理力学性能和防渗性能等技术质量指标要求。为保证高土石坝心墙与坝壳石料的变形协调,心墙土料须掺加砾石改善其物理力学性能,即使是天然含砾土料也往往因为其砾石含量在空间上分布不均匀而需进行掺和均匀后方能上坝填筑。另外,土料性能对低温霜冻和含水量变化敏感,这给大坝冬季和雨季的施工进度和质量控制带来极大挑战。“作为大坝生命线的防渗心墙土料,若在冬雨季施工时应采取相应的防雨、防冻、调整含水率等措施,要‘跟照顾小孩似的’去进行大坝心墙料的填筑施工。”从这个角度上讲,土石坝显得“娇气”。
科研之力
保障工程稳步建设
雅砻江公司两河口建设管理局工程技术一部施召云的一句话让人印象深刻,“两河口水电站作为国内目前在建最高土石坝工程之一,存在诸多超过现行规范的重大关键技术问题。”为了保证工程目标顺利实现,解决掉这些重大关键技术问题,两河口水电站建设工程在科研试验上下的工夫可以说是“顶级配置”。据雅砻江公司两河口建设管理局工程技术一部谭海涛介绍,两河口水电站核准概算中仅专项科研试验费用就超过2亿元,目前已投入的专项科研试验费用已超过6000万元。
    工程未开始,科研已先行。中国电建集团成都勘测设计研究院两河口项目常务副设计总工程师金伟介绍,为保障工程建设的稳步推行,雅砻江公司与主体设计方和各科研院所开展了一系列技术问题专题研究。其中包括了高土石坝筑坝材料深化研究、大坝结构分区和抗震研究、大型现场碾压试验研究、混凝土材料研究、300m级高土石过鱼设施研究、超高土石坝安全监测关键技术研究、泄洪消能与雾化区水力学模型试验研究等。这些关键技术问题的研究,为工程设计、施工奠定了扎实的基础,在水电站建设开始后,保障工程稳步推进。
    在两河口工程建设中,科研带来的技术创新让人耳目一新。利用互联网技术,“数字雅砻江”的系统得以构建。利用现代信息技术,在招标施工图阶段率先开展了枢纽工程三维设计及其应用研究工作,实现了建设实体工程前先行建设了一个全寿命周期、全方位信息的虚拟工程模型。这为设计多专业协同、减小“错漏碰缺”提供了平台;通过三维虚拟漫游帮助参建各方直观理解设计意图;同时,虚拟工程模型集成了工程规划设计、施工建设、运行管理等项目全寿命周期的信息,便于今后的检查、维护和信息查找利用。这些研究探索工作为后续类似工程建设水电工程建设管理开拓了思路,提供了借鉴。
    科学技术是第一生产力,数字两河口工程技术实现了“智慧大坝”的施工管理,两河口水电站世界级高度土石坝科技含金量十足,充足的科研资本投入和多年来扎实的科研试验成果为工程建设保驾护航,因而,两河口水电站工程有了无与伦比的“魅”与“力”,在甘孜藏区腹地的雅砻江畔闪耀着现代水电建设的科技之光。

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