勇者为山 智者为峰(上)

作者:刘军 秦建彬 文章来源:长江水利网 发布时间:2020年07月16日

这是一个值得所有乌东德水电站参建者纪念的日子——2020年6月29日,在党的生日即将到来之际,世界水电建设史上的又一座丰碑、新时代大国重器的代表、“西电东送”的国家重大工程——金沙江乌东德水电站首批机组投产发电,习近平总书记为工程作出重要指示。进入新时代后,为一个水电站投产运行,国家领导人亲自发表指示、以示祝贺,乌东德水电站首享殊荣。

祝贺你,乌东德水电站!祝贺你们,乌东德建设者!

乌东德水电站创造了许多世界水电工程奇迹,为了修建它,建设者们修建了世界上开挖断面最大的导流隧洞和基坑边坡最深的围堰,筑成了世界上最薄的300米级混凝土双曲拱坝,研发了目前已运行的单机容量最大的85万千瓦水轮发电机组、建成了世界最高的地下厂房、最大开挖直径的尾调室……

然而奇迹背后往往需要付出巨大的艰辛与努力,面对建设过程的诸多困难,作为乌东德水电站的设计者,长江勘测规划设计研究院的勘察设计团队迎难而上,他们是勇者,勇者为山;他们用智慧战胜困难,他们是智者,智者为峰。

一个水电站的工程建设,离不开大量的勘察、水文、科研、规划等基础工作,离不开库区移民、水生态保护及库区安全,每一部分都可以大书特书,此篇仅聚焦水电工程建设。

开挖断面最大的导流洞  基坑边坡最深的围堰

世界上往往有不少这样的事物,它们的临时存在仅是为了他物永久的存在,但人们还是将它们做成了精品,比如乌东德水电站的大型导流隧洞与河床深围堰。

徐瑞春等专家考察乌东德

乌东德水电站导流隧洞的特殊之处不在于其形态,而是其巨大的工程规模——最大开挖断面尺寸19.9m×27.2m(宽×高),衬砌后高度24m,是世界上最高的导流隧洞;最深的围堰更是名副其实,其基坑边坡最大深度达到了155m。许多老水利专家到现场看过无不惊叹:从来没见过这么大的导流隧洞,这么深的围堰!面对巨大的工程规模与复杂特殊的地质条件,设计团队毫无畏惧、一往无前,勇敢地迎接挑战,以智慧和毅力攻克一个又一个的技术难题,将临时工程干成精品工程,深刻诠释了何为勇者为山、智者为峰。

现场讨论技术问题

在大江大河上修建大坝等水工建筑物,需要保证在干地条件下进行施工,施工导流的任务就是在施工期进行水流控制,创造建筑物干地施工条件。葛洲坝与三峡工程都修了导流明渠,大江截流后,让江水从导流明渠走,将主河床裸露出来,在干地上修建大坝。可到了乌东德后,设计人员所面临的问题就不一样了——河谷狭窄、岸坡陡峻,大规模水工建筑物的布置难度非常大。长江三峡勘测研究院的总工程师薛果夫退休后,单位请他重新出山,设计院里还下任命书,聘他为乌东德水电站设计副总工程师。谈起乌东德水电站的水工布置,他就十分感慨:

“坝址在高山深谷里面,那里的岩石是立起来的,与河流垂直,每一层岩石的成份都不一样。主河道仅200多米宽,两岸地质条件十分复杂,水工建筑物真不好布置,大坝、厂房往里一放,导流隧洞往哪里搁?在乌东德做枢纽布置,就像在胡同里打拳,完全施展不开手脚,特别纠结!一般的情况下,山两边的地质条件差一些,越往山里地质条件要好些,但在乌东德正好相反。在这种情况下,设计根据地质条件,超常规地将5条导流隧洞安排到山里面去,盘活了整个枢纽布局”

在做枢纽布局的时候,要把地质条件最好的地段首先留给地下厂房等永久建筑物,那么地质条件稍微差一点的地方,就只能留给导流隧洞这个临时工程了。此外,因为将导流隧洞靠山内布置,其线路长、埋深大,前期难以像永久工程那样进行大范围高精度勘探。在这种情况下,规模巨大的导流隧洞群能否顺利开挖成型成了影响工程进展最大的拦路虎。

导流隧洞虽然是临时工程,用完之后就会被封堵,但谁也不敢轻视它,因为导流隧洞能否如期通水并在大坝施工期安全运行,直接决定工程能否按期截流,大坝能否顺利浇筑并安全挡水。在整个导流隧洞开挖中,无论是设计单位,还是施工单位,无论是业主人员,还是监理人员,凡是到了此地,都认为从来没有碰到过这么大的洞子,这么复杂的地质条件。

漆祖芳2012年7月从武汉大学博士毕业后,进入长江设计院施工设计处导流室工作,当年8月就被安排到乌东德工地,参与施工导流的现场设计。初到工地,他感到非常荣幸与自豪,因为刚毕业就能参加如此重大的一个国家工程,能将所学迅速在实践中应用,不是每一位新员工都能碰到的,他内心激动不已,十分珍惜,但同时也备感压力。

压力说来就来,漆博士到乌东德工地后面临的第一个挑战就是乌东德导流隧洞室群开挖,“金沙江属长江上游干流,汛期流量很大,所需5条导流隧洞的尺寸都很大,其中4条低导流隧洞是世界上开挖断面最大的导流隧洞,在地质条件如些复杂的条件下开挖如此大的导流隧洞,万一开挖过程中碰到地质条件很差的地方,导致洞室变形,怎么办?这是导流隧洞开挖前所有设计人员十分担心的问题。真的是怕什么来什么。右岸导流隧洞开挖至上游洞段时,果然碰到了地质条件很差的地方,顺层、小夹角、陡倾、薄层、碎裂、软岩,所有对洞室稳定不利的不良地质因素,都集中到了右岸导流隧洞上游同一洞段,上述任何一种不良地质因素,碰到如此大断面的地下洞室群,洞室稳定控制难度都很大,何况是上述所有的不良地质因素,都集中到同一洞段,洞室稳定控制难度更是难以想象。到过现场的老同志、行业内各级专家,无不感叹道:乌东德导流隧洞稳定控制难度,不仅在长江设计院设计的工程,应该说在国内和国外已建和在建的所有地下洞室群中,都是最大的,是之前未有、未来也难以再碰见的,是需要所有建设者们群策群力,共同完成的巨大挑战。”漆博士多少年后谈起来,还心有余悸。

然而一个真正的强者,什么时候都是办法要比问题多,强者能面对来自自然的一切挑战。

地质是基础,要想制订合理的开挖支护方案,有效控制洞室稳定,确定地质参数是第一要务。但确定合理的地质参数,哪是一件那么简单的事,特别是地质条件很差的地下洞室,现场地质参数的确定更是难上加难。为此,洞室第1层开挖期间,长江设计院各种地质勘探手段齐上阵,一进尺一编录、钻孔勘探、岩芯取样、室内试验、现场原位试验等全用上了;除此以外,孔内电视、单孔声波、跨孔声波等物探检测手段也全部用上了,只为确定合理的地质参数。地质参数确定后,漆博士等设计科研团队采用先进的数值分析手段,制订了“短进尺、弱爆破、勤支护”的开挖支护原则,以及从上往下分5层开挖支护方案,并对每1层开挖完成后洞室变形量进行了预测。为及时掌握洞室开挖过程中的实际变形量,同时与预测变形量进行对比,设计人员在洞室中布置了数百个监测仪器,实时监控洞室稳定状态。

制订了详尽的开挖支护方案后,施工单位就开始挖洞子了。按预定的开挖支护方案,第2层开挖完成后,洞室监测变形量与预测变形量基本一致。设计人员终于松了一口气,以为剩下3层按预定的开挖支护方案按部就班实施,应该就没有问题了,但乌东德导流隧洞的复杂性远远超出了常规的认知范围和大家的想象。虽然开挖第1层后做了大量超常规的地质勘察和数值分析工作,但当开挖至第3层时,洞室监测变形量和变形速率急剧增大,远超前期预测,洞室稳定风险急剧加大,如不及时采取有效措施控制,将造成大范围洞室垮塌风险,后果不堪设想。

正在建设中的金沙江乌东德水电站

越是在困难的时候,越要凝心聚力迎难而上。设计科研团队兵分三路,开展了专项研究,第一路地质人员对开挖至第3层后洞周围岩地质条件进一步开展勘探和试验;第二路科研人员根据安全监测和物探检测成果开展施工期动态反馈分析;第三路设计人员查找了大量的国内外类似工程案例参考借鉴。终于,功夫不负有心人,在大家加班加点的共同努力下,迅速找到了洞室监测变形过大的主要原因是洞室1~3层开挖过程中,对洞室周围岩体的扰动和对其力学形状的恶化程度远远超过同类工程,超过了现有的技术认知水平。找到原因之后,设计科研团队经充分论证、小心求证,及时对症下药,创新性提出了“浅+表+中+深”等支护手段相结合的综合支护措施,及时控制了洞室变形,保障洞室稳定。

漆博士谈起当初的紧张情形,仍然历历在目。他说:“由于导流隧洞稳定控制难度已经远超现有技术和认知水平,为保证洞室开挖过程中及时制订有效支护措施,参建各方建立了‘日碰头’制度。大家每天都到现场,了解现场情况,包括每天进行了哪些部位的开挖,开挖揭露的地质条件有没有变化,有没有渗水,洞周有没有裂缝,岩体声波值有没有变化,进行了哪些支护,洞室变形增加了多少,锚杆锚索应力增加了多少等等。根据了解到的相关情况,设计人员经过现场综合分析与研判,及时商议决策,制订有针对性的支护手段;并通过现场备忘录确认,现场马上开展支护施工,防止过度变形而造成洞室失稳风险。正是由于有效‘日碰头’制度管理措施,确保了现场支护方案的有效性和及时性,保证了洞室开挖顺利成型。”

导流隧洞开挖施工期,这样的“日碰头”制度整整实施了10个月。有人统计了一下,也就是在那一年,漆博士在乌东德工地整整待了356天,几乎没有缺席过1次“日碰头”,由此工地的同事都叫他为“356博士”。那一段时间,他白天去现场,晚上总结分析当天的技术问题,并对第二天可能碰到的技术问题提前准备,确保方案的科学性和合理性。有人轮休两次探亲假了,他还一次也没有回去。有要好的同志知道他为结婚想要买房子,告诉他武汉的房子要涨价了,让他回去探亲赶紧买房子,但他却说:

“我是对导流隧洞现场最熟悉和最了解的设计人员,并且现在的‘日碰头’制度管理效率高,现场动态支护调整的针对性和及时性强,如果因为我个人的原因,现场动态支护方案没有及时制订,导致导流隧洞内发生局部大规模垮塌,将会对工程造成难以挽回的影响。”

他还专门列举了右岸3号和4号导流隧洞中隔墙问题。他说:“这个中隔墙厚度只有30米,当时正在开挖上游洞段地质条件最差的500米。当进行第3层和第4层开挖时,中隔墙变形逐渐增大。安全监测和物探检测均表明,中隔墙塑性区有逐渐贯通的趋势,继续开挖的过程中若不及时进行控制的话,中隔墙存在较大的垮塌风险。上游500米不良地质洞段中隔墙若全部垮塌,垮塌的方量将达到20万立方米以上,将会造成重大的人员伤亡和财产损失,乌东德工程的工期将至少推迟1年,对整个工程的影响是不敢想象的,那不仅是我个人丢人的问题,我们设计院都将受到巨大影响。跟我个人买个房子,哪个大哪个小一目了然。”

所以,当笔者问道:

“你最感到欣慰的是什么?”

漆博士答道:

“感到欣慰的就是这么差的地质条件,这么大的洞子,在开挖过程中没有出现大塌方,没有人员伤亡,导流隧洞顺利开挖成型,按期通水,为永久工程顺利推进创造了有利条件。”

导流隧洞投入运行后,漆博士的思维并没有离开导流隧洞,特别是右岸导流隧洞上游洞段,因为整个现场动态设计以他为主,他对整个开挖支护设计过程了解得最清楚。回过头来,其中有很多经验和教训太珍贵了,应该把这个过程总结出来,及时地保留下去,为以后类似工程设计提供参考和借鉴。说干就干,他马上就以乌东德右岸导流隧洞工程为依托,开展了名为《陡倾薄层状围岩条件下大型导流隧洞支护措施研究》的博士后课题研究,一方面将导流隧洞开挖过程、技术方案,施工过程中出现的问题及解决方案都一一进行了详细总结;另一方面,他在论文中再一次系统分析评价了乌东德导流隧洞各种支护措施的支护效果,证明了现场采纳的支护措施的经济合理性。这些支护措施既没有过强,造成国家财产的浪费;也没有过弱,造成洞室开挖期和运行期的安全风险。博士后结题论文得到了考核组专家的一致认可,特别是他的导师周良景自豪地说:“乌东德大规模导流隧洞不良地质洞段开挖支护的经验教训,对未来类似工程具有十分重要的参考意义。”

由于介绍笔者采访了漆祖芳,他代表施工导流室以及整个导流隧洞设计科研团队谈及体会时说到:

“规模这么大的导流隧洞室群,这么差的地质条件,无论是对我个人,还是对我们导流室,以及整个导流隧洞设计科研团队,都是前所未有的挑战。通过大家共同的努力,地质、设计和科研等多部门的密切合作,将世界上规模最大、地质条件最复杂、综合难度最大的导流隧洞室群顺利建成,整个团队都感到十分荣幸和自豪!”

“按乌东德工程进度安排,5条导流隧洞投入运行后,需马上进行大江截流和大坝围堰施工。乌东德大坝围堰属施工导流建筑物,也是施工处导流室设计,大坝围堰规模也是世界级的,属深厚覆盖层上建高土石围堰,覆盖层最大厚度达到70多米,围堰最大高度达到72米,防渗墙最大深度接近100米,背水侧覆盖层基坑边坡深度达到155米,属国内外已建和在建工程中最深的围堰,围堰堰坡稳定控制难,度汛风险高,综合设计难度大。特别是围堰设计最大库容达到2.26亿立方米,相当于一座高土石坝和大型水库。围堰运行期若出现溃堰风险,肯定会对下游河道,还有沿江两岸的下游城镇和人民的生命财产会造成很大的威胁,所以在做乌东德大坝围堰设计时,压力也非常大。”作为主设人的饶志文多少年后谈起乌东德的围堰,仍感慨不已。

左岸导流洞出口围堰

乌东德导流隧洞于2014年9月完成过流验收,按计划安排,需在2014年10月份进行大江截流。按国家相关部门要求,工程需在完成国家核准后,才能实施大江截流。由于种种原因,乌东德工程直至2014年10月份还未完成国家核准,预示着工程将无法按期截流,影响整个工程进度,或将推迟工程蓄水和发电投产时间,直接影响发电效益。

这可急坏了业主,一方面,项目核准牵涉的因素众多,短期内核准是基本不可能的;另一方面,如果项目不能核准,按规定无法按计划实施截流,工程投产时间可能推迟1年,这对他们来说也是不可接受的。项目核准对现场工程进度的制约,成了乌东德建设部主任杨宗立十分头疼的问题,既要保证现场进度正常推进,又不能违反国家相关部门的要求,真的是难啊。既然项目核准上不能正常推进,能不能从技术上找办法,保证工程正常推进呢?杨主任想。为此,他找到了项目设计总工翁永红和导流室主任徐唐锦,看看能否商量出一个两全其美的对策。

“既然项目短期内不能核准,常规的截流方案已不适用于乌东德工程,徐主任,你们研究一下,看能不能找到一个既满足天然河道不断流,又满足工程正常推进的创新截流方案,解决一下杨主任头疼的问题。”翁总如是说。

“好的。我们马上商量落实。”徐主任如是说。会后,徐主任迅速召集会议,讨论应对方案。

“为什么核准前不允许截流啊?”徐主任问。

“主要原因是核准前不允许天然河道断流,采用常规方案截流,截流后天然河道就断流了。”有人回答。

“一般长江上不都是11月份截流的吗?为什么乌东德要提前到10月份啊?”徐主任问。

“因为乌东德的河床覆盖层太深了,防渗墙最大深度也接近100米,不提前截流的话,最深的防渗墙根本没有办法按期完工,防渗墙不能按期完工,围堰就不能按期闭气和挡水,围堰就会推迟1年挡水,整个工程进度将推迟1年。”饶志文说。

“按目前的核准进度,11月份核准也基本不可能。”有人说。

“既然不能核准,又不能按常规方案截流,制约工程进度的主要根源在于要保证深防渗墙足够的工期,那能不能不按常规截流方案执行,先不截流,直接提前施工深防渗墙呢?”徐主任说。

“不截流就施工防渗墙,防渗墙施工平台填筑料粒径那么小,河道流速那么大,在动水中能形成防渗墙施工平台吗?”有人说。

“做水工模型试验看看嘛,万一可以呢?”徐主任说。

……

经过整整一个下午,大家畅所语言、集思广益。最终,徐主任总结提出了先期提前进占施工防渗墙平台,创造防渗墙深槽部位提前施工防渗墙的条件,后期利用枯水期较枯流量时段抛填防渗墙施工平台截断河流截流的创新截流设计思路,得到了大家的一致认可。

创新截流设计思路得到了项目总工翁永红和建设部主任杨宗立的高度认可,并安排相应的模型试验和计算分析工作,经过设计团队充分论证后,创新截流设计方法在乌东德现场被成功实施,得到了郑守仁院士的赞许,被认为开创了大流量高落差河道截流的新模式,为我国西部天然坡降较大的河流建设水利水电工程,提前施工围堰防渗墙积累了实践经验,具有较高的推广应用价值。利用枯水期较枯流量时段抛填防渗墙施工平台截断河流截流的创新截流设计既满足了国家相关部门的要求,也满足了乌东德正常蓄水和发电的目标要求,得到了三峡集团公司领导的高度认可。乌东德下游的白鹤滩水电站也借鉴采用了乌东德水电站的创新截流模式。

作为中国水电开发最大的业主和设计过三峡、南水北调等国家重大工程的大型水电设计院,三峡集团公司和长江设计院不仅只着眼于某一项工程,同时关注行业技术的发展。针对筑坝材料及筑坝工艺技术不成熟,成为制约300m级面板堆石坝筑坝技术发展瓶颈的问题,三峡工程设计总工程师郑守仁院士十分重视,

提出了300m级面板堆石坝下部采用注浆碾压混凝土的设计理念,期望从材料、结构及施工方式等角度,解决300m级及以上超高面板堆石坝筑坝难题,实现超高面板堆石坝建设目标,郑院士的设计理念,一直想通过试验进行验证,但苦于没有合适的试验场地和条件,这成为那段时间郑院士的一块心病。在一次技术咨询会上,郑院士告诉了乌东德水电站设计总工程师翁永红这个想法,混凝土专业出身的翁总深知郑院士创新设计理念的验证和推广,对未来超高面板堆石坝筑坝技术的深远意义。

回来后,翁总立即组织乌东德设计科研团队开展讨论,同时邀请了长江科学院总工程展林、以及长江科学院材料所相关专家参与讨论。

“室内试验好做,我们长科院那边有现成的试验条件,没有问题。”长江科学院总工程展林说。

“关键是现场试验,哪里可以做一下呢?”翁总说。

“乌东德河床覆盖层很厚,试验条件还比较符合。”乌东德设代处副总工范五一说。

“是哦,但是在河床上哪个地方可以做呢,试验经费少,不可能组织专门的试验团队来做。”翁总说。

“乌东德的大坝围堰正在填筑,具备比较好的试验条件,围堰分两个枯水期填筑,今年不需要挡水,也有时间做。”有人说。

“是的是的,做完了之后过流度汛,还可以借助洪水来检验一下试验的效果呢。”李锋说。

……

经过整整一个上午,大家热烈、充分的讨论。最终,翁总提出:由长江科学院材料所先开展室内试验,研究论证注浆混凝土浆液配比问题;后在乌东德大坝上游围堰开展注浆碾压混凝土现场试验,施工处导流室负责牵头,混凝土室、三峡院、物探公司等相关单位配合。

翁总同时联系了乌东德建设部主任杨宗立和时任葛洲坝施工局局长李国建,得到了他们的大力支持。杨主任表示:“你们在围堰上找一块部位,开展现场试验吧,需要我们建设部配合的,可直接联系大坝部黄灿新主任,我跟黄主任交代一下,现场试验需要配合、以及资源、经费上的事情,我们建设部大力支持。”李国建局长则在葛洲坝施工局内部生产会上,专门作出安排:“请胡军副局长牵头,现场专门安排人员和设备,支持长江设计院在上游围堰开展碾压混凝土现场试验。”

在建设、科研和施工单位的大力支持和配合,由长江设计院牵头的碾压混凝土现场试验2015年4月在上游围堰顺利完成,根据上游围堰试验成果,经进一步研究论证,2016年4月再次在下游围堰开展了改性堆石体注浆试验。试验成果得到了郑院士和业内专家的一致认可,认为长江设计院在工程建设的同时,致力于行业技术的推动,无愧于水电行业设计院的领头羊地位。

如今,乌东德导流隧洞已经封堵,围堰已深埋水下,开挖断面最大的导流隧洞、基坑边坡最深的围堰尽管已经隐去,可长江设计人对技术开拓创新、永无止境的探索精神正如金沙江两岸的群山一般连绵不绝,如高峰一般屹立于世。

责任编辑:蔡倩
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