2007年10月
水 利 学 报SH UI LI X UE BAO 增刊
收稿日期:2007207225
基金项目:国家自然科学基金雅砻江水电开发联合研究基金(50679098)
作者简介:吴世勇(1965-),男,博士,教授级高级工程师,主要研究方向为水电经济管理。E 2mail :wushiy ong @https://www.doczj.com/doc/f21352527.html,
文章编号:055929350(2007)增刊20015205雅砻江流域水电开发中的关键技术问题及研究进展
吴世勇,申满斌
(二滩水电开发有限责任公司,四川成都 610021)
摘要:雅砻江流域规划21座梯级水电站,总装机规模约3000万kW ,在中国十三大水电基地中名列第三。在2020年前,雅砻江上将建成一系列世界级工程,包括世界最高混凝土双曲拱坝、300m 高土石坝及世界最大规模水工隧洞群等。在雅砻江水电开发的过程中,将面临水力学、岩石力学、工程地质、高坝设计、建筑材料、流域梯级水电站建设运行管理等诸多世界水电科技前沿的技术难题。本文拟对雅砻江流域水电开发中的关键技术问题和主要研究进展进行分析,并对下一步研究对策提出建议。
关键词:雅砻江;水电开发;关键技术问题;研究进展
中图分类号:T V741文献标识码:A
1 雅砻江流域水能资源概况
雅砻江是金沙江最大的支流,发源于青海省巴颜喀拉山南麓,流至呷依寺附近进入四川省境内,干流由北向南流经四川甘孜藏族自治州、凉山彝族自治州,在攀枝花市的倮果汇入金沙江。干流全长约1571km ,流域面积约1316万km 2,天然落差3830m ,河口多年平均流量1910m 3Πs ,年径流量602亿m 3
。雅砻江水量丰沛、落差大,干支流蕴藏了丰富的水力资源,特别是其中下游河段是我国能源发展规划确定的十三大水电基地之一,总装机容量约2600万kW ,占雅砻江干流的8818%。该河段水能资源高度集中,区域地质构造稳定性较好,水库淹没损失小,开发目标单一,大型电站多,装机容量大,规模优势突出,梯级补偿效益显著,技术经济指标优越,是全国不可多得的优质水电能源基地,也是雅砻江近期重
点开发河段。当两河口(调节库容6516亿m 3)、锦屏一级(调节库容4911亿m 3)、二滩(调节库容3317亿
m 3)为代表的三大控制性水库全部形成后,调节库容达14814亿m 3,联合运行可使雅砻江两河口及以下河段梯级电站实现多年调节,并使雅砻江干流水电站群的平枯期电量大于丰水期电量,成为四川省乃至全国梯级电站技术经济指标最优越的河流之一。
2 雅砻江水电开发规划及进展
2003年10月,国家发展和改革委员会以发改办能源[2003]1052号文明确由二滩公司负责实施雅砻江流域水能资源开发。二滩公司根据国家发展和改革委员会的授权,基于对雅砻江流域水能资源开发优越条件的认识,基于对未来经济发展和电力增长以及电力市场消纳、电网规划的预测和对未来市场竞争态势的综合判断,形成了实施雅砻江流域水能资源开发的4阶段战略:第一阶段,在2000年以前,开发建设二滩水电站,实现投运装机规模330万kW ;第二阶段,2015年以前,建设锦屏一级、锦屏二级、官地、桐子林水电站,全面完成雅砻江下游水电开发;第三阶段,2020年以前,建设包括两河口水电站在内
的3～4个雅砻江中游主要梯级电站;第四阶段,2025年以前,全流域项目开发填平补齐,雅砻江流域开发全面完成。
目前,二滩公司正紧紧抓住实施“西部大开发”和“西电东送”这一千载难逢的历史机遇,大力推进雅砻江流域水电开发事业,处在第二阶段战略全面实施,第三阶段战略目标积极准备的时期。雅砻江下游锦屏一级、锦屏二级水电站已经获得国家核准正式开工,工程建设全面进入主体工程施工阶段。官地、桐子林水电站的前期工程进展顺利,预计将分别在今明两年获得国家核准,开工建设。雅砻江中游控制性龙头梯级两河口水电站的可行性研究和前期筹建工作同步推进,预计2008年完成可行性研究,2009年获得国家核准开工。中游牙根、卡拉、杨房沟、楞古、孟底沟等梯级水电站的前期勘测设计工作已全面展开,中游对外交通规划已初步成形,近期将启动中游梯级电站对外交通工程建设。
3 雅砻江水电开发中的关键技术问题
雅砻江流域水电开发具有优越的条件,但是,同时有一些单项工程是世界级的水电工程,面临着许多世界级的关键技术问题,例如:锦屏一级水电站是世界第一高拱坝,并且有复杂的高边坡安全问题;锦屏二级水电站有世界最大规模的水工引水隧洞群,有高地应力、岩爆、高压突涌地下水等技术难题;两河口水电站将建300m级高土石坝,有高应力条件下筑坝材料特性和结构安全等技术问题。另外,雅砻江由二滩公司独家进行开发,如何实现多项目规范化管理、统筹流域生态环境保护、梯级电站的优化调度,也都没有成熟的经验可以借鉴。
归纳起来,雅砻江流域水电开发中的关键技术问题主要包括以下4个方面[1,2]。
(1)高坝设计与施工:包括高坝筑坝材料特性和结构安全问题,高坝泄洪消能及高水头输水水力学问题,以及高坝快速施工技术。
雅砻江锦屏一级水电站和两河口水电站将分别建300m级高拱坝和土石坝,高坝的真实工作性态远比低坝复杂,失效破坏带来的损失更为严重,进行高坝设计必须研究高拱坝真实工作性态、高应力条件下筑坝材料的特性、高性能筑坝材料、结构破坏失效机理与安全评估、坝体稳定性监测技术;高坝意味着发电水头和泄洪消能水头都很高,高速水流对于输水隧洞运行安全以及坝下游边坡和水垫塘安全的影响将更大,必须有针对性地开展新型消能技术、抗冲磨混凝土、大坝下游防护技术及空蚀破坏诊断预警技术研究,以保证建筑物结构的安全;另外,雅砻江流域多为深山峡谷,大坝施工所受约束条件多,如何通过施工过程动态仿真,实现高坝快速施工与实时控制,加快工程建设,需要考虑复杂边界约束条件。
(2)深埋引水隧洞安全:包括深部岩体工程特性及洞室群稳定问题,高压大流量岩溶裂隙水处理及高地应力引起的岩爆防治。
雅砻江锦屏二级水电站通过4条开挖外直径约13m,长约17km的引水隧洞截弯取直,利用锦屏大河湾近310m的水头,引水发电,是世界规模最大的水工引水隧洞群。引水隧洞最大埋深约2525m,通过区间有高压大流量岩溶裂隙水发育,在这种条件下,深部岩体的结构特性、变形机理、破坏规律、强度特性,洞室群的稳定性分析,高压大流量岩溶裂隙水超前预报方法与处理技术,岩爆发生机理与防治措施, T BM施工技术等,都是制约工程安全和进度的关键技术问题。
(3)流域高边坡安全:包括高边坡的稳定性分析,失稳预警与防治处理。
雅砻江流域多数梯级电站都地处深山峡谷,工厂建设面临复杂的高边坡安全问题,要预防高边坡失稳发生滑坡等灾害的不良影响,必须开展高边坡形成和发育动力学过程、高边坡变形机理及稳定性分析方法、高边坡变形监测、大型滑坡预警和边坡治理技术研究。
(4)水能开发利用管理:包括水电企业流域化、集团化、科学化管理理论,流域梯级开发生态环境影响与效益分析及环境友好措施研究,梯级电站联合优化调度技术。
二滩公司全面负责雅砻江梯级电站建设运营和管理,这给二滩公司也带来了企业管理方面的挑战,如何建立适应流域开发需要的企业管理体系,必须探索流域化、集团化、科学化管理的理论和方法;在水电开发过程中统筹实施流域生态环境保护,既要研究单个水库的环境影响和效益,更要从流域全局角度
研究梯级开发的整体影响和整体效益,以及环境友好的工程措施与运行机制;为了工程的综合效益最大化,流域梯级电站应该进行联合调度,就需要研究优化调度的理论与方法,以及流域集中控制的关键技术。
4 针对关键技术问题开展科研项目情况
为研究解决雅砻江流域水电开发面临的关键技术问题,二滩公司与国家自然科学基金委员会联合设立了雅砻江水电开发联合研究基金,围绕各项关键技术问题开展了应用基础研究。通过2005年和2006年两批次立项,共资助19个重点项目和31个面上项目,项目研究内容基本涵盖了雅砻江流域水电开发中的各项关键技术问题,同时二滩公司与有关设计院的相关技术人员也参与到项目研究中,为项目研究工作提供支持与配合,保证了项目顺利进展。
在高坝设计施工关键技术问题方面,雅砻江水电开发联合研究基金资助了“高拱坝真实工作性态仿
“复杂条件下高拱坝的失效破坏机理和安全评估”、
“突出骨料因素和温湿度历真和设计的理论与方法”、
“高应力及复杂加载条件下土石料工程特性
“高土石坝变形分析与安全控制”、
史的高性能大坝混凝土”、
“300m级高坝泄洪消能关键技术研究”、
“高水头、大流量泄洪洞和长距离引水隧洞水力学关试验研究”、
“高拱坝施工全过程动态仿真与实时控制研究”等8项重点项目及12项面上项目。
键技术”、
在深埋引水隧洞安全关键技术问题方面,雅砻江水电开发联合研究基金资助了“深部岩体的工程特性研究”、
“深部岩体工程特性的理论与实验研究”、“BWSRM法和地应力测井机器人研制及在锦屏水电“高压大流量岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和治理”、
“深埋长大引水隧洞和洞工程的应用研究”、
室群的安全与预测研究”等5项重点及8项面上项目。
在流域高边坡安全关键技术问题方面,雅砻江水电开发联合研究基金资助了“雅砻江流域高边坡发
“岩石高边坡
“西南地区复杂高陡边坡变形与稳定分析方法研究”、
育的动力过程及其工程适宜性评价”、
失稳的大型滑坡预警和防治”等3项重点项目及4项面上项目。
在水能开发利用关键技术问题方面,雅砻江水电开发联合研究基金资助了“水电企业流域化、集团
“市场条件下流域梯级水电能源联合优化运行和管理的先进理论与方化、科学化管理理论和方法研究”、
“雅砻江梯级水电开发生态环境效益和影响定量评价与调控机制”等3项重点项目及7项面上项法”、
目。
此外,二滩公司及有关设计院还配套委托了很多横向科研项目,为联合基金项目研究紧密结合工程实际提供了支撑,为研究成果直接应用于工程设计和施工过程创造了条件。
5 近期主要研究进展
雅砻江水电开发联合研究基金第一批项目实施已有一年半时间,第二批项目实施也有了半年时间,在二滩公司的积极推动和有关设计院的支持和参与配合下,针对雅砻江流域开发关键技术问题的科研工作进展顺利,主要体现在以下3个方面[3]。
(1)基本完成所需基础资料的收集工作。
联合基金项目要求与工程实际相结合,并面向雅砻江流域水电开发的工程应用,收集相关基础资料是各项目组开展研究工作必不可少的环节。到目前为止,多数联合基金项目组已经基本完成了基础资料收集工作,二滩公司及相关设计院已经向有关项目组提供了公司发展现状、管理模式、流域开发战略规划等企业信息;雅砻江流域水文、气象、地形、地质、生态环境监测资料;二滩水水电站的地质、材料、结构等设计资料,施工纪录资料,生产运行资料,及大坝及库区各种观测、监测资料;锦屏一级、锦屏二级、两河口等水电站水文地质、材料、结构、相关研究报告等设计资料,施工方案,以及施工过程的各种监测资料。部分项目组需要现场采集试验所需原材料样本,或进行现场试验研究,二滩公司和有关设计院也都提供了积极的支持与配合。
(2)理论与试验方法研究取得初步成果。
雅砻江流域开发关键技术问题都是水电科技领域的前沿性问题,其研究解决离不开理论研究的创新和试验方法的改进,联合基金各项目组在项目实施过程中积极开展理论与试验方法研究,也取得了初步的成果,这主要体现在:建立起了包括高坝泄洪消能、输水隧洞水力学模型等在内的一批试验模型;研制或改进了包括空蚀监测光纤干涉仪、高速水流冲刷仪、陆地声纳、高压注浆封堵仪器设备等在内的一系列先进仪器设备;提出了诸如“基于伙伴关系模式的水电企业流域开发多项目、多目标管理模型”,“基于最小变形能原理的加固效果评价理论”,“高拱坝施工系统分解协调全局优化理论”,“考虑相关联和非相关联流动法则的边坡稳定三维极限分析理论”等的一些创新理论;提出或发展了诸如“粉煤灰化学成分综合因子法综合评定碱骨料反应抑制效果”,“可变库水位条件下的拱坝温度荷载计算方法”,“数字钻孔摄像—分布式光纤—滑动测微计(多点位移计)开挖损伤区综合监测新方法”,“岩体稳定性监测的感智融合方法”等的一系列新的计算、试验和监测方法;完成了包括“渗流、温度与三轴应力耦合试验机”,“锦屏一级大坝—基础数值分析模型”,“地质灾害体三维数字地质建模”,“地震自由场输入模型和地震模拟振动台仿真模型”等诸多数值模型的开发和建模。
(3)部分项目研究成果在工程中初步应用。
联合基金项目从实施一开始就始终面向工程应用,随着雅砻江流域梯级电站建设的推进,本着“边研究,边应用,在应用中加深研究”的原则,一些项目的阶段性研究成果已经在工程中初步应用:粉煤灰化学成分综合因子法评价粉煤灰对碱骨料反应抑制效果的思路为二滩公司挑选经济的备用粉煤灰提供了技术支持;锦屏一级、锦屏二级水电站边坡危岩体调查、险情排查及处理措施建议被二滩公司接受,为高边坡治理和安全防护提供了依据;锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定性分析成果为引水隧洞招标设
“错缝式”结构计阶段支护设计提供了技术支持;陡倾强卸荷裂隙灌浆时变浆液的选择依据及“对缝式”、
面浆液扩散边界的确定方法,应用于锦屏一级水电站左岸边坡强卸荷带的灌浆施工中;二滩公司企业发展战略研究报告为二滩公司进行流域开发管理提供了参考。
6 下阶段研究对策
随着雅砻江流域水电开发的逐步推进,各个梯级电站建设逐步展开,工程建设对解决关键技术问题的需求越来越强。二滩公司针对关键技术问题开展的以雅砻江水电开发联合研究基金项目为主的有关科技项目也将陆续取得阶段性研究成果,并在工程实践中取得应用。根据下一阶段的特点,提出如下研究对策:(1)加强产学研结合,进一步结合工程实际:一方面,要继续收集整理工程相关基础资料,使研究工作紧紧结合工程背景;另一方面,已经取得的理论或试验研究成果,要努力在工程实践中推广应用,既要在应用中检验研究成果,也要在实践中进一步深化研究工作。(2)积极开展虚拟研究,促进项目间合作交流:雅砻江流域水电开发面临的关键技术问题往往都是综合性的,要真正研究解决需要多个项目的协同配合,相关项目间有一定的承接配合关系,基础资料和研究成果应该共享,以促进项目总体研究效率的提升,加快关键技术问题的解决进程。互联网为项目间交流提供了方便的平台,利用互联网信息平台,建立便于信息共享与交流合作的虚拟研究机制,积极开展虚拟研究,将是下阶段雅砻江水电开发关键技术问题研究的重要对策。
参 考 文 献:
[1] 国家自然科学基金委员会,国家自然科学基金雅砻江水电开发联合研究基金2005年项目指南[E B].国家自
然科学基金委员会网站(http:ΠΠw w w.ns fc.g https://www.doczj.com/doc/f21352527.html,),2005.7.
[2] 国家自然科学基金委员会,国家自然科学基金雅砻江水电开发联合研究基金2006年项目指南[E B].国家自
然科学基金委员会网站(http:ΠΠw w w.ns fc.g https://www.doczj.com/doc/f21352527.html,),2006.7.
[3] 国家自然科学基金委员会,国家自然科学基金雅砻江水电开发联合研究基金2006年度项目进展报告[DB].
国家自然科学基金委员会网站(http:ΠΠw w w.ns fc.g https://www.doczj.com/doc/f21352527.html,),2007.1.
The key technical issue and its research advance in
Yalong River hydropow er development
W U Shi2y ong,SHE N Man2bin
(Ertan Hydropower Development Company,Chengdu,China 610021)
Abstract:T wenty2one cascade hydropower stations are planned along the Y along River,with a total installed capacity of30,000MW,which is the third largest in the thirteen hydropower bases in China. Before the year of2020,a number of w orld2class large hydropower projects will be constructed,which include the highest concrete double2curvature arch dam,the largest hydraulic tunnel com plex in the w orld,and a300m high earth2rock dam etc.During the hydropower development of Y along River,a lot of key technical issues which are am ong the frontier of the hydropower technology will be faced in the field of hydraulic,rock mechanics,engineering geology,design of high dams,construction materials, management of river basin cascade development,etc.The key technical issues and their research advance are introduced in this paper,and the suggestions of research strategy in the next stage are given.
K ey w ords:the Y along River,hydropower development,key technical issues,research advance