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三峡工程:打造国际水利水电科技新高度

发表于 04/09/2019 三峡工程| 转发给朋友 | 浏览次数:36

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「中国创造70年」三峡工程:打造国际水利水电科技新高度

2010年7月21日,三峡大坝已开启9个泄洪深孔和两个排漂孔泄洪。

中国三峡集团科研流动站博士后、中科院自然科学史研究所副研究员 张志会

责编:陈栋栋

编审:张伟

(本文刊发于《中国经济周刊》2019年第14期)

三峡工程是唯一经全国人民代表大会审议、 批准兴建的国家重大工程项目。三峡工程从工程提出设计、反复科学论证到正式开工建设,凝结着党和政府对三峡工程的关怀和支持。三峡工程于1994年12月14日开工建设,2006年10月进入初期运行,是迄今为止世界上最大的水利枢纽工程。

三峡工程从一开始的永久船闸高边坡开挖,到机组制造、安装调试和运行管理都遭遇了各种预想到的和没有预想到的极大挑战,最终科技人员们攻克了一道道技术难关,取得了100多项“世界之最”。自1993年开工以来,三峡工程每年都有新技术、新工艺、新专利等创新成果诞生。据不完全统计,在三峡工程科技成果中,获国家科技进步奖18项,获省部级科技进步奖200多项,申请专利700多项,并建立了100多项高于国颁和部颁标准的工程质量和技术标准。

事实上,从20世纪50年代开始,一代代科技专家就开始围绕三峡工程科研攻关,专家们提出的三峡升船机关键设备等重大课题均已纳入国家 “七五”“八五”,乃至“九五”科研攻关。4万余名三峡工程的建设者、数千名工程师、全国各地科研院所的专家们长期坚忍不拔的努力,推动了三峡工程科研的深入。

三峡工程科技成果的运用,深刻反映了我国当前水利水电科学技术的水平,特别是本土科技人员在工程建设、机电设备研制、生态保护等领域的自主创新。2011年,三峡大坝获评混凝土坝国际里程碑工程。2016年,三峡工程获FIDIC百年重大土木工程项目奖。

2018年4月,习近平总书记考察三峡工程时指出,三峡工程是国之重器,是靠劳动者的辛勤劳动自力更生创造出来的,看了以后非常振奋。三峡工程的成功建成和运转,使多少代中国人开发和利用三峡资源的梦想变为现实,成为改革开放以来我国发展的重要标志。这是我国社会主义制度能够集中力量办大事优越性的典范,是中国人民富于智慧和创造性的典范,是中华民族日益走向繁荣强盛的典范。

本文仅挂一漏万地简要回顾三峡工程的几项典型科技创新:

大江截流石破天惊

尽管葛洲坝工程第一次实现了大江截流,但三峡截流的难度显然要大很多。1997年11月8日,三峡工程实现大江截流;2002年11月6日,三峡工程导流明渠截流成功。三峡工程两次截断长江,表明我国的截流技术世界领先。按照水利专家郑守仁提出的技术方案,三峡工程建设过程中先后两次成功进行截流,世所罕见。“三峡工程大江截流设计及施工技术研究与工程实践”获得了国家科技进步一等奖。

与世界上单项水力学指标最高的截流工程相比,三峡工程两次截流的流量、落差、流速三项关键水力学指标都比较高,其综合困难程度在世界截流史上罕见。两次截流成功,标志着我国河道截流技术已跻身世界领先地位。三峡工程大江截流设计获国家优秀设计金奖,其技术成果荣获2000年国家科技进步一等奖。

大坝混凝土浇筑屡创奇迹

三峡工程混凝土工程量巨大,总量达2800万立方米,其中大坝混凝土浇筑量达1600万立方米,高峰施工强度需要一年浇筑混凝土逾500万立方米。三峡大坝工程质量优良。专家认为,这一方面在于精细的管理,另一方面是在混凝土浇筑中运用了大量的最新工艺和技术,使大坝混凝土浇筑技术达到国际一流水平。

新型的混凝土原材料与配合比。三峡工程在国内率先将工程本身开挖出的花岗岩破碎后用作混凝土人工骨料,首次利用性能优良的一级粉煤灰作为混凝土掺和料,投入数百万元研究混凝土配合比,包括进一步改进高性能的外加剂,使混凝土综合性能达到最优水平。

革命性的混凝土浇筑方案。混凝土浇筑方案和配套工艺是大坝混凝土施工的关键。以往大坝混凝土施工采用的往往是间断式的汽车运输加起重机吊罐入仓的传统浇筑工艺,三峡总公司引进了国外最先进的大坝浇筑专用设备塔带机。但是,塔带机是上世纪80年代才开发出来的新设备,国外并无多少成熟经验。实际使用中,三峡工程不断创新,摸索总结出了一整套保证质量的施工工艺。借助这一套工艺,三峡工程不仅连续3年刷新世界混凝土年浇筑量纪录,大坝混凝土质量也总体良好。

创新性的混凝土温控防裂技术。大体积混凝土温控防裂是大坝施工的“老大难”问题。三峡施工中首创了混凝土骨料二次风冷技术。盛夏时将拌和楼生产出的混凝土全部预冷到7℃,并对高标号混凝土进行“个性化”通水冷却;创造性地制定出“天气、温度控制、间歇期”三项预警制度,保证了混凝土温控各个环节的质量。2002年三峡大坝裂缝被媒体曝出,专家诊断为表面向浅层发展的温度裂痕,而非结构型裂痕,施工方和管理方对这一问题做了及时处理。在第三阶段的工程施工中,右岸大坝没有出现一条裂缝,创造了世界水电工程界的奇迹。

「中国创造70年」三峡工程:打造国际水利水电科技新高度

2005年9月1日凌晨6时,三峡左岸电站最后一台机组——9号机组启动有水调试。

开拓水电装备全产业链的国产化之路

机组是水电站的心脏。在三峡工程开工以前,围绕三峡机电设备国产化,国家制定了一系列支持鼓励政策与措施。从1980年开始,三峡工程的重大装备科研攻关项目被列入从“六五”到“十五”连续5个国家五年计划。围绕工程专用施工设备、通航设备、电站水轮发电机组设备以及三峡工程输变电成套设备等,哈尔滨电机厂、东方电机厂、哈尔滨大电机研究所、中国水利水电科学研究院、长江水利委员会等单位和院校配合设计部门和论证小组提出了三峡工程的水轮机和发电机的参数方案。这些前期研究成果,不仅为三峡工程可行性论证和初步设计提供了重要依据,还为三峡工程机电设备技术引进和消化吸收奠定了坚实的基础。

党中央、国务院果断决策:三峡左岸电站机组实行国际采购,走技贸结合、技术转让、联合设计、合作生产之路,明确提出依托三峡工程,自主创新与技术引进相结合,逐步实现三峡工程装备国产化。

1996年6月,中国三峡总公司对外宣布,左岸电站一次采购14台70万千瓦水轮发电机组,实行国际招标。招标文件规定:投标者对供货设备的经济和技术负全部责任,必须与中国有资格的制造企业联合设计、合作制造,中国制造企业分包份额不低于合同总价的25%;培训中方人员;招标的左岸14台机组的最后2台由我方制造、外商监造。

这块“大蛋糕”吸引了全球热切的眼光,10家跨国公司组成6个投标体竞争投标,角逐激烈。1997年秋,采购合同签字,阿尔斯通和ABB组成的供货集团中标8台,哈电合作制造;加拿大GE和德国伏依特、西门子(VGS)联合体中标6台,东电合作制造。两家国内企业分包额大于合同总价的30%。

在三峡左岸电站建设中,我国水电设备企业更多还是给外国企业“打工”。为打破这种局面,以哈尔滨电机厂、东方电机厂为代表的国内水电装备制造企业在结合国内前期科研成果、消化引进国外水轮机研制技术,以及深度参与左岸电站建设的基础上,加大了核心技术的自主研发力度。

2005年9月16日,由中国企业自主制造的三峡左岸电站最后一台机组顺利并网发电,标志着我国具备了70万千瓦水电机组自主设计、制造和安装能力,我国水电装备制造业用7年时间实现近30年的跨越式发展。东方电机厂在右岸地下电站采用了完全重新设计的机型。

相比之前一些大型水电项目的技术转让只停留在国外厂商设计、提供设计图纸给受让方,受让方仅可进行相同机型的制造,三峡左岸项目的技术转让更加全面深入,受让方能利用转让的技术独立进行新机组的设计制造。

地下电站在主变压器、GIS(地理信息系统)以及无取向硅钢和高磁感取向硅钢研发等材料也都做到自主研制,标志着我国水电设备的全产业链实现了国产化,标志着国内厂家作为“学生”已具备同国外“老师”的水轮机制造厂商同场竞技的能力。

通过长江上游千万千瓦级梯级电站建设,中国水电装备在新技术、新材料、新工艺、新装备等方面升级换代,用20年时间走过了发达国家100年的发展历程,实现了三峡工程70万千瓦机组技术追赶、向家坝80万千瓦机组整体超越、白鹤滩100万千瓦机组全面引领的三大跨越。由此,中国水电装备在全球水电行业打响了自主品牌。这一“技术转让—消化吸收—自主创新”的“三峡模式”为推动我国重大技术装备自主创新起到了很好的示范作用。

“超级电梯”横空出世

三峡水库蓄水后,大坝上游江段通航条件明显改善。不过,坝上与坝下水位落差最大可达上百米,船舶必须借助通航设施才能过坝。“两线五级船闸”全长6400米,船闸主体部分1600米,引航道4800米,曾是世界上规模最大的内河船闸。

随着长江经济带开发和“一带一路”倡议的提出,长江作为黄金水道的作用日益突显。五级船闸类似于爬上或爬下五级楼梯,可对于那些需要快速通过或执行紧急任务的船舶,就需要辅助性的快速通道即升船机。

1958年4月,在周恩来指示下,国家科委、中国科学院成立三峡科研领导小组,组织起全国性的三峡工程科研大协作。国内先后有100多家单位、数千名人员投入到三峡升船机课题的攻关中。

为了验证三峡升船机的原理,国内先后在湖北清江隔河岩和福建水口建设了两座升船机,作为三峡升船机的试验机。1968年,他们运用自身技术,建造了丹江口升船机,之后因历史原因,升船机技术陷入停滞。1979年,三峡工程建设再次被提上了议事日程。1983年,升船机联合考察组赴德国、比利时和法国实地考察,钢丝绳卷扬式作为当时国际上比较流行的升船机型式,获得了专家们的青睐。1985年,全平衡钢丝绳卷扬一级垂直升船机作为推荐方案得到国家批准。这一方案虽然造价较低,但出于国家经济水平的限制,以及对升船机是否成功的担心,1995年即三峡大坝正式动工后的第二年,国家决定三峡升船机缓建,但相关研究却未停歇。试验研究和国外运行实践表明,钢丝绳卷扬式升船机存在发生船厢颠覆的可能性。鉴于三峡工程的重要性和巨大的社会影响,这一方案被搁置。

直到2003年,时任中国长江三峡总公司总经理的陆佑楣考察了德国尼德芬诺升船机,发现这一采用齿轮爬升方式的升船机已安全运行了70年,且这种升船机型式可在船厢水漏空、地震等极端条件下自锁,防止船厢倾覆。2003年9月,国务院三峡工程建设委员会通过了可靠性能更高的“全平衡,齿轮齿条爬升、长螺母柱短螺杆安全系统一级垂直升船机”技术方案,三峡升船机建设随之恢复。2007年,续建工程正式启动。

齿轮齿条爬升式升船机的综合技术难度之高,规模之大,在全世界范围内都尚无先例,着实挑战了国内设计院和装备制造业的水平。后来长江设计院负责升船机总体设计,船厢室段塔柱及升船机主体设备的初步设计由德国一家公司和长江设计院共同承担。

过去,国内升船机的封闭门全部采用长方形卧倒门,但德方的设计采用了弧形门,这种设计要求安装过程中二次加工,精度控制在1毫米以内。可是国内并没有制造升船机弧形门的专用设计,武汉武船重型装备工程有限责任公司黄星和团队自主研制了一套加工方案,不仅比直接购买德国设备节约了90%的成本,精度误差最终也控制在了0.3毫米以内。

在8年多的制造施工过程中,二重集团等国内重型设备制造企业、中船重工等船舶装备生产企业、葛洲坝集团等水电施工单位参与其中,推动了我国重型机械制造业在冶炼、铸造、热处理、机加工、检测等技术领域的发展与创新,形成了一系列工艺、工法和技术标准,成功解决了从船厢结构到小齿轮托架,从超大模数硬齿面的齿轮轴,到超大规格的螺母柱安装等一系列世界级技术难题,标志着我国大型升船机的制造和建设水平达到国际领先水平。

2016年9月18日下午,三峡升船机正式进入试通航阶段,千吨级船舶可以“坐电梯”翻越大坝,三峡工程建设者憧憬多年的“大船爬楼梯、小船坐电梯”壮观景象成为现实。陆佑楣院士介绍,随着长江经济带的开发和“一带一路”倡议的提出,长江作为黄金水道的作用日益突显。三峡升船机不仅可以给船只节约2小时左右的通航时间,正式通航后,预计每年将替五级船闸分流几百吨的运量。

筑起守护长江的“生态屏障”

在现代社会,工程活动特别是重大工程必然带来大自然的重构、社会的重组、观念的重塑。三峡工程从开始筹建起便始终与移民、环境等诸多繁杂的争议相伴。党的十九大报告指出,“以共抓大保护、不搞大开发为导向推动长江经济带发展”。事实上,三峡工程的生态效益显著,相关投入巨大。

提到三峡工程,人们往往首先想到的是发电,但其实防洪才是三峡工程的首要功能。中国长江三峡集团公司副总经理林初学曾强调,“防洪是最大的生态保护。”三峡工程的建成,标志着以三峡工程为骨干的长江中下游防洪体系基本形成。根据2013年中国工程院关于三峡工程试验性蓄水阶段评估的估算,三峡工程多年平均防洪效益为88亿元,工程防洪减灾效益显著。

三峡工程总装机容量2250万千瓦,自从2007年6月三峡工程右岸22号机组投产发电以来,绿色电力的生态效益日益显著。单2018年发电量就约1000亿千瓦·时,相当于计热电发电效率后燃烧标煤0.319亿吨的发电量,年直接减排二氧化碳0.858亿吨,本身就发挥了巨大的生态效益。

三峡区域是中国重要的自然物种资源宝库,也是世界重要的物种基因库之一。三峡工程蓄水后,势必对库区内的动植物产生一定影响。但早在10多年前,三峡集团就以长江生态修复和保护为己任,专门成立了动植物保护研究机构。

在风景如画的三峡坝区,不仅有着壮阔的三峡工程和宜人的“高峡平湖”,还有一个神秘的“植物王国”。500余种库区陆生植物受淹没影响,290余种珍稀濒危植物处在库区淹没线以下和移民迁建区内,其中野生荷叶铁线蕨更是被称为“植物大熊猫”。曾有人断言,极度濒危物种疏花水柏枝将在三峡蓄水后灭绝。

为了挽救这些濒危物种,早在1992年,黄桂云等科研人员就对三峡库区的珍稀植物进行跟踪观测,掌握了这些植物的分布情况和原生环境。中国长江三峡集团公司于2007年成立了长江珍稀植物研究所(前身为三峡苗圃研究中心),投入上亿元建设育苗荫棚、智能化日光玻璃温室、智能化PC阳光板大棚等一应俱全。科研人员根据每种植物生长特性,进行模拟植物野外生长环境,开展批量繁殖。经过10多年默默耕耘,科研人员通过迁地、传统繁殖和克隆技术保护,在三峡坝区繁育疏花水柏枝幼苗2万余株,成活率90%以上。目前因三峡水库蓄水而受影响的植物已全部得到有效保护,初步建成了三峡特有珍稀植物“种质资源库”。

2014年,著名林学及生态学专家、中国工程院院士沈国舫在考察珍稀植物研究所后感慨道:“你们的努力,最大限度地保护了三峡库区生物的多样性,确保了三峡特有、珍稀植物的永续利用。”如今该机构的植物保护已从三峡区域扩展到整个长江流域。

中华鲟是一种大型溯河洄游性鱼类,也是一种曾和恐龙并存的、我国特有的古老珍稀鱼类,现已被列为国家一级保护动物。1981年1月葛洲坝工程大江截流后,阻断了中华鲟溯游到长江上游干流的洄游繁殖通道。1982年,经水利部批准成立了中华鲟研究所,系我国首个因大型水利工程兴建而设立的珍稀鱼类科研机构。一批批科研工作者潜心建立了中华鲟人工繁育技术体系,突破了中华鲟在淡水环境下全人工繁殖技术难关,实现了中华鲟子二代幼鱼规模化培育,中华鲟物种得以在人工环境下持续繁衍。

30多年来,中华鲟研究所连续实施人工增殖放流,累计投放各种规格中华鲟500多万尾,整合PIT、超声声呐和网络通信等前沿技术,实现远程实时追踪幼鱼下行入海,有效延缓了中华鲟自然种群的快速衰退。

为了增强关于中华鲟保护的科普和公益宣传,中华鲟研究所与联合国开发计划署共同发起“三峡·中华鲟全球宣讲大使”活动,并邀请世界自然基金会(WWF)、通用电气公司(GE)等参与。自2016年起,三峡集团连续举办以“我与中华鲟·共绘长江美”为主题的儿童画活动有奖征集活动。中小学生们发挥自己的奇思妙想,在图纸上描绘出了保护中华鲟的心声。2019年4月13日,700尾中华鲟放归长江,350位大小志愿者再次共同见证中华鲟放流全程。

经过多年科研攻关,国家二级保护动物胭脂鱼,以及圆口铜鱼、长鳍吻鮈等长江流域珍稀特有鱼类的人工驯养和繁殖技术也获得重大突破。2011—2017年,三峡水库累计实施10次针对“四大家鱼”等鱼类繁殖的生态调度,对本江段四大家鱼自然繁殖贡献率为40%。

三峡集团副总经理林初学表示: “我们将以习近平总书记提出的‘生态优先、绿色发展’作为下一步管理运行好三峡工程的方向,承担更多社会责任,逐步发挥长江生态保护和修复的骨干主力作用,让母亲河永葆生机和活力。”

建设管理体制的重大创新

三峡工程的顺利建成,还涵盖了一系列管理体制创新,包括符合市场经济原则的建设管理体制,以项目法人负责制为核心的项目管理机制,科学的融资机制,引进消化吸收的国产化之路,以及大水电跨省跨区消纳的科学机制等。

从上世纪90年代开始,通过10多年努力,三峡集团成功开发出在国际工程项目管理领域处于领先水平、具有自主知识产权的“三峡工程管理信息系统”(TGPMS)和“电厂运行管理信息系统”等等。

在此经验基础上,溪洛渡、乌东德等水电建设进一步提出了“感知、分析、控制”的工程智能建造闭环控制理论,创建了大坝全景信息模型DIM,实现了现代信息技术与工程建设技术的深度融合。溪洛渡水电站因其智能管理的示范效应,被外媒赞为“最聪明大坝”。

运用自主研发的流域梯级新一代智能水调自动化系统和巨型机组电站群远方“调控一体化”自动控制系统,长江干流溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝梯级巨型水库群实行联合智慧调度和运行管理,其调节库容295.93亿立方米,防洪库容277.03亿立方米,约分别占长江上游主要水库的52%和76%,长江“黄金水道”更加名副其实。

针对水电工程移民地域广泛、人员众多、情况复杂等特点,中国水电企业基于“互联网+”,开发了世界上首个覆盖水电工程移民工作全生命周期的水电工程移民管理信息系统,并已应用于向家坝、溪洛渡等国内电站和巴基斯坦卡洛特、几内亚苏阿皮蒂等海外电站项目,管理着30余万移民基础数据和数百亿移民资金,惠及库区20万移民群众。

纵观三峡工程,科技创新的光芒随处可见。截至2019年,三峡工程已经建成运行10余年,防洪、发电、航运和水资源综合利用等都达到了设计目标。

可以预见,三峡工程成为我国工程建设重大创新的典范,未来将在服务“一带一路”、水电科技“走出去”领域持续发挥重要作用。


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