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三峽工程:打造國際水利水電科技新高度

三峽工程是唯一經全國人民代表大會審議、 批準興建的國家重大工程項目。三峽工程從工程提出設計、反復科學論證到正式開工建設,凝結著黨和政府對三峽工程的關懷和支持。三峽工程于1994年12月14日開工建設,2006年10月進入初期運行,是迄今為止世界上最大的水利樞紐工程。

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      自1993年開工以來,三峽工程每年都有新技術、新工藝、新專利等創新成果誕生。據不完全統計,在三峽工程科技成果中,獲國家科技進步獎18項,獲省部級科技進步獎200多項,申請專利700多項,并建立了100多項高于國頒和部頒標準的工程質量和技術標準。

中國三峽集團科研流動站博士后、中科院自然科學史研究所副研究員張志會,受邀撰寫 “三峽工程:打造國際水利水電科技新高度” 一文,在 《中國經濟周刊》 獨家發布。

p30 2010年7月21日,三峽大壩已開啟9個泄洪深孔和兩個排漂孔泄洪。

2010年7月21日,三峽大壩已開啟9個泄洪深孔和兩個排漂孔泄洪。

中國三峽集團科研流動站博士后、中科院自然科學史研究所副研究員  張志會

責編:陳棟棟

編審:張偉

(本文刊發于《中國經濟周刊》2019年第14期)

      三峽工程是唯一經全國人民代表大會審議、 批準興建的國家重大工程項目。三峽工程從工程提出設計、反復科學論證到正式開工建設,凝結著黨和政府對三峽工程的關懷和支持。三峽工程于1994年12月14日開工建設,2006年10月進入初期運行,是迄今為止世界上最大的水利樞紐工程。

三峽工程從一開始的永久船閘高邊坡開挖,到機組制造、安裝調試和運行管理都遭遇了各種預想到的和沒有預想到的極大挑戰,最終科技人員們攻克了一道道技術難關,取得了100多項“世界之最”。自1993年開工以來,三峽工程每年都有新技術、新工藝、新專利等創新成果誕生。據不完全統計,在三峽工程科技成果中,獲國家科技進步獎18項,獲省部級科技進步獎200多項,申請專利700多項,并建立了100多項高于國頒和部頒標準的工程質量和技術標準。

事實上,從20世紀50年代開始,一代代科技專家就開始圍繞三峽工程科研攻關,專家們提出的三峽升船機關鍵設備等重大課題均已納入國家 “七五”“八五”,乃至“九五”科研攻關。4萬余名三峽工程的建設者、數千名工程師、全國各地科研院所的專家們長期堅忍不拔的努力,推動了三峽工程科研的深入。

三峽工程科技成果的運用,深刻反映了我國當前水利水電科學技術的水平,特別是本土科技人員在工程建設、機電設備研制、生態保護等領域的自主創新。2011年,三峽大壩獲評混凝土壩國際里程碑工程。2016年,三峽工程獲FIDIC百年重大土木工程項目獎。

2018年4月,習近平總書記考察三峽工程時指出,三峽工程是國之重器,是靠勞動者的辛勤勞動自力更生創造出來的,看了以后非常振奮。三峽工程的成功建成和運轉,使多少代中國人開發和利用三峽資源的夢想變為現實,成為改革開放以來我國發展的重要標志。這是我國社會主義制度能夠集中力量辦大事優越性的典范,是中國人民富于智慧和創造性的典范,是中華民族日益走向繁榮強盛的典范。

本文僅掛一漏萬地簡要回顧三峽工程的幾項典型科技創新:

大江截流石破天驚

盡管葛洲壩工程第一次實現了大江截流,但三峽截流的難度顯然要大很多。1997年11月8日,三峽工程實現大江截流;2002年11月6日,三峽工程導流明渠截流成功。三峽工程兩次截斷長江,表明我國的截流技術世界領先。按照水利專家鄭守仁提出的技術方案,三峽工程建設過程中先后兩次成功進行截流,世所罕見。“三峽工程大江截流設計及施工技術研究與工程實踐”獲得了國家科技進步一等獎。

與世界上單項水力學指標最高的截流工程相比,三峽工程兩次截流的流量、落差、流速三項關鍵水力學指標都比較高,其綜合困難程度在世界截流史上罕見。兩次截流成功,標志著我國河道截流技術已躋身世界領先地位。三峽工程大江截流設計獲國家優秀設計金獎,其技術成果榮獲2000年國家科技進步一等獎。

大壩混凝土澆筑屢創奇跡

三峽工程混凝土工程量巨大,總量達2800萬立方米,其中大壩混凝土澆筑量達1600萬立方米,高峰施工強度需要一年澆筑混凝土逾500萬立方米。三峽大壩工程質量優良。專家認為,這一方面在于精細的管理,另一方面是在混凝土澆筑中運用了大量的最新工藝和技術,使大壩混凝土澆筑技術達到國際一流水平。

新型的混凝土原材料與配合比。三峽工程在國內率先將工程本身開挖出的花崗巖破碎后用作混凝土人工骨料,首次利用性能優良的一級粉煤灰作為混凝土摻和料,投入數百萬元研究混凝土配合比,包括進一步改進高性能的外加劑,使混凝土綜合性能達到最優水平。

革命性的混凝土澆筑方案。混凝土澆筑方案和配套工藝是大壩混凝土施工的關鍵。以往大壩混凝土施工采用的往往是間斷式的汽車運輸加起重機吊罐入倉的傳統澆筑工藝,三峽總公司引進了國外最先進的大壩澆筑專用設備塔帶機。但是,塔帶機是上世紀80年代才開發出來的新設備,國外并無多少成熟經驗。實際使用中,三峽工程不斷創新,摸索總結出了一整套保證質量的施工工藝。借助這一套工藝,三峽工程不僅連續3年刷新世界混凝土年澆筑量紀錄,大壩混凝土質量也總體良好。

創新性的混凝土溫控防裂技術。大體積混凝土溫控防裂是大壩施工的“老大難”問題。三峽施工中首創了混凝土骨料二次風冷技術。盛夏時將拌和樓生產出的混凝土全部預冷到7℃,并對高標號混凝土進行“個性化”通水冷卻;創造性地制定出“天氣、溫度控制、間歇期”三項預警制度,保證了混凝土溫控各個環節的質量。2002年三峽大壩裂縫被媒體曝出,專家診斷為表面向淺層發展的溫度裂痕,而非結構型裂痕,施工方和管理方對這一問題做了及時處理。在第三階段的工程施工中,右岸大壩沒有出現一條裂縫,創造了世界水電工程界的奇跡。

p32 2005年9月1日凌晨6時,三峽左岸電站最后一臺機組——9號機組啟動有水調試。

2005年9月1日凌晨6時,三峽左岸電站最后一臺機組——9號機組啟動有水調試。

開拓水電裝備全產業鏈的國產化之路

機組是水電站的心臟。在三峽工程開工以前,圍繞三峽機電設備國產化,國家制定了一系列支持鼓勵政策與措施。從1980年開始,三峽工程的重大裝備科研攻關項目被列入從“六五”到“十五”連續5個國家五年計劃。圍繞工程專用施工設備、通航設備、電站水輪發電機組設備以及三峽工程輸變電成套設備等,哈爾濱電機廠、東方電機廠、哈爾濱大電機研究所、中國水利水電科學研究院、長江水利委員會等單位和院校配合設計部門和論證小組提出了三峽工程的水輪機和發電機的參數方案。這些前期研究成果,不僅為三峽工程可行性論證和初步設計提供了重要依據,還為三峽工程機電設備技術引進和消化吸收奠定了堅實的基礎。

黨中央、國務院果斷決策:三峽左岸電站機組實行國際采購,走技貿結合、技術轉讓、聯合設計、合作生產之路,明確提出依托三峽工程,自主創新與技術引進相結合,逐步實現三峽工程裝備國產化。

1996年6月,中國三峽總公司對外宣布,左岸電站一次采購14臺70萬千瓦水輪發電機組,實行國際招標。招標文件規定:投標者對供貨設備的經濟和技術負全部責任,必須與中國有資格的制造企業聯合設計、合作制造,中國制造企業分包份額不低于合同總價的25%;培訓中方人員;招標的左岸14臺機組的最后2臺由我方制造、外商監造。

這塊“大蛋糕”吸引了全球熱切的眼光,10家跨國公司組成6個投標體競爭投標,角逐激烈。1997年秋,采購合同簽字,阿爾斯通和ABB組成的供貨集團中標8臺,哈電合作制造;加拿大GE和德國伏依特、西門子(VGS)聯合體中標6臺,東電合作制造。兩家國內企業分包額大于合同總價的30%。

在三峽左岸電站建設中,我國水電設備企業更多還是給外國企業“打工”。為打破這種局面,以哈爾濱電機廠、東方電機廠為代表的國內水電裝備制造企業在結合國內前期科研成果、消化引進國外水輪機研制技術,以及深度參與左岸電站建設的基礎上,加大了核心技術的自主研發力度。

2005年9月16日,由中國企業自主制造的三峽左岸電站最后一臺機組順利并網發電,標志著我國具備了70萬千瓦水電機組自主設計、制造和安裝能力,我國水電裝備制造業用7年時間實現近30年的跨越式發展。東方電機廠在右岸地下電站采用了完全重新設計的機型。

相比之前一些大型水電項目的技術轉讓只停留在國外廠商設計、提供設計圖紙給受讓方,受讓方僅可進行相同機型的制造,三峽左岸項目的技術轉讓更加全面深入,受讓方能利用轉讓的技術獨立進行新機組的設計制造。

地下電站在主變壓器、GIS(地理信息系統)以及無取向硅鋼和高磁感取向硅鋼研發等材料也都做到自主研制,標志著我國水電設備的全產業鏈實現了國產化,標志著國內廠家作為“學生”已具備同國外“老師”的水輪機制造廠商同場競技的能力。

通過長江上游千萬千瓦級梯級電站建設,中國水電裝備在新技術、新材料、新工藝、新裝備等方面升級換代,用20年時間走過了發達國家100年的發展歷程,實現了三峽工程70萬千瓦機組技術追趕、向家壩80萬千瓦機組整體超越、白鶴灘100萬千瓦機組全面引領的三大跨越。由此,中國水電裝備在全球水電行業打響了自主品牌。這一“技術轉讓—消化吸收—自主創新”的“三峽模式”為推動我國重大技術裝備自主創新起到了很好的示范作用。

“超級電梯”橫空出世

三峽水庫蓄水后,大壩上游江段通航條件明顯改善。不過,壩上與壩下水位落差最大可達上百米,船舶必須借助通航設施才能過壩。“兩線五級船閘”全長6400米,船閘主體部分1600米,引航道4800米,曾是世界上規模最大的內河船閘。

隨著長江經濟帶開發和“一帶一路”倡議的提出,長江作為黃金水道的作用日益突顯。五級船閘類似于爬上或爬下五級樓梯,可對于那些需要快速通過或執行緊急任務的船舶,就需要輔助性的快速通道即升船機。

1958年4月,在周恩來指示下,國家科委、中國科學院成立三峽科研領導小組,組織起全國性的三峽工程科研大協作。國內先后有100多家單位、數千名人員投入到三峽升船機課題的攻關中。

為了驗證三峽升船機的原理,國內先后在湖北清江隔河巖和福建水口建設了兩座升船機,作為三峽升船機的試驗機。1968年,他們運用自身技術,建造了丹江口升船機,之后因歷史原因,升船機技術陷入停滯。1979年,三峽工程建設再次被提上了議事日程。1983年,升船機聯合考察組赴德國、比利時和法國實地考察,鋼絲繩卷揚式作為當時國際上比較流行的升船機型式,獲得了專家們的青睞。1985年,全平衡鋼絲繩卷揚一級垂直升船機作為推薦方案得到國家批準。這一方案雖然造價較低,但出于國家經濟水平的限制,以及對升船機是否成功的擔心,1995年即三峽大壩正式動工后的第二年,國家決定三峽升船機緩建,但相關研究卻未停歇。試驗研究和國外運行實踐表明,鋼絲繩卷揚式升船機存在發生船廂顛覆的可能性。鑒于三峽工程的重要性和巨大的社會影響,這一方案被擱置。

直到2003年,時任中國長江三峽總公司總經理的陸佑楣考察了德國尼德芬諾升船機,發現這一采用齒輪爬升方式的升船機已安全運行了70年,且這種升船機型式可在船廂水漏空、地震等極端條件下自鎖,防止船廂傾覆。2003年9月,國務院三峽工程建設委員會通過了可靠性能更高的“全平衡,齒輪齒條爬升、長螺母柱短螺桿安全系統一級垂直升船機”技術方案,三峽升船機建設隨之恢復。2007年,續建工程正式啟動。

齒輪齒條爬升式升船機的綜合技術難度之高,規模之大,在全世界范圍內都尚無先例,著實挑戰了國內設計院和裝備制造業的水平。后來長江設計院負責升船機總體設計,船廂室段塔柱及升船機主體設備的初步設計由德國一家公司和長江設計院共同承擔。

過去,國內升船機的封閉門全部采用長方形臥倒門,但德方的設計采用了弧形門,這種設計要求安裝過程中二次加工,精度控制在1毫米以內。可是國內并沒有制造升船機弧形門的專用設計,武漢武船重型裝備工程有限責任公司黃星和團隊自主研制了一套加工方案,不僅比直接購買德國設備節約了90%的成本,精度誤差最終也控制在了0.3毫米以內。

在8年多的制造施工過程中,二重集團等國內重型設備制造企業、中船重工等船舶裝備生產企業、葛洲壩集團等水電施工單位參與其中,推動了我國重型機械制造業在冶煉、鑄造、熱處理、機加工、檢測等技術領域的發展與創新,形成了一系列工藝、工法和技術標準,成功解決了從船廂結構到小齒輪托架,從超大模數硬齒面的齒輪軸,到超大規格的螺母柱安裝等一系列世界級技術難題,標志著我國大型升船機的制造和建設水平達到國際領先水平。

2016年9月18日下午,三峽升船機正式進入試通航階段,千噸級船舶可以“坐電梯”翻越大壩,三峽工程建設者憧憬多年的“大船爬樓梯、小船坐電梯”壯觀景象成為現實。陸佑楣院士介紹,隨著長江經濟帶的開發和“一帶一路”倡議的提出,長江作為黃金水道的作用日益突顯。三峽升船機不僅可以給船只節約2小時左右的通航時間,正式通航后,預計每年將替五級船閘分流幾百噸的運量。

筑起守護長江的“生態屏障”

在現代社會,工程活動特別是重大工程必然帶來大自然的重構、社會的重組、觀念的重塑。三峽工程從開始籌建起便始終與移民、環境等諸多繁雜的爭議相伴。黨的十九大報告指出,“以共抓大保護、不搞大開發為導向推動長江經濟帶發展”。事實上,三峽工程的生態效益顯著,相關投入巨大。

提到三峽工程,人們往往首先想到的是發電,但其實防洪才是三峽工程的首要功能。中國長江三峽集團公司副總經理林初學曾強調,“防洪是最大的生態保護。”三峽工程的建成,標志著以三峽工程為骨干的長江中下游防洪體系基本形成。根據2013年中國工程院關于三峽工程試驗性蓄水階段評估的估算,三峽工程多年平均防洪效益為88億元,工程防洪減災效益顯著。

三峽工程總裝機容量2250萬千瓦,自從2007年6月三峽工程右岸22號機組投產發電以來,綠色電力的生態效益日益顯著。單2018年發電量就約1000億千瓦·時,相當于計熱電發電效率后燃燒標煤0.319億噸的發電量,年直接減排二氧化碳0.858億噸,本身就發揮了巨大的生態效益。

三峽區域是中國重要的自然物種資源寶庫,也是世界重要的物種基因庫之一。三峽工程蓄水后,勢必對庫區內的動植物產生一定影響。但早在10多年前,三峽集團就以長江生態修復和保護為己任,專門成立了動植物保護研究機構。

在風景如畫的三峽壩區,不僅有著壯闊的三峽工程和宜人的“高峽平湖”,還有一個神秘的“植物王國”。500余種庫區陸生植物受淹沒影響,290余種珍稀瀕危植物處在庫區淹沒線以下和移民遷建區內,其中野生荷葉鐵線蕨更是被稱為“植物大熊貓”。曾有人斷言,極度瀕危物種疏花水柏枝將在三峽蓄水后滅絕。

為了挽救這些瀕危物種,早在1992年,黃桂云等科研人員就對三峽庫區的珍稀植物進行跟蹤觀測,掌握了這些植物的分布情況和原生環境。中國長江三峽集團公司于2007年成立了長江珍稀植物研究所(前身為三峽苗圃研究中心),投入上億元建設育苗蔭棚、智能化日光玻璃溫室、智能化PC陽光板大棚等一應俱全。科研人員根據每種植物生長特性,進行模擬植物野外生長環境,開展批量繁殖。經過10多年默默耕耘,科研人員通過遷地、傳統繁殖和克隆技術保護,在三峽壩區繁育疏花水柏枝幼苗2萬余株,成活率90%以上。目前因三峽水庫蓄水而受影響的植物已全部得到有效保護,初步建成了三峽特有珍稀植物“種質資源庫”。

2014年,著名林學及生態學專家、中國工程院院士沈國舫在考察珍稀植物研究所后感慨道:“你們的努力,最大限度地保護了三峽庫區生物的多樣性,確保了三峽特有、珍稀植物的永續利用。”如今該機構的植物保護已從三峽區域擴展到整個長江流域。

中華鱘是一種大型溯河洄游性魚類,也是一種曾和恐龍并存的、我國特有的古老珍稀魚類,現已被列為國家一級保護動物。1981年1月葛洲壩工程大江截流后,阻斷了中華鱘溯游到長江上游干流的洄游繁殖通道。1982年,經水利部批準成立了中華鱘研究所,系我國首個因大型水利工程興建而設立的珍稀魚類科研機構。一批批科研工作者潛心建立了中華鱘人工繁育技術體系,突破了中華鱘在淡水環境下全人工繁殖技術難關,實現了中華鱘子二代幼魚規模化培育,中華鱘物種得以在人工環境下持續繁衍。

30多年來,中華鱘研究所連續實施人工增殖放流,累計投放各種規格中華鱘500多萬尾,整合PIT、超聲聲吶和網絡通信等前沿技術,實現遠程實時追蹤幼魚下行入海,有效延緩了中華鱘自然種群的快速衰退。

為了增強關于中華鱘保護的科普和公益宣傳,中華鱘研究所與聯合國開發計劃署共同發起“三峽·中華鱘全球宣講大使”活動,并邀請世界自然基金會(WWF)、通用電氣公司(GE)等參與。自2016年起,三峽集團連續舉辦以“我與中華鱘·共繪長江美”為主題的兒童畫活動有獎征集活動。中小學生們發揮自己的奇思妙想,在圖紙上描繪出了保護中華鱘的心聲。2019年4月13日,700尾中華鱘放歸長江,350位大小志愿者再次共同見證中華鱘放流全程。

經過多年科研攻關,國家二級保護動物胭脂魚,以及圓口銅魚、長鰭吻鮈等長江流域珍稀特有魚類的人工馴養和繁殖技術也獲得重大突破。2011—2017年,三峽水庫累計實施10次針對“四大家魚”等魚類繁殖的生態調度,對本江段四大家魚自然繁殖貢獻率為40%。

三峽集團副總經理林初學表示: “我們將以習近平總書記提出的‘生態優先、綠色發展’作為下一步管理運行好三峽工程的方向,承擔更多社會責任,逐步發揮長江生態保護和修復的骨干主力作用,讓母親河永葆生機和活力。”

建設管理體制的重大創新

三峽工程的順利建成,還涵蓋了一系列管理體制創新,包括符合市場經濟原則的建設管理體制,以項目法人負責制為核心的項目管理機制,科學的融資機制,引進消化吸收的國產化之路,以及大水電跨省跨區消納的科學機制等。

從上世紀90年代開始,通過10多年努力,三峽集團成功開發出在國際工程項目管理領域處于領先水平、具有自主知識產權的“三峽工程管理信息系統”(TGPMS)和“電廠運行管理信息系統”等等。

在此經驗基礎上,溪洛渡、烏東德等水電建設進一步提出了“感知、分析、控制”的工程智能建造閉環控制理論,創建了大壩全景信息模型DIM,實現了現代信息技術與工程建設技術的深度融合。溪洛渡水電站因其智能管理的示范效應,被外媒贊為“最聰明大壩”。

運用自主研發的流域梯級新一代智能水調自動化系統和巨型機組電站群遠方“調控一體化”自動控制系統,長江干流溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩梯級巨型水庫群實行聯合智慧調度和運行管理,其調節庫容295.93億立方米,防洪庫容277.03億立方米,約分別占長江上游主要水庫的52%和76%,長江“黃金水道”更加名副其實。

針對水電工程移民地域廣泛、人員眾多、情況復雜等特點,中國水電企業基于“互聯網+”,開發了世界上首個覆蓋水電工程移民工作全生命周期的水電工程移民管理信息系統,并已應用于向家壩、溪洛渡等國內電站和巴基斯坦卡洛特、幾內亞蘇阿皮蒂等海外電站項目,管理著30余萬移民基礎數據和數百億移民資金,惠及庫區20萬移民群眾。

縱觀三峽工程,科技創新的光芒隨處可見。截至2019年,三峽工程已經建成運行10余年,防洪、發電、航運和水資源綜合利用等都達到了設計目標。

可以預見,三峽工程成為我國工程建設重大創新的典范,未來將在服務“一帶一路”、水電科技“走出去”領域持續發揮重要作用。


 

2019年第14期《中國經濟周刊》封面

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