2023年元旦前夕,金沙江畔再次传来喜讯,白鹤滩水电站全面投产发电。
白鹤滩水电站全面投产
作为当今世界在建规模最大、综合技术难度最高的水电工程,在白鹤滩水电站首批机组投产时,习近平总书记发来贺信,赞誉它的重大突破,“这充分说明,社会主义是干出来的,新时代是奋斗出来的!”是什么让总书记对它有如此高的评价呢?作为“起舞金沙”的超级工程,白鹤滩水电站的主要技术指标,创造了6项世界第一,因此,它也被誉为当今世界水电行业的“珠穆朗玛峰”。
水电工程是一个庞大而复杂的系统工程,而泄洪安全是水电工程的生命线。在洪水来临时,如果不能将它们安全地排放到下游,那最终的结果,将会是坝毁人亡!因此,为了能够应对万年一遇的洪水风险,白鹤滩水电站修建了世界最大的无压泄洪洞群。这个世界之最,每秒可以泄水1.2万立方米,相当于5个标准泳池的水量,仅需18分钟就能排空整个西湖。然而,这个世界之最,可来得并不容易。
水中一个真空泡的“短暂的一生”
这组照片的蘑菇云,很容易让人联想到原子弹爆炸后升腾的蘑菇云,其实,这段高速摄影记录的,只是水中一个真空泡“短暂的一生”。它的尺寸不过几毫米,寿命也只有几毫秒,却是水电人最难缠的对手之一。为什么会这样呢?这就涉及了水流中一种神秘而又可怕的现象。
泄洪洞要实现高效的泄水,就意味着洞内的水流速度非常高。对于水和空气这样的流体而言,流动的速度越快,内部压强就越低。在泄洪洞高速水流环境中甚至可以接近真空压强。这种条件下,水中就会出现大量的真空泡。然而这种真空泡很不稳定,非常容易破灭、爆炸。可千万不要轻视这小小真空泡的威力,它破灭时能量瞬间释放的中心温度可以超过5000开尔文,接近太阳表面的温度,持续作用之下,就会对泄洪洞结构造成破坏。在美国Glen Canyon工程中,它曾在高强度的混凝土表面凿出超过11米深的破坏坑。
原有掺气结构示意图
那么,面对这样一种自然现象,工程师们是不是就束手无策了呢?不会的!在几十年的工程实践中,工程师们惊奇地发现,当结构附近水中混掺有一定量的空气时,这种破坏就会缓解,甚至消失。也就是说,水气携手,就可以保护结构的安全。据此,工程师们提出,为泄洪洞设置掺气结构。最常见的,就是在底部设置一个台阶,并进行通气。这种方案已经广泛应用于在国内外水电工程中,取得了显著的效果。
但千万别以为问题已经一劳永逸地得到了解决。在国内外水电工程中,有掺气结构的泄洪洞被破坏仍时有发生。这一度让全世界工程师十分费解,也成为了工程建设中的难题。
三维掺气结构示意图
为实现这一技术突破,中国水电人开始了长期地调查研究。通过大量的工程调研和试验研究,水电人终于破解了其中的奥秘,发现空气在水流中的扩散是需要一个过程的,在巨型泄洪洞中,从底部通入的空气并不能及时保护到两个侧面边墙,形成了薄弱点,并在总结二滩水电站泄洪洞修复经验的基础上,中国水电人创新性地提出了三维全断面掺气思路,即从底面和两个侧面同时向水流掺气,并首先在工程中得到了验证。
任炜辰和团队成员在工作
虽然有了解决思路,但要真正付诸白鹤滩水电站的工程实践,还需要量体裁衣,做大量的针对性研究。水电人又开展了白鹤滩泄洪洞设计攻关工作,荣获第二十三届北京青年学术演讲比赛决赛一等奖的选手、中国水利水电科学研究院的任炜辰(北京水利发电工程学会推荐)博士和工作所在团队均分别参与其中。要保证大国重器的绝对安全,水电人就要针对每一种结构尺寸,每一个泄洪工况进行反复试验验证。在水电人责任与使命的驱使下,在4年时间里先后完成30余种结构设计,700余组次的试验。最终,团队的研究,不但形成了多项论文专利成果,更支撑了白鹤滩水电站的工程建设,真正把论文写在了祖国的大地上。