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截断金沙江

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四川雷波和云南永善两县交界处的金沙江干流河段上,沉寂了数千年的溪洛渡被不时传出的闷声炮响打破了宁静。河流两侧陡峭的山体中,一个庞大的地下隧道网络工程正在有序地进行。机器的轰鸣在洞内回响,施工的重型车辆不停穿梭在各个地下隧道之间,导流洞的混凝土浇筑工作在夜以继日地开展。在这里,中国装机容量仅次于三峡、世界排名第三的溪洛渡水电站已显现雏形。

这是“十五”期间开工的最后一项巨型水电工程,也是中国开发金沙江的开端。金沙江下游河段长782千米,落差729米,水能资源富集程度极高。根据规划,此河段被定为四梯级电站来开发,自上而下的梯级名称为乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝,其中溪洛渡水电站是最大并且最先动工的水电站。

溪洛渡水电站的预计静态总投资为503亿元,但到水电站建成时,实际投入可能会超过1000亿元。业主方中国长江三峡工程开发总公司(以下简称三峡总公司)的出资比例超过60%。“开发资金利用的是国家原来在三峡的投资,就是三峡基金以及三峡发电的收益在这里进行滚动开发。另外还有两个地方的参股和一部分银行贷款。”三峡总公司溪洛渡工程建设部副主任樊义林表示,为了统一管理包括溪洛渡在内的金沙江四梯级电站,三峡总公司正在筹建子公司金沙江开发公司。

最先期的地下工程已经于2004年7月开工。启动之初,交通的不便使得工料运送非常困难,往来一趟200公里外的昭通需要12个小时以上,最长一次用了30多个小时。让施工方压力更大的是,开工后不久,三峡总公司决定将金沙江截流的时间提前1年到2007年11月。于是,原本计划2006年底完成的筹建工程也被提前到了2005年底。

工期紧迫并非施工方这几年里遭遇的唯一困难。金沙江下游河段地质复杂,具有地震烈度高、边坡高等特点,要想实现大江截流,让滔滔江水乖乖变为可供发电的清洁能源,并非易事。水电站的建设者们需要解决一系列的问题,有些甚至是世界性的难题。

抗震力8级

7月22日,云南昭通发生的5.1级地震,造成22人死亡、100多人受伤。西南交通动脉内昆铁路沿线山体也被地震震开,几十吨大石块滚下来将铁轨砸断,造成铁路中断。距离昭通不远的永善县也有震感,这让溪洛渡水电站的抗震能力话题变得更为敏感。

溪洛渡水电站本身就位于比较容易发生地震的8度地震区域。一种声音认为,水电站大量蓄水会对当地气候与环境产生影响,甚至改变地壳结构从而诱发地震。这种说法从库容量393亿立方米的三峡水电站筹建以来就一直争论不断。而根据规划,溪洛渡水电站建成后的水库库容量也将达到127亿立方米。

这些都在溪洛渡水电站设计方的考虑之内。“从地震作用放大系数的角度来讲,距离地心越远地震强度越大,地下工程的抗震性比地表工程的抗震性好。”成都勘测设计研究院(以下简称成勘院)设计副总工程师夏勇说,“因此,溪洛渡水电站的地表建筑只有进水口和大坝,而泄洪洞、引水发电系统都是地下工程。”

这还不够,为了保证露出地表的大坝和进水口工程的安全,成勘院特意委托清华大学水电工程系和中国水电科学研究院陈厚群院士做了超载试验,并将工程的抗震级别定为8级。为了增加抗震能力,水电站大坝被设计成混凝土双曲拱坝。这种坝形平面上拱端曲率较小,趋扁平的弧度可加大拱推力与岸坡的夹角,有利于坝肩稳定,同时通过调整拱圈的曲率和拱厚使应力更趋均匀合理。

溪洛渡水电站是一个具有“窄河谷、高拱坝、高地震概率、大泄洪量和超大地下洞室群”特点的建筑,其各方面的数据都要经过反复测算与检验,抗震能力只是设计时考虑的重点问题之一。1970年代末,成勘院就开始为了溪洛渡水电站项目,对金沙江下游从攀枝花到宜宾河段进行水电规划;1985年正式进场开展溪洛渡水电站的可行性研究工作。这些年来,成勘院为此而作的设计图纸足以填满一个40平方米的房间。

设计院在峡谷内打了很多平洞、竖井、钻孔、甚至在洞中再打孔,立体交叉来进行前期勘探。他们发现,溪洛渡水电站所在的坝址区河谷狭窄,除了不利于抗震,还不具备布设坝后厂房的条件,其山体岩石多为致密状玄武岩和角烁岩,致密、坚硬、整体稳定性好,但浅表层围岩受到风化卸荷作用的影响,岩体结构局部完整性差。

对于种种地质缺陷,设计方采用的办法是先避让、再布置、后处理。结合对金沙江的水文特性、工程的开发目标、综合利用及坝址河段地形地质条件考虑,溪洛渡电站枢纽被布置得很紧凑,充分利用了峡谷河段的地形地质条件,将枢纽建筑物(含消能区和导流建筑物)全部布置在4千米峡谷河段玄武岩出露段之内,拱坝的坝线位置则安排在峡谷中段。

施工防塌方

但再怎么详尽的勘探也无法控制地下工程可能遇到的所有情况。“实际上无论如何做,也不可能全部把其挖开看,还是会有一些潜在的东西隐藏在里面,风险也在这里。”夏勇这样描述未知的风险。他是对的,工程正式启动后,所有人很快发现,施工中遇到的问题要比前期的抗震设计难得多。

水电站工程的引水发电建筑物由电站进水口、压力管道、主厂房、主变压器室、尾水调压室、尾水洞及出口、通风洞、母线出线洞、地面出线场和地下厂房防渗排水等部分组成,除了进水口外,其它组成部分全在地下。在地下,用于连接这么多建筑物的大大小小洞穴就有约380个,主洞连着支洞,支洞接着分洞,如迷宫般布成一张洞穴巨网,即便是已经在此工作两年的工程师也会迷路。

“溪洛渡水电站地下厂房洞室群工程规模巨大、洞室密集、防震设计要求高、洞室间连接部位的节点多、节点区应力复杂,这是施工的最大难点。”施工方之一的中国葛洲坝集团有限公司历来有善于“打大仗、打恶仗、啃骨头”的美誉,其溪洛渡施工局副书记沈远持这样总结溪洛渡电站工程的最大特点。

在现场,中国水利水电第四、六、七、八、十四局、中国葛洲坝集团及水电武警在整个工程中分别承担了不同的施工任务。为了应付即将到来的种种棘手难题,除了水电六局外,其他6家施工单位全部来自同类工程三峡水电站的建设现场。

现在正在进行的主要工程是地下厂房和6条导流洞的建设,这6条导流洞总长9394米,断面尺寸20米×22米,是目前世界上断面跨度最大的导流洞群。导流洞的断面跨度大和洞间岩壁薄,给前期挖掘带来了两大世界级难题。

虽然已经经历过三峡水电站的建设,但在沈远持看来,溪洛渡水电站的施工条件和环境艰苦程度要更胜一筹。电站处于峡谷地带,地形以高边坡为主,最高的山海拔3000多米,最低处海拔360米,高度差2000多米,极易造成塌方与滑坡。

“从力学的角度来讲,一个整体的岩石如果只有一个单洞穿过不会有问题,但如果是洞与洞交叉,交叉处自身就会产生一个力,这个力在找不到释放点的时候就会塌方。” 沈远持说,如果这样的地方岩石之间再有缝隙和夹层,就是最易塌方之处。

施工队借鉴中国拱桥的力学原理来解决这个问题:把拱形最上部的负荷通过两端卸下去。具体的做法是,每挖到一个容易塌方的地方,就采用钢顶架支撑,再用混有钢纤维的混凝土浇灌。通过喷射混凝土填充钢材缝隙,把整个钢顶架喷成一个面,形成拱顶型,来卸力保证安全。在左右两岸,基本每一个导流洞的进出口处都用了长度近100米的钢顶架。

在三峡水电站工程工作的十几年中,沈远持遇到的地质岩层都是强度很大的花岗岩,施工打洞后完全不用做额外支固。而溪洛渡峡谷洞穴施工区域大部分的岩石层都是玄武岩,一次性爆破之后,岩石容易破碎并形成不规则面,爆破质量很差。

为了保证安全,葛洲坝集团只好改变开挖方式,采取效率较低的分层爆破措施,这对爆破的技术要求非常高:炸药量如果太大,对周围岩石的破坏性很大;如果用药量太小,又达不到理想的效果。而在每层岩石开挖过后,都必须在15到20天内避免在旁边再次爆破,从而让岩石恢复稳定,并观察其是否会塌方。这使得洞穴开凿进展极其缓慢,一个循环(24小时)平均放2.5炮,大概只能前进4到5米。在地质最不好的地段,往前推进的速度一天还不足1米,而一个月打200多米的洞深就已经是最快的纪录。

葛洲坝集团承担施工的右岸导流洞和左岸地下厂房工程还遭遇到了渗水问题的挑战。由于山体高差大,今年7月份一个月,工程的渗流量就有1000多立方米;而根据以往经验,8月汛期时这个数字会达到2.1万立方米。而施工作业所需要的环境恰恰是施工面干燥、道路通畅。

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