我国水电科技创新与进步综述

我国水电科技创新与进步综述
李菊根;雷定演;邴凤山;焦雪梅
【摘要】Since implementing reform and opening policy, the hydropower engineering technologies in China are comprehensively progressed. The dam construction technologies, such as 200 m -level RCC gravity dam construction, 200 m -level CFRD construction, 300 m-level arch dam and 100 m-level RCC arch dam construction, dam foundation treatment, dam earthquake-resistance, energy dissipation of flood discharge for high dam, MgO concrete construction, river closure and navigation structures, have made remarkable achievements. The localization of hydropower unit and equipment manufacturing is significantly improved. The development of hydropower engineering promotes the construction of high-voltage and large power grid. The scientific development of hybrid power plants further optimizes the utilization of water resources. China's hydropower industry has a powerful capacity and has achieved rich results on researches.%改革开放以来,中国的水电科技工作取得了全面进步.200m级碾压混凝土重力坝筑坝技术、200m级混凝土面板堆石坝技术、300 m级拱坝及100 m 级碾压混凝士拱坝技术、坝工基础工程技术、大坝抗震技术、高坝泄流与消能工技术、氧化镁微膨胀混凝土筑坝技术、大坝截流技术、水电站通航建筑物技术等坝工技术方面取得了令人瞩目的成就,水力发电机组设备国产化水平显著提升.水电建设带动了高电压、大电网的形成,混合式电站的科学发展进一步优化了水资源利用.中国水电行业拥有了强大的科研实力,取得了丰硕的研究成果.
【期刊名称】《水力发电》
【年(卷),期】2013(039)001
【总页数】5页(P1-4,19)
【关键词】水电工程;科技创新;坝工技术;机组设备;国产化;电网;混合式电站
【作者】李菊根;雷定演;邴凤山;焦雪梅
【作者单位】中国水力发电工程学会,北京100044;中国水力发电工程学会,北京100044;中国水力发电工程学会,北京100044;中国水电工程顾问集团公司,北京100011
【正文语种】中文
【中图分类】TV213;TK79
从1910年云南石龙坝水电站开工建设伊始，中国的水电事业经历了百余年的沧桑巨变，从无到有、从小到大、从弱到强，2004年和2005年，我国水电总装机容
量和年发电量先后跃居世界第一，水电建设的综合技术水平迈入了世界先进行列。

至2011年底，我国水电总装机容量已达2.31亿kW，建成了大中小型水电站45000余座，中国水电已迈入大电站、大机组、高电压、自动化、信息化的新时代。

科学技术是第一生产力。

新中国成立后特别是改革开放以来的我国水电科技工作，以科学技术为引领，以电力建设为主战场，以国家重大工程为依托，以科技成果工程化为基点，掀起了水电建设的热潮和高潮，走出了技术、资金和环保的约束困境，水电科技取得了全面进步。

特别是举世瞩目的三峡工程开工建设，成为了改革开放
以来最具影响力的30件大事之一，通过近20年的三峡工程建设，突破了五大工
程领域关键技术，攻克了十大工程难题，创造了百余项工程技术世界之最，谱写了中国乃至世界水电史上的新篇章。

1 水电坝工技术全面进步
（1）200 m级超高碾压混凝土（RCC）重力坝筑坝技术。

从1986年在福建坑口建成的世界第1座高碾压混凝土重力坝（高75 m）到现在，我国已建成高碾压
混凝土重力坝近70座，在建30多座，其中坝高超过100 m的有20余座。

龙滩
水电站最大坝高216.5 m，是目前世界最大最高的RCC重力坝；四川沙牌电站大坝坝高132 m，是RCC三心重力拱坝；甘肃龙首电站RCC双曲拱坝，坝高80 m，厚高比最小达0.17，是目前世界上最薄的RCC拱坝。

（2）200 m级超高混凝土面板堆石坝技术。

我国的面板堆石坝几乎遍布全国，涉及各种复杂地形、地质和气候条件，因其较高的安全性、经济性和适应性而得到广泛应用。

目前我国已建成高30 m及以上的混凝土面板堆石坝约170座，其中高150 m及以上的有近10座，在建、拟建的面板堆石坝各为40座左右。

水布垭电站大坝高达233 m，为目前世界最高的混凝土面板堆石坝。

目前我国的混凝土面
板堆石坝在数量、大坝高度、工程规模和技术难度等均居世界前列，在设计、施工、科研、监测和恶劣自然条件下建坝等方面积累了丰富的经验，取得了令人瞩目的成就，筑坝技术趋于成熟，且正向着技术更高、更难的方向发展。

（3）300 m级超高拱坝及100 m级超高碾压混凝土拱坝技术。

近几十年来，我
国在高拱坝的设计理论、计算方法、体形优化、数字模拟和数字仿真技术等方面开展了大量研究探索工作，取得了一系列重大成果，其设计理论和施工技术等均居世界前列，如锦屏一级（坝高305 m）、小湾（坝高 295 m）、溪洛渡（坝高285.5 m）等已建、在建拱坝，还有待建的白鹤滩等数座300 m级高拱坝水电工
程的建设，把我国高拱坝建设技术推到世界坝工的巅峰。

（4）坝工基础工程技术。

随着水电工程规模地不断扩大和高坝、大库、大电站的相继出现，对地基处理的技术要求也越来越高，特别是水力资源富集的西南水电基地的建设，遇到世界少有的复杂和不良地质条件，对地基处理提出了一系列挑战性技术难题，需要一一解决。

当前在复杂特殊地质条件下，我国在坝体建基面确定技术、深层抗滑稳定处理技术、地质缺陷处理和固结灌浆技术、坝基帷幕灌浆和坝基排水技术等方面均已取得了显著成就，积累的技术和经验走在了世界水电坝工基础工程技术的前列。

如已掌握深达150 m以上的防渗墙基础处理技术，灌浆基础处
理技术的灌浆孔最大深度已超过200 m，高边坡开挖、加固技术已达到700 m级。

（5）大坝抗震技术。

我国的大坝抗震研究，始终坚持工程安全第一的原则，围绕水电建设的中心任务，紧跟科技发展前沿，自主创新了大坝抗震设计理论和方法，走出了具有中国特色的工程抗震成功之路，有效解决了我国强地震区水电高坝建设遇到的一系列难题。

特别是近十年来，随着西部强震区修建的一系列高坝、大库，促进了抗震设计和科研工作，在工程结构抗震安全经验评价等方面，不断取得了跨越式发展，突出表现在地震动输入、结构地震响应、结构抗力、高坝抗震设计规范、工程安全评价相关技术等。

2008年发生的汶川8.0级强烈地震，震区的全部水电
站大坝经受住了严峻考验，这是对我国过硬的大坝抗震技术的一次充分检验和有力证明。

（6）高坝泄流与消能工创新技术。

在我国水电建设中，大流量、高水头、大功率泄流、消能防冲、防空化、防空蚀等众多工程技术难题摆在水电建设者面前，经过几十年不断地摸索实践、经验积累和自主创新，我国在水工建筑物枢纽布置开展消能工形式和结构的系统研究上取得了特色的创新成果，保障了水电工程的运行安全。

如根据掺气消能的机理，率先提出了使出闸孔水流产生收缩，加强水流沿坝面纵向分散和掺气的宽尾墩技术，再如改造创新了底流消能工技术，均在我国水电工程上得到了广泛应用。

（7）氧化镁微膨胀混凝土筑坝技术。

这是具有我国自主知识产权的首创技术，此技术用于混凝土大坝建设上，可以有效防止裂缝，简化施工工序，加快建设速度，显著提高工程经济效益，被誉为国际筑坝技术重大创新和突破。

（8）大坝截流技术。

三峡工程是代表当今世界水利水电建筑最高技术水平的创新工程，科技创新成果拥有100多项“世界之最”，其中大江和导流明渠的两次截流标志着我国河道截流技术已跻身世界领先地位。

两次截流，流量、落差、流速三项关键水力学指标与世界上单项水力学指标最高的一些截流工程相比都比较高，有效克服了大江截流中的水动力学、土力学问题，明渠截流正确处理了工程截流、导流、施工和通航问题，其综合技术水平、困难程度和工程规模在世界截流史上均属罕见，堪称水电施工史上的丰碑。

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。

（9）水电站通航建筑物技术。

江河水电建设促进了通航事业的发展，通航建筑物主要有船闸和升船机两大类。

目前我国已建成的船闸1000余座，升船机60余座。

早期的通航设施规模和吨位较小，近年来随着三峡工程等巨型水电工程的建设，一座座超大型的船闸和升船机相继涌现。

20世纪80年代建成的葛洲坝水利枢纽工
程1、2、3号船闸，规模尺寸和通航能力均居当时世界一流水平；三峡工程双线
连续五级船闸，总水头113 m，单级闸室尺寸及过船吨位均为世界最高水平，属
当今世界水头最高、级数最多的内河船闸。

20世纪80～90年代先后建成了丹江
口水电站垂直+斜面升船机和岩滩水电站下水式升船机，各具特色和技术适用价值；进入21世纪，正在建设的三峡、向家坝一级全平衡齿轮齿条爬升式垂直升船机，工程规模尺寸和通航吨位及技术难度均为世界之最，为江河工程通航技术创造了奇迹，三峡升船机最大提升高度113 m，承船箱带水总重11800 t，最大过船吨位
为3000 t级客货轮，单线年通航能力350万人次；向家坝升船机最大提升高度114.2 m，金属结构及设备工程总重量18590 t，年客运量40万人次，年货运量
112万t，可通过2×500 t级船队。

2 水力发电机组设备国产化水平显著提升
近年来，在振兴民族制造业战略发展大环境下，我国充分发挥了国家重大工程对水电科技创新和重大技术装备创新的带动作用，水电设备制造业有了长足的进步，在混流式、轴流式和贯流式水电机组的设计、制造和安装等方面已步入世界先进行列。

特别是依托三峡工程的建设，创立了“中国特色水电设备国产化的模式”，指导
着我国水电设备制造业顺利发展，走出了一条装备国产化的成功道路。

改革开放后，随着刘家峡、龙羊峡、岩滩、广蓄等一批单机容量30万kW级机组投入运行后，单机容量40万kW的李家峡，55万kW的二滩，40多台单机容量70万kW的三峡、龙滩、拉西瓦和首批3台单机容量80万kW的向家坝顺利投产，依托白鹤滩和乌东德水电站开展科技攻关和研发的100万kW水轮发电机组
进展顺利，在遵循自主创新的战略方针下，我国大型水电机组的研发、制造能力和水平正逐步达到世界先进水平。

目前，我国已建单机容量50万kW及以上机组
40多台，在建100多台，已建在建数量均居世界前列。

在100万kW水轮机组的自主研发、设计和制造上，超出了现有的技术水平和标准，世界范围内都没有现成可借鉴的经验，但通过三峡电站70万kW机组引进消化吸收和技术创新，已经形成自有核心技术。

目前我国已在100万kW水电机组
主要参数、机组结构等方面开展总体技术可行性研究，在水轮机水力设计、机组稳定运行、机组高电压线棒、高荷载推力轴承、发电机冷却方式等方面开展专题研究，并已取得阶段性成果，研发进入了技术、材料、工艺等方面的创新提高阶段。

百万kW机组研制成功后，将可能首先应用于金沙江下游的两个西电东送骨干工程——乌东德、白鹤滩巨型水电站。

我国抽水蓄能电站起步于20世纪60年代末，改革开放后的80年代末开始进入
大规模建设阶段。

2000年全部建成投产的广蓄一二期装机容量共240万kW、水
头535 m，为当时世界第一抽水蓄能电站；2008年全部建成投产的西龙池抽水蓄能电站总装机容量120万kW、额定水头640 m，最高扬程超过700 m；2011
年惠州抽水蓄能电站8台机组全部投产，总装机容量240万kW，平均水头532.40 m，跃升目前世界上最大的抽水蓄能电站。

我国抽水蓄能电站建设已进入
大容量、高水头、高扬程的时代。

国家有关部门对抽水蓄能机组国产化问题给予了高度重视，决定走“三峡大机组国产化模式”，依托宝泉、惠州、白莲河三座抽
水蓄能电站16台30万kW可逆水泵水轮机组，采取统一招标、技贸结合、引进
机组设计和制造核心技术等措施，逐步实现我国大型机组设备制造自主创新国产化。

为了支持和巩固机组核心技术，使转受方哈尔滨电机厂有限责任公司、东方电气集团电机有限公司能够及时全面掌握所引进的技术，形成生产能力，国家又决定将蒲石河、深圳、呼和浩特、仙游和黑糜峰等抽水蓄能电站作为国家抽水蓄能机组设备国产化的后续依托工程项目，以确保大型抽水蓄能机组的国产化能在最短时间内发展起来，并以优质先进的设备支援我国抽水蓄能电站建设。

3 水电建设带动了高电压、大电网的形成
古今中外，高等级电压的出现和大电网的形成，都是伴随着大水电站和大水电基地的建设而诞生，如巴西伊泰普水电站的建设，出现了±600 kV直流输电线路及
±800 kV输变电设备；前苏联西伯利亚大水电站的建设，出现了1000 kV特高压交流输电线路。

新中国第一条110 kV输电线路为由官厅水电站送电北京而建（20世纪50年代）；第一条220 kV输电线路为由丰满水电站的修复工程送电沈阳而建设（20
世纪50年代中）；第一条330 kV输电线路由刘家峡水电站输送关中地区，形成
了西北地区330 kV网架（20世纪70年代）；第一条±500 kV直流输电线路由
葛洲坝水电站输送上海等华东地区；依托公伯峡水电站建设了第一条750 kV（官亭-兰州东）超高压输电线路，形成了西北五省区以750 kV为主网架的电网联网；
三峡水电站投产的交、直流输电规模国内空前，直流输出线路3000多km，三峡电站输送上海、常州和广州的三条±500 kV直流线路相继投产，±500 kV直流换流站6个，直流变电项目44个，交流输电线路900多km，建成500 kV交流线路61条，创造了多项世界之最，实施了150余项重大技术改造和20余项重大技术创新，有力地促进了全国联网和实现能源资源的优化配置。

随着西南部金沙江、澜沧江、雅砻江等水电基地的推进开发，也推动了电网建设，如向家坝水电站——上海±800 kV超高压直流、锦屏一二级水电站——苏南±800 kV特高压直流、溪洛渡水电站——浙江±800 kV超高压直流等，形成了西电东送、南北互供、全
国联网的格局。

为了进一步推进西部大开发和西电东送，满足我国西部水电开发输电需要，国家又启动建设了1000 kV特高压交流输电示范工程，进一步确立了我
国在特高压输电领域的领先优势，提升了我国电工装备业的自主创新能力和核心竞争能力，对于建设坚强的特高压骨干网架，促进大水电、大煤电、大核电和大型可再生能源发电基地的集约化开发，实现能源大范围优化配置，促进我国现代能源综合运输体系建设，具有十分重要的意义。

大型水电站的建设不仅带动了高电压、大电网的形成，更重要的是带动了国家经济社会的协调发展，促进了我国电机行业和电气行业制造水平的提升和科学技术发展。

4 科学推进混合式电站发展
随着可开发利用水力资源日趋开发饱和，人们对生态环境保护要求不断地提高，电网中水电比例日趋下降，在常规水电站中增加可逆机组以形成混合式抽水蓄能电站将越来越显现出优势。

依托常规水电站较大的库容，增加可逆机组后建设为大调节容量、长调节周期蓄能电站，具有建设周期短，可提高原电站综合调节能力，有效解决部分电网扩容需求，且扩建的混合式电站一般不需增加库容，不会引起局部环境的改变，不涉及移民问题，社会压力较小等特点，可将其作为抽水蓄能电站发展的方向之一。

对于经济相对发达但又缺乏水电资源的华东等地区，水电已基本开发完毕，通过在已建常规水电站特别是梯级开发的已建水电站中适当扩建可逆机组形成混合式电站，为地区电网甚至是全国电网提供调峰、调频、调相和备用服务，更是具有重要意义。

一些老旧常规水电机组电站通过增容扩机技术增加抽水蓄能机组后，其经济社会效益也均大大提升，如河北岗南、河北潘家口、安徽响洪甸、西藏羊卓雍湖、吉林白山、湖北天堂、安徽佛磨等混合式电站。

总的来说，混合式电站对进一步优化水资源利用，节省土建工程量及运行管理成本，尤其是对提高电网经济安全运行具有重大意义。

5 庞大的水电科研实力和丰硕的研究成果
人才，是水电建设事业跨越式发展的第一资源。

我国水电建设的人才，已有较完善的培养体系和良好的成长环境，通过有计划的培养，经历大量工程锻炼，已形成庞大的、高水平的从事水力发电科学技术事业的队伍。

据不完全统计，目前有涉及水电领域的中国科学院和中国工程院院士48人；清华大学、浙江大学、武汉大学、天津大学、四川大学、大连理工大学、河海大学等20余家高等学府和中国水利水电科学研究院、南京水利科学研究院、国网电力科学研究院、长江科学研究院、黄河水利科学研究院、哈尔滨大电机研究所等一批科研院所设有涉及水电的专业，拥有研究人员7000余人（其中高级研究人员5000余人）；从事勘测设计的人员，目前水电系统9个央企单位有1万余人，水利系统7个流域设计单位8000余人，加上省级水利水电设计单位总计全国超过2.5万人；全国水利水电施工人员20多万人，其中专业技术人员近3万人（高级职称约5000人）；还有哈尔滨电机厂
有限责任公司、东方电气集团电机有限公司等制造企业和约500个大中型水电厂
的上万名技术人员。

目前全国已建成与水电科学研究有关的国家级重点实验室和研究中心15个，分别为:水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心、国家大坝安全工程技术研究中
心、水文水资源与水利工程科学国家重点实验室、水沙科学与水利水电工程国家重点实验室、水资源与水电工程科学国家重点实验室、水利工程仿真与安全国家重点实验室、国家水力发电设备工程技术研究中心、水力发电设备国家重点实验室、流域水循环模拟与调控国家重点实验室、水力学与山区河流开发保护国家重点实验室、国家能源水能高效利用与大坝安全技术研发中心、国家能源水电工程技术研究中心、国家水能风能研究中心、国家能源中小水电设备重点实验室、国家能源潮汐海洋能发电技术重点实验室。

据不完全统计，2001年～2010年，水力发电科学技术研究方面取得丰硕成果，
获国家科技进步奖二等奖6项，三等奖1项；获省部级科技进步奖特等奖1项，
一等奖20项，二等奖54项，三等奖142项（其中:中国电力科技进步奖一等奖
10项，二等奖40项，三等奖114项；水力发电科学技术奖一等奖5项，二等奖
8项，三等奖24项）。

此外，许多水电工程还获得全国性的优秀工程勘察、工程
项目奖和鲁班奖、詹天佑奖等。

中国大坝在2007年～2011年获国际里程碑工程称号的共7座，分别为:龙滩大坝（坝高216.5 m）获国际碾压混凝土坝里程碑工程；水布垭大坝（坝高233 m）获国际面板堆石坝里程碑工程；小浪底大坝（156 m坝高+80 m防渗帷幕）获国际心墙堆石坝里程碑工程；三峡大坝（坝高181 m）获国际混凝土重力坝里程碑工程；二滩大坝（坝高240 m）获国际混凝土拱坝里程碑工程；瀑布沟大坝（坝高186 m）获国际砾石土直心墙堆石坝里程碑工程；洪家渡大坝（坝高179.5 m）获国际面板堆石坝里程碑工程。

紫坪铺面板堆石坝（坝高156 m）经受住了汶川5·12八级强震的考验，在堆石坝抗震史上具有里程碑的意义，被评为特别工程奖。

在中国水力发电取得巨大成就，拥有高水平水电科技人才的背景下，许多国际组织在中国设立培训、学术、标准化机构，推选中国专家担任重要职务。

如在杭州设立亚太地区小水电研究培训中心、国际小水电中心，在北京设立国际泥沙研究培训中
心、国际电工委员会（IEC）PC118智能电网用户侧接口项目委员会和TC115高压直流技术委员会秘书处；国际大坝委员会第77届执行会议选举中国水利水电科学研究院副院长贾金生为国际大坝委员会新一届主席（任期从2009年至2012年），国际大坝委员会水库泥沙专委会、水电站与水库综合运行管理专委会和国际土力学与岩土工程学会大坝技术委员会等专委会主席由我国专家担任，我国先后有陆佑楣院士、潘家铮院士、朱伯芳院士和陈厚群院士4位专家获得国际大坝委员
会荣誉奖。

6 结语
进入21世纪以来，国际经济科技发展环境发生了深刻变化，国家间的竞争越来越体现为科技实力和综合国力的竞争。

只有把科技摆在国家发展的战略地位上，才能把握国家发展的命运；只有掌握先进科技并及时转化为现实生产力，才能在国际竞争中赢得主动；只有把经济社会发展切实转入依靠科学技术和创新的轨道上，才能形成可持续发展的内在动力。

水能资源是目前我国唯一可大规模商业化开发的常规能源，是我国优化调整能源结构和促进电力工业可持续发展的支柱能源，水电行业的科技体制改革在历次改革中都走在了经济体制改革的前列。

根据中长期发展规划，到2020年我国水电装机容量将达到4亿kW左右，其中常规水电3.5亿kW左右，抽水蓄能装机5000万kW左右，水电开发前程似锦，任重道远。

相信，通过广大水电科技工作者的奋勇拼搏，开拓进取，我国水电科学技术自主创新水平一定会不断迈上新台阶。