白鹤滩大坝水锤效应产生的冲击力有多强? 工程专家是如何解决的?

什么是水锤效应？白鹤滩的水锤效应威力有多大？工程专家是怎么解决的？

你知道白鹤滩水电站工程中最难的一环是什么吗？不是世界最大发电机组的安装，也不是大坝主体的搭建，而是一个不起眼的物理问题，我们在日常生活中就会遇到，它就是水锤效应。

设计人员计算过，如果把白鹤滩大坝通往发电机组的入口管道给封住，那么强大的水流产生的水锤效应能直接把1米厚的钢闸门击碎。那么施工人员是怎么控制住这股力量的呢？

首先来了解一下什么是水锤效应。

水锤效应，这个名词或许并不为大众所熟知，然而它在液体管道系统中却扮演着至关重要的角色。这一现象，也被形象地称为水击现象或水锤压力，是由于流速的突变在管道内引发的压力波动。它常常在液体流动突然停止或流速发生急剧变化时出现，例如水泵的突然启动或关闭，以及阀门的迅速开启或闭合等情景。

想象一下，当液体在管道中悠然流淌时，它带着一定的动量和压力，稳定而有序。然而，一旦管道中的流速发生突变，比如阀门瞬间紧闭，液体由于惯性仍会尝试继续前行。但此时，前方的通道被截断，液体的动能无处可去，只能迅速转化为压力能，使得管道内的压力骤然升高，这便形成了所谓的“正水锤”。反之，当阀门突然开启，管道中的液体流速会猛然增大，压力则迅速降低，形成了另一种形式的水锤——“负水锤”。

水锤效应对于管道系统和相关设备的安全运行构成了不小的威胁。“正水锤”的强烈冲击可能导致管道破裂、设备损坏，甚至可能引发严重的安全事故；而“负水锤”则可能在管道内产生气泡或气穴，破坏流体的稳定输送，严重时还会导致管道振动、产生噪音等问题。

为了减轻水锤效应对管道系统的影响，工程师们采取了多种措施。例如，在阀门处设置缓闭装置，使阀门的关闭过程更为平缓，从而减缓流速的变化；在管道中设置空气室或气囊，用于吸收水锤产生的压力波动，起到缓冲作用。

我们的自来水管道就有这样的装置，比如一根自来水管道直径为50厘米，那么在闸口的方向，会把管道的直径增加到1米，这样在开闸门的时候，水流惯性形成的水锤就与闸口前后端的水相撞，起到了缓冲作用，瞬时压力就没有那么高了。

不过对于白鹤滩水电站来说，这样做施工难度太大，而且会破坏坝体的强度，该怎么办呢？

白鹤滩水电站是如何解决水锤效应的？

河海大学的水电研究团队拿出了方案，在旁边山体里建设几个大型的尾调室，然后蓄上水，开闸或者关闸时利用这些尾调室的水压来抵抗水锤效应。

河海大学，这所享誉全国的水利人才培养摇篮，其引水发电系统模型具备测试百万机组停运时反向水流撞击力的能力。水能既可为舟提供浮力，亦能引发覆舟之患，白鹤滩水电站面临的水锤效应是最大的潜在威胁，一旦失控，可能导致水淹厂房。因此，设计时需全面考虑极端工况，确保电站安全。

经过多次模拟验证，设计团队确定了尾调室的最大尺寸：直径48米，高122米。鉴于白鹤滩高地应力的特殊条件，尾调室被设计为圆筒穹顶式，这在世界范围内尚属首例。

面对如此巨大的圆筒尾调室建设挑战，施工队首先通过交通中导洞抵达穹顶上方，然后采用分层开挖的方式，如同切西瓜一般。同时，为防止穹顶掉块，必须边开挖边支护。

然而，随着开挖面积的增大，地应力释放逐渐加剧，塌落风险日益显著。工程师们又巧妙地在穹顶上方37米处开挖另一条隧道，利用这一空间实施由外到内的吊顶支护，以确保穹顶的稳固。

经过一年的辛勤付出，2019年4月，一座跨度达48米的尾调室穹顶终于成形。这一杰作，凝结了工程师们的奇思妙想与精湛技艺，成为水电工程中的一颗璀璨明珠。尽管穹顶之下无法仰望璀璨的星空，但它却如同地下深洞中的宏伟宫殿，诉说着地下工程建设者们的独特浪漫。

为了较少水流产生的气泡对洞壁的侵蚀，施工人员上了特种水泥，辅料是有高强度聚合纤维、合金钢丝、混合树脂等材料构成，施工过程中要求东壁要非常光滑平整，就像镜子一样，能照映出人的面孔。

在白鹤滩水电站的左右两岸，八座穹顶尾调室宛如八大金刚般屹立，它们守护着16台百万千瓦发电机组，驯服着江水水锤效应的万钧之力。这些尾调室群，不仅规模宏大，更代表着水电工程的巅峰之作，为世界所瞩目。