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封住，那么强大的水流产生的水锤效应应该能直接把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？

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关闭等情景。

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，比如阀门瞬间关闭，液体由于惯性仍会尝试继续前行。但此时前方的管道被截断，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，即负水锤。

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旋，破坏流体的稳定输送，严重时还会导致管道震动，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。这样在开阀门的时候，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？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水调压室，然后续上水，开闸或者关闸时，利用这些尾水调压室的水压来抵抗水锤效应。

经过多次模拟验证，设计团队确定了尾水调压室的最大尺寸，直径48米，高122米。鉴于白鹤滩高地应力的特殊条件，尾水调压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水调压室建设挑战，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。同时为了防止穹顶坍塌，必须边开挖边支护。然而随着开挖面积的增加，地应力释放逐渐加剧，坍落风险日益显著。工程师们又巧妙地在穹顶上方30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米的尾水调压室穹顶终于成型。这一杰作展示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。

为了减少水流产生的气泡对洞壁的侵蚀，施工人员使用的特种水泥辅料是由高强度聚合纤维、合金钢丝、混合树脂等材料构成，施工过程中要求表面非常光滑平整，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，8座穹顶尾水调压室宛如八大金刚般屹立，守护着16台百万千瓦发电机组，驯服了江水水锤效应的万钧之力。这些尾水调压室不仅规模宏大，更代表着水电工程的巅峰之作，世界所瞩目。