1 　前言

　　举世瞩目的长江三峡水利枢纽是开发和治理长江的关键性骨干工程, 具有防洪、发电、通航等巨大综合效益, 对加快我国现代化建设进程、提高综合国力, 具有重要意义。自1919 年孙中山先生提出开发长江三峡水力资源的设想以来, 兴建长江三峡工程成为中华民族几代人梦寐以求的愿望。新中国成立后, 在毛泽东、邓小平、江泽民三代领导集体的直接关怀下, 有关部门和广大科技工作者从20 世纪50 年代起, 对三峡工程进行了长期、大量的勘测、规划、设计和研究工作。1958 年党中央成都会议通过了《中共中央关于三峡水利枢纽和长江流域规划的意见》, 提出了“采取积极准备和充分可靠的方针”, 随后组织了200 多个单位近万名科技人员对三峡工程重大科技问题进行全国性协作研究。1970 年底, 中央决定兴建葛洲坝工程, 以缓解华中地区电力紧缺局面, 同时也为兴建三峡工程做实战准备。1984 年国务院原则批准了三峡工程正常蓄水位150 m 方案的可行性研究报告, 并开始进行工程筹建和准备工作。1986 年党中央、国务院决定组织重新论证, “以求更加细致、精确和稳妥”。经过近3 年的深入研究论证, 经论证领导小组审议, 通过了14 个专题论证报告。长江水利委员会(长江委) 据此重新编制了《长江三峡水利枢纽可行性研究报告》。1991 年8 月国务院三峡工程审查委员会通过了对该报告的审查意见, “三峡工程建设是必要的, 技术上是可行的, 经济上是合理的, 建议及早决策兴建三峡工程”。1992 年4月3 日, 全国人大七届五次会议审议了《国务院关于提请审议兴建长江三峡工程的议案》, 通过了《关于兴建长江三峡工程决议》。1993 年5 月国务院审查通过了《长江三峡水利枢纽工程初步设计报告》, 三峡工程开始实施建设。在建设过程中, 参建单位进一步深入进行了大量科学研究工作, 解决了一系列重大技术难题, 工程质量、进度和投资都得到有效的控制, 2003 年胜利实现了二期工程蓄水、通航和发电的目标。

　　2 　枢纽总体布置及大坝工程[1～3 ]

　　2.1 　按坝址河段特点合理布置枢纽主要建筑物

　　三峡工程最大泄流量124 300 m3/ s , 电站装机26 台、总容量1 820 ×104 kW。坝址河段河床开阔, 河道原有中堡岛。为布置泄洪、发电、通航等枢纽建筑物, 将中堡岛全部挖除, 大坝布置成直线, 泄洪设施布置于河床中部, 泄洪前缘长483m ; 26 台大容量机组布置于左右两侧, 采用坝后式电站厂房; 利用有利的河道地形条件, 船闸和升船机均布置于左岸, 并在右岸预留6 台机组地下电站(土建工程于2004 年开始施工) ; 对三大建筑物进行合理布置, 解决了河床宽度不足的难题。

　　2.2 　大坝泄洪设施及消能防冲布置研究

　　枢纽设计洪水流量98 800 m3/ s , 校核洪水流量124 300 m3/ s。根据三峡水库防洪调度规划, 要求枢纽在防洪限制水位145 m 时具有下泄洪水流量为57 600 m3/ s 的能力; 在百年一遇洪水时, 具有下泄洪水流量70 000 m3/ s 的能力; 遇设计洪水和校核洪水时, 要求枢纽下泄100 000 m3/ s 以上的泄流能力。汛期泄洪除机组过流外, 泄洪流量的3/ 4 需要从泄水建筑物通过。按照泄洪建筑物483m 布置长度, 一般无法满足泄量要求。为此, 结合施工要求, 泄水建筑物采取了三层孔口布置的方式。大坝永久泄洪设施需布置深孔以满足低水位时的泄洪要求, 并设表孔满足设计洪水和校核洪水泄洪要求。从水库排沙考虑, 要求深孔进口高程低于电站进水口高程。综合分析防洪、排沙、工程防护、厂前排漂等因素, 尽量缩短泄洪前缘长度, 减少两岸厂房及坝段的开挖工程量, 大坝泄洪设施采用深孔和表孔相间布置方案。位于河床中部的泄洪坝段长483 m。泄洪坝段布置23 个深孔和22 个表孔。深孔设在坝段中部, 孔口尺寸7 m ×9 m , 设计水头85 m ; 表孔在两个坝段之间跨缝布置, 净宽8 m , 堰顶高程158 m。为进行三期施工导流及截流, 在表孔正下方跨缝布置22 个导流底孔, 孔口尺寸6 m ×815 m。导流底孔在后期以回填混凝土封堵。

　　针对大坝水头高、泄洪量大、排沙量多及三层泄洪孔运行条件复杂等特点, 研究了三层泄洪孔口不同运行条件下的体型选择和高速水流下抗空化及防泥沙磨蚀问题, 以及深孔与表孔联合泄洪和深孔与底孔联合泄流时, 下游水力衔接及消能防冲等问题; 下游水位较深, 选用挑流消能型式, 消能效果较好; 比较了导流底孔有压短管和有压长管方案,综合考虑结构安全、方便施工、抗磨和水力学条件等因素, 选用有压长管。深孔出口反弧段流速35～40 m/ s , 采取跌坎掺气防止空化。坝下消能区两侧设左右导墙, 以减小泄洪对电站运行和对下游航道口门的不利影响。

　　2.3 　采取多种综合措施, 确保岸坡厂房坝段地基深层抗滑稳定

　　三峡工程大坝基础总体上为坚硬完整的花岗岩, 其中左岸厂房1 # ～5 # 坝段、右厂房24 # ～26 # 坝段坝基存在相对较发育的、倾向下游的缓倾角裂隙, 尤以3 # 厂房坝段更为发育, 裂缝结构面连通率达83 %。坝趾后即为高陡开挖边坡, 形成施工临时坡高达70 m , 地形、地质条件对左岸厂房1 # ～5 # 坝段的地基稳定极为不利, 是三峡大坝工程的重大技术问题之一。为查明左岸厂房1 # ～5 # 坝段的地质条件, 尤其是缓倾角结构面的分布情况, 进行了三次特殊勘探。基本查明了缓倾角结构面展布、性状及连通率。

　　长江委针对左岸厂房1 # ～5 # 坝段的抗滑稳定问题, 进行了大量的研究和分析, 国内有多家科研院校和设计单位参加复核计算与研究。在采取综合工程处理措施后, 坝体深层抗滑稳定安全系数均满足K′> 310 的要求。

　　2.4 　大坝大孔口应力与配筋优化

　　大坝大孔口主要有以下3 类: a1 泄洪深孔,孔口尺寸为7 m ×9 m , 设计水头85 m。b1 电站引水压力管道进水口, 孔口尺寸为10 m ×12 m ,设计水头67 m。技术设计研究成果表明, 这两类孔口均存在孔口拉应力大, 配筋量大, 钢筋布置排数多的特点。c1 采用在孔口段附近将横缝止水局部后移方案, 配筋一般可控制在2～3 排, 局部为3～4 排。

　　2.5 　大坝混凝土快速施工技术[ 4]

　　三峡工程混凝土总量达2 800 ×104 m3 , 质量要求高, 施工难度大。因此必须采用成套先进的混凝土快速施工新技术, 才能保证工程的质量和工期。三峡大坝二期混凝土浇筑从1998 年开始,1999 年到2001 年连续3 年特高强度混凝土施工,年浇筑量均在400 ×104 m3 以上, 三年共浇筑混凝土1409 ×104 m3 , 其中2000 年创造了混凝土浇筑强度年548 ×104 m3 、月55135 ×104 m3 、日212 ×104 m3的世界纪录。为保证三峡大坝的高强度高质量施工, 对施工方案和主要施工设备进行了反复的科学论证, 选定了以塔带机为主, 辅以高架门、塔机和缆机的综合施工方案。从传统常规的吊罐浇筑升华为混凝土一条龙连续生产工艺。该系统由各混凝土拌和楼通过皮带机将混凝土输送到塔带机直接入仓浇筑, 集水平和垂直运输为一身, 具有连续浇筑、生产率高、可实现混凝土浇筑工厂化生产的特点。结合三峡工程的实践, 建立了一整套保证质量的混凝土快速施工工艺和现代化施工管理体系, 全面推行仓面工艺设计, 制定了一整套严密的施工工艺。为满足三峡混凝土耐久性的特殊要求, 经大量试验选用非碱活性花岗岩人工骨料, 并严格限制水泥熟料中碱含量小于015 % , 要求混凝土中总碱量≤215 kg/ m3 ; 在混凝土中掺用Ⅰ级粉煤灰。由于Ⅰ级粉煤灰微珠含量高, 可作为一种功能材料, 大大改善混凝土的和易性, 减少用水量, 并可抑制碱活性反应, 节省水泥用量, 减少混凝土温度裂缝和干缩; 选用品质优良的高效减水剂, 通过与Ⅰ级粉煤灰联合掺用, 使花岗岩人工骨料配制的四级配混凝土用水量由110 kg/ m3 减少为85 kg/ m3 左右;采用缩小水胶比增加粉煤灰掺量的技术路线, 从而更有效地提高了混凝土的耐久性; 采用有补偿收缩性能的525 # 中热大坝水泥, 以减少混凝土收缩变形, 减少混凝土产生裂缝的风险。三峡工程低温混凝土生产系统是世界上已建及在建工程中规模最大、温控要求最严的混凝土生产系统。要求夏季生产出机口温度为7 ℃的低温混凝土, 设计生产能力为1 720 m3/ h , 设计夏季高峰月混凝土浇筑强度为44 ×104 m3。针对三峡工程的特殊性及混凝土预冷工艺的要求, 经反复试验研究, 首次将二次风冷骨料技术应用于三峡工程。三峡工程大坝柱状块尺寸大, 基础温差标准高, 加上坝区气温骤降频繁, 混凝土表面防裂难度大, 温控措施要求严格。为此,三峡工程在广泛分析国内外工程已采取单项或多项温控措施现状的基础上, 首次实施全过程、全方位、高标准、大容量的综合温控技术。

　　3 　水电站厂房工程[5 ,6 ]

　　3.1 　电站进水口型式研究

　　三峡电站水轮发电机组采用单机单管引水, 压力钢管直径1214 m , 设计流量1 020 m3/ s , 运用水位变幅达45 m , 进水口尺寸大、水头高。研究了单孔进水口和双孔进水口两种型式。按常规的大喇叭口体型设计单孔进水口, 喇叭口面积为引水管道面积的315 倍以上, 闸门尺寸和启闭机容量较大, 金属结构工程量多, 且制造安装难度大。针对三峡电站进水口的特点, 借鉴国外大型水电站进水口设计和实践经验, 采用单孔小喇叭进口体型。两种进水口方案大比尺(1∶30) 水工模型对比试验的成果表明, 两方案的水力特性基本相当,单孔方案稍优, 总水头损失小10 cm , 单孔进水口的孔口应力较小。双孔将增加钢筋用量, 进水口的门体、门槽和启闭机数量比单孔进水口增加一倍,维修工作量相应增多, 要求工作闸门同步操作, 运用要求严格, 事故概率比单孔方案大。

　　3.2 　大型钢衬钢筋混凝土压力管道和伸缩节研究

　　三峡电站压力管道具有条数多(26 条) 、直径大(内径1214 m) 、HD 值高(1 730 m2) 等特点。在“七五”国家重点科技攻关项目的初步设计中选定了在下游坝面浅预留槽的背管型式。关于结构型式, 在技术设计阶段初期选定钢衬钢筋混凝土管道方案。在技术设计过程中, 除长江委进行大量设计和研究工作外, 根据需要, 三峡总公司技委会组织了若干单位进行了7 项科学研究和试验, 其中包括:结构仿真计算; 坝内埋管段结构分析与大比尺仿真材料结构模型试验; 大比尺平面结构模型试验研究; 上弯段大比尺结构模型试验; 下弯段大比尺结构模型试验; 预应力钢筋混凝土管道结构设计研究; 下平段施工措施研究等, 取得了丰硕的成果,使我国在这方面的科研水平上了一个台阶, 为三峡工程压力管道技术设计质量的提高创造了条件。

　　为了解我国采用钢衬钢筋混凝土压力背管的实际情况, 技委会组织了专家组有关专家会同长江委设计人员, 对东江、五强溪水电站引水压力管道进行了调查。三峡总公司还邀请了3 位俄罗斯专家对钢衬钢筋混凝土联合受力管道的设计和施工进行了咨询, 组团到俄罗斯考察了钢衬钢筋混凝土压力管道的设计和施工技术。根据以上研究与考察结果, 长江委对钢衬钢筋混凝土压力管道的设计做了优化, 总的安全系数由212 降为210 ; 提高钢衬和钢筋强度级别; 钢筋的布置不宜多于三排等。由于压力管道直径特大, 采用常规伸缩节难以满足要求。经计算分析, 左岸厂房1 # ～6 # 坝段厂坝间的相对位移和转角较小, 钢管的应力在允许应力范围内, 确定采用垫层管取代伸缩节方案。7 # ～14 # 河床坝段的相对位移稍大, 钢管应力绝大部分在允许应力范围内, 仅局部超过允许应力, 若合理选择合拢时间, 也可以取消伸缩节; 考虑到安全因素, 最后7 # ～14 # 坝段管道厂坝连接段选用带波纹管止水的伸缩节, 该结构型式新, 是国内外尺寸最大的伸缩节。

　　3.3 　蜗壳外围混凝土结构型式及施工工艺研究

　　三峡水电站具有单机容量大、台数多、总装机容量大的特点, 在电网中是举足轻重的巨型电源。鉴于该电站的重要性, 为保证机组运行稳定, 蜗壳混凝土结构型式的合理选择是重要因素之一。电站机组的蜗壳尺寸大, HD 值高, 水头变幅大, 蜗壳外围二期混凝土相对较薄, 合理选择蜗壳混凝土结构型式, 增强蜗壳结构的刚度, 有利于提高机组运行稳定性。针对上述问题开展了大量的设计和试验研究工作。

　　1) 采用大比尺物理仿真模型, 研究结构的受力特性、超载能力和破坏形态。武汉大学水利电力学院和长江水利科学院分别进行了模型试验, 两者的试验成果相近, 可信度高。

　　2) 大量的三维有限元计算, 成果包括: 充水保压方案优于垫层蜗壳方案; 对保压水头进行了优选; 在确定保压水头70 m以后, 研究提出了保压保温控制标准和措施。

　　3) 可考虑温度、徐变、自重、水压等荷载和缝面接触问题, 同时又可模拟结构、材料参数和边界条件随混凝土龄期和施工过程变化的三维有限元仿真计算。采用数值分析、结构模型试验和原型观测分析相结合的技术路线进行综合研究, 研究成果已应用于三峡左岸电站厂房工程。

　　4 　双线连续五级船闸工程[7～9 ]

　　4.1 　船闸总体设计

　　双线连续五级船闸是工程蓄水后解决船舶过坝的关键设施。三峡工程能否解决高坝通航问题, 直接关系到长江黄金水道航运的发展和沿江地区经济的发展。根据坝址的地形地质特点和河道复杂的水沙条件, 首先对与船闸技术可行性、先进性和运行可靠性有关的带有全局性的总体技术进行了研究。船闸设计总水头113 m , 远大于目前世界上已建船闸的最大总水头7218 m , 坝址河道地形和水沙条件复杂。经研究, 提出了采用双线连续五级船闸(见封面) , 并对船闸主体建筑物基本结构型式做出了决策, 解决了三峡水利枢纽高坝通航的问题。

　　4.2 　高水头大型船闸输水技术

　　高水头船闸的输水技术水平直接影响船闸的运行安全和船舶过坝的效率, 是目前世界上大型高水头船闸必须解决的一个技术难题。船闸输水系统必须满足三个重要指标, 即输水时间要满足通过能力的要求, 控制在12～13 min ; 廊道系统的水流条件必须防止对廊道和阀门造成气蚀和声振; 闸室的水面升降平稳, 上下游引水和泄水满足船舶通航水流条件的要求。三峡船闸级与级之间的最大输水水头4512 m , 远大于目前世界上已建船闸的最大输水水头3614m。经研究, 采用先进的船闸输水综合技术, 解决了船闸闸室快速、安全、平稳输水的难题, 保证了在船闸充泄水过程中, 上下游引航道通航的水流条件。

　　4.3 　深切高陡边坡的稳定、变形控制与大型衬砌结构研究

　　船闸高边坡集高、陡、长于一体, 不仅规模大、形态复杂, 岩石开挖后, 岩体存在深切开挖卸荷变形的问题, 船舶过闸对边坡稳定的要求高, 如此复杂的船闸高边坡问题, 在国内外尚无先例。不仅要保持高边坡岩体在施工期和运行期的稳定, 要求岩体作为船闸结构的一个组成部分与衬砌结构协同工作, 还要考虑边坡岩体变形对船闸设备正常运行, 特别是对人字闸门正常运行的影响。通过应用大量高新技术进行地质勘测和多种现场科研试验,用不同模型进行计算分析, 采用开挖、加固、防渗、排水等综合技术, 可靠地解决了高边坡的稳定与变形问题。在此基础上, 通过合理采用岩槽的开挖形式(保留两线船闸间岩体隔墩) 和船闸的结构型式, 大量节省了工程量和投资, 保证了船闸的建设工期。

　　4.4 　高大人字门结构和启闭机可靠性研究

　　船闸人字门的规模和淹没水深均超过当前世界最高水平。通过引入新的设计概念, 采用新方案、新材料、新工艺和新设备, 解决了高大人字门结构受力、运行的可靠性及其特大启门力等技术难题。

　　4.5 　复杂工况下船闸运行监控技术

　　三峡五级船闸设备多, 首先船闸需根据上下游不同的水位组合, 分别采用不同的级数运行, 在同一级船闸中根据上下游来船的不同, 时有1～3 个闸室同时在过船运行, 一个闸室的两侧阀门通常为双边同步运行, 有时只一边运行, 在某些水位情况下参与运行的第二级闸室需要补水等等, 运行工况远较一般船闸复杂。为保证船闸运行的可靠性和效率, 经研究, 船闸按照集中和分散两套控制方式进行设备配置, 并自主开发了多种对船闸进行监控的专用软件, 保证了在复杂工况下, 安全、可靠、灵活地对船闸进行监控, 并为船闸集中自动监控技术的推广应用奠定了基础。

　　4.6 　高难度的船闸施工技术

　　三峡船闸施工工程量大、工期紧、技术难度高。170 m 深切岩坡开挖, 其下部直立开挖部分需作为船闸结构的组成部分, 要求保持岩坡的强度和完整性, 高薄衬砌墙混凝土浇筑、高大闸阀门设备的安装等施工难度均非一般船闸施工可比。针对复杂地质条件下高达6815 m 直立岩坡的开挖、300 t级长达60 m 的水平锚索施工, 对施工工序、直立坡成型、爆破控制, 锚固的设备和器材, 提出了成套工艺和技术要求, 并分别提出了多种控制岩体质量的新技术和水平锚固工程的高精度施工工艺及技术标准。混凝土浇筑首创采用了已获国家专利的先进立模施工新技术。针对金属结构和设备安装提出了大型人字门、阀门、设备安装的专用标准和安装工艺等, 保证了船闸施工的质量和工期。

　　5 　特大型水轮发电机组[1 ,3 ]

　　水轮发电机组是发挥三峡工程发电效益的关键设备, 它在电力系统中承担基荷、调峰、调频及进相运行等重大作用。设有26 台特大型水轮发电机组的三峡电厂是当今世界上最大的水电站。它在实现“西电东送”和全国电力联网的战略, 实现我国能源结构的优化配置方面, 具有极其重要的地位。由于三峡工程防洪和排沙的需要, 三峡水轮机的运行水头变幅甚大, 达40 m。又由于确保运行可靠、安全、稳定的原则, 必须摆在首位考虑, 使得机组的设计、制造、安装都具有很大的难度, 并超过了世界上已有的大型水电机组。

　　1) 单机容量70 ×104 kW 的三峡电站水轮发电机组是世界上单机出力最大的混流式水电之一。其主要技术参数代表了当今世界的先进水平, 亦反映了水轮机的最新发展趋势。其中, 水轮机真机效率达到96 % , 发电机效率达到98.77 %。

　　2) 三峡机组尺寸巨大, 水轮机转轮直径达10m , 发电机定子机座外径达2114 m , 定子铁芯内径达1818 m , 铁芯高度达3173 m , 均为世界之最, 其单台机组质量约6 600 t , 是目前世界上最大的水轮发电机组。

　　3) 三峡发电机的推力负荷达5 500 t , 亦为当今世界之最, 伊泰普发电机的推力负荷为4 700 t 。

　　4) 针对三峡电站的特点, 在水轮机和发电机的设计制造过程中采用了目前世界上成熟的新技术、新结构和新材料。如CFD 技术, X 叶片, 通

[1] [2] [3] 下一页