1 前言
舉世矚目的長江三峽水利樞紐是開發和治理長江的關鍵性骨干工程, 具有防洪、發電、通航等巨大綜合效益, 對加快我國現代化建設進程、提高綜合國力, 具有重要意義。自1919 年孫中山先生提出開發長江三峽水力資源的設想以來, 興建長江三峽工程成為中華民族幾代人夢寐以求的愿望。新中國成立后, 在毛澤東、鄧小平、江澤民三代領導集體的直接關懷下, 有關部門和廣大科技工作者從20 世紀50 年代起, 對三峽工程進行了長期、大量的勘測、規劃、設計和研究工作。1958 年黨中央成都會議通過了《中共中央關于三峽水利樞紐和長江流域規劃的意見》, 提出了“采取積極準備和充分可靠的方針”, 隨后組織了200 多個單位近萬名科技人員對三峽工程重大科技問題進行全國性協作研究。1970 年底, 中央決定興建葛洲壩工程, 以緩解華中地區電力緊缺局面, 同時也為興建三峽工程做實戰準備。1984 年國務院原則批準了三峽工程正常蓄水位150 m 方案的可行性研究報告, 并開始進行工程籌建和準備工作。1986 年黨中央、國務院決定組織重新論證, “以求更加細致、精確和穩妥”。經過近3 年的深入研究論證, 經論證領導小組審議, 通過了14 個專題論證報告。長江水利委員會(長江委) 據此重新編制了《長江三峽水利樞紐可行性研究報告》。1991 年8 月國務院三峽工程審查委員會通過了對該報告的審查意見, “三峽工程建設是必要的, 技術上是可行的, 經濟上是合理的, 建議及早決策興建三峽工程”。1992 年4月3 日, 全國人大七屆五次會議審議了《國務院關于提請審議興建長江三峽工程的議案》, 通過了《關于興建長江三峽工程決議》。1993 年5 月國務院審查通過了《長江三峽水利樞紐工程初步設計報告》, 三峽工程開始實施建設。在建設過程中, 參建單位進一步深入進行了大量科學研究工作, 解決了一系列重大技術難題, 工程質量、進度和投資都得到有效的控制, 2003 年勝利實現了二期工程蓄水、通航和發電的目標。
2 樞紐總體布置及大壩工程[1～3 ]
2.1 按壩址河段特點合理布置樞紐主要建筑物
三峽工程最大泄流量124 300 m3/ s , 電站裝機26 臺、總容量1 820 ×104 kW。壩址河段河床開闊, 河道原有中堡島。為布置泄洪、發電、通航等樞紐建筑物, 將中堡島全部挖除, 大壩布置成直線, 泄洪設施布置于河床中部, 泄洪前緣長483m ; 26 臺大容量機組布置于左右兩側, 采用壩后式電站廠房; 利用有利的河道地形條件, 船閘和升船機均布置于左岸, 并在右岸預留6 臺機組地下電站(土建工程于2004 年開始施工) ; 對三大建筑物進行合理布置, 解決了河床寬度不足的難題。
2.2 大壩泄洪設施及消能防沖布置研究
樞紐設計洪水流量98 800 m3/ s , 校核洪水流量124 300 m3/ s。根據三峽水庫防洪調度規劃, 要求樞紐在防洪限制水位145 m 時具有下泄洪水流量為57 600 m3/ s 的能力; 在百年一遇洪水時, 具有下泄洪水流量70 000 m3/ s 的能力; 遇設計洪水和校核洪水時, 要求樞紐下泄100 000 m3/ s 以上的泄流能力。汛期泄洪除機組過流外, 泄洪流量的3/ 4 需要從泄水建筑物通過。按照泄洪建筑物483m 布置長度, 一般無法滿足泄量要求。為此, 結合施工要求, 泄水建筑物采取了三層孔口布置的方式。大壩永久泄洪設施需布置深孔以滿足低水位時的泄洪要求, 并設表孔滿足設計洪水和校核洪水泄洪要求。從水庫排沙考慮, 要求深孔進口高程低于電站進水口高程。綜合分析防洪、排沙、工程防護、廠前排漂等因素, 盡量縮短泄洪前緣長度, 減少兩岸廠房及壩段的開挖工程量, 大壩泄洪設施采用深孔和表孔相間布置方案。位于河床中部的泄洪壩段長483 m。泄洪壩段布置23 個深孔和22 個表孔。深孔設在壩段中部, 孔口尺寸7 m ×9 m , 設計水頭85 m ; 表孔在兩個壩段之間跨縫布置, 凈寬8 m , 堰頂高程158 m。為進行三期施工導流及截流, 在表孔正下方跨縫布置22 個導流底孔, 孔口尺寸6 m ×815 m。導流底孔在后期以回填混凝土封堵。
針對大壩水頭高、泄洪量大、排沙量多及三層泄洪孔運行條件復雜等特點, 研究了三層泄洪孔口不同運行條件下的體型選擇和高速水流下抗空化及防泥沙磨蝕問題, 以及深孔與表孔聯合泄洪和深孔與底孔聯合泄流時, 下游水力銜接及消能防沖等問題; 下游水位較深, 選用挑流消能型式, 消能效果較好; 比較了導流底孔有壓短管和有壓長管方案,綜合考慮結構安全、方便施工、抗磨和水力學條件等因素, 選用有壓長管。深孔出口反弧段流速35～40 m/ s , 采取跌坎摻氣防止空化。壩下消能區兩側設左右導墻, 以減小泄洪對電站運行和對下游航道口門的不利影響。
2.3 采取多種綜合措施, 確保岸坡廠房壩段地基深層抗滑穩定
三峽工程大壩基礎總體上為堅硬完整的花崗巖, 其中左岸廠房1 # ～5 # 壩段、右廠房24 # ～26 # 壩段壩基存在相對較發育的、傾向下游的緩傾角裂隙, 尤以3 # 廠房壩段更為發育, 裂縫結構面連通率達83 %。壩趾后即為高陡開挖邊坡, 形成施工臨時坡高達70 m , 地形、地質條件對左岸廠房1 # ～5 # 壩段的地基穩定極為不利, 是三峽大壩工程的重大技術問題之一。為查明左岸廠房1 # ～5 # 壩段的地質條件, 尤其是緩傾角結構面的分布情況, 進行了三次特殊勘探。基本查明了緩傾角結構面展布、性狀及連通率。
長江委針對左岸廠房1 # ～5 # 壩段的抗滑穩定問題, 進行了大量的研究和分析, 國內有多家科研院校和設計單位參加復核計算與研究。在采取綜合工程處理措施后, 壩體深層抗滑穩定安全系數均滿足K′> 310 的要求。
2.4 大壩大孔口應力與配筋優化
大壩大孔口主要有以下3 類: a1 泄洪深孔,孔口尺寸為7 m ×9 m , 設計水頭85 m。b1 電站引水壓力管道進水口, 孔口尺寸為10 m ×12 m ,設計水頭67 m。技術設計研究成果表明, 這兩類孔口均存在孔口拉應力大, 配筋量大, 鋼筋布置排數多的特點。c1 采用在孔口段附近將橫縫止水局部后移方案, 配筋一般可控制在2～3 排, 局部為3～4 排。
2.5 大壩混凝土快速施工技術[ 4]
三峽工程混凝土總量達2 800 ×104 m3 , 質量要求高, 施工難度大。因此必須采用成套先進的混凝土快速施工新技術, 才能保證工程的質量和工期。三峽大壩二期混凝土澆筑從1998 年開始,1999 年到2001 年連續3 年特高強度混凝土施工,年澆筑量均在400 ×104 m3 以上, 三年共澆筑混凝土1409 ×104 m3 , 其中2000 年創造了混凝土澆筑強度年548 ×104 m3 、月55135 ×104 m3 、日212 ×104 m3的世界紀錄。為保證三峽大壩的高強度高質量施工, 對施工方案和主要施工設備進行了反復的科學論證, 選定了以塔帶機為主, 輔以高架門、塔機和纜機的綜合施工方案。從傳統常規的吊罐澆筑升華為混凝土一條龍連續生產工藝。該系統由各混凝土拌和樓通過皮帶機將混凝土輸送到塔帶機直接入倉澆筑, 集水平和垂直運輸為一身, 具有連續澆筑、生產率高、可實現混凝土澆筑工廠化生產的特點。結合三峽工程的實踐, 建立了一整套保證質量的混凝土快速施工工藝和現代化施工管理體系, 全面推行倉面工藝設計, 制定了一整套嚴密的施工工藝。為滿足三峽混凝土耐久性的特殊要求, 經大量試驗選用非堿活性花崗巖人工骨料, 并嚴格限制水泥熟料中堿含量小于015 % , 要求混凝土中總堿量≤215 kg/ m3 ; 在混凝土中摻用Ⅰ級粉煤灰。由于Ⅰ級粉煤灰微珠含量高, 可作為一種功能材料, 大大改善混凝土的和易性, 減少用水量, 并可抑制堿活性反應, 節省水泥用量, 減少混凝土溫度裂縫和干縮; 選用品質優良的高效減水劑, 通過與Ⅰ級粉煤灰聯合摻用, 使花崗巖人工骨料配制的四級配混凝土用水量由110 kg/ m3 減少為85 kg/ m3 左右;采用縮小水膠比增加粉煤灰摻量的技術路線, 從而更有效地提高了混凝土的耐久性; 采用有補償收縮性能的525 # 中熱大壩水泥, 以減少混凝土收縮變形, 減少混凝土產生裂縫的風險。三峽工程低溫混凝土生產系統是世界上已建及在建工程中規模最大、溫控要求最嚴的混凝土生產系統。要求夏季生產出機口溫度為7 ℃的低溫混凝土, 設計生產能力為1 720 m3/ h , 設計夏季高峰月混凝土澆筑強度為44 ×104 m3。針對三峽工程的特殊性及混凝土預冷工藝的要求, 經反復試驗研究, 首次將二次風冷骨料技術應用于三峽工程。三峽工程大壩柱狀塊尺寸大, 基礎溫差標準高, 加上壩區氣溫驟降頻繁, 混凝土表面防裂難度大, 溫控措施要求嚴格。為此,三峽工程在廣泛分析國內外工程已采取單項或多項溫控措施現狀的基礎上, 首次實施全過程、全方位、高標準、大容量的綜合溫控技術。
3 水電站廠房工程[5 ,6 ]
3.1 電站進水口型式研究
三峽電站水輪發電機組采用單機單管引水, 壓力鋼管直徑1214 m , 設計流量1 020 m3/ s , 運用水位變幅達45 m , 進水口尺寸大、水頭高。研究了單孔進水口和雙孔進水口兩種型式。按常規的大喇叭口體型設計單孔進水口, 喇叭口面積為引水管道面積的315 倍以上, 閘門尺寸和啟閉機容量較大, 金屬結構工程量多, 且制造安裝難度大。針對三峽電站進水口的特點, 借鑒國外大型水電站進水口設計和實踐經驗, 采用單孔小喇叭進口體型。兩種進水口方案大比尺(1∶30) 水工模型對比試驗的成果表明, 兩方案的水力特性基本相當,單孔方案稍優, 總水頭損失小10 cm , 單孔進水口的孔口應力較小。雙孔將增加鋼筋用量, 進水口的門體、門槽和啟閉機數量比單孔進水口增加一倍,維修工作量相應增多, 要求工作閘門同步操作, 運用要求嚴格, 事故概率比單孔方案大。
3.2 大型鋼襯鋼筋混凝土壓力管道和伸縮節研究
三峽電站壓力管道具有條數多(26 條) 、直徑大(內徑1214 m) 、HD 值高(1 730 m2) 等特點。在“七五”國家重點科技攻關項目的初步設計中選定了在下游壩面淺預留槽的背管型式。關于結構型式, 在技術設計階段初期選定鋼襯鋼筋混凝土管道方案。在技術設計過程中, 除長江委進行大量設計和研究工作外, 根據需要, 三峽總公司技委會組織了若干單位進行了7 項科學研究和試驗, 其中包括:結構仿真計算; 壩內埋管段結構分析與大比尺仿真材料結構模型試驗; 大比尺平面結構模型試驗研究; 上彎段大比尺結構模型試驗; 下彎段大比尺結構模型試驗; 預應力鋼筋混凝土管道結構設計研究; 下平段施工措施研究等, 取得了豐碩的成果,使我國在這方面的科研水平上了一個臺階, 為三峽工程壓力管道技術設計質量的提高創造了條件。
為了解我國采用鋼襯鋼筋混凝土壓力背管的實際情況, 技委會組織了專家組有關專家會同長江委設計人員, 對東江、五強溪水電站引水壓力管道進行了調查。三峽總公司還邀請了3 位俄羅斯專家對鋼襯鋼筋混凝土聯合受力管道的設計和施工進行了咨詢, 組團到俄羅斯考察了鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的設計和施工技術。根據以上研究與考察結果, 長江委對鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的設計做了優化, 總的安全系數由212 降為210 ; 提高鋼襯和鋼筋強度級別; 鋼筋的布置不宜多于三排等。由于壓力管道直徑特大, 采用常規伸縮節難以滿足要求。經計算分析, 左岸廠房1 # ～6 # 壩段廠壩間的相對位移和轉角較小, 鋼管的應力在允許應力范圍內, 確定采用墊層管取代伸縮節方案。7 # ～14 # 河床壩段的相對位移稍大, 鋼管應力絕大部分在允許應力范圍內, 僅局部超過允許應力, 若合理選擇合攏時間, 也可以取消伸縮節; 考慮到安全因素, 最后7 # ～14 # 壩段管道廠壩連接段選用帶波紋管止水的伸縮節, 該結構型式新, 是國內外尺寸最大的伸縮節。
3.3 蝸殼外圍混凝土結構型式及施工工藝研究
三峽水電站具有單機容量大、臺數多、總裝機容量大的特點, 在電網中是舉足輕重的巨型電源。鑒于該電站的重要性, 為保證機組運行穩定, 蝸殼混凝土結構型式的合理選擇是重要因素之一。電站機組的蝸殼尺寸大, HD 值高, 水頭變幅大, 蝸殼外圍二期混凝土相對較薄, 合理選擇蝸殼混凝土結構型式, 增強蝸殼結構的剛度, 有利于提高機組運行穩定性。針對上述問題開展了大量的設計和試驗研究工作。
1) 采用大比尺物理仿真模型, 研究結構的受力特性、超載能力和破壞形態。武漢大學水利電力學院和長江水利科學院分別進行了模型試驗, 兩者的試驗成果相近, 可信度高。
2) 大量的三維有限元計算, 成果包括: 充水保壓方案優于墊層蝸殼方案; 對保壓水頭進行了優選; 在確定保壓水頭70 m以后, 研究提出了保壓保溫控制標準和措施。
3) 可考慮溫度、徐變、自重、水壓等荷載和縫面接觸問題, 同時又可模擬結構、材料參數和邊界條件隨混凝土齡期和施工過程變化的三維有限元仿真計算。采用數值分析、結構模型試驗和原型觀測分析相結合的技術路線進行綜合研究, 研究成果已應用于三峽左岸電站廠房工程。
4 雙線連續五級船閘工程[7～9 ]
4.1 船閘總體設計
雙線連續五級船閘是工程蓄水后解決船舶過壩的關鍵設施。三峽工程能否解決高壩通航問題, 直接關系到長江黃金水道航運的發展和沿江地區經濟的發展。根據壩址的地形地質特點和河道復雜的水沙條件, 首先對與船閘技術可行性、先進性和運行可靠性有關的帶有全局性的總體技術進行了研究。船閘設計總水頭113 m , 遠大于目前世界上已建船閘的最大總水頭7218 m , 壩址河道地形和水沙條件復雜。經研究, 提出了采用雙線連續五級船閘(見封面) , 并對船閘主體建筑物基本結構型式做出了決策, 解決了三峽水利樞紐高壩通航的問題。
4.2 高水頭大型船閘輸水技術
高水頭船閘的輸水技術水平直接影響船閘的運行安全和船舶過壩的效率, 是目前世界上大型高水頭船閘必須解決的一個技術難題。船閘輸水系統必須滿足三個重要指標, 即輸水時間要滿足通過能力的要求, 控制在12～13 min ; 廊道系統的水流條件必須防止對廊道和閥門造成氣蝕和聲振; 閘室的水面升降平穩, 上下游引水和泄水滿足船舶通航水流條件的要求。三峽船閘級與級之間的最大輸水水頭4512 m , 遠大于目前世界上已建船閘的最大輸水水頭3614m。經研究, 采用先進的船閘輸水綜合技術, 解決了船閘閘室快速、安全、平穩輸水的難題, 保證了在船閘充泄水過程中, 上下游引航道通航的水流條件。
4.3 深切高陡邊坡的穩定、變形控制與大型襯砌結構研究
船閘高邊坡集高、陡、長于一體, 不僅規模大、形態復雜, 巖石開挖后, 巖體存在深切開挖卸荷變形的問題, 船舶過閘對邊坡穩定的要求高, 如此復雜的船閘高邊坡問題, 在國內外尚無先例。不僅要保持高邊坡巖體在施工期和運行期的穩定, 要求巖體作為船閘結構的一個組成部分與襯砌結構協同工作, 還要考慮邊坡巖體變形對船閘設備正常運行, 特別是對人字閘門正常運行的影響。通過應用大量高新技術進行地質勘測和多種現場科研試驗,用不同模型進行計算分析, 采用開挖、加固、防滲、排水等綜合技術, 可靠地解決了高邊坡的穩定與變形問題。在此基礎上, 通過合理采用巖槽的開挖形式(保留兩線船閘間巖體隔墩) 和船閘的結構型式, 大量節省了工程量和投資, 保證了船閘的建設工期。
4.4 高大人字門結構和啟閉機可靠性研究
船閘人字門的規模和淹沒水深均超過當前世界最高水平。通過引入新的設計概念, 采用新方案、新材料、新工藝和新設備, 解決了高大人字門結構受力、運行的可靠性及其特大啟門力等技術難題。
4.5 復雜工況下船閘運行監控技術
三峽五級船閘設備多, 首先船閘需根據上下游不同的水位組合, 分別采用不同的級數運行, 在同一級船閘中根據上下游來船的不同, 時有1～3 個閘室同時在過船運行, 一個閘室的兩側閥門通常為雙邊同步運行, 有時只一邊運行, 在某些水位情況下參與運行的第二級閘室需要補水等等, 運行工況遠較一般船閘復雜。為保證船閘運行的可靠性和效率, 經研究, 船閘按照集中和分散兩套控制方式進行設備配置, 并自主開發了多種對船閘進行監控的專用軟件, 保證了在復雜工況下, 安全、可靠、靈活地對船閘進行監控, 并為船閘集中自動監控技術的推廣應用奠定了基礎。
4.6 高難度的船閘施工技術
三峽船閘施工工程量大、工期緊、技術難度高。170 m 深切巖坡開挖, 其下部直立開挖部分需作為船閘結構的組成部分, 要求保持巖坡的強度和完整性, 高薄襯砌墻混凝土澆筑、高大閘閥門設備的安裝等施工難度均非一般船閘施工可比。針對復雜地質條件下高達6815 m 直立巖坡的開挖、300 t級長達60 m 的水平錨索施工, 對施工工序、直立坡成型、爆破控制, 錨固的設備和器材, 提出了成套工藝和技術要求, 并分別提出了多種控制巖體質量的新技術和水平錨固工程的高精度施工工藝及技術標準。混凝土澆筑首創采用了已獲國家專利的先進立模施工新技術。針對金屬結構和設備安裝提出了大型人字門、閥門、設備安裝的專用標準和安裝工藝等, 保證了船閘施工的質量和工期。
5 特大型水輪發電機組[1 ,3 ]
水輪發電機組是發揮三峽工程發電效益的關鍵設備, 它在電力系統中承擔基荷、調峰、調頻及進相運行等重大作用。設有26 臺特大型水輪發電機組的三峽電廠是當今世界上最大的水電站。它在實現“西電東送”和全國電力聯網的戰略, 實現我國能源結構的優化配置方面, 具有極其重要的地位。由于三峽工程防洪和排沙的需要, 三峽水輪機的運行水頭變幅甚大, 達40 m。又由于確保運行可靠、安全、穩定的原則, 必須擺在首位考慮, 使得機組的設計、制造、安裝都具有很大的難度, 并超過了世界上已有的大型水電機組。
1) 單機容量70 ×104 kW 的三峽電站水輪發電機組是世界上單機出力最大的混流式水電之一。其主要技術參數代表了當今世界的先進水平, 亦反映了水輪機的最新發展趨勢。其中, 水輪機真機效率達到96 % , 發電機效率達到98.77 %。
2) 三峽機組尺寸巨大, 水輪機轉輪直徑達10m , 發電機定子機座外徑達2114 m , 定子鐵芯內徑達1818 m , 鐵芯高度達3173 m , 均為世界之最, 其單臺機組質量約6 600 t , 是目前世界上最大的水輪發電機組。
3) 三峽發電機的推力負荷達5 500 t , 亦為當今世界之最, 伊泰普發電機的推力負荷為4 700 t 。
4) 針對三峽電站的特點, 在水輪機和發電機的設計制造過程中采用了目前世界上成熟的新技術、新結構和新材料。如CFD 技術, X 葉片, 通流部件普遍采用不銹鋼材料等。
5) 三峽電站左岸14 臺機組采取公開招標、議標決策的方式, 責任方為國外制造廠商, 國內工廠參與, 并與國外廠商聯合設計, 合作生產, 加速和極大提高了我國巨型水輪機的研究、設計、制造能力和應用水平, 極大地促進了我國巨型水電機組國產化的進程。
6) 三峽左岸電站機組安裝創造了一年內(2003 年) 連續安裝、投運6 臺70 ×104 kW 機組,總容量達420 ×104 kW 的世界最高記錄。
6 三峽工程導截流及圍堰工程
6.1 施工導流及施工期通航研究[ 10]
長江為航運黃金水道, 施工期的航運暢通非常重要。三峽工程施工導流方式及施工通航方案與工程樞紐總體布置、施工導流、施工布置和總進度密切相關, 為一龐大復雜的系統工程。必須運用系統工程的思路論證決策施工導流方案; 不同的導流方式產生不同的通航效果。通過多年的方案比較研究, 確立了“三期導流、明渠通航、圍堰擋水發電”的施工方案。施工期通航問題的關鍵時期為主河道截流期至庫水位蓄至135 m 永久通航建筑物啟用前期間。按初步設計, 施工通航有三條通道(導流明渠兼作通航、臨時船閘和一線垂直升船機) 。后升船機緩建, 如何改善明渠和臨時船閘的通航條件, 確保施工期長江航運基本暢通, 以及如何挖掘明渠通航潛力, 緩解臨時船閘過船壓力, 提高明渠、臨時船閘的綜合通過能力等方面的研究就更為重要。
該項目研究影響因素諸多, 技術難度高, 意義重大, 為了更好地完成并實施該項目, 開展了全方位的、全國性的聯合技術攻關。既有大量的物理模型及原型試驗研究, 又有數學模型計算分析; 既有原型資料的分析研究, 又預測了未來施工期通航能力及影響; 既有工程施工影響的跟蹤模型試驗及原型運行觀測, 又建立了工程運行安全的信息反饋保障系統。主要科學技術內容和創新成果如下:施工導流方案比較研究: 三斗坪壩址河床寬闊, 壩址處有中堡島, 形成了良好的分期導流條件。施工期通航問題至關重要, 分期導流的具體方案設計, 必須結合施工期通航方案一并研究。為此, 研究比較了右岸導流明渠施工期不通航和通航兩種類型的多種方案。
明渠通航與明渠不通航方案比較研究: 由于施工導流方式及施工通航方案, 特別是明渠是否兼作通航航道, 還直接影響工程的施工總進度及施工期通航問題。經多年研究, 明渠通航和不通航方案具有不同的特點。三峽工程施工期采用導流明渠結合臨時船閘和升航機通航, 既有利于提高施工期通航保證率、增加通航可靠性, 又有利于減少初期工程規模、縮短工期、提前發電。
導流明渠體型、布置及臨時船閘通航技術研究: 針對三峽壩址復雜的彎道水流現象, 對明渠的布置、規模、體型等進行了系列試驗研究。最后選定的導流明渠體型及布置, 成功地解決了復雜彎道水流條件下明渠“導流”和“通航”設計流量相差較大(近4 倍) 等矛盾。明渠導流經受了1998 年特大洪水的考驗, 并成功地保障了6 年施工期的安全通航。
臨時船閘通航技術研究內容主要包括: 臨時船閘引航道的清淤減淤措施; 研究改善臨時船閘引航道口門區通航水流條件的措施。提高明渠汛期通航能力研究: 當長江為中、小流量時, 船隊多由明渠通行, 入汛后, 明渠水陡流急, 船隊無法通行, 須改由臨時船閘通過, 但臨時船閘規模較小, 引航道泥沙淤積, 清淤與通航相互干擾, 上下錨地相距較遠, 品字形超寬船隊解編,以及較難預測的臨時船閘運行故障導致的停閘檢修, 將出現長江斷航, 因此研究明渠汛期通航及提高通航能力的措施顯得非常必要。為此, 在滿足設計通航流量的條件下, 通過提高明渠汛期通航能力研究(減駁減載、施絞換推等工程措施的采用) ,使施工期通航流量由設計的20 000 m3/ s 提高到40 000 m3/ s (上水) ～45 000 m3/ s (下水) , 成功地實現了施工期長江航運的暢通。基于以上成果, 鑒定委員會認為, 在特大型綜合水利樞紐工程建設中, 在巨大導流流量(79 000m3/ s) 和極高通航水流條件下, 滿足了客貨量的通過能力(1 500 ×104 t/ a) , 成功地在彎道上解決了明渠導流及施工通航的關鍵技術問題, 成果總體上達到國際領先水平。
6.2 長江兩次截流及深水高土石圍堰關鍵技術[ 11 ,12]
6.2.1 大流量深水河道截流技術
三峽工程截流包括大江截流和導流明渠提前截流, 截流成功后都面臨在一個枯水期快速修建深水高土石圍堰。三峽工程大江截流和明渠提前截流的難度, 與世界上單項水力學指標最高的一些截流工程比較, 都是較高的, 其綜合困難程度乃世界截流史所罕見。1997年11 月8 日大江截流和2002 年11 月6 日導流明渠提前截流成功, 標志我國河道截流技術已躋身世界領先地位。
三峽工程大江截流是修建二期上下游土石圍堰關鍵性的第一道工序, 其目的是截斷長江主河道,迫使長江水流改道從導流明渠渲泄。截流最大水深達60 m , 居世界截流工程之冠。大江截流施工與航運關系密切, 截流過程必須兼顧通航。截流河床地形地質條件復雜, 深槽新淤砂及其左側陡峭巖壁, 對截流戧堤穩定極為不利。針對大江截流水深, 戧堤進占出現堤頭坍塌的難題, 探討了深水截流堤頭坍塌的機理, 提出并采用了深水平拋墊底措施, 有效防止了堤頭坍塌事故的發生, 1997 年11月8 日, 龍口順利合攏。實測截流流量11 600～8 480 m3/ s , 落差0166 m , 最大流速4122 m/ s ,截流最高日拋投強度12109 ×104 m3 。
明渠截流初步設計為12 月上旬, 截流流量為9 010 m3/ s , 鑒于后續工程施工工期緊, 施工壓力大, 極大地制約著工程的施工進程, 明渠截流宜盡量提前, 而明渠提前截流又涉及諸多復雜因素, 不但導流建筑物應具備提前投入運行的條件, 而且提前截流本身在截流難度方面將產生實質性變化。明渠提前截流具有截流流量大( 設計流量Q =12 200～ 10 300 m3/ s) 、截流水深(20～25 m) 、落差大(相應設計流量落差5177～4111 m) 、龍口流速大(最大垂線平均流速7147～6168 m/ s , 最大點流速達8147 m/ s) 、截流總功率大, 達6910 ×104～4115 ×104 kW , 截流難度極大。同時, 明渠屬人工河道, 基面平整光滑, 對拋投料穩定不利;截流進占時, 必須以右岸端進為主, 單堤頭拋投強度極高; 同時也要兼顧通航; 再加上明渠截流水深大而水面坡降極小等。制約因素復雜、施工強度高, 存在許多關鍵技術及難題, 是當今世界上截流綜合難度最大的截流工程。為此進行了多年的一系列關鍵技術攻關研究。不論是截流工程關鍵技術研究, 還是高質量截流的信息跟蹤, 以及動態決策保障系統研究等方面, 均取得了創新成果。
6.2.2 深水土石圍堰關鍵技術
二期上下游土石圍堰最大高度8215 m , 堰體施工最大水深60 m ,為深水土石圍堰。圍堰基礎地形地質條件復雜, 上部為淤砂層, 下部為砂卵石及殘積塊球體夾砂層,基巖面起伏差較大, 且表層巖體為較強透水帶, 河床深槽左側為高差30 m、坡角近80°的陡巖。圍堰型式為兩側石渣及塊石體、中間風化砂及砂礫石堰體, 塑性混凝土防滲墻上接土工合成材料防滲心墻。在河床深槽部位堰體中間設兩排防滲墻, 兩墻中心距6 m , 墻厚1 m , 墻底嵌入花崗巖弱風化巖石1 m , 其下接帷幕灌漿。圍堰填筑量達1 032 ×104 m3 , 且80 % 堰體為水下拋填, 防滲墻面積達814 ×104 m2 , 需在1998 年汛前建成度汛, 工期緊、強度高、施工難度大, 為國內外已建水利水電工程罕見, 是三峽工程建設中的重大技術難題之一。圍堰于1998 年6 月搶至度汛高程, 先后經受長江8 次洪峰考驗, 在洪水流量61 000 m3/ s , 最高水位7718 m 時, 圍堰運行正常。
圍堰設計的實質問題是如何在深水拋填的散粒料中和復雜地質條件下, 快速建成一座具有可靠防滲體系的滿足安全運用要求的大型土石壩。其技術難題主要有: 斷面的結構和防滲型式的選擇; 60m 水深下拋填風化砂密度的確定; 深槽、陡坡、硬巖防滲墻的施工技術; 新型柔性墻體材料研制及其質量控制方法; 新淤砂的動力穩定性及其處理。為此, 國家“七五”、“八五”科技攻關以及三峽工程技術設計和施工階段科研等項目中安排了一系列研究課題。圍堰從設計、研究、實施、運行到拆除研究的全過程, 實質上是完整的原型土石壩工程試驗過程, 2003 年5 月順利完成了使命, 并安全拆除。
6.3 三期碾壓混凝土圍堰
三期碾壓混凝土圍堰的修建為雙線五級船閘通航和左岸電站發電及為右岸大壩及廠房創造干地施工創造了條件。堰體為重力式, 堰頂高程140 m ,頂寬8 m , 最大堰高121 m , 最大底寬92 m , 上游面高程70 m 以下坡比1∶013 ; 以上為垂直坡; 下游面高程130 m 以上為垂直坡, 130 m 至50 (58)m 高程為1∶0175 的邊坡, 其下為平臺。
三期碾壓混凝土圍堰, 迎水側4 m 厚防滲層采用二級配碾壓混凝土, R90200 # 、S8 ; 其余為三級配碾壓混凝土, R90150 # 、S4 。沿圍堰軸線40～42 m設1 條結構橫縫, 相鄰結構橫縫中間設誘導縫, 不設縱縫。堰體設置兩層廊道, 第一層為基礎灌漿排水廊道, 其底板最低高程40 m ; 第二層為堰體排水觀測廊道, 其底板高程90 m , 堰體排水孔距3 m。三期碾壓混凝土圍堰主要工程量: 基礎開挖6516 ×104 m3 , 混凝土量167136 ×104 m3 , 固結灌漿6 650 m , 帷幕灌漿6 510 m , 基礎排水孔2 950 m。圍堰分二個階段施工: 基坑積水抽干后進行第二階段施工, 澆筑明渠段碾壓混凝土110166×104 m3 , 明渠段沿圍堰軸線長380 m , 堰體高度90 m。要在2003 年5 月底, 即不到5 個月的時間內完成。為攻克這一技術難題, 開展科技攻關, 全面優化和采用新工序, 使碾壓混凝土澆筑提前于2002 年12 月16 日開始, 于2003 年4 月16 日全部澆筑至實際高程140 m , 避開了高溫季節澆筑碾壓混凝土的難題, 提前完成了任務: 最大倉面面積達到19 012 m2 ; 最大月澆筑強度達4716 ×104 m3 ;最大日澆筑筑強度達21 066 m3 ; 最大班率達到7 250 m3 ;最大小時澆筑達到1278 m3 ; 以及日上升112 m。
7 特大型工程管理創新
7.1 三峽工程建設管理體制
黨中央、國務院高度重視三峽工程建設, 形成了特大型工程的科學決策體系。為了確保工程建設的順利進行, 國務院決定成立國務院三峽工程建設委員會(三建委) , 是三峽工程的高層次決策機構,由國務院總理任主任, 國務院有關部委及重慶市、湖北省政府主要負責人為委員。三建委下設辦公室, 負責三建委的日常工作, 制定三峽工程移民安置的方針政策, 審批移民安置規劃和實施計劃, 并對移民搬遷的具體實施進行監督。經國務院批準成立的中國長江三峽工程開發總公司, 是一個獨立核算、自主經營、自負盈虧、具有法人地位的經濟實體, 是三峽工程建設的項目法人, 全面負責三峽工程的建設和建成后的運行管理, 負責三峽工程建設資金(含水庫淹沒處理與移民安置費用) 的籌措和償還, 成立技術委員會主要對三峽工程重大技術問題進行審查咨詢。工程設計由長江水利委員會總成。經招投標選擇施工承包商和監理單位。除直接參加三峽工程建設單位外, 還有國內有關科研院所和高等院校數千名科技工作者參加了三峽工程建設的科研攻關工作。
7.2 投資管理模式
首創“靜態控制、動態管理”的投資管理模式, 工程投資得到有效控制; 建立和完善了以概算控制和合同價管理為基礎的、具有雙重約束機制的投資控制體系; 編制了業主總執行概算、分階段執行概算和合同項目實施控制價作為工程建設過程中投資控制的依據; 加強了設計、招標、合同管理全過程的投資控制; 成功地探索了一套建設項目價差管理辦法, 對因價格波動影響導致的工程投資變化進行科學管理; 建立了投資跟蹤預測和風險分析制度, 推行全面預算管理, 嚴格控制費用。這些措施的建立和完善, 使工程投資得到了有效控制。至2003 年底, 三峽工程累計完成固定資產投資1 005億元, 其中樞紐工程靜態投資完成363 億元, 占工程概算(靜態) 的73 %; 水庫移民靜態投資完成304 億元, 占移民概算(靜態) 的76 %; 價差預備費192 億元, 利息135 億元, 庫區移民包干外投資11 億元。與1994 年投資測算方案相比, 總投資減少64 億元, 靜態投資因移民投資列報提前增加89 億元, 價差和利息分別減少130 億元和34 億元。從完成的樞紐工程量和列報投資匹配情況看,與概算比較, 絕大部分項目的工程量完成比例高于投資完成比例, 說明樞紐工程投資列報規范, 控制情況較好。
7.3 多元化融資
形成了多元化的融資格局, 保障了工程建設的順利進行。適應三峽工程不同階段的特點, 制定了分階段的籌資方案。在一期建設階段, 以國家注入的資本金和政策性銀行貸款作為主要的資金來源。在二期建設階段, 逐步加大了市場融資份額, 從1997 年開始進入國內債券市場發行企業債券, 成功發行6 期共190 億元企業債券, 并使用了國外出口信貸及國際、國內商業銀行貸款。在開始轉入三期工程建設階段時, 長江電力于2003 年11 月18日成功上市, 募集資金100.018 億元。總公司在資本市場上開辟了“三峽債券”和“長江電力”兩個具有品牌形象的債券和股票融資窗口。截止2003年底, 三峽工程累計到位資金1165.7 億元, 其中作為國家資本金注入的三峽基金和葛洲壩電廠發電收益456.9 億元, 占到位資金的39.2 %; 債務融資合計521.9 億元, 占到位資金的44.8 %; 向長江電力出售機組獲得現金187 億元。資金運作良好, 及時足額到位, 保障了工程建設和移民資金撥付的需要。
7.4 工程質量保證體系
為保證三峽特大型工程的質量, 三峽工程制定了一套完整的質量標準, 建立健全了工程質量保證體系, 質量管理水平不斷提高。總公司認真貫徹落實黨中央、國務院領導關于三峽工程質量的一系列重要指示和國務院三峽工程建設委員會質量檢查專家組意見, 牢固樹立質量第一的思想, 提出了“零質量事故”管理目標; 建立和健全了三峽工程質量保證體系, 頒布實施了符合三峽工程特點并高于國內行業標準的質量標準體系, 加強了混凝土原材料、生產、澆筑、養護和金結機電設備制造、安裝、調試全過程的質量控制, 采取了一系列管理和技術創新措施, 如推行了單元工程工藝設計、設立了質量特別獎、聘請了國內外專業質量總監等。經過10 年建設, 2003 年雙線五級船閘、左岸大壩、茅坪溪防護土石壩、左岸電站廠房、三期碾壓混凝土圍堰等主要建筑通過國家階段驗收, 蓄水后(水位135 m～139 m) 各項安全監測數據表明, 各建筑物工作性態正常, 各項指標均在設計允許范圍之內, 工程是安全可靠的。在三期工程施工中, 全面總結和吸取了二期工程的經驗教訓, 繼續實行和完善專業質量總監職能, 全面修訂和落實三峽工程質量標準, 進一步規范三期工程施工技術要求, 切實加強溫控措施, 建立質量檢查與處理的快速反應機制和堅持工藝設計制度, 堅持職工培訓, 樹立精品意識, 有效地保證了混凝土的施工質量和水輪發電機組的安裝質量。
7.5 工程進度管理
制定科學的進度計劃, 階段性控制目標均按期或提前實現。為適應三峽工程規模大、項目多的特點, 逐步建立和完善了以項目管理為基礎、以信息化為輔助手段的進度控制體系; 根據設計批準的控制性總進度編制了實施進度總計劃, 并在此基礎上進一步細化、分解, 編制了分項目的年度、季度、月度計劃和保證計劃按期實現的施工組織設計; 同時引入了先進的管理理念和現代化的管理工具, 提升了進度控制水平; 應用P3 軟件制定最佳的項目目標實施計劃; 在實施過程中, 重點加強對節點工期目標的控制, 對于偏離或滯后于計劃的項目, 及時進行動態調整, 優化技術方案, 加大資源配置,采取有效的激勵措施, 確保所有項目按計劃實施。
7.6 安全生產管理
堅持以人為本, 安全生產管理逐步走向制度化、標準化和規范化; 認真貫徹落實《安全生產法》, 堅持“安全第一、預防為主”的方針, 提出了“零安全事故”管理目標, 并聘請了日本的安全總監, 引進了國外先進的管理理念和措施, 不斷完善三峽工程安全生產管理體系, 落實安全生產責任制, 強化各項管理措施; 頒布實施了《三峽工程安全生產十項硬性規定》, 嚴格執行了“周聯合檢查制度”、“干部對口班組培訓管理制度”、“班組六項工作循環制度”等規定; 對民工實行了“四統一”管理, 即統一用工、統一食宿、統一勞保、統一培訓, 改善了民工的生產和生活條件; 在全工地廣泛開展了創建文明施工區活動, 進一步促進了安全生產管理工作; 死亡、重傷事故得到有效遏制, 事故頻率大大下降, 是三峽工程開工以來事故起數、死亡與重傷人數最低的年份; 高度重視電力安全生產, 特別是對新投產機組采取了一系列技術和管理措施, 保證了機組的安全運行。
7.7 工程信息化管理
在1995 年三峽工程開工初期, 總公司就開始與加拿大合作建設三峽工程管理信息系統( TGPMS) , 這也是中國水電工程界首次引進管理信息系統(MIS) 。通過消化吸收和二次開發, 實現了三峽工程全過程、全方位信息控制與管理目標, 促進了工程建設的科學管理, 并在國內數個大中型建設項目中推廣應用。運用計算機控制技術,初步實現了三峽- 葛洲壩梯級樞紐運行調度管理自動化, 建成了三峽- 葛洲壩水庫水情自動測報分析系統、梯級樞紐優化調度和發電調度系統、三峽泄洪設施、左岸電站、雙線五級船閘現地自動監視和集中監控系統, 上述系統于2003 年陸續投運。2003 年又成功開發了電力生產管理信息系統(EPMS) , 這個系統是三峽電廠生產管理的信息平臺, 可定量監控生產成本和優化企業資源配置, 它的建成為三峽電廠促進電力生產科學管理, 創國際一流電廠奠定了基礎。
7.8 壩區管理與環境保護
實行“業主為主, 地方配合”壩區封閉式的管理, 為工程建設創造了良好的環境; 總公司和地方政府加強合作, 企地共建, 以服務三峽工程建設為目標, 以業主為主導, 地方政府積極配合和參與管理, 確保了三峽壩區及其周邊地區的政治穩定和社會安定, 保障了工程建設的順利進行; 樹立全面、協調、可持續發展的觀點, 高度重視生態環境的保護, 將環境保護和工程建設進行同步規劃、同步實施, 加強了壩區綠化, 水土保持, 防治水環境保護和大氣保護等工作, 改善了壩區自然環境。
8 結論
三峽工程規模巨大、技術復雜, 面臨一系列世界級難題, 科技創新貫穿于工程建設的全過程, 針對重大技術難題, 匯集全國科技精華, 充分發揮專家的作用, 展開科技攻關, 并借鑒國外先進經驗,科學決策, 取得了一系列技術上的重大突破, 實現了質量、進度和投資的有效控制, 保證了二期工程蓄水、通航、發電建設目標的實現。蓄水后各項安全監測數據表明, 各建筑物工作性態正常, 各項指標均在設計允許范圍之內。該項目研究成果已在工程建設中得到了全面應用, 主要研究結論如下:
1) 研究比選確定壩址、樞紐總體布置和工程總規模; 大壩采取深孔、表孔、導流底孔三層孔口相間布置縮短了泄洪前沿, 解決了樞紐大泄流能力的世界級難題; 采取多種綜合工程措施, 解決了壩基局部高連通率結構面穩定的難題; 解決了大型鋼襯鋼筋混凝土壓力管道設計方法; 大壩混凝土年澆筑強度居世界第一。
2) 研究采用適合壩址河道地形和水沙條件特點的雙線連續五級船閘和先進施工技術, 解決了總設計水頭遠大于世界已建船閘的高壩通航難題。
3) 水輪發電機組最大容量、尺寸、推力負荷、效率均居世界領先水平, 解決了低水頭可多發電,高水頭可穩定發電的難題, 滿足電網對機組的要求, 創年安裝投產6 臺機組的世界最高水平。
4) 導流方案確保了施工期復雜流量條件航運暢通, 解決了深水、大流量、厚覆蓋層河床大江截流及綜合難度世界第一的明渠截流難題; 快速建成80 m深水高土石圍堰和90 m碾壓混凝土圍堰。
5) 形成了一整套特大型水電工程建設管理模式,建管無縫交接, 實現了長江流域梯級滾動開發。
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