三峡工程若干重大技术问题的研究和突破

http://www.sina.com.cn 2003年10月28日09:18 中国三峡工程报

　　张超然

　　三峡工程是治理和开发长江的关键工程，规模宏大、举世瞩目。它具有防洪、发电、航运等多种综合效益。三峡工程又是一项涉及科学技术、经济、社会发展等多门类的复杂的系统工程。在其论证、决策、实施过程中所面临的技术、经济以及环境等诸多重大问题，都必须通过科学研究的途径才能予以解决。科学技术是第一生产力，科学研究贯穿了三峡工程

的全过程，真正发挥了科学技术在工程建设中的基础和先导作用。

　　本文仅就截流和深水围堰技术、大坝混凝土施工技术、双线五级船闸高边坡和金属结构技术，以及巨型水轮发电机组技术作一扼要的介绍。一、截流和深水围堰技术

　　三峡工程截流包括大江截流和导流明渠截流，截流成功后都要在一个枯水期快速修建深水高土石围堰。为做到土石围堰挡水过程不漏水，必须有可靠的防渗结构。三峡工程大江截流和明渠截流的难度，与世界上单项水力学指标最高的一些截流工程进行比较，都是较高的，其综合困难程度乃世界截流史上所罕见。1997年11月8日大江截流和2002年11月6日导流明渠截流成功，标志我国河道截流技术已跻身世界领先地位。

　　（一）大江截流和混凝土防渗墙施工技术

　　二期围堰施工，是关系三峡工程施工成败的关键性项目之一。大江截流和混凝土防渗墙施工是二期土石围堰的两个关键技术问题。

　　1、大江截流

　　三峡工程大江截流，具有截流水深和流量大、截流施工强度高和工期紧、截流进程中有通航要求、以及戗堤基础覆盖层深厚等难点。三峡坝址位于葛洲坝枢纽水库回水区，截流时河床最大水深约60米截流水深居世界首位。如何防止戗堤进占时堤头坍塌，保证堤头稳定，成为截流实施过程中的关键问题。为此，有关单位和部门开展了大量水力学模型试验、数值计算和机理分析研究。试验和分析结果表明，当水深减少到20米左右时，可以有效防止堤头坍塌，保证堤头安全稳定。据此最终确定采用预平抛垫底、上游单戗立堵、双向进占、下游尾随进占的方案。1996年汛后，截流戗堤开始预进占，至1997年汛前，形成上游460米宽的口门，下游口门宽480米并安全度汛。1997年9月，随着长江流量的递减，截流戗堤继续预进占。1997年11月8日9时，开始龙口合龙，下午3时30分，大江截流合龙胜利完成。三峡工程大江截流，创造了截流流量8480～11600立方米每秒截流水深60米上下游戗堤进占24小时抛投强度19．4万立方米的世界纪录。

　　大江截流设计及施工技术研究与工程实践荣获1999年国家科技进步一等奖。

　　2、深水围堰和混凝土防渗墙技术

　　二期围堰担负着三峡工程建设第二阶段施工期间保障大江基坑常年施工的任务。二期围堰的技术难点是：最大堰高82．5米土石方总填筑量1220万立方米，防渗体总面积20万平方米，其中混凝土防渗墙近10万立方米，围堰规模居世界前列。堰址水深达60米约2／3的堰高在水下施工，难度很大。堰址地质情况复杂，覆盖层中有块球状孤石，表面有粉细沙层，地形起伏大，有深槽和陡坡，不利防渗墙的施工。根据现场条件，采用风化砂作主要填料。水下抛填时结构松散，难以密实，物理力学指标差，围堰变形大。必须在一个枯水期内完成，施工强度高，月填筑强度超过300万立方米，防渗墙月成墙面积达13000平方米。二期围堰的最大难点是混凝土防渗墙施工。在1998年至2002年汛期前的4年多的运行期中，围堰确保了左岸基坑主体工程的顺利施工和坝址下游安全。在深水抛填风化砂和砂砾石堰体中建造深度达74米的双排柔性混凝土防渗墙，围堰的工程质量优良，实测渗流量仅为每秒65立方米，为同类大型土石围堰中所罕见。首次采用离心模型试验新技术确定了60米水深下抛填风化砂的密度为每立方米1．75～1．85吨，水下坡角约27度，这一技术研究成果解决了深水围堰设计的一大关键技术问题。数值分析工作跟踪设计和建设全过程，在优化设计和指导施工方面发挥了重要作用。利用风化砂和工程弃料，成功研制了满足深水围堰防渗墙设计要求的柔性墙体材料，在国内外大型工程中尚属首次使用。研究制造了具有国际先进水平的施工设备和配套机具，解决了花岗岩块球体层及高差大于30米、坡度70～80度，双向陡坡基岩以及抛填风化砂的成槽难题，创造了防渗墙月施工强度13000平方米的新纪录。在拆除过程中，对围堰和防渗墙进行了全面的检查、取样和分析，证明围堰的勘测、科研、设计、施工是完全成功的，对类似工程有借鉴作用。

　　（二）导流明渠截流

　　导流明渠截流是在人工浇筑的混凝土底板所形成的光滑河床上进行，抛投物不易稳定。江水流量大（每秒10300立方米），落差大（4米多），流速高（每秒9米），综合难度大于大江截流。三峡建设者采用钢架石笼和合金钢网兜垫底加糙，增加河底的摩擦力，减小合龙的难度，最终形成拦石坎，确保了抛投料的稳定。导流明渠截流采用了双戗截流分担落差的方案。在施工中，上游戗堤承担2／3的落差，下游戗堤承担1／3的落差。这种复杂的截流方式，控制协调较困难。在明渠截流过程中，双戗同步进展控制很好。2002年11月6日，三峡工程导流明渠截流成功。该施工技术荣获由中国科学院和中国工程院联合举办的振邦杯2002年中国十大科技进展新闻之一。二、大坝混凝土施工技术

　　（一）大坝混凝土快速施工技术

　　三峡工程混凝土总量高达2800万立方米，质量要求高，施工难度大，必须采用成套先进设备和混凝土快速施工新技术，才能保证工程的质量和工期。三峡大坝混凝土浇筑从1998年开始，1999年至2001年连续3年浇筑量都在400万立方米以上，均刷新世界纪录，3年共浇筑混凝土1409万立方米。其中2000年创造了混凝土年浇筑强度548万立方米、月浇筑强度55．35万立方米、日浇筑强度2．2万立方米的世界最高纪录。

　　三峡大坝混凝土快速施工，在以下方面取得了重大技术进展和突破。

　　1、以塔带机连续浇筑混凝土为主的综合施工技术

　　为保证三峡大坝混凝土高强度高质量施工，多年来，有关部门和单位对施工方案和主要施工设备进行了反复的论证。三峡建设者突破传统观念束缚，优化资源配置，选定以塔带机为主，辅以高架门机、塔机和缆机的综合施工方案。从传统常规的吊罐浇筑改变为混凝土一条龙连续生产工艺。该浇筑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，集混凝土水平运输和垂直运输于一体。配置5大混凝土拌和系统，设计拌和能力为每小时2500立方米。为实现砂石料的优质快速生产和供应，采用国际先进的成套生产加工设备。并充分利用基坑开挖料等，采用冲击式破碎制砂机、拌磨机、筛分及回收石粉联合制砂新工艺，有效地保证了混凝土快速施工的需求。塔带机具有连续浇筑、生产率高、适应混凝土工厂化生产的特点。三峡工程左岸厂坝部位布置6台塔带机，单台平均生产率为每小时100立方米左右，高峰可达200立方米。单台平均浇筑月强度3～4万立方米，高峰可达5万立方米。

　　2、建立一整套快速施工工艺和管理体系

　　结合三峡工程的实践，三峡建设者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。开发研制了混凝土生产运送浇筑计算机综合监控系统，实现了混凝土施工全过程的实时监控、动态调整和优化调度。针对混凝土浇筑的复杂状况，对施工方案和施工计划进行科学的选择和安排，突破了传统的经验判断模式，成功地开发了混凝土浇筑施工计算机模拟系统。

　　3、混凝土原材料及配合比优化

　　为满足三峡工程混凝土耐久性的特殊要求，在大量试验后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0．5％），要求混凝土中总碱量小于或等于每立方米2．5公斤；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，大大改善了混凝土的和易性，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4级配混凝土用水量由每立方米110公斤减少至90公斤左右。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。

　　4、二次风冷技术

　　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，设计生产能力为每小时1720立方米，设计夏季高峰月混凝土浇筑强度为44万立方米。针对三峡工程的特殊性及混凝土预冷工艺的要求，经反复试验后首次采用了二次风冷骨料技术。

　　7℃低温混凝土生产线的工艺流程为：利用地面二次筛分所设骨料调节仓作冷却仓，进行第一次风冷粗骨料，使用0℃～－5℃冷风，将粗骨料由28℃左右冷却到8℃～10℃。再通过拌和楼料仓进行第二次风冷，使用－13℃～－17℃冷风，将粗骨料冷却到0℃～－6℃，最后每方混凝土再加40～50公斤片冰或低温水拌和混凝土。二次风冷骨料技术的创新点，是地面骨料风冷替代常规的水冷骨料工艺，与高效冷风机及其相应的送配风装置组成冷风闭式循环系统，用以连续冷却骨料。

　　5、混凝土综合温控技术

　　三峡左岸大坝柱状块尺寸大，基础温差标准高，加上坝区气温骤降骤升频繁，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。采用了从选择优质原材料、优化混凝土配合比、控制混凝土出机口和浇筑温度、通水冷却、表面保温和流水养护等一整套温控措施。尤其是高温季节，塔带机快速高强度浇筑坝体约束区混凝土，这一整套温控技术在国内外水电工程建设中尚属首次采用，确保了混凝土的浇筑质量。

　　2003年6月10日，三峡水库蓄水至135米高程。截止2003年9月底，根据埋设在大坝各部位的6252支各类监测仪器观测结果表明：大坝基础变形小于1毫米，基础渗流量为904升／分，仅为设计量的1／10；大坝水平位移和应力均在设计允许范围之内，完全满足设计要求。大坝质量优良。

　　（二）三期碾压混凝土筑坝技术

　　三峡工程三期碾压混凝土围堰，在三期上下游土石围堰保护下修建而成，它建成后将与下游土石围堰联合确保右岸大坝、右岸电站厂房和右岸非溢流坝段的施工，并与左岸大坝一起承担着135米蓄水位的挡水任务，相应库容124亿立方米，遇校核洪水时挡水139．8米，相应库容147亿立方米。其运行期虽然只有3～4年，可是它是三峡工程二、三期衔接的关键性控制工程，也是三峡工程建设中的难题之一。

　　碾压混凝土围堰为重力式坝型，堰顶长580米，堰顶高程140米，最大堰高115米，混凝土总量168万立方米。围堰分两个阶段实施，第一阶段工程于1998年底前完成，工程内容包括右岸一期纵向围堰内段（已浇至140米高程）、河床三期碾压混凝土基础（已由高程25米浇至50米）、三期碾压混凝土围堰岸坡坝段（已浇至140米）。剩余部分为第二阶段施工内容。此阶段修建的坝体全长380米，最大堰高90米，混凝土110万立方米，要在2003年5月底，即不到5个月的时间内完成，其强度之高、难度之大、工期之紧、质量控制之严，都堪称世界水电工程之最。

　　为攻克这一技术难题，中国三峡总公司早就组织有关大专院校和参建各方开展科技攻关。施工中进行科学管理，采用新的工序，该项目于2002年12月16日开始浇筑混凝土，2003年4月16日全部浇筑至140米高程，提前完成了任务，而且创造了碾压混凝土浇筑多项世界纪录：最大仓面面积达到19012平方米；最大月浇筑强度达47．6万立方米；最大日浇筑强度达21066立方米。三、双线五级船闸高边坡和金属结构技术

　　2003年6月1日，三峡工程正式下闸蓄水，6月10日，三峡水库水位达135米高程，6月16日，双线五级船闸开始试通航，从而掀开长江航运史上新的一页。

　　三峡双线五级船闸为目前全球总水头最大，连续级数最多的大型船闸，其船闸的开挖边坡最大高度达170米，是世界船闸开挖边坡高度之最，其中闸室直立墙混凝土衬砌结构最大高度达70米，为世界船闸衬砌式结构高度之最。船闸的最大总水头为113米，地下输水系统反弧门单级最大工作水头45．2米，无论总水头还是单级水头均为目前世界船闸之最。船闸人字门高度和单扇门重量居当今世界之最。

　　（一）永久船闸高边坡施工技术

　　永久船闸横贯枢纽左岸山体，上下游设引航道与长江主河道相连，全长6442米，其中主体建筑物段长1607米。两侧均为连续高边坡，最大边坡高度达170米，边坡高度连续超过120米的范围长达约460米。土石方明挖为4196万立方米，土石方洞挖为98万立方米。其土石方开挖总量，若砌成宽、高各一米的墙，可绕地球赤道一圈。双线船闸中间留有54～57米的岩石中隔墩。因此，在主体建筑物段形成双陡槽式双侧边坡。为充分利用岩石的高强度并考虑降低工程造价，在陡槽部位开挖成直立边坡，闸室的边墙为锚固在直立边坡上的混凝土薄衬砌，边坡的岩体亦构成船闸结构的一部分。

　　和一般高边坡相比，双线五级船闸高边坡具有以下特点：它是在山体中深切出来的陡高边坡，高度大、形态复杂、范围广、应力释放充分，呈现出明显的卸荷和非均质特征；对边坡稳定，尤其是变形特性有严格要求。作为双线五级船闸的边坡，不仅要确保整体和局部稳定，而且对边坡的流变必须严格控制，以满足船闸人字门的正常运行要求。施工难度大、干扰多，工期紧。船闸工程不仅地面施工强度高，窄、深且陡的闸室直立边墙开挖困难，而且与大量地下隧洞与竖井开挖同步进行。

　　如何解决开挖爆破的相互影响，最大限度地减少岩体损伤和确保施工安全，都是需要解决的难题。针对双线五级船闸高边坡的特殊性和重要性，三峡建设者采取了山体内排水，地表水堵、截、排和预应力锚索、高强锚杆、喷混凝土支护，施工中严格控制施工程序和采用整套控制爆破技术，以及加强原型监测和反馈分析，实行动态设计等综合措施。

　　通过对埋设在船闸各个部位的3268支各类监测仪器原型监测资料的综合分析，自1999年4月开挖基本结束后，岩体变形开始趋于稳定。船闸投入运用后，闸室充水过程中船闸首的位移不大于0．5毫米，完全满足船闸人字门正常运行的要求。

　　（二）船闸金属结构

　　三峡工程双线五级船闸金属结构和机电设备制造安装总量达4万多吨，投入使用的各类启闭、机器设备达134台套，不仅数量多，而且制造与安装技术难度大。单级闸室有效尺寸为280米×34米×5米（长×宽×坎上最小水深）。船闸人字门最大门高38．25米，宽20米，单扇门重达850吨，最大工作水头36．25米。

　　针对工作水头高、技术要求严的特点，多年来，国家组织开展了一系列的试验研究，着重研究闸门的抗扭刚度及增大抗扭刚度的措施，顶枢底枢结构形式与受力状态，支枕垫的安全传力等问题。最终选用门侧两端布置连续支枕垫块传递水压力，并兼作止水；顶枢采用楔形块调整方案；底板采用固定式，与连续的刚性支枕垫相配用。第1闸室人字门高37．0米，最大淹没水深达35米，为目前世界上淹没水深最大的船闸人字门。船闸运行采用计算机集控调度的方式。三峡工程双线五级船闸于2002年7月开始进行无水调试，2002年10月开始进行有水调试，2003年6月16日开始试通航。目前船闸已投入试通航近4个月，金属结构和机电设备运行正常，输水系统反弧门开门时间为2分钟，关门时间为4分钟；闸室人字门启门时间为3～3．5分钟闭门时间为3．5～4分钟闸室充泄水时间为10～12分钟，各项技术指标均达到或超过设计要求。唯独不足的是船舶过闸时间比原设计要长些四级运行一般要3．5小时左右。其主要原因是长江上行驶的船舶尺寸大小不一、不规则的小型船舶过多，船型没有标准化。再加上一些船舶动力性能较差，进闸就位时间长。另一方面目前船闸处于135米水位四级运行工况，造成第一闸室水力学条件较为不利，船舶进出闸和运行调度还有一个熟练的过程。相信这些问题将会逐渐得到解决。四、水轮发电机组

　　三峡水利枢纽建设采用“一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民”的方案。枢纽自2003年6月至2006年10月在135米水位运行；2006年汛后水位抬升到156米水位，水库在156米－135米－140米运行；最终正常蓄水位为175米，水库采用175－145－155米的运行方式。因此，三峡水轮机组运行的工作水头变幅特别大。鉴于三峡电站机组台数多、容量大，在电力系统中的地位极其重要，必须从机组选型、设计、制造上采取措施，确保机组运行稳定可靠。按后期运行条件拟定水轮机最优工况的水头，以确保水轮机在高水头运行工况的稳定性和效率，同时也兼顾低水头的运行性能。三峡机组单机额定容量达70万千瓦，是当今世界上最大的水轮发电机组。与三峡机组容量相近的电站机组有巴西—巴拉圭的伊泰普（70万千瓦）、美国的大古力（70万千瓦）和委内瑞拉的古里（60万千瓦）。由于三峡机组额定水头相对偏低，发电机设置最大容量，且机组按最大容量85．2万千瓦设计，因此三峡机组的综合指标为世界之最。

　　三峡电站厂房共安装26台水轮发电机组，其中左岸厂房14台，右岸厂房12台，另外在右岸地下厂房位置还预留6台，最终为32台。左岸电站厂房14台机组制造采用国际招标，分别由德国伏依特、西门子公司和加拿大通用公司（简称ＶＧＳ）中标6台套，中国东方电机厂为技术受让方和主分包方；由法国阿尔斯通公司（简称ＡＬＳＴＯＭ）中标8台套，中国哈尔滨电机厂为技术受让方和主分包方。机组安装全部由中国施工企业承接。

　　三峡水轮发电机组整机尺寸太大。受运输、加工条件的限制，不能在工厂全部完成后运到工地，有的加工组装完了还要再拆开，有的先分件加工再运到工地组装加工，所以三峡机组约一半的制造是在现场完成的。参加安装的各方始终发扬精益求精的工艺作风，在设备中心、水平、高程等关键环节的精度控制上，一直追求最小值，直到不能再精确为止。机组的发电机、水轮机和大轴的制造是分开进行的，在现场通过组装，大轴才连成一个整体，对轴线的精度要求特别严。按照国家标准，摆度的偏差要求在0．19～0．35毫米。三峡工程首批机组的2号、5号转子，在盘车工程中，偏差分别为0．04毫米和0．06毫米，远远小于国家标准。在安装中，针对巨型机组的技术特点，就大型定子组装焊接自动化技术，大容量、大尺寸机组现场定子叠片组装技术，转子不圆度焊接测量技术和磁轭、磁板不圆度等项目开展了技术攻关，使机组安装总体水平居世界前列。2001年11月，左岸电站2号机首瓣定子吊入机坑进行组装，经过近19个月的艰苦努力，2号、5号、3号、6号分别于2003年7月7日、7月13日、8月13日和8月26日完成72小时试运行，7月10日、7月16日、8月16日和8月29日完成最终检查后正式并网投入考核运行。

　　经监测表明，机组运行平稳，各项技术参数满足设计要求。截至2003年9月底，三峡电厂投产的4台机组已累计发电28亿度。三峡电站计划今年发电61．3亿度。根据安装进度安排，今年年底4号机组和1号机组也将投入运行，届时三峡电厂今年将完成6台70万千瓦机组的安装并投产发电的目标，从而刷新世界水轮发电机组年安装总量的纪录。

　　（张超然系中国三峡总公司总工程师，教授级高工。）