三峽水利工程勘測設計技術創(chuàng)新與應用

鈕新強，鄭守仁，王小毛

（水利部長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設計研究院，430010，武漢）

三峽水利樞紐工程（以下簡稱三峽工程）在工程規(guī)模、科學技術和綜合利用效益等許多方面都堪為世界級工程的前列。工程技術復雜，涉及的專業(yè)技術多，設計難度超過了國內外已建水利工程的水平，在樞紐總布置、壩工技術、電站廠房、通航建筑物設計、導截流技術、混凝土施工技術機電設計等方面面臨一系列極具挑戰(zhàn)性的重大技術難題。長江勘測規(guī)劃設計研究院作為三峽工程的設計單位，在工程設計中創(chuàng)新運用了最新的科技成果、最新的工程技術，極大豐富了水利水電設計和建設技術的理論和實踐。

一、大壩工程

1.高水頭、大泄量的泄洪及消能布置

三峽工程的校核洪水泄流量為102 500 m3/s，其泄量之大在世界水利工程上尚無先例。為適應三峽工程高水頭、泄洪流量大的特點，盡量減少兩岸山坡的開挖工程量，以節(jié)省工程投資，經過研究論證，泄洪壩段采用導流底孔與泄洪表孔、深孔三層孔口上下重疊布置形式。深孔、導流底孔的設計水頭大于85 m，孔中流速達35 m/s，孔數多，運行條件極其復雜；在同一個壩段內布置有深孔、表孔和導流底孔三層孔口，壩體挖空率接近50%，結構較單薄，在國內尚無先例。

針對大壩水頭高、泄洪及導流流量大、排沙量大、三層泄洪孔運行條件復雜及上游水位變幅大等特點，在泄洪孔口的體型選擇和水力學設計中采取了壩前設置攔沙槽、設置通氣孔和跌坎摻氣，有壓段局部設置鋼襯，孔口過流面澆筑高標號混凝土，提高橫縫灌漿高程、局部橫縫止水后移，利用橫縫間水壓力減小泄洪深孔有壓段孔口應力等一系列措施，成功解決了高速水流下孔口抗空化及防泥沙磨損、下游水力學銜接、消能防沖和結構受力等關鍵技術問題，促使我國高水頭泄洪水力學技術躍上一個新的臺階，具有巨大的經濟效益和社會效益。

2.采用綜合工程措施解決大壩深層抗滑穩(wěn)定問題

三峽大壩廠房 1～5號及 24～26號壩段分別位于左右岸臨江岸坡上，因壩后式廠房布置需要，在大壩壩后形成最大坡高達70m的高陡邊坡，同時壩下基巖存在傾向下游的緩傾角結構面，最大裂隙連通率達到83.1%，構成不利的深層滑動條件。為解決大壩深層抗滑穩(wěn)定問題，設計研究采用廠壩聯合受力、上游開挖齒槽、封閉抽排等十大綜合工程措施，保證了大壩深層抗滑穩(wěn)定。

3.改善孔口應力的措施——橫縫止水后移

由于泄洪壩段泄洪深孔和廠房壩段電站進水口的孔口尺寸大，壩體實際開孔率接近50%，水頭高，孔口需配置大量的鋼筋。為此，設計對大孔口應力分析及配筋進行了專題研究，提出了將孔口處上下一定范圍內的橫縫止水局部后移布置，并將孔口處鋼筋減少1～2排。橫縫止水后移這種新型布置形式改善了孔口應力，減少了鋼筋用量，方便了施工。

4.大型鋼襯鋼筋混凝土管道布置與結構型式

三峽水電站引水壓力管道條數多（26 條），內徑大（12.4 m），最大設計水頭 139.5 m，HD 值高達 1 730 m2，是當今世界上同類型管道中規(guī)模最大、技術參數最高的電站引水壓力管道。通過對大壩中壓力管道布置、結構型式的深入研究和優(yōu)選，設計大膽創(chuàng)新，在下游壩面預留淺槽內采用背管布置形式，采用鋼襯鋼筋混凝土管結構型式；經論證突破規(guī)范規(guī)定，對管道整體安全系數、鋼筋、鋼襯材質進行了優(yōu)化，使外包鋼筋層數減少，間距變大，方便了施工，保證了混凝土澆筑質量，節(jié)省了工程投資。三峽水電站壓力管道的研究，對鋼襯鋼筋混凝土壓力管道結構受力的特點和設計有了成熟的方法和實踐經驗，有力推動了世界高水頭、大直徑壓力管道設計的發(fā)展。

5.三期大壩基礎大范圍采用找平層混凝土封閉式固結灌漿技術

在三峽二期工程試驗基礎上，為解決三期夏季施工問題，同時為秋冬低溫季節(jié)連續(xù)均勻澆筑基礎約束區(qū)混凝土創(chuàng)造條件，避免因固結灌漿造成混凝土層面長間歇產生裂縫，設計提出無蓋重固結灌漿新技術。實踐證明：找平混凝土澆筑密實，滿足設計要求；灌漿過程中沒有發(fā)生抬動破壞和其他異常情況，灌后聲波測試和壓水試驗檢查滿足設計要求，取得了較好的工程效益。

二、電站廠房

1.大容量、大流量單孔小孔口進水口型式

三峽水電站為壩后式廠房，采用單機單管引水方式，單機容量700 MW,壓力鋼管直徑12.4 m，設計流量966 m3/s，運用水位變幅達40 m。針對三峽電站進水口的水位變幅大、規(guī)模大、壩體結構單薄、水流條件復雜等特點，經過單孔大進口、單孔小進口、雙進口等多種型式比較及大量模型試驗及分析研究，創(chuàng)新采用單孔、小孔口及斜孔口的進水口布置體型，是我國在水電站進水口設計技術上的一大突破；既減小了水頭損失，增加發(fā)電量，又減小了孔口對壩體的削弱影響，改善了壩體的受力條件和施工安裝運行條件，對其他電站進水口設計具有很大的參考價值。

2.巨型機組蝸殼埋入方式新技術

三峽電站蝸殼進口直徑12.4 m，HD 值 1 773 m2，HD2值 22 000 m2，其中直徑及控制結構變形的HD2值為同期世界最大，而蝸殼外圍混凝土相對較薄。通過研究，首次在700 MW級水力發(fā)電機組提出并成功應用 “直埋＋墊層”的蝸殼組合埋設方式，解決了巨型機組蝸殼直埋方式外圍混凝土開裂對結構剛度的影響和下機架基礎變形過大等技術難題；首次在700 MW級水力發(fā)電機組蝸殼中采用墊層埋設方式，研究解決了巨型機組蝸殼墊層敷設范圍、剛度、厚度及材料性能等問題及技術標準；針對三峽電站機組蝸殼內水壓力變幅大、水溫隨季節(jié)變化溫差大的特殊性，首次提出并成功應用了蝸殼不設墊層采用充水保溫保壓澆筑外圍混凝土的新技術。

三峽巨型機組蝸殼不同埋入方式在電站的成功實施以及完整設計技術體系與相關技術標準的形成，不僅保證了水電站引水發(fā)電建筑物及機組安全穩(wěn)定運行，而且為巨型機組相關行業(yè)規(guī)范制定技術標準奠定了基礎，提高了我國水電行業(yè)的競爭力。

三、雙線五級連續(xù)船閘工程

三峽雙線連續(xù)五級船閘，總設計水頭113 m，級間輸水水頭45.2 m，可通過萬噸級船隊。與目前世界上已建的船閘相比，三峽船閘的規(guī)模、總設計水頭、上下游需適應的水位變幅等遠較其他船閘大。壩址復雜的水沙條件和地形，使船閘工程的總布置及其長期使用、船閘的輸水技術及結構設計等方面的技術難度均大大超過了世界已建船閘的水平。三峽船閘的建設需解決一系列極具挑戰(zhàn)性的課題。

三峽船閘的主要技術難點：①船閘的總體設計，②高水頭、大流量船閘輸水技術，③高陡邊坡設計，④高薄襯砌式結構技術。

1.船閘總體設計

重點研究在復雜通航水流條件下如何滿足船閘安全、通暢的要求?？傮w設計主要針對船閘遠大于以往類似工程遇到的設計水頭、船閘所處十分復雜的工程環(huán)境和船閘線路位置處于高陡巖坡上的特點，綜合分析研究解決高水頭船閘的輸水方式、滿足長期通航的水流條件、船閘主體結構的型式等問題。

（1）高水頭船閘的輸水方式

已建大型船閘中設計水頭最大的單級船閘為34.5 m；分開布置的多級船閘為72.8 m，分2級布置，單級輸水水頭36.4 m；連續(xù)布置的多級船閘總設計水頭43 m，分3級連續(xù)布置，級間輸水水頭30 m。三峽船閘總設計水頭113 m，采用不同的分級及布置，關系到船閘在樞紐中的布置、運行條件、通過能力、工程造價。通過分析壩址的地形、地質條件，按照三峽工程運行水位的特點，決定船閘采用連續(xù)5級布置，將總設計水頭等分為5級，船閘中間級的最大工作水頭45.2 m，輸水主廊道采用輸水隧洞及其他輸水輔助技術，船閘充泄水時間控制在12 min以內。

（2）滿足長期通航的水流條件

船閘線路與長江主河道之間大角度相交，難以保證船舶安全進入口門。通過對船閘線路位置進行大范圍、多方案比較研究，確定采用能夠滿足船閘布置需要的位于壇子嶺左側的線路。在上下游引航道右側，分別修建長度為2 680 m和3 700 m的防淤隔流堤，在船閘上下游形成帶彎段的引航道，調整引航道口門軸線與主河道水流之間夾角，保證口門區(qū)的通航水流條件，滿足船舶安全進入口門。

長江汛期水流含沙量大，工程運行一定年限后，泥沙淤積將導致引航道的尺度不能滿足通航要求；淤積同時改變了水下地形，惡化通航水流條件。關于泥沙淤積礙航問題，利用樞紐在汛期泄洪時以大流量排沙，減少壩前淤積；對船閘引航道，根據工程運行幾十年后才會出現泥沙淤積礙航和泥沙淤積的部位主要是在引航道口門以外的特點，確定采用以機械清淤為主，并將臨時船閘改建為沖沙閘，在汛末降低水位進行小流量沖沙為輔，并預留在必要時可以加建沖沙隧洞的綜合技術，滿足了三峽船閘直至水庫泥沙淤積平衡以后仍能正常運行的要求。

（3）船閘主體結構的型式

主體結構段巖體強度高，經對獨立受力的重力式結構和與巖體聯合受力的襯砌式結構進行研究，決定保留中隔墩巖體，閘首與閘室采用高薄襯砌結構與巖體聯合受力。通過研究高薄襯砌式結構與巖體聯合受力的機理，提出了保證閘墻與巖體聯合工作和控制變形的技術，在大型高水頭船閘的結構設計方面取得突破。兩線船閘間保留巖體隔墩，閘槽上部按邊坡穩(wěn)定要求開挖，下部完全按襯砌結構的輪廓要求直立開挖。采用這種結構型式在研究解決一系列技術難題、保證船閘結構技術進步的同時，大大節(jié)省了巖石開挖和混凝土澆筑工程量。

2.高水頭大流量船閘輸水技術研究

級間最大輸水水頭45.2 m的防空化技術，12 min內輸水24萬m3的閘室停泊條件及單線船閘最大輸水流量720 m3/s時，引航道內船舶的停泊和進出閘要求，是要研究解決的技術關鍵。經研究采用了①與主體結構分開、閥門后底部突擴的輸水主廊道布置，②閘室采用4區(qū)段、8分支廊道等慣性輸水系統(tǒng)。

（1）增加閥門段廊道淹沒水深，優(yōu)化閥門段體型，快速開啟閥門

增加閥門段廊道淹沒水深，對提高閥門后廊道壓力有非常明顯的效果。采用在山體內開挖隧洞作為輸水主廊道，在閥門段布置高程不受結構布置限制的條件下，充分降低閥門段的高程，以加大閥門的淹沒水深為主，輔以在閥門后增設突擴底檻、快速開啟閥門、在門后進行通氣，以及采用全包式閥門等防止空蝕、聲振的技術措施。

三峽船閘輸水主廊道各中間級閥門段廊道頂最小初始淹沒水深不小于26.0 m，結合三峽船閘閥門段廊道布置特點，采用在閥門后以1∶10坡比頂擴、廊道底部垂直向下突擴的體型，利用擴散的漩滾水流消除能量，降低門后水流平均速度及改變門后流態(tài)，提高門后壓力，抑制空化，減免空蝕?？焖匍_啟閥門，主要是利用水體慣性提高門后廊道內壓力及抑制閥門底緣水流漩滾的發(fā)展，縮短低壓狀態(tài)的歷時，從而抑制門后水流空化的發(fā)生與發(fā)展，同時還可提高輸水效率。

（2）閘室底板布置等慣性進出水系統(tǒng)

三峽船閘閘室平面尺寸大，一次充泄水水體大，輸水時間要求短，閘室水面上升速度快，船閘充泄水過程中，使閘室內水流分配均勻，是保證停泊在閘室內船舶安全的關鍵。船閘輸水系統(tǒng)采用在閘室兩側對稱各布置一條輸水主廊道，閘室底板布置4區(qū)段、8條分支廊道等慣性分散出水，出水孔上帶消能蓋板的型式。廊道系統(tǒng)以閘室水體中心為對稱軸對稱布置，使閘室內水流分配均勻，保證了閘室快速、平穩(wěn)的充水和泄水條件。即使一側閥門檢修，用單側廊道進行充水、泄水時，閘室出流仍比較均勻，停泊條件也能滿足要求。

3.高陡邊坡設計

在船閘結構設計中，將邊坡巖體作為閘室墻體結構組成的一部分，邊坡設計不僅要考慮穩(wěn)定安全問題，同時在與閘墻接合的部位，還必須考慮邊坡巖體變形對船閘設備正常運行的影響。高陡邊坡設計需解決邊坡開挖形態(tài)控制、邊坡巖體加固支護、地下排水等問題。

（1）邊坡開挖形態(tài)控制

高邊坡按自穩(wěn)的原則進行開挖。兩線船閘在閘墻結構頂部以下的微新巖體，按照直立坡和船閘結構輪廓要求開挖，在兩線船閘之間保留寬度55～57 m的巖體隔墩，在兩側和中間隔墩的巖體內部，開挖輸水隧洞和閥門豎井。為控制基礎開挖變形，設計對各部位的開挖工藝、下降速度和開挖順序提出了嚴格要求。

（2）邊坡巖體加固支護

在確保邊坡總體穩(wěn)定的前提下，邊坡巖體加固支護主要解決邊坡局部塊體穩(wěn)定性，增加整體穩(wěn)定及改善巖體應力變形條件。巖錨加固支護措施包括預應力錨索加固、錨桿加固及坡面噴護等。

（3）地下排水系統(tǒng)

兩側邊坡巖體內自上而下各布置7層共14條排水洞，各層排水洞內鉆設排水孔，各層排水孔相互搭接形成連續(xù)的排水孔幕。模擬排水的三維滲流場分析表明，由上述排水洞和排水孔幕組成的巖體排水系統(tǒng)，有良好的排水效果。

4.高薄襯砌式結構技術

三峽船閘主體結構利用基巖強度高、完整性好和輸水主廊道采用隧洞的有利條件，閘首和閘室墻均采用高達40～70 m的襯砌結構。研究和采用這種結構型式，在發(fā)展船閘結構技術的同時，節(jié)省工程量，具有顯著的經濟效益。

（1）采用襯砌式結構，并保留兩線船閘間的巖體隔墩

結合地形地質條件，三峽船閘采用保留兩線船閘之間巖體中隔墩的襯砌結構型式，薄襯砌結構的特點是在外荷載作用下自身不能維持穩(wěn)定，尤其是閘首結構作為大型人字門運行的支持體，要求整體變形必須控制在5 mm之內，結構風險大，國內外對大型船閘薄襯砌結構尚無專門的規(guī)程規(guī)范和設計標準可供遵循。襯砌式結構必須做好直立巖坡的加固處理，并著重解決襯砌結構與巖體聯合受力問題。其關鍵是研究混凝土與巖面的接觸性態(tài)、結構與巖體聯合受力的機理。經分析研究，襯砌式閘首混凝土襯砌厚12 m，閘室襯砌墻厚1.5 m。

（2）高強錨桿

船閘直立邊坡由于爆破影響卸荷松弛，加上巖體不利結構面的存在，邊坡采用系統(tǒng)支護和加固處理。而根據襯砌式結構的特點，需要通過高強錨桿保證混凝土與巖體的聯合受力。經研究，采用了巖體支護錨桿與襯砌錨桿合二為一的高強錨桿，大量節(jié)省了錨桿工程量和投資，縮短施工工期，同時更可提高巖體穩(wěn)定的安全度。

當墻背與巖體間黏結面開裂后，錨桿不但要承受滲透水壓產生的拉力，同時還要承受由于襯砌結構變形所產生的剪力。為此，在錨桿混凝土與巖基接觸面處，設置了能自由變形的 “自由段”，有效地降低了錨桿內力，并使錨桿受力分布均勻。

（3）襯砌結構與巖體接合面的排水設計

墻后水壓力是襯砌式船閘結構的主要外荷載之一，合理的確定墻后水壓力對船閘造價和結構的技術處理，有著十分重要的意義。對墻后排水網的布置形式，分別研究了兩種方案：豎向排水管和排水孔相結合方案，由豎向和水平向排水管組成的“井”字形排水管網方案。兩個方案的豎向排水管，均與基礎排水廊道相連接。經研究，選用“井”字形排水方案，能高效排除墻后滲水，較大程度地降低墻后水壓力，滿足閘墻穩(wěn)定要求。

四、施工設計

1.大江截流關鍵技術

三峽大江截流的設計流量為14 000～19 400 m3/s，最大水深達60 m，龍口最大平均流速為3.33～4.16 m/s，超過國內外水利樞紐工程實際最大截流流量和水深，且截流期間不允許斷航。大江截流的重要性及其技術復雜性，使其設計及施工關鍵技術問題成為三峽工程建設中的重大技術問題之一。針對大江截流設計及施工技術問題進行了大量分析研究及試驗工作，提出了確保大江截流成功的關鍵技術措施：①修建巨型導流明渠，為滿足長江航運要求和降低截流難度奠定基礎；②研究深水截流堤頭坍塌機理，采取平拋墊底措施，緩解深水截流難度；③科學驗證，優(yōu)化設計，力爭提前實現截流合龍；④部署技術保障和服務，支持大江截流順利進展。1997年11月8日龍口合龍，實測截流流量11 600～8 480 m3/s，龍口最大流速4.22 m/s，最大落差0.66 m，最大拋投強度達12.1萬m3/d。

2.二期上游深水土石圍堰筑堰技術

二期上游深水土石圍堰最大堰高82.5 m，堰體填料中的80%需水下施工，且最大水深達60 m，是當今世界上最大的深水圍堰。防滲墻最大高度74 m，圍堰基礎地質條件復雜。施工時先填筑兩側的石渣堆石體，背水側兼作截流戧堤及排水棱體，再填筑中部風化砂并修筑防滲墻，水下拋填風化砂采取振沖加密措施，減小堰體及防滲墻變形。引進國外液壓抓斗、液壓銑槽機等先進設備，采用“兩鉆一抓（銑）”“兩鉆三抓（銑）”“銑、抓、鉆、爆、砸”防滲墻成槽工藝，適應三峽二期圍堰地層復雜和工期緊迫的特點，上游圍堰最高月成墻面積達6 440 m2。圍堰防滲墻創(chuàng)造性地采用風化砂、花崗巖石屑與水泥、膨潤土組成的柔（塑）性墻體材料，施工及運行實踐證明防滲墻結構安全可靠，防滲效果顯著。

3.三期導流明渠雙戧截流技術

三期導流明渠截流設計流量9 010～10 300 m3/s，截流水深 20～23 m，截流落差3.26～4.06 m，龍口合龍總能量指標達410.2 MW，為當今世界截流工程之冠。且明渠底部巖面平整光滑，對拋投塊體穩(wěn)定不利。采用上下游戧堤龍口段同時進占，分擔落差；在上游戧堤龍口設置攔石坎，拋投特大塊石串和埋鐵塊混凝土四面體等措施，提高截流塊體穩(wěn)定性。2002年11月6日，明渠截流上下游戧堤龍口順利合龍，實測流量8 600 m3/s。上下游戧堤龍口合龍過程中，上游戧堤龍口實測最大落差為1.73m，最大流速為6m/s；下游戧堤龍口實測最大落差為1.12 m，最大流速為5.1 m/s。這是在國內首次成功地采用并實施了從設計到施工的雙戧配合立堵截流實踐。

4.三期碾壓混凝土圍堰快速施工及拆除技術

三期碾壓混凝土圍堰是三峽工程二、三期銜接的關鍵性控制工程，混凝土工程量167.36萬m3。如何在一個枯水期內完成明渠截流、三期土石圍堰施工、三期基坑抽水及三期碾壓混凝土圍堰施工，是三峽工程建設中的又一重大技術難題。圍繞碾壓混凝土快速施工及方便后期拆除進行系統(tǒng)研究，取得一系列創(chuàng)新成果，提出適應快速施工的結構措施、碾壓混凝土快速施工技術及應對措施、碾壓混凝土施工質量保證措施等整套關鍵技術。圍堰在明渠截流后僅用4個月便全部建成，創(chuàng)造了最大月澆筑強度47.5萬m3、最大日澆筑強度21 066 m3、連續(xù)上升37.5m的世界紀錄，其最大澆筑強度已超過國內外當時紀錄的1倍以上。三期碾壓混凝土圍堰爆破拆除首創(chuàng)圍堰建、拆有機結合的工程建設新理念。采用傾倒法拆除圍堰，技術方案新穎，布置及起爆順序構思巧妙。圍堰成功施爆，樹立了圍堰爆破拆除新典范。拆除爆破混凝土方量18.6萬m3，最大水深45.3 m，總裝藥量 191.5 t，起爆分段 959段，均創(chuàng)造了目前國內外圍堰爆破拆除新紀錄。

5.特大型導流明渠確保施工期通航與導流安全

長江是我國重要的水運交通動脈，三峽工程施工期采用明渠通航方案，保障了長江航運的暢通。導流明渠規(guī)模巨大，兼有導流與通航重任，其設計導流流量、大型船隊通航流量均為世界之最。通過精心設計，開展多方案的明渠體型優(yōu)化，進行了反復的水工模型(包括船模)試驗研究，成功地完成了特大型彎道導流明渠的設計工作。經1998年8次大洪水考驗，導流明渠度汛安全，明渠通航保證率高。

6.大壩混凝土高強度快速施工技術

（1）三峽二期工程大壩混凝土施工進度安排

三峽二期工程是三峽工程實現蓄水、發(fā)電、通航三大目標的控制性工程，其施工技術復雜，工程量大，二期工程混凝土工程量約1 860萬m3，其中大壩混凝土工程量1 070萬m3。1999年、2000年和2001年分別完成大壩混凝土 312萬 m3、352萬 m3和239萬m3，1999年大壩月澆筑高峰強度35萬m3。施工進度網絡中有多條關鍵線路，控制性節(jié)點眾多，采用橫道圖、網絡計劃技術等常規(guī)的施工進度編制手段難以表達其復雜的施工網絡關系、多工種平行作業(yè)的施工條件。在采用國際通用管理軟件P3（Primavera project planner）進行編制施工進度的同時，還對三峽二期工程大壩施工進行了計算機實時動態(tài)仿真，該仿真技術運用系統(tǒng)工程的原理，在指定要素條件下，運用多目標決策系統(tǒng)，由計算機根據模擬施工程序自動選擇合適的澆筑倉，實時輸出任一時刻的壩體三維圖形及各種混凝土施工強度和施工進度表格，并實現了與P3軟件的對接。該項技術的運用大大提高了施工進度和施工強度的準確性和可靠性。

（2）大壩高強度快速施工技術

三峽工程大壩混凝土快速施工方案作為三峽工程關鍵技術問題之一，被列為國家“七五”攻關項目，并在三峽各設計階段進行了研究和多方案比較，提出了門塔機為主和塔帶機為主的兩大類方案。在通過現場生產性試驗的基礎上，最終確定采用以塔帶機為主，輔以纜機和高架門機方案。

根據塔帶機的工作特性和大壩結構特點，對6臺塔帶機作了合理布置。為了最大限度地發(fā)揮塔帶機的工作效率，設計提出采用計量皮帶機直接由拌和樓供料至塔帶機的混凝土供料線布置，以及為保證質量，方便施工，提出了簡化大壩混凝土標號分區(qū)及調整混凝土級配的有關措施和要求。

為了做好混凝土溫控防裂設計，又提出了嚴格的溫控標準和溫控措施，包括高溫季節(jié)出機口采用7℃混凝土、合理控制層厚及間歇期、表面保溫、在3 m澆筑層中間埋設冷卻水管等綜合措施。為滿足高強度施工，成功設計了當今世界最大人工砂石料和混凝土生產系統(tǒng)對出機口7℃混凝土生產，改變傳統(tǒng)的水冷骨料方式，研究出占地小、投資低、運行可靠的二次風冷骨料新工藝、新技術。由于采用了上述混凝土施工新技術，保證二期工程如期順利地完成了各項目標，工程效益十分顯著。

7.臨時船閘2號壩段封堵混凝土厚層快速上升施工技術

臨時船閘通航槽兩側的1號、3號壩段，初期壩體澆筑至高程143 m。臨時船閘停止使用后，在1號、3號壩段前緣用疊梁門封堵擋水，澆筑2號壩段混凝土。

在臨時船閘封堵期間，臨時船閘1號、3號壩段除承擔自身荷載外，還承擔2號壩段封堵疊梁門傳來的巨大荷載。1號、3號壩段壩基面高差18 m，坡比為 1∶0.4，監(jiān)測資料表明陡坡混凝土與基巖已局部脫開，對結構整體受力不利。為保證壩基面、壩體應力及門槽混凝土局部強度滿足要求，需在下疊梁門擋水至蓄水135 m期間共67 d的時間內，將 2號壩段甲塊混凝土澆筑至高程90.0 m。按常規(guī)施工，2號壩段混凝土從基礎高程61.5 m澆筑至高程90 m，施工工期約需4～6個月，不能滿足總進度要求。設計經多種方案研究分析，突破常規(guī)，選擇混凝土澆筑層厚采用4.5 m，間歇期 5～7 d，在4.5 m的澆筑層中埋設3層冷卻水管通水冷卻的施工新技術。監(jiān)測資料表明，實測混凝土最高溫度在 31℃左右，通過冷卻降溫均降至27℃左右，滿足設計要求。

五、三峽巨型水輪發(fā)電機組創(chuàng)新研究和應用

三峽水輪發(fā)電機組運行工況復雜，且國內沒有700 MW機組的設計、制造以及工程設計的實踐經驗，國外此規(guī)模的機組及相應的水電站也屈指可數。其技術難點有：

①水輪機需適應蓄水初期和后期兩種水頭，水頭變幅大。初期水頭為61～94 m， 后期水頭為 71～113 m，電站Hmax/Hmin高達1.85，是世界上已投入運行的500 MW以上混流式水輪機運行水頭變幅最大的機組。②水庫運行方式決定了水輪機運行在高水頭區(qū) （H為100～110 m）和低水頭區(qū)（H≤78.5 m）的時間較長，水輪機將不得不長時間在偏離最優(yōu)工況區(qū)運行。③汛期過機含沙量較大，水輪機過流部件面臨嚴重的泥沙磨損問題。④三峽電站在電力系統(tǒng)中承擔調峰和事故備用等任務，導致負荷變化劇烈，機組開機停機操作頻繁，機組的穩(wěn)定運行面臨挑戰(zhàn)。⑤三峽電站發(fā)電機空冷和半水內冷的選擇，決定發(fā)電機電磁參數和運行維護，空冷方案在當時的國內外巨型機組上均未采用，但卻有不可替代的優(yōu)勢。因此冷卻方式的選擇是三峽水輪發(fā)電機的重大技術課題。⑥沒有先例可循，總體技術必須突破已有的經驗和技術。

圍繞三峽巨型水輪發(fā)電機組主要進行了以下創(chuàng)新研究：

1.水輪發(fā)電機組總體設計研究

三峽巨型水輪發(fā)電機組沒有現成的模式可以借鑒，從機組參數選擇到主要部件結構型式的總體設計是水輪發(fā)電機組生產制造的依據。鑒于三峽運行條件的復雜和單機容量的巨大，在總體設計上對機組參數的選擇和各參數的匹配進行了精心研究，如對機組轉速的研究、發(fā)電機冷卻方式研究、推力軸承支撐方式研究、機組運行穩(wěn)定性研究、機組控制尺寸研究等，均經過多次專家審查才予以確定。

2.合理選擇和優(yōu)化水輪機的最優(yōu)水頭

混流式水輪機設計水頭的大小決定了高、低水頭運行工況偏離最優(yōu)工況的程度。因此，合理選擇設計水頭，是改善三峽水輪機運行穩(wěn)定性的有效措施之一。三峽水輪機設計水頭的選擇既要重點保證高水頭工況的穩(wěn)定性，同時又要兼顧低水頭的空蝕和泥沙磨損問題。根據三峽運行條件進行的專題研究分析確認，三峽電站水輪機設計水頭應不小于90.1 m。

3.優(yōu)化轉輪設計

在巨型水輪機轉輪上首次成功地應用了X形葉片。適應三峽電站水頭變幅大以及混流式水輪機葉片不能調整的特點，合理設計轉輪和通流部件的形式，經過對采用常規(guī)葉片比較，決定轉輪葉片采用X形葉片，經過水力和結構優(yōu)化，盡可能避免在轉輪葉片進口產生“撞擊渦流”，并將尾水管渦帶和壓力脈動幅值控制在較小范圍內。

4.確定水輪機穩(wěn)定性指標

首次對尾水管和導葉后轉輪前區(qū)域在整個運行水頭和負荷范圍內提出了穩(wěn)定性分區(qū)設置的方法和相應的穩(wěn)定性指標，并通過模型試驗分析混流式水輪機本身固有特性，指導水輪機運行按水頭、負荷合理劃分運行區(qū)域。按影響各個區(qū)域水力穩(wěn)定性能的主要因素確定不同考核指標,確定穩(wěn)定運行區(qū)域為70%～100%額定負荷。

5.發(fā)電機設置最大容量

為解決三峽水輪機在高水位、高水頭運行區(qū)域的穩(wěn)定性，宜采取適當加大其導葉開度運行的方式解決水輪機在這個區(qū)域運行的出力受發(fā)電機容量限制的問題。經分析研究，設置發(fā)電機最大容量，機組在最大容量工況下，水輪機的導葉開度增大，有利于機組運行穩(wěn)定。因此，三峽電站發(fā)電機設置最大容量840 MVA，要求水輪機按最大出力852 MW設計，發(fā)電機按 840 MVA （功率因數 0.9）和840 MW（功率因數1.0）設計，有效地擴大三峽機組穩(wěn)定運行范圍，有利于提高其運行穩(wěn)定性能。

6.必要的穩(wěn)定性輔助措施

根據三峽電站的具體情況，設置通過主軸中心的自然補氣系統(tǒng)，并設置從水輪機頂蓋和底環(huán)處向轉輪葉片進口處壓縮空氣的系統(tǒng)，對改善水輪機在高水頭運行時的穩(wěn)定性效果良好。

六、結 語

三峽工程經歷了40年的反復論證和16年的工程建設階段，針對三峽工程中眾多技術難題，通過科學研究和技術創(chuàng)新，成功解決了一系列關鍵技術難題。新科技成果和工程技術在三峽工程的成功運用，不僅為我國帶來了巨大的經濟、社會效益，同時極大地推動了我國水利水電技術水平的發(fā)展，更為我國水利水電技術和有關科技的發(fā)展作出了有益的貢獻。