摘要 介紹三峽工程的科研項(xiàng)目，綜述三峽工程開(kāi)工以來(lái)的主要科研成果及工程應(yīng)用情況，包括：一期土石圍堰基礎(chǔ)處理與施工技術(shù)；大江截流上下游土石圍堰平拋墊底研究；二期圍堰防滲工程研究；大江截流計(jì)算機(jī)科學(xué)管理；大壩混凝土澆筑方案及主要施工機(jī)械選型；混凝土的原材料和耐久性優(yōu)化試驗(yàn)研究；大壩基礎(chǔ)深層抗滑穩(wěn)定研究；三峽電站進(jìn)水口型式研究；鋼襯鋼筋混凝土引水管道研究；蝸殼打壓、廠壩間伸縮節(jié)問(wèn)題研究；永久船閘的引航道布置、輸水系統(tǒng)及水力學(xué)、高邊坡穩(wěn)定、混凝土襯砌墻的結(jié)構(gòu)與支護(hù)研究；特大型水輪發(fā)電機(jī)組的科學(xué)研究。
關(guān)鍵詞 圍堰；截流；混凝土；施工；船閘；高邊坡；水輪發(fā)電機(jī)組；三峽水利樞紐
Scientific Research in Three Gorges Project and Application of Research Achievements
Dai Huichao(China Yangtze Three Gorges Project Development Corporation,Yichang,Hubei 443002)
Abstract A brief introduction to scientific research in the Three Gorges Project(TGP) and the applications of research achievements is given,which include treatment of newly slited layer on the foundation of the first stage earth-rock cofferdam,dumping bottom technique of river closure in deep water,construction of cut-off walls in the second stage earth-rock cofferdams,3-D computer simulation of river closure,concrete casting alternatives and selection of major construction equipment for the second stage construction optimization of durability of raw materials of concrete,deep sliding resistance and stability of the intake dam section,the section of the intake of the power station,the intake penstock of the power station,layout and hydraulics problems of shiplocks,stability of high slopes of shiplocks,and optimization of the system structural anchor bars to reduce the risk of cracking in the concrete wall and 700MW turbine generator units.
Key words cofferdam;river closure;concrete construction;shiplocks;high-slopes;turbine generator units;TGP
1 三峽工程科學(xué)研究綜述
三峽工程是一項(xiàng)涉及科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展等多門(mén)類的復(fù)雜系統(tǒng)工程.規(guī)模巨大，影響深遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)70余年幾代中國(guó)人的努力，長(zhǎng)期的規(guī)劃勘察，方案設(shè)計(jì)，科學(xué)研究、試驗(yàn)和論證，人們加深了對(duì)大自然的認(rèn)識(shí)和對(duì)長(zhǎng)江的自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)，得出的最終結(jié)論是:三峽工程建設(shè)是必要的，技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合理的.
三峽工程規(guī)模巨大，技術(shù)復(fù)雜，科技工作是三峽工程的先導(dǎo)和基礎(chǔ).三峽工程的科研項(xiàng)目包括三峽工程前期科研項(xiàng)目；國(guó)務(wù)院三峽重大裝備辦公室安排的“三峽工程重大裝備的研制” ；國(guó)家科委安排的“六五”、“七五”、“八五”攻關(guān)課題；8個(gè)單項(xiàng)技術(shù)審查科研項(xiàng)目；長(zhǎng)江水利委員會(huì)安排的設(shè)計(jì)科研項(xiàng)目；配合國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)安排的國(guó)家基金重大項(xiàng)目“三峽水利樞紐工程幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的應(yīng)用研究” ；“九五”國(guó)家重大技術(shù)裝備研制和國(guó)產(chǎn)化三峽水利樞紐工程成套設(shè)備科研項(xiàng)目；三峽工程施工科研等.專業(yè)面涉及泥沙、航運(yùn)、水文、地質(zhì)、水工、施工、建材、金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、生態(tài)環(huán)境等多學(xué)科、多專業(yè).除直接參與工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理單位的科技人員外，全國(guó)有數(shù)十家科研單位和高校、數(shù)千名科技人員投入三峽科技工作，提交了近2000份科技成果報(bào)告.這些科技成果已經(jīng)和將要對(duì)三峽工程建設(shè)重大問(wèn)題決策奠定科學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)施工工藝、保證工程質(zhì)量、節(jié)約工程投資、促進(jìn)現(xiàn)代化管理發(fā)揮重要作用.
2 截流和圍堰科學(xué)研究成果
2.1 三峽水利樞紐一期土石圍堰基礎(chǔ)處理與施工技術(shù)研究
三峽一期土石圍堰基礎(chǔ)地質(zhì)條件復(fù)雜，堰基粉細(xì)砂、塊球體及花崗巖中強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶的嚴(yán)重透水性是一般圍堰工程難以遇到的特殊地層，其技術(shù)處理方案直接關(guān)系到工程的成敗.在設(shè)計(jì)與施工中對(duì)圍堰基礎(chǔ)粉細(xì)砂層的物理力學(xué)性狀及液化特性和滲流穩(wěn)定進(jìn)行一系列的試驗(yàn)研究和計(jì)算分析，提出對(duì)粉細(xì)砂地層采取“外堵內(nèi)排，保留粉細(xì)砂”的技術(shù)處理方案；對(duì)塊球體等地層采取“柔性墻、高壓旋噴灌漿、帷幕灌漿”的綜合處理措施防滲技術(shù)，確保了土石圍堰按期完成和安全運(yùn)行.一期土石圍堰經(jīng)受了3個(gè)汛期的考驗(yàn)，于1997年汛前完成了使命.經(jīng)工程施工驗(yàn)收和專家鑒定，該項(xiàng)技術(shù)為三峽水利樞紐混凝土縱向圍堰提前10個(gè)月澆筑混凝土創(chuàng)造了條件，并節(jié)約大量工程投資.
2.2 大江截流上下游土石圍堰平拋墊底科學(xué)研究
三峽大江截流主河床深槽段最大深度達(dá)60多米，為世界水電工程建設(shè)史上之罕見(jiàn).為避免可能發(fā)生截流戧堤和堰體拋填過(guò)程中堤頭坍塌現(xiàn)象，威脅施工人員和施工機(jī)械的安全，減少截流時(shí)的拋投強(qiáng)度，經(jīng)模型試驗(yàn)和堤頭坍塌機(jī)理分析，采用平拋墊底抬高河床高程的措施，使截流水深減至30m左右，為大江截流創(chuàng)造了良好的條件.結(jié)合平拋墊底高程，調(diào)整防滲墻與戧堤軸線距離，減小圍堰填筑工程量80萬(wàn)m3.
2．3 二期圍堰防滲工程科學(xué)技術(shù)問(wèn)題
三峽二期圍堰由上下游橫向圍堰和已建成的右岸混凝土縱向圍堰組成.上下游土石圍堰是三峽工程建設(shè)過(guò)程中最重要的臨時(shí)建筑物.二期圍堰斷面采用“兩側(cè)石碴夾風(fēng)化砂的堰體,垂直防滲”結(jié)構(gòu)型式.圍堰防滲采用塑性混凝土防滲墻下接帷幕灌漿，墻上接防滲土工膜方案，上游圍堰在防滲墻深度超過(guò)40m的深槽段加設(shè)第二道防滲墻，間距6m,墻厚1.0m和0.8m ,最大深度74m.下游圍堰深槽段,根據(jù)防滲施工專家的咨詢意見(jiàn)和考慮到施工承包單位高噴設(shè)備性能和數(shù)量難以滿足設(shè)計(jì)要求的具體情況，防滲墻其厚度由原1.0m改為按1.1m的方案實(shí)施，同時(shí)取消該部位的高噴墻.防滲墻施工采用液壓雙輪銑和“兩鉆一抓”以及雙反弧接頭槽法等新工藝.為了提高深槽段的安全可靠性,在上游圍堰雙墻段增設(shè)混凝土隔墻,在基巖陡坡段和左側(cè)軸線反拱拐點(diǎn),輔以高壓旋噴加固措施.對(duì)平拋墊底部位采用振沖加密和預(yù)灌濃漿,以改善力學(xué)和防滲特性.1998年長(zhǎng)江雖然相繼形成了8次洪峰，但圍堰滲水量50L／s，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)值600L／s，防滲效果良好.
2．4 大江截流計(jì)算機(jī)科學(xué)管理研究
隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)、德國(guó)和日本一些發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視運(yùn)用直觀的圖形和基于計(jì)算機(jī)支持的施工組織管理系統(tǒng)指導(dǎo)重要工程及其重要施工階段的施工.三峽工程是舉世矚目的跨世紀(jì)工程，應(yīng)盡可能實(shí)施現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)管理，大江截流這樣重要的施工階段建立基于計(jì)算機(jī)的管理系統(tǒng)是非常必要的.為此，中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司組織有關(guān)院校開(kāi)發(fā)了大江截流決策支持系統(tǒng)，用以指導(dǎo)施工組織管理.大江截流決策支持系統(tǒng)的建立和實(shí)施存在以下技術(shù)難點(diǎn)：
a. 模型建立工作量大，幾乎概括了三峽工程施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和建模工作.
b. 三維動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)量大，場(chǎng)景復(fù)雜，編輯困難，渲染機(jī)時(shí)消耗大.以三峽工程大江截流模擬為例，三維模型組成面數(shù)高達(dá)27萬(wàn)之多，幾乎達(dá)到微機(jī)處理能力的極限.
c. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）的運(yùn)用：VR是一種高級(jí)終端用戶界面，它的功能包括實(shí)時(shí)模擬和通過(guò)多種傳感通道完成交互操作.本次將運(yùn)用此技術(shù)對(duì)三峽水利樞紐主要建筑物進(jìn)行VR三維建模，使得用戶可以用鼠標(biāo)隨意旋轉(zhuǎn)建筑模型，并可將每個(gè)模型單獨(dú)拿出來(lái)觀看查詢細(xì)部信息，可按用戶指定的路徑實(shí)時(shí)生成三維漫游動(dòng)畫(huà).
d. 導(dǎo)截流數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)．以往導(dǎo)截流設(shè)計(jì)和施工基本上以物理模型為依據(jù)，不僅費(fèi)時(shí)耗物，且受比尺效應(yīng)的影響，不能形象地反映真實(shí)的流動(dòng)情況.相比之下，數(shù)學(xué)模型具有花費(fèi)少、適應(yīng)能力強(qiáng)、提供詳細(xì)的流場(chǎng)資料、便于方案比較等優(yōu)點(diǎn).人們愈來(lái)愈重視運(yùn)用數(shù)值模擬手段預(yù)測(cè)各種復(fù)雜的水流現(xiàn)象及流場(chǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu).國(guó)際上一些享有盛名的單位已由過(guò)去的物理模型為主要決策依據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型為主要決策依據(jù)．為保證大江截流的順利完成，長(zhǎng)江水利委員會(huì)作了不同比尺的物理模型實(shí)驗(yàn)，但物理模型本身存在費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、比尺效應(yīng)等限制.三峽工程大江截流期間，截流指揮勢(shì)必要按當(dāng)時(shí)的長(zhǎng)江來(lái)水條件、戧堤進(jìn)占形象及施工機(jī)械配置等具體條件相機(jī)進(jìn)行截流工程的決策安排，在大量的物理模型基礎(chǔ)上，采用經(jīng)過(guò)物理模型驗(yàn)證的導(dǎo)截流數(shù)學(xué)模型，形成了自由表面和水流流場(chǎng)的三維實(shí)體和截流水力學(xué)參數(shù).
在施工之前，大家對(duì)大江截流缺乏形象、直觀的認(rèn)識(shí)，通過(guò)本系統(tǒng)使我們?cè)趯?shí)際施工之前，能迅速、精確直觀地看到所采取的措施將產(chǎn)生的結(jié)果，對(duì)不同的施工方案進(jìn)行比較研究，為大江截流的正確決策提供強(qiáng)有力的支持.而且使人們通過(guò)中央電視臺(tái)或計(jì)算機(jī)多媒體光盤(pán)，提前看到了大江截流驚心動(dòng)魄的一幕，如同身臨三峽工程的施工現(xiàn)場(chǎng)．該成果已在中央電視臺(tái)和眾多新聞媒體報(bào)道，經(jīng)水利部組織的專家組會(huì)議鑒定，整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平.
3 大壩和廠房科學(xué)研究成果
3.1 大壩混凝土澆筑方案及主要施工機(jī)械選型
三峽工程二期大壩和廠房施工是三峽工程中最艱巨的項(xiàng)目,其施工方案的優(yōu)劣是直接關(guān)系到三峽工程能否如期建成,能否提前發(fā)揮效益的關(guān)鍵.三峽工程以其工程量巨大、施工強(qiáng)度高、高溫季節(jié)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而顯著區(qū)別于國(guó)內(nèi)外已建或在建的其它工程,國(guó)內(nèi)外目前現(xiàn)有的設(shè)備均難以完成.施工方案的研究,在論證和初設(shè)階段以及“七五”國(guó)家科技重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目中都做了大量的科研工作.中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司成立后,又組織了全國(guó)大專院校和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充研究,聘請(qǐng)國(guó)際上著名專家進(jìn)行技術(shù)咨詢；并決定采用帶施工方案的施工設(shè)備招標(biāo)方式,進(jìn)行國(guó)際公開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)性招標(biāo),即讓設(shè)備投標(biāo)商首先做出三峽二期工程施工方案,然后據(jù)此確定最優(yōu)設(shè)備參數(shù)及最佳的設(shè)備配置.經(jīng)過(guò)認(rèn)真的招標(biāo)、評(píng)標(biāo)工作,總結(jié)出兩個(gè)適合于三峽工程特點(diǎn)的優(yōu)化的施工方案：一為以大型塔機(jī)和高架門(mén)機(jī)為主的施工方案；二為塔帶機(jī)為主輔以纜機(jī)和高架門(mén)塔機(jī)的施工方案．這兩個(gè)方案都是可行的,均可滿足三峽工程的施工及進(jìn)度要求.在充分比較、論證,充分聽(tīng)取各方面意見(jiàn)的基礎(chǔ)上,最終選定以塔帶機(jī)為主輔以纜機(jī)和高架門(mén)塔機(jī)的施工方案.
3.2 混凝土的原材料和耐久性
三峽工程混凝土量大，由于工程的特殊性和重要性,對(duì)混凝土的質(zhì)量和耐久性提出了很高的要求.因而,對(duì)混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)及配合比設(shè)計(jì)參數(shù)等進(jìn)行了不斷的優(yōu)化試驗(yàn)研究，制定了一整套混凝土施工質(zhì)量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn).
a. 水泥.對(duì)于大壩內(nèi)部和基礎(chǔ)混凝土，采用525號(hào)大壩中熱硅酸鹽水泥和425號(hào)大壩礦碴低熱水泥混凝土配合比方案，大壩外部混凝土采用525號(hào)大壩中熱硅酸鹽水泥混凝土配合比方案.通過(guò)招標(biāo),水泥供應(yīng)廠家由生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥的葛洲壩水泥廠、湖北華新水泥廠和湖南特種水泥廠中標(biāo).規(guī)定525號(hào)中熱硅酸鹽水泥熟料的堿含量不得超過(guò)0.5%,低于國(guó)家規(guī)定的不得超過(guò)0.6%的控制指標(biāo).425號(hào)大壩礦碴低熱水泥,也必須嚴(yán)格按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)控制含堿量,并力爭(zhēng)更低一些.525號(hào)大壩中熱水泥MgO含量不得超過(guò)5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),為使水泥具有微膨脹性 ,要求MgO含量不小于3.5%.
b. 粉煤灰.粉煤灰作為摻合料在國(guó)內(nèi)外已廣泛得到應(yīng)用,在施工現(xiàn)場(chǎng)摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰除了能節(jié)約部分水泥外,更重要的是能改善混凝土的和易性,降低混凝土水化熱溫升,抑制堿骨料反應(yīng),對(duì)混凝土起到改性作用.Ⅰ級(jí)粉煤灰與Ⅱ級(jí)粉煤灰相比具有明顯的優(yōu)越性,經(jīng)過(guò)綜合比較,確定大壩混凝土摻用Ⅰ級(jí)粉煤灰.通過(guò)招標(biāo),考慮質(zhì)量和運(yùn)輸保證條件,確定Ⅰ級(jí)粉煤灰主供廠家為平圩電廠、南京電廠、珞璜電廠和神頭電廠.
c. 外加劑.經(jīng)廣泛調(diào)研、咨詢及大量對(duì)比試驗(yàn)研究,推薦使用ZB—1A,FDN9001,R561等高效減水劑．引氣劑的選擇主要考慮了高效、穩(wěn)定、氣泡特性以及與減水劑相互適應(yīng)性好,推薦使用PC—2，DH9等.
d. 骨料.三峽工程采用的骨料分為人工骨料和天然骨料兩種,一期工程由于施工工期緊，人工骨料加工系統(tǒng)尚未形成，故采用天然砂石料.二期工程采用人工骨料.天然骨料為長(zhǎng)江天然料場(chǎng)和黃柏河天然料場(chǎng),距壩址約54～85km.人工骨料利用基坑開(kāi)挖的新鮮閃云斜長(zhǎng)花崗巖及下岸溪斑狀花崗巖.采用目前國(guó)內(nèi)外各種試驗(yàn)方法對(duì)骨料進(jìn)行堿活性檢驗(yàn),一致認(rèn)為三峽工程采用的花崗巖人工骨料為非活性骨料,另考慮到三峽工程的重要性,由于三峽工程混凝土骨料數(shù)量巨大,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況繼續(xù)進(jìn)行堿活性定期驗(yàn)定;檢驗(yàn)成果還表明,三峽工程用的天然料場(chǎng)中骨料有部分系活性骨料和可疑活性骨料,今后應(yīng)繼續(xù)取樣,系統(tǒng)研究其堿活性規(guī)律,確定安全使用條件.
e. 混凝土含堿量.試驗(yàn)表明,經(jīng)選用以上原材料、花崗巖人工骨料配制的混凝土,總含堿量均可以嚴(yán)格控制在2.5kg/m3以內(nèi).如使用天然骨料,要求混凝土總含堿量不得超過(guò)2.0kg/m3.因而,三峽工程混凝土堿骨料反應(yīng)得到有效控制,能滿足混凝土的耐久性要求.
f. 混凝土配合比設(shè)計(jì).對(duì)三峽工程第二階段混凝土配合比進(jìn)行了大量的優(yōu)選試驗(yàn).在混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)化過(guò)程中采取了幾項(xiàng)技術(shù)措施，如混凝土全部摻用引氣劑，選用品質(zhì)優(yōu)良的高效減水劑，摻用Ⅰ級(jí)粉煤灰并縮小水膠比增大粉煤灰摻量，采用具有一定補(bǔ)償收縮性能的水泥，嚴(yán)格限制原材料堿含量和混凝土總堿量等．通過(guò)以上措施，成功地把四級(jí)配花崗巖人工骨料混凝土用水量由原來(lái)的110kg/m3降至85kg/m3左右，不但使混凝土各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求而且還使混凝土具有優(yōu)良的性能，提高了混凝土的抗裂性和耐久性，并將取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益．以大壩混凝土為例,R90 200大壩外部混凝土,采用525號(hào)大壩中熱水泥,水膠比0.50,粉煤灰摻量45%,用水量為80kg/m3左右,膠凝材料總量160kg/m3.混凝土配合比設(shè)計(jì)由業(yè)主推薦參數(shù)，承包商選定，經(jīng)監(jiān)理批準(zhǔn)，重大變更經(jīng)業(yè)主審核，以形成一個(gè)比較完整的質(zhì)量控制體系，以保證混凝土的高質(zhì)量.
3.3 大壩泄洪水力學(xué)問(wèn)題
三峽工程承擔(dān)長(zhǎng)江中、下游的防洪任務(wù)，大壩采用千年一遇洪水設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇洪水加大10%校核.在設(shè)計(jì)水位175m時(shí)，需渲泄流量69800m3/s，校核洪水條件下，具備102500m3/s的泄洪能力；經(jīng)反復(fù)研究，采用深孔及表孔兩套泄洪設(shè)施，為了盡量縮短溢流前緣，采用了現(xiàn)在的深孔與表孔相間布置的型式.
泄洪壩段總長(zhǎng)483m，分為23個(gè)壩段，壩塊中央設(shè)置深孔，表孔跨縫布置；為滿足三期截流和導(dǎo)流期泄洪要求，在表孔正下方布置有22個(gè)導(dǎo)流底孔，導(dǎo)流底孔采用長(zhǎng)有壓管方案. 三峽工程的泄洪深孔是三峽樞紐的主要泄水建筑物，千年一遇以下的洪水主要由深孔泄洪.同時(shí)深孔還擔(dān)負(fù)著三期導(dǎo)流和施工圍堰擋水的度汛任務(wù).深孔的設(shè)計(jì)水頭85m,常規(guī)止水設(shè)計(jì)有相當(dāng)?shù)碾y度，深孔最大流速約35m/s,宜采用摻氣減蝕措施.因此深孔研究中存在著有壓長(zhǎng)短管選擇、摻氣與否及突擴(kuò)方案與常規(guī)止水方案的比較等問(wèn)題.經(jīng)中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司技術(shù)委員會(huì)審查，從設(shè)計(jì)、施工、水力學(xué)和運(yùn)行條件綜合比較，最后深孔體型確定為有壓短管方案，深孔閘門(mén)按跌坎摻氣方案設(shè)計(jì).原設(shè)計(jì)泄洪深孔僅設(shè)置3扇事故檢修門(mén)，為確保深孔安全運(yùn)行，研究了每孔各設(shè)一扇事故檢修門(mén)，在非汛期擋水，保證深孔閘門(mén)基本不漏水，并減輕弧門(mén)長(zhǎng)期在高水頭工作的負(fù)擔(dān)，也便于維修.綜合考慮深孔弧門(mén)的運(yùn)行、檢修的影響因素，深孔事故門(mén)宜分批安裝制造.第一批可安裝制造6～8扇，其余可待水庫(kù)蓄水后再陸續(xù)安裝制造.深孔弧門(mén)的關(guān)鍵在確保工作弧門(mén)自身運(yùn)行可靠性，尤其是止水的可靠性.
3.4 大壩基礎(chǔ)深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題
三峽壩基巖體總體上是較完整的花崗巖，但左岸1～5號(hào)廠房壩段，壩基巖面緩傾角結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，局部地段還展布長(zhǎng)大緩傾角裂隙，并有少量中傾角裂隙.
該壩段位于左岸山體斜坡部位，壩基高程90m，而壩后廠房最低建基面高程為22.2m，壩下游基巖需開(kāi)挖成人工高陡臨空邊坡，因此，對(duì)1～5號(hào)廠房壩段重點(diǎn)分析研究了壩基深層抗滑問(wèn)題.
a. 根據(jù)地質(zhì)已揭露的緩傾角、中傾角裂隙和結(jié)構(gòu)面，分析其分布規(guī)律，確定其在壩基下的分布、產(chǎn)狀等.
b. 測(cè)試結(jié)構(gòu)面的性狀及力學(xué)參數(shù)，擬定設(shè)計(jì)采用的參數(shù).
c. 確定各種可能滑動(dòng)面的概化模式，進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析，判斷可能產(chǎn)生深層滑動(dòng)最不利的滑移面，分析其抗滑穩(wěn)定安全度.
d. 根據(jù)壩基可能最不利的深層滑動(dòng)，研究應(yīng)采取抗滑安全的工程技術(shù)措施.
3.5 電站進(jìn)水口型式
三峽電站機(jī)組采用單機(jī)單管引水，單機(jī)引用流量大，為滿足電站運(yùn)行要求，進(jìn)水口尺寸大、高程低.因此，閘門(mén)尺寸長(zhǎng)、水頭高，需采用大容量啟閉設(shè)備.
借鑒國(guó)內(nèi)外大型水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用單孔小喇叭進(jìn)口體型，進(jìn)口底高程108.00m，進(jìn)口曲線為變半徑雙圓弧曲線，喇叭口寬12.11m，高17.62m，工作閘門(mén)為9.2m×13.24m.機(jī)組進(jìn)水口布置，經(jīng)對(duì)單、雙孔方案進(jìn)行大比尺水工模型試驗(yàn)后作了選定，不僅改善了流態(tài)，而且取得了減少0.3m水頭損失的效果，可增加年發(fā)電量約3億kW*h，經(jīng)濟(jì)效益顯著.
3.6 鋼襯鋼筋混凝土引水管道
鑒于三峽電站壓力管道具有直徑大(12.4m) ，條數(shù)多(26條)，HD值高（1730m2）等特點(diǎn)；經(jīng)綜合比選，壩內(nèi)管段選用鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力結(jié)構(gòu).壩后管段結(jié)構(gòu)形式研究比較了鋼管單獨(dú)受力（即明管）和鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力方案.通過(guò)二維及三維仿真材料模型試驗(yàn)和二維、三維線性及非線性有限元計(jì)算，認(rèn)為鋼襯鋼筋混凝土方案鋼板較薄，有利于保證鋼材材質(zhì)和焊接質(zhì)量，只要認(rèn)真澆筑外包混凝土，可以保證鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力.其安全度比明管大，國(guó)內(nèi)外已有成功經(jīng)驗(yàn)，故選用鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力方案.鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力方案,要求壓力管道在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力下,外包混凝土按限裂設(shè)計(jì),全部?jī)?nèi)水壓力由鋼襯、鋼筋共同承擔(dān),總的安全系數(shù)應(yīng)大于2.2；鋼襯、鋼筋各自單獨(dú)承擔(dān)全部?jī)?nèi)水壓力時(shí)要求安全系數(shù)均大于1.0.該方案,外包混凝土選用Ⅱ級(jí)鋼筋,需布設(shè)4～5層環(huán)筋,施工難度大,不利于保證混凝土澆筑質(zhì)量.長(zhǎng)江水利委員會(huì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),以減少環(huán)筋的層數(shù).經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),總的安全系數(shù)為2.0,鋼襯、鋼筋各自單獨(dú)承擔(dān)全部?jī)?nèi)水壓力時(shí)安全系數(shù)分別為1.2和0.8,選用Ⅲ級(jí)鋼筋,調(diào)整為3層環(huán)筋,可節(jié)約鋼材10%左右.
中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司原則同意長(zhǎng)江水利委員會(huì)優(yōu)化設(shè)計(jì)報(bào)告.考慮到前蘇聯(lián)對(duì)鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力壓力管道技術(shù)已有豐富的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范可借鑒,中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司委托俄羅斯水電專家對(duì)三峽水電站壓力管道優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核.復(fù)核結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足俄羅斯的規(guī)范；鋼襯、鋼筋計(jì)算應(yīng)力均較小,外包混凝土的裂縫寬度小于0.2mm;優(yōu)化后仍有較大的安全余地；考慮到三峽壓力管道的極端重要性,俄羅斯專家認(rèn)為三峽壓力管道的安全系數(shù)k=2.0是適當(dāng)?shù)?
3.7 蝸殼打壓?jiǎn)栴}
三峽水輪機(jī)蝸殼與外圍混凝土結(jié)構(gòu)型式,先后研究了充水加壓、半包(上部鋪設(shè)墊層)和全包(全部鋪設(shè)墊層)三個(gè)方案,經(jīng)綜合分析,為更有利于水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和結(jié)構(gòu)安全考慮,1997年7月中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司確定采用打壓方案,并請(qǐng)長(zhǎng)江水利委員會(huì)按照該方案進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì).由于長(zhǎng)江水利委員會(huì)原廠房總體設(shè)計(jì)是按設(shè)置墊層方案考慮,廠房尺寸十分緊湊,加上三峽蝸殼打壓水頭高,鋼管及蝸殼尺寸大,因而悶頭很難在廠內(nèi)布置,經(jīng)比較確定悶頭位于廠外副廠房下部的布置方案.由于悶頭布置在副廠房下部,造成副廠房的施工進(jìn)度推遲達(dá)9.5個(gè)月之久,對(duì)2003年機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電計(jì)劃目標(biāo)有較大影響.鑒于對(duì)蝸殼焊縫質(zhì)量檢查已有可靠手段,為簡(jiǎn)化悶頭結(jié)構(gòu)和有利于悶頭布置,同時(shí)又能保證蝸殼與外圍混凝土緊密結(jié)合,有利于抗振和保證機(jī)組安全運(yùn)行,取消1.5倍最高運(yùn)行水頭的打壓試驗(yàn)工序,僅采用保壓澆蝸殼外圍混凝土.針對(duì)三峽水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行水頭變幅大,初期水庫(kù)處于低水頭運(yùn)行,后期又有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)在防洪限制水位運(yùn)行的特點(diǎn),為保證在運(yùn)行期間蝸殼與外圍混凝土貼緊,聯(lián)成整體,保壓水頭確定為78m，相應(yīng)初期運(yùn)行水位135m.
3．8 廠壩間伸縮節(jié)問(wèn)題
1998年6月6～12日，中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院張光斗、潘家錚兩位兩院院士來(lái)三峽工地進(jìn)行咨詢時(shí)認(rèn)為：1～6岸坡壩段伸縮節(jié)可以取消；7～14河床壩段伸縮節(jié)也傾向取消,可待俄羅斯專家咨詢報(bào)告提交和進(jìn)行一些補(bǔ)充分析后再定；可否取消伸縮節(jié),其重要的因素是國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐及墊層管兩端的相對(duì)位移和鋼管的應(yīng)力在允許應(yīng)力的范圍內(nèi).
俄羅斯專家在對(duì)三峽水電站鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力壓力管道的施工技術(shù)進(jìn)行咨詢時(shí)介紹，前蘇聯(lián)在最近25年來(lái)所建設(shè)的10余座高混凝土壩（包括200m以上高拱壩）壩后式廠房，廠壩間均未設(shè)伸縮節(jié).俄羅斯薩揚(yáng)舒申斯克（重力拱壩，壩高245m，壩后廠房）、契爾蓋（雙曲拱壩，壩高232m，壩后廠房）、克拉斯諾雅爾斯克（重力壩，壩高125m，壩后廠房）等水電站均取消伸縮節(jié)，設(shè)置一段補(bǔ)償節(jié)來(lái)解決廠壩之間的相對(duì)位移問(wèn)題.上述水電站運(yùn)行情況良好.廠壩間原型觀測(cè)的相對(duì)變形較小，一般僅為計(jì)算值的50％～60%.
國(guó)內(nèi)80年代以來(lái)所建成的高混凝土壩壩后廠房也逐步取消伸縮節(jié)，如水口（管徑
D=10.5m）、巖灘（D=10.8m）、李家峽（D=8.0m）等水電站，目前這些電站壓力管道均正常運(yùn)行.而80年代以前，廠壩間采用套筒式伸縮節(jié)的工程，常因伸縮節(jié)漏水難以維修，不得不采用其它補(bǔ)救措施.從我國(guó)采用的套筒式雙伸縮節(jié)的實(shí)踐看，12.4m 直徑的伸縮節(jié)的制作安裝和維護(hù)都存在一定困難，其運(yùn)行可靠性也較難保證.
根據(jù)計(jì)算分析成果,1～6岸坡壩段用墊層管取代伸縮節(jié),其廠壩間的相對(duì)位移和轉(zhuǎn)角小,在任何季節(jié)合攏鋼管的應(yīng)力均在允許應(yīng)力范圍內(nèi),可以用墊層管取代伸縮節(jié)；7～14河床壩段的相對(duì)位移值也在允許范圍之內(nèi),鋼管應(yīng)力絕大部分在允許應(yīng)力范圍內(nèi),僅局部應(yīng)力超過(guò)允許應(yīng)力,若合理選擇合攏時(shí)間,河床壩段伸縮節(jié)也可取消.為確保河床壩段墊層管的安全,俄羅斯專家建議采用:加厚墊層管四周墊層厚度和墊層管長(zhǎng)度;墊層管底部設(shè)置排水,并埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器；墊層管外包鋼筋混凝土,鋼筋混凝土可按全水頭（靜水頭）設(shè)計(jì)；墊層管不設(shè)加勁環(huán),其兩端鋼管設(shè)置止推環(huán).長(zhǎng)江水利委員會(huì)認(rèn)為，7～14河床機(jī)組段墊層管工作條件相對(duì)復(fù)雜，所提出的工程措施或技術(shù)保證措施尚難以落實(shí)，傾向保留原定的伸縮節(jié)方案.
4 永久船閘科學(xué)研究成果
4.1 永久船閘輸水系統(tǒng)及水力學(xué)
永久船閘最大工作水頭113m，分為5級(jí)，單級(jí)最大工作水頭達(dá)45.2m，為目前世界上規(guī)模最大、水頭最高的船閘.為此對(duì)船閘輸水系統(tǒng)充泄水閥門(mén)型式及閥門(mén)段水力學(xué)條件、防空化措施、閘室充泄水水力指標(biāo)和船只停泊條件等船閘水力學(xué)問(wèn)題，進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究.永久船閘輸水系統(tǒng)采用長(zhǎng)隧洞等慣性型式，每線船閘兩側(cè)岸體內(nèi)對(duì)稱布置兩條輸水隧洞.輸水隧洞最大輸水流量550m3/s，閘室充水底部廓道頂設(shè)出水蓋板消能.模型試驗(yàn)表明，在各種通航水位條件輸水時(shí)，過(guò)閘船只的縱向系纜力小于49kN，橫向系纜力小于29.4kN，可滿足安全停泊要求.對(duì)充泄水閥門(mén)型式比較了正向弧門(mén)和反向弧門(mén)，兩種門(mén)型在技術(shù)上都是可行的，鑒于反向弧門(mén)在國(guó)內(nèi)外高水差船閘有成功的經(jīng)驗(yàn)，特別是葛洲壩工程中已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行考驗(yàn)，選用反向弧門(mén).為解決充泄水閥門(mén)及閥門(mén)段的振動(dòng)和空化問(wèn)題，采取適當(dāng)降低隧洞高程，以保證閥門(mén)有足夠的淹沒(méi)水深；操作時(shí)快速開(kāi)啟閥門(mén)；閥門(mén)后隧洞采用頂部擴(kuò)大及底部擴(kuò)大的體型；閥門(mén)后通氣等措施，可防止閥門(mén)區(qū)出現(xiàn)空化問(wèn)題，并滿足閘室停泊水流條件要求，保證輸水隧洞及泄水閥門(mén)安全運(yùn)行.
4.2 永久船閘引航道布置
永久船閘引航道布置及通航水流條件與壩區(qū)泥沙淤積密切相關(guān).重點(diǎn)研究水庫(kù)運(yùn)行不同歷時(shí)，引航道內(nèi)外泥沙淤積對(duì)通航水流條件的影響，以及在各種情況下為滿足通航水流條件需要采取的防淤清淤措施問(wèn)題.上下游引航道布置，按通航水流條件要求，控制口門(mén)縱向流速小于2m/s，橫向流速小于0.3m/s，回流流速小于0.3m/s，涌浪高度小于0.5m.為此在上游引航道右側(cè)設(shè)置隔流堤，將航道與長(zhǎng)江主流隔開(kāi)，形成單獨(dú)的人工航道.對(duì)隔流堤布置方案研究比較短隔流堤方案和將升船機(jī)引航道置于隔流堤以內(nèi)的“大包方案”，以及將臨時(shí)船閘改建的沖沙閘也包進(jìn)隔流堤內(nèi)的“全包方案”.在未考慮上游建庫(kù)，并在水沙系列中每20年增加一個(gè)相當(dāng)于80年一遇的1954年型豐水豐沙過(guò)程的條件，壩區(qū)泥沙模型試驗(yàn)成果表明：水庫(kù)運(yùn)行(30+2)年，壩前淤積不多，上游引航道不建隔流堤，永久船閘和升船機(jī)引航道的水流條件均可滿足通航要求；水庫(kù)運(yùn)行50～70年后，引航道泥沙逐漸淤高，水流流速增加，對(duì)船舶航行有一定的影響，需要采取措施.中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司原則同意按專家組審查意見(jiàn)實(shí)施上航道隔流堤“全包”方案.
下游引航道右側(cè)為土石隔流堤，出口口門(mén)距壩軸線4.5km，受樞紐下泄水流和波浪影響較小.水庫(kù)運(yùn)行50～80年，一般年份上、下引航道淤積量不是很大，且主要淤積在引航道口門(mén)以外，采取臨時(shí)船閘改為沖砂閘；在引航道口門(mén)處設(shè)截沙槽或設(shè)水(氣)幕破壞異重流進(jìn)入航道，減少淤積；配備自航式高性能挖泥船挖除航道內(nèi)的淤沙等措施，可滿足通航水流條件.
4.3 永久船閘高邊坡研究
永久船閘高邊坡和一般高邊坡相比具有以下特點(diǎn)：
a. 它是在山體中深切出來(lái)的陡高邊坡，高度大、形態(tài)復(fù)雜、范圍廣、應(yīng)力釋放充分，呈現(xiàn)出明顯的卸荷和非均質(zhì)特征.
b. 邊坡穩(wěn)定，尤其是變形特性有嚴(yán)格要求.長(zhǎng)江是我國(guó)的黃金水道，作為永久船閘的邊坡，不僅整體和局部穩(wěn)定必須保證，而且對(duì)邊坡的流變必須嚴(yán)格控制，以滿足船閘人字門(mén)的正常運(yùn)行要求.
c. 施工難度大、干擾多、工期緊.船閘工程不僅地面施工強(qiáng)度高，窄、深且陡的閘室直立邊墻開(kāi)挖困難，而且與大量地下隧洞與豎井開(kāi)挖同步進(jìn)行，如何解決開(kāi)挖爆破的相互影響，最大限度地減少巖體損傷和確保施工安全都是需要處理的難題.
為了解決三峽永久船閘高邊坡施工中的問(wèn)題，在“七五”、“八五”和“九五”國(guó)家重大科研項(xiàng)目中，對(duì)巖體邊坡的基本力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)方法與取值標(biāo)準(zhǔn)；邊坡卸荷、非線性、非均質(zhì)及流變特性；永久船閘長(zhǎng)期變形；巖坡位移對(duì)三峽永久船閘大型人字門(mén)工作性態(tài)的影響；滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響；邊坡穩(wěn)定分析方法、破壞機(jī)制與安全評(píng)判準(zhǔn)則；邊坡安全監(jiān)測(cè)和反饋分析；邊坡爆破開(kāi)挖和支護(hù)技術(shù)等一系列課題進(jìn)行科學(xué)研究和聯(lián)合攻關(guān)，取得了一大批有水平的成果，并已應(yīng)用到設(shè)計(jì)和施工中.
4.4 永久船閘閘室混凝土襯砌墻的結(jié)構(gòu)與支護(hù)研究
三峽永久船閘高邊坡開(kāi)挖具有邊坡高度大，延伸長(zhǎng)度長(zhǎng)，輪廓復(fù)雜及直立深切等特點(diǎn)，加上花崗巖堅(jiān)硬性脆，裂縫發(fā)育等地質(zhì)特點(diǎn)，使之成為開(kāi)挖難度大，技術(shù)要求高的挑戰(zhàn)性工程.襯砌墻布置11萬(wàn)根高強(qiáng)錨桿，主要作用是保證混凝土襯砌墻的穩(wěn)定，同時(shí)兼顧高邊坡巖石的穩(wěn)定，現(xiàn)結(jié)構(gòu)錨桿設(shè)計(jì)是按襯砌墻的外水壓力和溫度應(yīng)力的最不利組合來(lái)考慮的.從襯砌墻分塊尺寸看，屬于長(zhǎng)寬比嚴(yán)重失調(diào)的板結(jié)構(gòu)（寬12m,高40～60m，厚1.5～2.4m）.對(duì)此，張光斗院士認(rèn)為：結(jié)構(gòu)錨桿主要是承受外水壓力對(duì)襯砌墻的推力，對(duì)溫度應(yīng)力作用不大.溫度變化產(chǎn)生的變形受開(kāi)挖巖面凹凸不平及開(kāi)挖臺(tái)階的約束，即使混凝土與巖面脫開(kāi)，其尺度也小于巖面的不平整度，在錨桿逐步受溫差變形產(chǎn)生荷載的過(guò)程中，目前設(shè)計(jì)的混凝土襯砌墻因內(nèi)外變形的差異和受巖體的約束，必然會(huì)產(chǎn)生水平裂縫.混凝土襯砌墻開(kāi)裂后，其對(duì)錨桿產(chǎn)生的荷載隨即相應(yīng)減少.因此，應(yīng)增設(shè)1～2條水平結(jié)構(gòu)縫，該水平止水縫宜布置在襯砌厚度突變處，減少溫度應(yīng)力，為加強(qiáng)襯砌墻的整體性，可設(shè)過(guò)縫鋼筋，但不要太多；增加混凝土襯砌墻的溫度應(yīng)力鋼筋，以分散溫度應(yīng)力引起的裂縫及減少裂縫的寬度；進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)錨桿，減少混凝土墻開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn).并可減少高強(qiáng)錨桿數(shù)量，或采用延性好的Ⅲ級(jí)普通鋼筋.
5 特大型水輪發(fā)電機(jī)組科學(xué)研究成果
三峽700MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，運(yùn)行水頭初期為61～94m，后期為71～113m. 針對(duì)三峽電站機(jī)組具有單機(jī)容量大，工作水頭變幅大，過(guò)機(jī)水流含有一定量的泥沙等特點(diǎn)，重點(diǎn)研究水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性能和改善運(yùn)行穩(wěn)定性的措施；水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)優(yōu)選及結(jié)構(gòu)方案；調(diào)速器及油壓裝置選型等問(wèn)題. 鑒于三峽電站機(jī)組臺(tái)數(shù)多、容量大，在電力系統(tǒng)中的地位極其重要，必須從機(jī)組選型、設(shè)計(jì)、制造上采取措施，確保機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠. 按后期運(yùn)行條件擬定水輪機(jī)最優(yōu)工況的水頭，以確保水輪機(jī)在高水頭運(yùn)行工況的穩(wěn)定性和效率，同時(shí)也兼顧低水頭的運(yùn)行性能. 水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較擬定為：水輪額定轉(zhuǎn)速75r/min，額定水頭80.6m，額定出力710MW，最大出力852MW；發(fā)電機(jī)最大容量840MVA，功率因數(shù)0.9. 機(jī)組冷卻方式比較了全空冷方案和定子水冷、轉(zhuǎn)子空冷方案. 鑒于兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，以制造廠家各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)確定. 機(jī)組的推力負(fù)荷達(dá)5500t左右，為世界之最，推力軸承的布置研究了水輪機(jī)頂蓋和下機(jī)架兩種方式，推薦承重下機(jī)架的方案. 調(diào)速器采用數(shù)字式微機(jī)調(diào)速器. 機(jī)組油壓裝置為分離結(jié)構(gòu).
機(jī)組采用國(guó)際公開(kāi)招標(biāo)，第一是質(zhì)量，第二是引進(jìn)技術(shù). 利用這個(gè)機(jī)會(huì)，把我國(guó)國(guó)內(nèi)水電設(shè)備的制造水平提高到國(guó)際水平. 左岸電站14臺(tái)700MW水輪發(fā)電機(jī)組國(guó)際招標(biāo)采購(gòu)合同于1997年9月正式簽訂,由兩個(gè)供貨集團(tuán)中標(biāo). 法國(guó)通用電氣阿爾斯通和瑞士ABB公司組成的供貨集團(tuán)中標(biāo)8臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組,采用挪威克瓦納公司的水力設(shè)計(jì). 加拿大GE、德國(guó)伏伊特、西門(mén)子公司三峽聯(lián)合體中標(biāo)6臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組. 1997年年底水輪機(jī)埋件部分的第一批貨物已運(yùn)抵工地,意味三峽水輪發(fā)電機(jī)組埋件的安裝將拉開(kāi)序幕.
