三峡水利枢纽二期工程科技和管理创新

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

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。

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