三峡工程设计及施工进展与展望，本文主要内容关键词为：工程设计论文,进展论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文章编号：1001-4179(2001)01-0006-04
中图分类号：TV632.63 文献标识码：A
三峡工程勘察设计由长江水利委员会（以下简称长江委）负责。从1950年以来，经历了近半个世纪的历程。长江委进行了大量勘察、设计、科研工作，先后完成了《长江三峡水利枢纽可行性研究报告》、《长江三峡水利枢纽初步设计报告（枢纽工程）》、《长江三峡水利枢纽库区移民安置规划报告》。1993年7月，国务院三峡工程建设委员会（以下简称国务院三峡建委）主持审查了《长江三峡水利枢纽初步设计报告（枢纽工程）》，核心专家组审查意见中指出：“三峡工程规模特大，其中某些单项工程规模即相当于一个大型工程，技术也比较复杂……，有必要在初步设计完成后，立即开展主要建筑物的单项技术设计，再进行招标设计和施工详图设计”。国务院三峡建委在批准三峡工程初步设计的通知中要求长江委“在下阶段设计中尽可能地方便施工，降低施工难度和风险度，降低工程造价，缩短工期，抓紧编制重要工程的单项技术设计和其它工程的招标设计；保证图纸的按期供应”。
三峡工程初步设计批准后，长江委随即开始进行大坝、电站建筑物、永久船闸、垂直升船机、机电（含首端换流站）、大江截流及二期围堰、建筑物安全监测、变动回水区航道及港口整治（含坝下游河道下切影响及对策研究）等8项技术设计工作，包括安排补充勘察、水文泥沙和科学试验研究工作，开展专题研究等。1993年12月完成了各单项技术设计工作大纲的编制。1994年6月完成了1～7项7个单项技术设计报告，第8项变动回水区航道整治（含坝下游河道下切影响及对策研究）设计继续分阶段进行。
三峡工程单项技术设计由中国长江三峡工程开发总公司（以下简称三峡总公司）负责组织审查。三峡总公司组成了以潘家铮院士为主任、程山为常务副主任的技术委员会具体负责审查工作。聘请了157位国内一流专家成立了大坝、厂房、船闸、升船机、大江截流及二期围堰、机电及金属结构、建筑物安全监测等7个单项技术设计审查专家组。还成立了泥沙专家组，负责审查各单项技术设计中的有关泥沙问题。单项技术设计是在三峡工程进入施工准备和一期工程开始施工、急待提出招标设计情况下进行的，设计工作量大、时间紧、难度大，在三峡总公司技术委员会精心组织下，长江委与专家组密切配合，采取了多种方式把设计、科研和审查工作有机的结合起来。自1994年4月开始，各专家组先后对单项技术设计工作大纲进行了审查，分技术专题对单项设计进行中间性审查，满足了招标设计和施工详图设计需要。至1996年，7个单项技术设计基本审查完，大坝、永久船闸等一部分专题延续到1998年最终审定。
各单项技术设计研究的重大技术问题及审查结论意见简述如下。
1 大坝
(1)大坝泄洪及消能。三峡水库防洪调度要求在防洪限制水位145m时，泄洪建筑物具有下泄流量56 700m[3]/s的能力；遇设计洪水和校核洪水，要求泄洪建筑物具有下泄流量100 000m[3]/s以上的能力。为此，泄洪坝段布置深孔以满足低水位时的泄洪要求，设表孔满足设计洪水时的泄洪要求。为满足三期导流及截流要求，在表孔的正下方布置导流底孔。对表孔、深孔、底孔的体型设计及水力学经过水工模型试验研究进行优选，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选用挑流消能型式。导流底孔比较了有压短管和有压长管方案，选用有压长管。
(2)大坝孔口配筋。坝体内过流孔洞多、尺寸大、水头高、结构受力复杂。泄洪坝段有3层泄洪孔：表孔22个(8m×17m)、深孔23个(7m×9m)、底孔22个(6m×8.5m)。厂房坝段有26个电站进水口(12.11m×17.62m)，下接直径12.4m的引水钢衬钢筋混凝土管道；在安装场坝段布置7个直径4.5m的排沙孔。导墙坝段、纵向围堰坝段和右岸厂房的安Ⅱ坝段各布置1个排漂孔(10m×12m)。孔口拉应力大，按一般设计布筋排数达5～6排。采取了止水后移、横缝灌浆、利用有压段钢衬及预应力锚束等措施以降低孔口应力，优化孔口周边配筋，钢筋排数减为3排，以方便施工。
(3)大坝稳定和基础处理。大坝基岩为前震旦纪闪云斜长花岗岩，岩石抗压强度100MPa，岩体变形模量30～40GPa，透水性微弱。坝基开挖完成后，现场地质情况勘察表明，就整体而言与此前地质勘测结论一致，原设计是可靠的。但是，左厂1～5号坝段基岩为缓倾角裂隙相对发育区，而大坝下游为厂房基础开挖形成的高陡临空面，坝基稳定性问题格外重要。在技术设计阶段进行了大量的补充勘察、试验研究工作。采用先进的地质勘测手段查明左厂3号坝段基岩的缓倾角结构面最为发育，按最不利的可能滑移面考虑，倾向下游的结构面连通率相对较高。经深入分析研究，决定采取综合工程措施处理：适当降低建基岩面高程、加宽坝基底宽度、坝体与厂房联合受力、基础采用抽排水等措施，以确保大坝深层抗滑稳定安全系数能满足要求。
(4)引水压力管道结构。三峡电站采用坝后式厂房，引水压力管道直径大(D=12.4m)，HD值高(1 730m[2])，条数多（26条）。管道的布置形式，在初步设计时已确定采用背管型式。在技术设计阶段，对压力管道的结构型式，比较了明管与钢衬钢筋混凝土联合受力管道，经专家组审定采用钢衬钢筋混凝土联合受力管道。对于联合受力管道的结构计算进行了深入的研究。对于坝体段钢管与厂房段钢管联接的伸缩节型式还在作多方案的比较研究中。
(5)大坝混凝土设计。大坝混凝土设计以耐久性作为主要控制指标。对人工花岗岩骨料的碱活性状态进行了深入的研究。根据中国水利水电科学院和长江科学院试验成果，三峡人工花岗岩骨料为非活性骨料。但设计仍要求在使用人工骨料时按国家标准控制水泥熟料中碱含量，要求控制混凝土总含碱量≤2.5kg/m[3]和掺用Ⅰ级粉煤灰，以防止混凝土产生碱骨料反应。大坝外部混凝土抗冻标号D[,250]、抗渗标号S[,10]；大坝内部混凝土抗冻标号D[,100]～D[,150]、抗渗标号S[,8]～S[,10]。混凝土配合比中粉煤灰掺量，外部混凝土控制在20%～30%，内部混凝土控制在35%左右。并掺高效减水剂和引气剂，有效地降低用水量和控制较低水灰比，以增加混凝土的密实性和耐久性。关于采用碾压混凝土的问题，经专家组审查，只在纵向围堰坝段90m高程以下部位和上、下游纵向围堰以及左导墙采用碾压混凝土。
2 电站建筑物
(1)进水口型式。三峡水电站水轮机发电机组采用单机单管引水，压力管道直径12.4m，设计流量966m[3]/s，运行水位变幅45m。电站进水口型式比较了单孔进水口和双孔进水口。经过水工模型对比试验研究，经专家组审查同意选用单进水口方案，进口高程由初设时的110m降至108m，以防止在初期运行水位135m时产生挟气漩涡的不利流态。单孔进水口减少水头损失0.3m，可增加年发电量1.6～3亿kW·h，经济效益显著。
(2)厂房结构型式。针对三峡电站厂房装机台数多、单机容量大、空间尺寸大、上部结构承受的起吊重量大等特点，对厂房上部结构型式比较了梁柱方案、实体墙方案和墙柱结合方案。通过大量的结构分析论证，并对国内外已建电站进行了广泛深入的调研分析后认为，上述3种结构方案均是可行的。专家组认为实体墙方案对抗震有利，且施工简单，决定采用此方案。对厂房下部结构，为满足结构强度、刚度和抗震需要，将部分孔洞改为实体混凝土。厂房屋盖系统采用网架结构。
(3)蜗壳外围混凝土结构。依据专家组意见，对厂房蜗壳周围混凝土结构作进一步的计算分析与试验研究，在结构型式上重点研究采用软垫层和蜗壳充水打压浇筑外围混凝土方案，认为两种方案在技术上都是可行的。三峡总公司审定采用蜗壳打压浇筑外围混凝土方案。
3 永久船闸
(1)上游引航道布置。永久船闸上游引航道布置初步设计审查意见是，采用隔流堤在永久船闸右侧的“小包方案”，今后工作重点研究堤头位置和走向。在技术设计阶段经过大量的水工和泥沙模型基本确定了堤头位置和走向，在1994年11月完成的《永久船闸技术设计报告》和1995年3月完成的《永久船闸上游引航道布置》专题报告中提出了推荐方案，并建议初期30+2年以前上游引航道可不建隔流堤。1997年4月长江委根据新的试验成果和进一步深入研究，再次提出了《永久船闸上游引航道布置补充报告》。报告综合比较了“小包”、“大包”、“全包”方案后认为：“全包”方案在每年汛期出现大流量时（仅几天时间）对升船机上游引航道的通航条件较“小包”方案可能有所改善；“小包”方案能满足通航要求，部分隔流堤后期施工技术是可行的，且避免了长达30年以上的投资积压。因此，仍倾向采用“小包”方案。1998年5月，航运和泥沙专家组联合对报告进行审查，会议确定隔流堤布置在临时船闸改建冲沙闸右侧的“全包”方案，三峡总公司批准了专家组的意见。
(2)船闸输水系统及船闸水力学。永久船闸总水头113m，单级船闸最大工作水头45.2m，一次充（泄）水量达23.7万m[3]，要求控制充（泄）水时间12min，输水最大流量540m[3]/s，是目前世界上规模最大的船闸。运行过程中，船闸输水系统及船闸水力学技术问题复杂。技术设计重点研究上游取水形式，以及为解决输水廊道阀门段的空蚀问题。对输水廊道阀门体形及阀门结构等关键性技术问题进行补充研究，取得了大量的成果。经专家组审查同意，船闸输水系统进水口采用正向取水；输水型式为等贯性底部纵支廊道四区段分散出水盖板消能；输水阀门采用反向弧门，同时用增大初始淹没水深（阀门淹没水深26m），快速启闭门(2min)、阀门后设顶扩及底扩、门楣通气等措施解决消能及防气蚀空化问题。
(3)船闸高边坡。船闸开挖边坡最高达170m，直立边坡高达68m，是少见的。设计上通过各种勘察手段做了大量勘测及试验工作，查明了船闸基础的岩性、构造分布及结构面特性，岩体风化带及厚度，岩体水文地质结构及渗透性；进行岩体结构分类，提出岩体物理力学指标，对高边坡稳定性进行了分析，提出了有关边坡条件及参数。在永久船闸开挖过程中，地质方面及时进行详细测绘，找出可能滑塌的随机块体。设计方面及时进行稳定性分析，对边坡支护锚杆、锚索布置进行调整及修正，并对揭露的不稳定块体采取多种措施加固，布置了大量监测仪器，从施工期就进行跟踪监测和反馈分析计算。现在高边坡开挖已全部完成，确保了施工和运行安全。
(4)船闸金属结构及关键设备。技术设计阶段，重点对人字门结构及液压直推式启闭机、输水工作阀门等关键设备进行了深入研究，在吸收国内外有关船闸经验和资料的基础上，通过试验分析研究，对人字闸门的总体构造型式、材料的选用、结构工艺处理方式、关键部件如顶、底枢和支承条以及底止水的布置形式、液压启闭机及其动水阻力矩等参数确定均进行了优化设计。
4 垂直升船机
(1)起始通航水位问题。设计分析认为，根据审查的工期安排，升船机已难参与二期施工通航，建议为进一步改善三峡升船机的运行条件，建议将上游起始通航水位由65.7m抬高至135m，并于1993年8月向三峡建委提交了《关于三峡升船机起始通航水位问题的报告》。三峡建委于1994年4月组织有关部门领导及专家，对专题进行了审议，并正式批复，同意升船机上游起始通航水位采用135m。
(2)升船机线路位置的调整。1994年3月，三峡总公司召开升船机专家组会议对升船机线路问题进行了审议。审查结论是：关于升船机线路位置，有必要将轴线从原线左移，扭转一定角度，并明确升船机轴线左移距离至少以在其右侧有建一道实体隔流导墙的宽度为准。设计代表在会上进一步说明了有关设计研究成果和结论，并提出书面意见。1994年4月，三峡总公司批准了专家组的意见，长江委根据三峡总公司的决策意见全面修改设计，并按新的设计条件，进行单项技术设计。
(3)升船机上闸首结构。升船机上闸首兼有枢纽挡水坝段及通航闸首双重功能，结构型式及受力均较为复杂，且上闸首基础地质状况较差。为确保挡水结构的安全，技术设计中对上闸首的结构型式、稳定及配筋设计等进行了大量的研究分析，并对上闸首结构及时调整。针对其基础岩体存在倾向下游的不利结构面而影响坝基稳定问题，确定将上闸首建基面高程110m降至90m高程，闸基顺流向宽度由90m增至125m。
5 工程安全监测
安全监测设计范围覆盖整个三峡枢纽的所有建筑物。技术设计阶段重点对总体设计方案、监测仪器自动化系统、施工期和分期蓄水安全监测设计及实施、重要建筑物的监测项目完善等方面进行了研究论证。
6 大江截流及二期围堰
大江截流及二期围堰技术复杂性在国内外均属罕见，是三峡工程关键的重要技术问题之一，受到国内外专家学者的广泛关注，也是唯一要求进行技术设计后方可实施的临时工程项目。自1993年开始该项技术设计至1996年，完成了大量的设计研究工作，三峡总公司先后召开6次专家审查会，对技术设计工作大纲、防渗墙施工机具、大江截流、围堰工程地质及填料力学参数、有限元应力应变计算成果、二期围堰技术设计进行了审查。
7 机电（含首端换流站）技术设计
机电单项技术设计针对三峡电站水轮发电机组具有单机容量大，工作水头变幅大，过机水流含有一定量的泥沙等特点，重点研究水轮发电机组稳定性能和改善运行稳定性的措施；水轮发电机组重要参数选择及结构方案；调速器及油压装置选择；首端换流站的位置及型式选择；变压器冷却方式；机电继电保护；监测等技术问题。
长江委在集中技术力量进行单项技术设计工作的同时，为满足三峡工程施工的需要，还进行了施工项目的招标设计及施工详图设计工作。自1993年1月三峡工程开始施工准备至2000年底，根据三峡总公司有关工程招标的要求及进度安排，在初步设计和单项技术设计的基础上，先后完成了近百项招标设计及招标文件编制工作，保证了三峡工程招标工作的顺利进行。一些单项工程由于受技术设计、招标设计及施工详图设计交叉平行进行的影响，施工详图设计难度增加。为确保施工详图供图满足工程进度的要求，长江委加强与业主、施工、监理单位的联系和沟通，采取措施，强化管理，设计人员克服困难，加班加点，基本上按要求完成了有关工程的施工详图设计，并逐步扭转设计工作被动局面。至2000年底，长江委已提交各类设计图26 200张，各类设计文件及施工技术要求3 100份，大坝及厂房二期工程、永久船闸、升船机上闸首的土建设计图基本完成，金属结构及机电设计图按施工进度提供，满足了三峡工程建设的需要。此外，长江委还对施工中出现的部分技术问题，及时提出了修改设计和质量补强设计，保证了施工需要。
8 结语
三峡工程从1993年初开始施工准备和一期工程的施工，1994年12月14日正式开工。1997年11月8日，大江截流成功，一期工程完成，进入二期工程施工。1998年4月28日，二期基坑开始坝基开挖，9月12日，抽干基坑积水，坝基开挖全面展开。9月30日，泄洪坝段右侧第21号坝段开始浇筑混凝土。1999年2月，完成大坝基础开挖，全面转入混凝土浇筑。左岸电站厂房基础开挖于1994年4月开始至1999年3月结束。永久船闸主体段开挖从1994年4月开始，至1999年9月结束。各建筑物相继进入混凝土浇筑高峰期。截至2000年底，主体建筑物及导流工程完成的主要工程量为：土石方开挖11 721万m[3]，土石方填筑3 022万m[3]，混凝土浇筑1 466万m[3]，金属结构制作安装3.28万t，机组埋件安装1.01万t。工程施工正紧张有序地进行。至2000年底，主要建筑物形象进度如下。
大坝泄洪坝段已浇筑至98～118m高程，左岸非溢流坝段已达117～185m高程，左厂房坝段已达81.5～148m高程，右岸纵向围堰坝身段已达160m高程。左导墙已达110m高程。大坝金属结构安装于1999年10月开始，至2000年底泄洪坝段底孔埋件大部分安装完，泄10～23号坝段深孔埋件安装完；左岸厂房坝段1～7号机组引水钢管上平段、下平段、下弯段安装完，并安装部分拦污栅埋件及进水口闸门埋件，8～10号机引水钢管完成部分安装。
左岸厂房1～5号机组段混凝土于1998年1月开始浇筑，2000年底主厂房上、下游墙均达到101～108m高程；6～12号机组段下游高程82m尾水平台形成，13号机组段浇筑至69.3m高程，14号机组段浇筑至48～50m高程。1～5号机蜗壳安装及焊接已完成，2000年底开始浇筑蜗壳外围混凝土；6号机完成蜗壳吊装，7～13号机锥管安装完成，14号机肘管里衬安装完成。1～5号机组尾水闸门开始安装。
永久船闸混凝土于1998年11月25日开始浇筑，至2000年底，除五闸首外，其余南北线的5个闸首混凝土均浇筑至设计高程。输水系统隧洞衬砌混凝土于1998年9月28日开始浇筑，阀门竖井北1、南1、北2、南2、北3、北6、南6、中6阀门井混凝土浇筑至设计高程。1、6闸首人字门埋件安装已完成，门体吊装一部分。
升船机上闸首混凝土于1996年3月开始浇筑，2000年底浇筑至169.7～185m高程。现正进行闸门埋件安装施工。
工程质量总体良好，施工进度按国家批准的初步设计总进度实施，工程投资可以控制在初步设计总概算以内。
当前，三峡工程建设正处于混凝土浇筑的高峰期，金属结构制造安装和水轮发电机组及埋件安装已全面展开，并将进入高峰期。2001年是21世纪的第一年，也是三峡工程施工最艰难的一年。建筑物过流孔洞多，钢筋密集，体型复杂，技术要求高，施工难度大，且大多施工部位为高空作业，各工种施工交叉，干扰较大。土建施工与金属结构及机电设备埋件安装相互干扰和制约，金属结构及机电设备埋件尺寸大、单件重，且安装精度要求高，施工困难。2001～2003年，三峡工程建设将要突破5大难关：主体建筑物过流孔洞周边钢筋混凝土及衬砌混凝土高强度施工；特大型闸门及启闭机高强度安装和调试；700MW水轮发电机组安装和调试；明渠截流及三期碾压混凝土围堰施工；双线五级船闸调试。全体三峡工程建设者都面临机遇和挑战，作为设计总成单位，我们一定牢记“在长江上建坝，‘如临深渊、如履薄冰’”，“质量是三峡工程的生命，质量责任重于泰山，任何一点马虎都会遗祸子孙”的教导，本着对国家负责、对历史负责、对子孙后代负责的态度，精心设计，始终把质量放在首位，加大科技投入和资源投入，与业主、施工、监理单位密切配合，共同努力解决工程建设中的难题。在确保工程质量的前提下，加快施工进度，实现二期工程2003年通航发电的目标，使三峡工程开始发挥效益。同时，我们还要当好先行，为顺利转入三期工程建设创造条件。三峡工程将在2009年全部建成，这座世界最大的水利工程，必将在21世纪对我国经济可持续发展起到重要作用，我国的水利工程科学技术也将跃进到世界领先水平。
收稿日期：2000-11-24