三峽工程科技進步與創(chuàng)新

張超然，孫志禹

（中國長江三峽集團公司，湖北 宜昌 443002）

三峽工程科技進步與創(chuàng)新

張超然，孫志禹

（中國長江三峽集團公司，湖北 宜昌 443002）

三峽工程在設(shè)計、建設(shè)和運行過程中，對我國水利水電工程建設(shè)、機電設(shè)備制造和生態(tài)環(huán)境保護等各個領(lǐng)域提出了巨大的挑戰(zhàn)。針對三峽工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)和難題，國內(nèi)各個領(lǐng)域的專家學(xué)者，進行聯(lián)合科研攻關(guān)，取得了一系列重大創(chuàng)新成果，提高了我國相關(guān)領(lǐng)域的科技水平。簡要列舉了三峽工程建設(shè)和運行過程中形成的主要創(chuàng)新成果，對我國今后重大水利水電工程建設(shè)和水電清潔能源開發(fā)具有重要意義。

三峽工程；科技創(chuàng)新；生態(tài)環(huán)境保護

1 前言

三峽工程是開發(fā)和治理長江的關(guān)鍵性骨干工程，是世界上最大的水利樞紐工程，面臨著一系列前所未有的世界級難題，決定了三峽工程建設(shè)必須走自主創(chuàng)新之路。三峽工程從構(gòu)想、勘測、規(guī)劃、論證、設(shè)計到施工，經(jīng)過了幾代人的不懈努力，凝聚了全國范圍許多研究領(lǐng)域的專家學(xué)者的科技創(chuàng)新，取得了一系列的重大科技創(chuàng)新成果。自1994年工程正式開工至2010年底，三峽工程形成的科技成果獲國家科技進步獎20多項，省部級科技進步獎200多項，專利幾百項，建立工程質(zhì)量和技術(shù)標準100多項。這些科技創(chuàng)新成果有力地促進了我國重大水利水電工程建設(shè)、水電機電設(shè)備制造、生態(tài)環(huán)境保護和信息技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)展［1］。

2 水利水電工程技術(shù)

三峽工程施工導(dǎo)截流與圍堰、大壩混凝土、金屬結(jié)構(gòu)制作與安裝等水利水電工程技術(shù)均取得了眾多創(chuàng)新成果［2］。在兩次河道截流中，針對水深、堤頭坍塌嚴重的難題，創(chuàng)造性地采用了深水平拋墊底措施；在圍堰防滲施工中，引進了國際最先進的防滲墻設(shè)備，結(jié)合自行開發(fā)的新設(shè)備與新工藝，探索出世界領(lǐng)先水平的水下防滲施工技術(shù)等。在大壩混凝土施工中，首次使用了性能優(yōu)良的I級粉煤灰和高效減水劑，并優(yōu)化了混凝土配合比，使優(yōu)選出的大體積混凝土配合比單位用水量達到世界領(lǐng)先水平；首創(chuàng)混凝土骨料二次風(fēng)冷技術(shù)，創(chuàng)立了一套大容量、全方位、全過程的綜合混凝土溫控生產(chǎn)體系。在雙線五級船閘建設(shè)中，取得了直立高邊坡開挖、巖體錨固、船閘輸水、超大規(guī)模人字門安裝等幾十項技術(shù)突破［3］。下面僅列舉大江截流與圍堰技術(shù)、大壩混凝土快速施工與溫控防裂技術(shù)進行扼要介紹。

2.1 大江截流與圍堰技術(shù)

三峽工程施工導(dǎo)流及施工期通航方案，是一項龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，最終確立采用“三期導(dǎo)流、明渠通航”方案。大江截流主河床深槽段最大深度達60多米，截流戧堤和堰體拋填過程中堤頭容易坍塌，直接威脅施工人員和施工機械的安全。通過大量水力學(xué)模型試驗、數(shù)值計算和機理分析，確定采用預(yù)平拋墊底、上游單戧立堵、雙向進占、下游尾隨跟進的實施方案。大江截流創(chuàng)造了截流流量8480～11600 m3／s、截流水深 60 m及日拋投強度19.4萬m3等多項截流世界紀錄。導(dǎo)流明渠具有高落差、河底光滑的特點，通過采用水下吊拋鋼筋石籠或鉛絲石籠形成加糙攔石坎、上下游雙戧合龍的實施方案，順利完成截流。

二期土石圍堰基礎(chǔ)地質(zhì)條件復(fù)雜，堰基粉細砂、塊球體及花崗巖中強風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶的嚴重透水性是一般圍堰工程中極少遇到的特殊地層，其技術(shù)處理方案直接關(guān)系到工程的成敗。針對不同地層特征，采用銑削成槽法、銑砸爆結(jié)合成槽法、兩鉆一抓（銑）成槽法及上抓（銑）下鉆成槽法等成槽新方法，極大地提高了成槽速度，攻克了架空層成槽、塊球體的爆砸輔助成槽、鉆頭磨損、鐵件打撈等難題，大規(guī)模沖擊反循環(huán)成槽和優(yōu)質(zhì)固壁泥漿等技術(shù)都達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。同時，針對二期土石圍堰堰高、變形大的特點，研究提出并采用了新型塑性混凝土墻體材料，實踐證明是成功的，圍堰滲漏量遠小于設(shè)計值。

三期碾壓混凝土圍堰是右岸主體工程的施工圍堰，又是二期工程蓄水（135 m水位）、通航、發(fā)電的擋水“大壩”?；A(chǔ)部分隨導(dǎo)流明渠施工先期完成，主體部分高90 m、長380 m，混凝土110.7萬 m3，需要在6個月時間內(nèi)澆筑完成。通過優(yōu)化混凝土分區(qū)與分縫分塊，采用預(yù)制廊道、預(yù)制模板，鉆孔法堰體排水管，以及變態(tài)混凝土的成功運用，有效解決了堰體結(jié)構(gòu)與快速施工及方便拆除的矛盾。采用塔帶機、汽車組合方式入倉，通倉薄層連續(xù)上升澆筑，較低的碾壓混凝土拌和物VC值，連續(xù)翻轉(zhuǎn)大型模版，保證了連續(xù)高強施工。創(chuàng)造碾壓混凝土連續(xù)上升57.5 m、月最高澆筑 45.7萬 m3和日最高澆筑2.11萬 m3的世界記錄。

為滿足右岸電站廠房進水條件和右岸排漂過流條件，需對三期碾壓混凝土圍堰（堰項高程140 m）高程110 m以上堰體混凝土部位進行拆除。經(jīng)試驗研究確定，采用水下定向傾倒爆破新技術(shù)，并于2006年6月6日成功實施。

2.2 大壩混凝土快速施工與溫控防裂技術(shù)

三峽大壩孔洞多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壩塊尺寸大，設(shè)計允許大壩基礎(chǔ)混凝土最高溫度要求嚴，混凝土溫控防裂難度大。三峽主體工程混凝土總量達2800萬m3，工程量大，工期緊，施工強度高，高峰期持續(xù)時間長，質(zhì)量要求嚴。傳統(tǒng)方案難以滿足施工強度要求。經(jīng)反復(fù)論證和研究，決定選用以6臺套的塔帶機為主，輔以少量門塔機、纜機的綜合混凝土澆筑方案。該方案集混凝土水平運輸和垂直運輸為一體，混凝土從各拌和樓生產(chǎn)出來后，通過皮帶機將混凝土輸送到塔帶機，再由塔帶機直接將混凝土入倉。這是一種工廠化的生產(chǎn)方式，具有連續(xù)作業(yè)、均勻高效、相互干擾小的優(yōu)點。1999—2001年，三峽工程創(chuàng)造了連續(xù)幾年混凝土年澆筑量超過400萬m3的世界紀錄，其中2000年澆筑548萬m3，遠遠超過了由古比雪夫工程保持的年澆筑313萬m3的前世界紀錄。

三峽大壩壩體內(nèi)過流孔及閘門槽（井）尺寸大、數(shù)量多、體型復(fù)雜，增加了混凝土溫控防裂難度。在總結(jié)以往工程生產(chǎn)7℃預(yù)冷混凝土實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，三峽工程首創(chuàng)在混凝土拌合樓采用二次風(fēng)冷骨料新技術(shù)，經(jīng)二次風(fēng)冷后，骨料平均冷卻終溫可達1℃～0℃。針對塔帶機澆筑方案，通過采取措施，在高溫季節(jié)將膠帶輸送預(yù)冷混凝土溫度回升控制在4℃～6℃，回升率為0.17～0.18。為削減大壩混凝土最高溫升，通水冷卻采用“個性化”初期通水，提出了中期通水冷卻的新工藝，并在入秋后將中期通水與后期通水冷卻連續(xù)進行，降低了大壩混凝土內(nèi)外溫差，更有利于防裂。采用中熱水泥高摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰等技術(shù)措施優(yōu)化大壩混凝土配合比。在大壩上、下游面粘貼聚苯乙烯泡沫板保溫，取得良好保溫效果。在總結(jié)左岸大壩施工經(jīng)驗和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，三期右岸大壩進一步優(yōu)化施工方案，實行精細化管理，大壩質(zhì)量優(yōu)良，受到國務(wù)院質(zhì)量檢查專家組的充分肯定。

3 機電設(shè)備制造與安裝技術(shù)

三峽工程70萬kW特大型水輪發(fā)電機組制造，經(jīng)歷了從左岸電站的參與分包，到右岸電站12臺機組中的8臺擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的過程，推動中國走進大型水電設(shè)備設(shè)計制造的世界先進行列。1993年三峽工程開工之前，我國自主設(shè)計、制造的最大發(fā)電機組只有32萬kW，在大型水電設(shè)備的設(shè)計制造上較發(fā)達國家落后近30年。從當(dāng)時的技術(shù)實力來看，單純依靠國內(nèi)廠家制造70萬kW的機組，技術(shù)和經(jīng)驗遠遠不夠。僅僅靠采購國際一流制造廠家的先進設(shè)備，不但大量增加成本，而且永遠擺脫不了對國外技術(shù)的依賴。在此背景下，明確提出依托三峽工程，走技術(shù)引進與自主創(chuàng)新相結(jié)合的道路。1996年三峽工程左岸14臺機組招標明確提出“三個必須”：投標者必須與中國制造企業(yè)聯(lián)合設(shè)計、合作制造；必須向中國制造企業(yè)全面轉(zhuǎn)讓核心技術(shù)，培訓(xùn)中方技術(shù)人員；中國制造企業(yè)分包份額不低于合同總價的25%，14臺機組中的最后2臺必須以中國企業(yè)為主制造。

2004年，三峽工程右岸電站12臺機組采購合同簽訂，法國阿爾斯通、哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司和東方電機股份有限公司各自中標4臺機組的制造合同。從1996年到2004年，我國大型發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)在三峽工程中由“配角”一躍成為“主角”，由國外廠商主導(dǎo)下的“分包商”變成了獨立制造商，我國大型水輪發(fā)電機組的國產(chǎn)化時代已經(jīng)開始。中國企業(yè)通過參與三峽工程建設(shè)和引進消化吸收再創(chuàng)新，擁有了水輪機水力設(shè)計、定子繞組絕緣、發(fā)電機蒸發(fā)冷卻等具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，具備了與國際水電巨頭同臺競爭的能力。

左岸電站首批2臺機組于2003年7月并網(wǎng)發(fā)電，2005年9月左岸電站14臺機組全部投入商業(yè)運行。右岸電站2007年6月首臺機組并網(wǎng)發(fā)電，2008年10月右岸電站12臺機組全部投入商業(yè)運行。至此提前一年全部機組投入運行，其機電安裝質(zhì)量優(yōu)良，安裝進度創(chuàng)世界記錄。2010年三峽電廠全部機組1820萬kW連續(xù)滿出力運行1233 h，全年發(fā)電量達843.7億 kW·h。我國自主設(shè)計、制造、安裝特大型水輪發(fā)電機組的時代從三峽工程正式開始。

4 生態(tài)環(huán)境保護技術(shù)

4.1 高精度洪水預(yù)報與生態(tài)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)

為了提高三峽水庫上游洪水預(yù)報精度，中國三峽集團投入了大量科研力量用于提高水庫調(diào)度水平，利用組織參與國家十一五·科技支撐計劃“特大型梯級水利水電工程安全及高效運行若干關(guān)鍵技術(shù)研究”和“水庫群聯(lián)合調(diào)度自動化系統(tǒng)開發(fā)集成關(guān)鍵技術(shù)研究”的契機，完善了三峽庫區(qū)上游地區(qū)水情和氣象遙測站點布設(shè)，在上游流域建成了全國最先進的水情自動測報系統(tǒng)。在確保防洪安全的前提下，開展了科學(xué)利用洪水資源的研究。在長江防總的直接指導(dǎo)下，進行了中小洪水調(diào)度的系列生產(chǎn)性試驗。2010年汛期，長江防總下達防洪調(diào)度及指令28次，三峽水庫進行了7次防洪運用，累計蓄洪量達264.3億m3，有利保證了長江中下游的防洪安全，提高了洪水期葛洲壩和三峽工程兩壩間及中下游的通航能力。同時，也實現(xiàn)了洪水資源的有效利用。據(jù)長江水利委員會發(fā)布的數(shù)據(jù)，三峽工程2010年直接防洪效益達266億元。

4.2 中華鱘人工繁殖技術(shù)

三峽水庫庫區(qū)水生生物尤其是長江重要魚類的繁衍是受到公眾關(guān)注的焦點，中國三峽集團已經(jīng)投入了大量財力和人力進行科學(xué)研究，定期組織人工繁殖的長江珍稀水生動物中華鱘的放流活動，并且針對中華鱘與四大家魚產(chǎn)卵生態(tài)水文和水力學(xué)條件、庫區(qū)次級河流富營養(yǎng)化生態(tài)環(huán)境問題，對其長期生態(tài)學(xué)效應(yīng)、庫區(qū)支流水華爆發(fā)的水動力影響機制、中華鱘及四大家魚自然繁殖需求等展開了相關(guān)研究，為三峽工程生態(tài)調(diào)度實踐奠定了良好基礎(chǔ)。

2009年10月4日，中華鱘研究所在三峽壩區(qū)基地成功培育出世界上第一尾全人工繁殖中華鱘魚苗。這是人類在保護這一瀕危物種過程中取得的重大技術(shù)突破，具有里程碑式的重要意義，標志著人類找到了不依賴稀有的野生親魚就能把中華鱘長期保存下來的有效途徑，同時能使野生中華鱘的自然產(chǎn)卵行為免受人工捕撈的驚擾，從而更好地保護野生親魚資源。

4.3 三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

為長期系統(tǒng)地觀察三峽庫區(qū)生態(tài)與環(huán)境的發(fā)展變化，積累相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料，為三峽庫區(qū)的生態(tài)與環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)的依據(jù)，1996年國務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會牽頭建立了跨地區(qū)、跨部門、跨學(xué)科的“長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”（以下簡稱監(jiān)測系統(tǒng)），對三峽工程相關(guān)生態(tài)與環(huán)境問題開展全過程跟蹤監(jiān)測。經(jīng)過十幾年的運行，監(jiān)測系統(tǒng)取得大量生態(tài)、環(huán)境數(shù)據(jù)與資料，及時預(yù)警預(yù)報，為三峽工程建設(shè)及運行過程中環(huán)境與資源管理以及領(lǐng)導(dǎo)部門決策提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，為三峽工程生態(tài)環(huán)境管理發(fā)揮了重要作用。

三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以庫區(qū)為重點，延伸到長江中下游與河口相關(guān)地區(qū)，主要任務(wù)是監(jiān)測因興建三峽工程而引起生態(tài)環(huán)境各種因子的變化和發(fā)展趨勢，了解掌握三峽建壩前后長江流域相關(guān)地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的時空規(guī)律；充分發(fā)揮工程的有利影響，促使受工程影響的地區(qū)及相關(guān)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)呈良性循環(huán)；針對三峽工程在生態(tài)與環(huán)境中引起的主要不利影響?！氨O(jiān)測系統(tǒng)”中將監(jiān)測工作與減免對策應(yīng)用結(jié)合起來，開展以經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展為目標的實驗和示范研究，以期推廣應(yīng)用，達到監(jiān)測工作為改善生態(tài)環(huán)境服務(wù)的目的。對某些還認識不清的問題積極開展科學(xué)實驗與應(yīng)用研究，提出三峽工程及長江相關(guān)區(qū)域生態(tài)建設(shè)對策體系和對策優(yōu)化的具體措施，以期為長江生態(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟同步發(fā)展做出貢獻。

4.4 泥沙技術(shù)

為中國可持續(xù)發(fā)展的千年大計，泥沙問題被列入三峽工程建設(shè)中的一個重大技術(shù)問題，通過大量數(shù)學(xué)模擬計算、實體模型試驗和原型監(jiān)測分析相結(jié)合的綜合方法，取得一大批高水平科研成果。研究成果表明：采用“蓄清排渾”的水庫運行方式，水庫初始運行30年內(nèi)，無論壩區(qū)、變動回水區(qū)，泥沙淤積不會對航運和發(fā)電造成不良影響。初步設(shè)計時，三峽壩址處多年平均輸沙量5.3億t，平均含沙量1.2kg／m3。自20世紀90年代以來，特別是進入21世紀以后，三峽工程上游歷年來水量變化不大，但來沙量明顯減少。

三峽工程2003年6月開始蓄水，經(jīng)歷了三年的135 m圍堰擋水運行期、兩年的156 m初期運行期，2008年汛后開始175 m試驗性蓄水，其中2010年10月26日首次蓄水至175 m正常蓄水位。三峽水庫蓄水以來，入庫泥沙年均約2億t，淤積在水庫內(nèi)的泥沙約1.3億t；水庫排沙比約為40%，淤積部位主要集中在主槽；沿程分布看，越靠近壩前，淤積強度越大，最大淤積厚度為26.7 m，在壩前約3.4 km處。與論證和可行性研究階段的成果比較，庫區(qū)泥沙淤積基本在預(yù)測范圍內(nèi)，但水庫泥沙淤積情況比預(yù)計有較明顯減少。隨著上游干流和支流修建水電站以及國家采取長江上游禁止砍伐天然林，并加速植樹造林和水土流失治理工作進展，三峽水庫泥沙淤積問題將向有利方面變化。下游河道沖刷和河道演變?nèi)允墙窈箨P(guān)注的重點，已有監(jiān)測成果初步分析，總體上在原來的預(yù)測控制范圍以內(nèi)。通過建立一套長效的科研機制和完善治理的綜合體系，加強原型監(jiān)測，三峽工程泥沙問題可以得到解決。

5 信息技術(shù)應(yīng)用

三峽工程信息化建設(shè)與工程建設(shè)同步推進，通過10多年的努力，已經(jīng)開發(fā)出了在國際工程項目管理領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“三峽工程管理信息系統(tǒng)（TGPMS）”和“電廠運行管理信息系統(tǒng)（ePMS）”。

三峽工程管理信息系統(tǒng)推動了工程管理創(chuàng)新，提高了工程建設(shè)管理水平。TGPMS是在引進西方發(fā)達國家先進管理理念、方法、模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合三峽工程建設(shè)的實際情況，進行再造。該系統(tǒng)集工程管理模型、軟件功能模塊和數(shù)據(jù)體系三位于一體的集成化大型工程管理綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，創(chuàng)造了一套適用于我國工程管理特點的業(yè)務(wù)模型、編碼標準、數(shù)據(jù)資源加工體系和實施方法論。TGPMS系統(tǒng)于1997年開始逐步投入三峽工程使用，如今系統(tǒng)已覆蓋了工程管理的各個層面，有效控制了在建合同的100%，建設(shè)資金使用的100%，實現(xiàn)了跨部門、跨地域、全方位的規(guī)范化管理。對工程建設(shè)的進度、質(zhì)量、安全和總投資控制等，發(fā)揮了重要作用。

［1］曹廣晶.三峽工程建設(shè)與我國水電技術(shù)進步，中國水電100年［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］張超然，尹庭偉.科學(xué)技術(shù)在三峽工程建設(shè)中的作用［J］.水電發(fā)電，2003（12）：12－16.

［3］張超然，陳先明，胡興娥.三峽工程試驗性蓄水對若干技術(shù)決策的驗證［J］.水力發(fā)電，2009（12）：5－9.

Scientific and technological progress and innovation of Three Gorge Project

Zhang Chaoran，Sun Zhiyu

（China Three Gorges Corporation， Yichang，HuBei 443002， China）

In the design， construction and operation periods of the Three Gorges Project（TGP）， great challenges have been met in different fields such as water resources and hydropower project construction，electromechanical equipment manufacture and ecological environment protection.In view of the key techniques and difficulties in the construction period，S＆T breakthrough have been performed by the experts and scholars of various fields and a series of innovative achievements are gained，which make the scientific and technological levels in relevant fields improved.Some major innovative achievements gained in the TGP construction and operation are enumerated，which are significant for the hydropower project construction and clean energy development in the future in China.

Three Gorges Project； scientific and technological innovation；ecological environment protection

TV632

A

1009－1742（2011）07－0033－05

2011－05－11

張超然（1940—），男，浙江溫州市人，中國工程院院士，從事水利水電工程建設(shè)與管理；E－mail：zhangchaoran＠ctgpc.com.cn