三峡工程主体建筑物设计主要技术问题

郑守仁 刘宁

    摘要 三峡工程主体建筑物有大坝、电站和通航建筑物。大坝的泄洪与消能、厂房1～5号坝段深层抗滑稳定、大坝混凝土设计、电站进水口型式及引水压力管道、蜗壳结构型式及抗振、永久船闸高边坡、永久船闸输水系统及金属结构、升船机承重结构及提升平衡系统等设计中主要技术问题，由设计单位和国内一些高等院校、科研单位多年研究，已基本解决，经主管部门审定后，正陆续实施。

    关键词 泄洪坝 电站厂房 引水管道 永久船闸 升船机 三峡水利枢纽

    三峡水利枢纽是治理和开发长江的关键性骨干工程。工程位于西陵峡中段，湖北省宜昌市三斗坪镇，坝区地震烈度为ⅵ度，坝址基岩为坚硬完整的闪云斜长花岗岩，岩体渗透性弱。坝址河谷开阔，右侧有江心岛中堡岛，岛左侧为主河床，有利于工程的分期导流及施工场地布置。

    大坝为混凝土重力坝，轴线全长2309.49m，最大坝高181m。泄洪坝布置在河床中部，其两侧为左右厂房坝段和坝后式厂房，分别设置14台和12台单机容量为70万kW的水轮发电机组及6个安装场，2003年首批机组发电。泄洪坝与厂房间用左右导墙隔开，厂房坝段以外两岸为非溢流坝段。双线五级连续船闸位于左岸山体内，主体段长1607m，上游引航道长2113m，下游引航道长2722m，可通行万吨级船队，年单向通过能力为5100万t。临时船闸和升船机紧靠左岸非溢流坝第8坝段两侧。右岸山体预留有地下厂房可安装6台机组(见图1)。

    为排泄库内漂污物及泥沙，在两侧导墙与非溢流坝内设置三个排漂孔，在安装场底部共设置7个排沙底孔。水库正常蓄水位175m时总库容为393亿m³，其中防洪库容221.5亿m³，兴利库容165亿m³，死水位145m以下库容为171.5亿m³

    一、大坝泄洪及消能

    大坝泄洪设计标准为千年一遇洪水流量99800m³/s，万年一遇加大10%洪水流量124000m³/s校核。在汛期防洪限制水位145m运行时，大坝具备下泄洪量56700m³/s能力；如遇设计洪水和校核洪水时，总泄水能力最大可达110000m³/s。泄洪坝段长483m，布设22个表孔和23个孔深。每个坝段中部设7mx9m(宽x高)深孔，进口底高程90m，最大流速34.67m³/s，单宽最大流量每米为312m³/s；两个坝段之间跨缝布置净宽8m的表孔，堰顶高程158m，最大流速29.05m/s，单宽最大流量每米199m³/s；为满足三期施工要求，在高程56～57m跨缝布设22个导流底孔，孔口控制尺寸6mx8.5m(见图2)。

    针对泄洪量大、流速高、含沙多，三层泄洪孔结构及联合泄流运行条件复杂，下游水力衔接及消能防冲难度大等特点，设计研究了导流底孔长、短有压管体型、跨缝结构、明满流流态、反弧门震动及封堵等技术问题；研究了深孔高速水流空蚀、实扩止水、跌坎掺气、结构配筋等技术问题；论证选用了挑流消能工型式；三峡工程泄洪调度是设计非常关注的技术问题，尚在深入研究论证中。

    二、厂房1～5号坝段深层抗滑稳定

    厂房1～5号坝段基岩中发育有走向1O°～30°、倾向SE倾角20°～30°(倾向下游偏左岸)的缓倾角裂隙，还有少量的倾向下游的中倾角裂隙。大坝建基高程85～90m，坝后式厂房最低建基高程22.2m，形成坝后坡度约54°，临时坡高67.8m，永久坡高39.Om的高陡边坡。这构成了深层滑动的边界条件，存在着沿缓(中)倾角裂隙(结构面)滑动的稳定问题。对此进行了大量地质勘探、科研设计分析论证。用先进的勘探手段(钻孔取芯、岩芯定位、孔内录像)查清了缓倾角结构面的产状、分布范围及连通率。通过现场原型抗剪试验并辅以大量室内试验确定了缓倾角结构面抗剪断指标为f'=0.7MPa， C'=0.2MPa。就不同滑移模式进行了大量计算分析，相应采取了降低建基高程、封闭抽排、厂坝联合受力等工程措施。

    三、电站进水口型式及引水压力管道

    电站单机引水流量966m³/s，初期发电水位135m。为满足运行要求，研究论证了进水口高程，单、双孔进水型式。进水口高程受初期发电水位控制以108m为优；水头损失以单孔口进水稍小，且单孔口应力小，门体、门槽和启闭机数量比双孔少1倍，单机无同步操作要求，因此选用单孔口进水。

    三峡电站引水压力管道条数多(26条)、直径大(12.4m)、HD值高(计入水击压力HD=1730m²)坝内管段选用钢衬钢筋混凝土联合受力结构。坝后背管段采用浅预留槽布置型式(见图3)，从结构形式上比较了钢管单独受力(即明管)和钢衬钢筋混凝土联合受力方案，也研究过预应力钢衬钢筋混凝土引水管道型式。

    比选后按钢衬钢筋混凝土联合受力设计引水压力管道，总安全系数取2.O。钢衬钢材为16MnR，厚度为30～36mm，安全系数为1.2。考虑日照温荷及钢筋混凝土浇筑，外包混凝土厚度2m，配圆形钢筋不超过3排，限裂设计开度小于0.3mm。

    厂坝间引水钢管的明管段是否设置伸缩节(直径16m)是设计研究的又一重要技术问题。设置伸缩节使钢管受力明确，但造价高，制造、安装及运行期止水等技术问题突出。选取一个厂房坝段，厂房水下结构和钢管作为整体进行非线性仿真计算，模拟了水库蓄水过程、蜗壳充水保压浇筑混凝土过程以及蜗壳钢板与外包混凝土间的接触条件对垫层管应力与变形的影响，最终确定取消设置厂房1～6号坝段间钢管伸缩节。

    四、蜗壳结构型式及抗振

    三峡工程水轮机蜗壳平面尺寸约为33.84mx29.17m，进口端直径12.4m，蜗壳静水头78～118m，最大水头变幅40～45m。对蜗壳设垫层结构和充水保压浇混凝土两种方案重点进行了设计研究。经多方面考虑确定，选用结合蜗壳水压试验进行充水保压浇混凝土方案。蜗壳充水加压(70m水柱)浇筑外围混凝土，目的是在运行期水头达到一定数值后，使钢蜗壳与外包钢筋混凝土结构联合承担剩余水头，可增加蜗壳刚度，减小运行期机组振动。

    受水力、机械、电磁等因素影响，水轮发电机组在运行中会产生振动，并诱发电站厂房和压力钢管产生相应振动。若自振振频相近。产生共振，将直接危及电站安全。三峡电站水头变幅大、运行条件复杂，且水轮发电机尺寸大，自身刚度相对小，因各种因素产生的振源，能量巨大。厂房建筑物虽按承载设计可保证安全，但相对三峡巨型机组可能产生的振动，其安全裕度较小。因此需对水轮机、水力脉动频谱、振幅和机械力、电磁力典型振动频率、幅值及动荷过程线进行研究，并应对其主要部件和整体结构避免发生自激振动的措施进行研究；结构设计需对电站厂房进行动力分析，优化结构布置。

    五、大坝混凝土设计

    以混凝土强度和耐久性作为主要指标并综合考虑温控、环境、抗冲耐磨以及机械化施工等因素进行大坝混凝土设计。设计中对下述主要问题进行了研究论证。

    1.经大量试验认定三峡人工骨料为非碱活性骨料，但仍视料源地质情况变化对花岗岩骨料进行碱活性检查。设计中限制水泥熟料中碱含量，要求混凝土中总碱量≤2.5kg/m³。

    2.大坝混凝土中掺用优质I级粉煤灰。外部混凝土使用525#中热水泥控制粉煤灰掺量为30%，水位变化区为20%；内部混凝土为35%～40%，若使用425#低热水泥则控制掺量在20%；结构混凝土使用525#中热水泥控制粉煤灰掺量20%。

    3.降低用水量和控制水泥用量。使用高效减水剂与引气剂；降低水胶比(O.45、0.50、0.55三种水胶比)，尽量用低坍落度；尽可能采用4级配混凝土。

    4.预冷混凝土工程。夏季控制拌和楼出机口温度7℃，相应配置一整套预冷设施，简称7℃工程。80年代，葛洲坝工程用过7℃工程，采用的是水冷-风冷-加冰的制冷工艺；三峡工程将水冷改为风冷，称两次风冷技术。由于一次风冷使骨料表面含水率明显降低，因此两次风次的温度可更低，并为拌和时加冰提供了更好条件。

六、永久船闸高边坡

    永久船闸主体段长1607m，均在山体中深切开挖成路堑式修建。最大边坡高度120～160m，一般50～120m。闸室边墙下部则为50～70m高的直立坡。两线船闸间保留宽54～56m，高50～70m岩体作为中隔墩(见图4)。闸室墙采用钢筋混凝土衬砌锚着于岩石边坡上并与岩体共同受力。设计重点研究了高边坡开挖轮廓和岩体变形控制，对开挖卸荷及地应力释放后的二次应力场计算和塑性稳定以及长期荷载作用下构造面流变及渗水压力对裂隙的劈裂作用进行了深入分析并提出相应开挖程序和加固措施。

    船闸高边坡加固措施包括防渗和排水系统及岩锚支护系统。地下水是影响边坡稳定的主要因素，在船闸两侧边坡岩体内各布置7层共14条排水洞，在排水洞内钻设1～2排山体排水孔幕，采取以地下排水为主，地表截、导排水为辅的综合排水设计方案。岩锚支护包括预应力锚索、系统锚杆、随机锚杆及坡面喷混凝土等支护，其中锚索分1000kN和3000kN两种，约4000束，系统锚杆为全粘接砂浆锚杆约10万根。

    边坡两侧山体及中隔墩内共有3条输水隧洞、36个竖井、14条排水洞及4个通风井。设计要求边挖边锚，先洞挖后明挖，直立坡采用予留保护层和光面爆破。

    七、永久船闸输水系统及金属结构

    永久船闸最大工作水头113m，单级最大工作水头45.2m。设计对输水系统充泄水阀门型式及阀门段水力学条件、防空化措施、闸室充泄水指标和船只停泊条件等进行了充分论证试验，旨在保证在任何通航水位条件下输水时，过闸船只的纵向系缆力小于5吨，横向系缆力小于3吨，满足停泊要求，并尽可能缩短充、泄水时间。

    输水隧洞充、泄水阀门设计水头82.Om，总水压力1.76x104kN，采用横梁全包式反向弧形门以保证门体在动水启闭和承受高水头作用时的刚度和强度。选用竖缸液压启闭机，启门容量1500kN。

    船闸人字门最大门高38.25m，最大工作水头36.25m。主要研究解决闸门的抗扭刚度，以及顶部和底部结构型式与受力状态和支枕垫的传力效率等技术问题。相应地对门体动水阻力矩变化规律和所受动态水力特性等作认真研究。人字门启闭机为液压直推式，启闭力3500kN，开门时间3min。

    八、升船机承重结构及提升平衡系统

    三峡升船机为单线一级垂直提升式，一次可通过一艘300Ot客货轮。升船机承重塔柱高149m，由4个封闭式薄壁钢筋混凝土空腹立柱组成。塔柱上部建有高32m，平面尺寸120mx57.8m的机房。

    升船机最大提升高度113m，承船厢自重2800t，带水重11800t，有效尺寸120m×l8m×3.5m(长×宽×水深)，由192根直径85mm的钢丝绳悬吊。其中48根用于提升，最大提升力5900kN；144根用于平衡，重力平衡锤总重9200t，扭矩平衡锤总重2600t。升船机正常提升速度为0.2m/s，提升或下降一次需9min。

    设计对升船机论证的主要技术问题是：

    1．承船厢整体动态特性。当船舶进出承船厢时，水体将产生波动，致使钢丝绳受力变化而不均匀伸长，可能造成承船厢纵倾影响密封效果和行船安全。研究采用8套夹紧装置对承船厢刚性约束并沿程锁定。

    2．钢丝绳断绳处理。在平衡系统中研究了断绳重锤不坠落，升船机全平衡状态不受破坏措施。

    3．升船机的事故条件及安全保障。升船机最严重的事故条件是承船厢在运行时发生漏水而影响平衡。假定承船厢漏水量为厢内水体总量的1/3，据此设置安全保障措施，并在承船厢两端设置防撞梁，防止船舶撞坏闸门漏水。另外在塔柱内布置了补水管，可在不同高度上随时为承船厢补水。

    三峡工程主体建筑物设计中主要技术问题，通过大量科学试验和设计研究，并认真学习、吸收国内外水利水电工程设计、施工、运行经验，都已基本解决。鉴于三峡工程规模巨大，技术复杂，建设过程中还会遇到一些新问题，长江水利委员会仍将虚心听取业主、监理、施工单位和全国各有关设计、科研部门以及大专院校对三峡工程设计的意见及建议，并根据实际情况对工程设计进一步补充、完善、优化，以期达到一流设计。