高举科学大旗 实现百年梦想——科技打造三峡工程

第9版(教科文专页)
专栏：

高举科学大旗 实现百年梦想
——科技打造三峡工程
　　编者按：一百年的梦想，几代人的奋斗，在新世纪的朝阳中，长江三峡工程正渐渐舒展其雄伟身姿。
　　今天呈现的这组稿件，通过三峡工程一个个具有里程碑意义的足迹，为我们展示了科技在这项伟大工程中的重要作用。
科学化和民主化的典范
——三峡工程的科学决策过程
　　三峡工程是治理和开发长江的关键工程，规模宏大、举世瞩目。它具有防洪、发电、航运等多种综合效益。三峡工程又是一项涉及科学技术、经济、社会发展等多门类的复杂的系统工程。要对它进行科学决策，需要集中不同层次，不同知识结构的专家集团的智慧，需要科学的方法、科学的程序、科学的研究、科学的论证。
　　近50年来的技术准备
1919年孙中山先生就提出了三峡工程的伟大设想。
　　上世纪30—40年代，在当时国民政府的组织下，中外专家曾对三峡工程开展了初期勘测规划工作。1944年提出了《扬子江三峡计划初步报告》。尽管这份报告还不够完整充分，但可称得上是三峡工程最早的开发计划。
　　新中国成立后，三峡工程的全面勘测、设计和规划工作才真正展开。大规模的科学研究工作从50年代中期开始并持续不断，迄今近半个世纪。这些科学研究所取得的成就，回答了三峡工程论证中所提出的重大问题，也为三峡工程可行性报告编制和初步设计提供了科学依据，为三峡工程的正式开工奠定了基础。
　　除承担勘察、规划、设计和研究工作的长江水利委员会数千名专业技术人员外，国内一大批高等院校、科研院所和设备制造部门等各行各业的专家学者也参加了工程的研究工作，并多次组织过全国范围的专家论证和审议。
　　美国、加拿大、前苏联、瑞典、意大利、日本、瑞士、德国、法国、巴西等国同行也通过各种方式不同程度地参与了三峡工程科研工作，特别是80年代，加拿大曾参与工程的咨询工作，提出了可行性论证报告。
　　鉴于三峡工程的复杂性，制定了先易后难，逐步锻炼队伍，积累经验，为最终解决三峡工程难题做准备的总体战略思路。因此，从60年代起，先集中力量修建汉江上的丹江口水电站；70年代初，开始兴建葛洲坝工程。这两个工程的成功实施，为三峡的最终决策奠定了坚实基础。
　　三峡工程决策过程
　　三峡工程的决策经历了一个漫长的历史时段。有人把三峡工程从梦想走向现实的过程总结为“70年设想、50年勘探、30年争论”。三峡工程向世界展示了中华民族审慎务实的态度。
　　三峡工程的论证开始于上世纪80年代。1983年，在多年的勘测、设计、规划和科学研究的基础上，长江水利委员会提出了三峡水库150米水位设计方案的可行性研究报告。国家计委组织了350余名专家对这个报告进行了审查，虽然原则上同意这一报告，但对水库水位争论较大。
　　1984年国务院又责成国家计委和国家科委进一步论证。
　　1986年6月，中共中央、国务院发出了《关于长江三峡工程论证工作问题的通知》，责成水利电力部组织各方面的专家，在广泛征求意见、深入研究论证的基础上，重新提出三峡工程可行性研究报告。
　　1989年9月，三峡工程论证领导小组向国务院报送了重新编制的《长江三峡工程可行性研究报告》。
　　1992年4月3日，七届人大五次会议对兴建长江三峡工程的决议进行表决，通过了兴建三峡工程的决议。
　　三峡工程的决策，是经过数以万计的中外工程师经过反复研究、论证后做出的，正如一位国外友人所说的，“中国人用了近一个世纪的时间进行思考和行动”，可以称得上是决策科学化和民主化的典范。
截断长江的世界级难题
——三峡工程的“二次截流”和深水围堰工程
　　两次截流 两树丰碑
　　三峡工程截流包括大江截流和导流明渠两次截流。1997年11月8日大江截流和2002年11月6日导流明渠截流成功，标志我国河道截流技术已跻身世界领先地位。
　　三峡工程大江截流水深大，龙口最大水深达60米；截流流量大，实际截流流量为每秒8480立方米至11600立方米。两项指标均列世界截流工程之首。三峡工程大江截流戗堤直接建筑在河床覆盖层上，其覆盖层厚达20米，其中包括10米厚的新淤砂层。由于新淤砂层易受冲刷，给堰基稳定带来不利影响。
　　如何防止戗堤进占时堤头坍塌和保证堤头稳定，三峡工程的设计者与决策者开展了大量水力学模型试验、数值计算和机理分析研究，最终选定了“预平抛垫底、上游单戗立堵、双向进占、下游尾随进占”的截流方案。
　　同时，三峡工程科研人员还成功开发了无人立尺观测技术，解决了龙口水位观测的难题；采用无人测船技术，配置新型的“哨兵型”声学多普勒流速剖面仪和研制的微机测流系统，成功地实现连续搜索监测口门区的流速变化和水舌位置；并实施水情动态跟踪滚动预报。此外，在大江截流整体水工模型上模拟动态变化的边界条件，跟踪现场施工，预报并分析截流过程中可能产生的影响；并采用大江截流三维计算机仿真模型，演示截流进展动态，供现场总指挥部决策。这些高科技手段的采用为合理安排截流施工进度、选择截流时机提供了技术支持。
　　三峡工程两次截流，前一个荣获国家级科技进步一等奖，后一个则名列2002年度国家十大科技进展第四位，可谓两树丰碑，蜚声国内外。
　　滴水不漏的围堰
　　三峡工程二期围堰的作用是截断长江主河床，迫使江水从右侧的导流明渠泄出，与一期工程已建成的纵向混凝土围堰一起，共同确保三峡大坝泄洪坝段、左岸厂房坝段及左岸电站厂房在无水条件下施工。
　　二期围堰施工水深达60米，是当今世界上最大的深水围堰，堰体80％填料属于水下施工。具有工程规模大、施工水深、挡水水头高、基础地质条件复杂、工期短、技术复杂等特点，是三峡工程建设中最具挑战性的关键技术难题之一。
　　为使围堰滴水不漏，就要在土石围堰上钻孔到基础岩石，并压灌混凝土形成防渗墙。这就是说，要在三峡二期上下游土石围堰体内，各筑起一道混凝土墙，从而形成挡水屏障：有人形象地称它为“水下的三峡大坝”。
　　由于三峡建设者从设计到施工、监理、业主方的协同攻关，在一个枯水期内三峡建设者成功筑起了大坝基坑屏障的上、下游两道围堰。而此堰当年即接受了长江8次洪峰的洗礼和考验。
　　1998年9月12日，经过长江8次洪峰考验的三峡工程二期围堰基坑积水基本抽干，形成于亿万年前的长江江底重见天日。经过实测，庞大的围堰漏水量仅为设计量的1／10，被水电专家誉为“滴水不漏”。
开凿世界规模最大的船闸
——三峡工程双线五级船闸工程
　　从三峡坝区最高点坛子岭上往下看，被称为“长江第四峡”的三峡工程双线五级连续船闸如同一条蛰伏的巨龙，静卧在三峡坝址左岸山体间，成为三峡又一处壮观的人文风景。
　　三峡双线五级连续梯级船闸为目前全球总水头最高，连续级数最多的大型船闸。
　　三峡双线五级船闸横贯枢纽左岸山体，上下游设引航道与长江主河道相连，全长6442米，其中主体建筑物段长1607米，是高边坡最集中的区域，最大边坡高度达170米。其土石方开挖总量，若砌成宽、高各一米的墙，可绕地球赤道一圈。
　　要在坚硬的花岗岩山体中开挖形成两条最深达170米、底部高68米直立墙的平行深槽，深槽每条宽37米，深槽之间保留56米宽的岩石隔墩，要求直立墙深槽开挖的总体偏差控制在20厘米以内，不能欠挖。也就是说，要在坚硬的花岗岩上像“切豆腐”一样垂直深切68米，又要使其周围的岩石保持稳定，使留下的岩体在开挖过程中受到的扰动在最小范围内。
　　在短短几年间，施工人员按照设计要求将约10万根高强锚杆像“纳鞋底”一样，以2至3米的间距锚入岩层8至13米，把4000余索抗拉力为100吨级至300吨级、长度从29米至60米的锚索像“打膨胀螺钉”一样准确无误地嵌入岩体中，锚索打孔的孔斜误差不能超过1％，其精确度和技术难度为世界之最。
　　通过对埋设在船闸各个部位的3268支各类监测仪器原型监测资料的综合分析，自1999年4月开挖基本结束后，岩体变形开始趋于稳定，变形值控制在设计允许的范围之内。双线五级船闸开挖方式与高边坡稳定与变形控制技术是成功的。
　　三峡双线五级船闸金属结构和机电设备制造安装总量达4万多吨，投入使用的各类启闭、机器设备达134台套，不仅数量多，而且技术难度大，从设计到施工尚无前例可循。
　　双线五级船闸主要的金属机构、机电设备和控制设备，都是由我国设计和制造的。
　　双线五级船闸金属结构安装工程量大、安装工期紧、安装技术难度大，质量标准要求高；交叉作业多，施工干扰大，不可预见的影响因素多。许多安装技术要求已超出国家规程规范要求。船闸金属结构及启闭设备的安装，也由我国企业完成。
　　2003年6月16日开始试通航。目前船闸已投入试通航近4个月，金属结构和机电设备运行正常，输水系统反弧门开门时间为2分钟，关门时间4分钟；闸室人字门启门时间3—3.5分钟，闭门时间3.5—4分钟；闸室充泄水时间10—12分钟，各项技术指标均达到或超过设计要求。
三峡工程的世界之最
　　三峡工程是当今世界最大的水利枢纽工程，它的许多指标都突破了我国和世界水利工程的纪录。
　　前期准备工作最为充分的水利工程 三峡工程从1919年孙中山先生首次提出伟大设想到1994年主体工程正式开工，历时75年；从上个世纪40年代初勘测和50年代至80年代全面系统的设计研究，历时半个世纪，积累了浩瀚的资料和研究成果，是世界上前期准备工作最为充分的水利工程。它也是我国首次经过最高权力机关全国人民代表大会审议和投票表决的水利工程。
　　世界上防洪效益最大的工程 工程全面建成后形成的三峡水库库容达393亿立方米，其中防洪库容为221.5亿立方米，水库调节洪水可以削减的洪峰流量达每秒2.7万至3.3万立方米，属世界水电工程之最。三峡工程将使长江最为险要的荆江河段的防洪标准，由不足十年一遇提高到百年一遇，可以使1500万人口和153万多公顷的耕地免遭特大洪水带来的毁灭性灾害，是世界上保护人口和耕地最多的防洪工程。
　　世界上发电量最大的工程 三峡电站将安装26台单机容量为70万千瓦的水轮发电机组，年平均发电846亿千瓦时，另外还预留了可安装容量为6台70万千瓦的地下厂房，即三峡工程的远景装机可达2240万千瓦，是当之无愧的世界第一大水电站。
　　世界上提高航运效益最显著的工程 三峡水库回水可改善川江600多公里的航道，使宜渝船队吨位由现在的3000吨级提高到万吨级，年单向通过能力由1000万吨增加到5000万吨，运输成本降低35％—37％。宜昌以下长江枯水航深通过水库调节也有所增加，是世界上航运效益最为显著的水利工程。
　　工程规模最大的工程 三峡工程建设包含的“世界之最”有：土石方开挖量、混凝土浇筑量、金属结构安装量、水电站机电设备安装量、水电站装机容量、永久船闸工作水头和边坡开挖高度、升船机总吨位和提升高度、施工通航运量、三期碾压混凝土围堰施工强度等等。具体包括：
　　1.三峡大坝坝轴线全长2309.47米，初步设计水电站安装70万千瓦机组26台，并建有世界上规模最大的双线5级连续梯级船闸和升船机，无论单项工程，还是枢纽本身都是世界上建筑规模最大的水利工程。
　　2.据初步设计，三峡工程主体建筑物土石方挖填量约1.35亿立方米，混凝土浇筑量2794万立方米，金属结构安装25.65万吨，是世界上工程量最大的水利工程。
　　3.三峡工程二期深水围堰堰址水深达60米，土石方总填筑量1220万立方米，防渗体总面积20万平方米，其中混凝土防渗墙近10万立方米，月填筑强度超过300万立方米。
　　三峡工程二期大坝混凝土浇筑最大年强度达548万立方米，月强度达55.35万立方米，日强度达2.2万立方米，均为世界最高纪录。
　　三期碾压混凝土围堰创造了最大仓面面积达到19012平方米，最大月浇筑强度达47.6万立方米，最大日浇筑强度达21066立方米的碾压混凝土浇筑多项世界纪录。
　　三峡工程无疑是世界水利史上施工强度最大的工程。
　　4.三峡工程的两次截流，其综合困难程度乃世界截流史上所罕见。截流时河床最大水深约60米，截流水深居世界首位。
　　5.三峡工程泄洪闸最大泄洪能力10万立方米／秒，是世界上泄洪能力最大的泄洪闸。
　　6.三峡工程的双线五级连续梯级船闸开挖边坡最大高度达170米，是世界船闸开挖边坡高度之最。船闸总水头为113米，是世界上总水头最高连续级数最多的内河船闸。
　　7.三峡升船机的有效尺寸为120×18×3.5米，总重11800吨，最大提升高度为113米，过船规模为3000吨级，是世界上规模最大、难度最高的升船机。
　　8.三峡工程水库移民最终可达百万，是世界上水库移民最多、移民工作也最为艰巨的移民工程。
世界上最复杂的机组
——三峡工程的水轮发电机组
　　三峡电站总共装机26台，总容量1820万千瓦，年平均发电量847亿千瓦时，相当于10个大亚湾核电站的发电出力。
　　运行工况最复杂的机组
　　三峡电站机组台数多、容量大，在电力系统中的地位极其重要，必须从机组选型、设计、制造上采取措施，确保机组运行稳定可靠。按后期运行条件拟定水轮机最优工况的水头，以确保水轮机在高水头运行工况的稳定性和效率，同时也兼顾低水头的运行性能。三峡机组被称为运行工况最复杂的机组。
　　水轮机转轮和发电机推力轴承是三峡机组设计、制造难度最大的部件之一。三峡电站运行水头变幅大，转轮必需通过优化水力设计和反复、严格的模型试验，力求在各种运行条件下确保水轮机安全稳定运行。推力轴承能承受包括机组过速、甩负荷等各种恶劣运行工况，必需保证能够长期稳定运行。
　　发电机定子线棒绝缘耐热性能是保证机组可靠运行和决定发电机寿命的关键部件。此外，三峡水轮机主轴、座环、顶盖、蜗壳，发电机下机架、转子、主轴和定子空心线棒等，也是设计制造难度较大的部件。
　　全球水电制造的“奥运会”
　　三峡机组的设计和制造难度很高，对世界上著名的水轮发电制造厂商具有很强的挑战性。这是一场震动全球水电设备市场的激战，也激活了国内水电设备市场。
　　三峡机组采购确立了这样的指导思想：为了让三峡右岸电站机组能主要立足国内供货，需要通过三峡左岸电站机组的国际招标，引进国外的先进技术，提高国内制造商的整体水平；同时，为了发挥国内企业制造成本较低的优势，使国内厂商逐步掌握国外制造技术，合同要求中标者转让关键技术，并给中国厂商一定的分包任务。
　　三峡机组启动了一场全球水电制造的“奥运会”，在三峡机组左岸14台的国际合同执行期间，出现了一场全球水电设备生产厂商的兼并风潮。一位外国承包商说，没有三峡工程，在很长一段时间内再不会有动力来推动全球水轮机制造技术的进步与发展，三峡工程成了照亮全球水电大家庭的“灯塔工程”。从目前的合同执行情况来看，三峡左岸招标中的技术转让和制造分包非常成功，国内的哈尔滨电机厂、东方电机厂从中学到的经验和技术，提升了国内制造企业的设备制造水平、产品质量和国际竞争能力。
　　机组安装中的“大”和“小”
　　一位深入考察过三峡工程的有关人士感叹道：“三峡的‘大’很大，动不动就是多少千米、多少万立方米，创造了很多‘世界之最’，完成任务相当艰巨，世人都给予了莫大的关注；其实，三峡的‘小’又很小，常常是以毫米、零点几毫米、甚至是零点零几毫米来计算，能做好难能可贵。”三峡机组尺寸巨大，但安装要求十分精细。
　　三峡水轮发电机组安装调试由国内施工企业承担。由于机组整机尺寸太大，受运输、加工条件的限制，不能在工厂全部拼装后运到工地，有的加工组装完了还要再拆开，有的先分件加工再运到工地组装加工，所以三峡机组约一半的制造是在现场完成的。
　　参加安装的各方始终发扬精益求精的工艺作风，在设备中心、水平、高程等关键环节的精度控制上，一直追求最小值，直到不能再精确为止。机组的发电机、水轮机和大轴的制造是分开进行的，在现场通过大轴才连成一个整体，这对轴线的精度要求特别严。按照国家标准，摆度的偏差要求在0.19—0.35毫米。三峡首批机组的2号、5号转子盘车后检查，偏差分别为0.04毫米和0.06毫米，这远远小于国家标准。
三峡大坝是怎样筑成的
——三峡工程大体积混凝土的快速浇筑
　　三峡大坝对混凝土浇筑的要求
　　三峡工程规模巨大，仅混凝土总量高达2800万立方米，质量要求高，施工难度大。
　　大坝混凝土施工的难点是：泄洪坝段设有溢流表孔、深孔和导流底孔3层孔口，厂房坝段布置有电站进水口和排砂孔口，且有内径为12.4米的外包混凝土压力管道，结构复杂；三峡坝区冬季气温骤降频繁，夏季高温持续时间长，对混凝土温控有特殊要求；混凝土浇筑与金属结构和机组埋件安装、以及与固结灌浆、帷幕灌浆、接缝灌浆工程并行或穿插作业，相互干扰较大。这在世界水电工程建设史上是绝无仅有的，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。
　　在对施工方案和主要施工设备进行了反复的科学论证后，最终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。一反过去那种一罐一罐浇筑混凝土的传统工艺，使混凝土由拌和到浇筑成为工厂化流水线的生产，使混凝土的高速连续施工成为现实，创造了混凝土浇筑连续三年三破世界纪录的奇迹。
　　三峡大坝的施工环节很多，影响因素复杂，工程技术人员研制开发了“三峡大坝混凝土浇筑施工计算机仿真系统”。这个系统能针对混凝土浇筑的复杂状况，为实现对施工方案和施工计划进行科学的选择和安排，突破传统的经验判断模式，提高了混凝土施工效率。
　　混凝土综合温控技术
　　三峡工程大坝柱状块尺寸大，基础约束区温差标准高，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，采用了从选择优质原材料、优化混凝土配合比、控制混凝土出机口和浇筑温度、通水冷却、表面保温和流水养护等一整套温控措施。
　　三峡建设者在深化对温控的分析中，专门开发了“大坝温控仿真反馈分析系统”，提出一整套先进的计算方法，为三峡体型各异的63个坝段，200个坝块，上万个浇筑仓位在施工期与运行期的温度场与徐变应力场的仿真、预报与反馈分析提供了手段。
　　三峡工程大坝混凝土快速施工新技术的研究及实践成果，经国家组织专家鉴定，综合成果总体上达到国际领先水平。
　　三期碾压混凝土筑坝技术
　　三峡三期碾压混凝土围堰，在三期上下游土石围堰保护下修建而成，是三峡工程二、三期衔接的关键性控制工程，也是三峡工程建设中的难题之一。
　　碾压混凝土围堰分两个阶段施工，第一阶段，三期碾压混凝土基础由高程25米浇至50米，该工程于1998年底前完成。剩余部分为第二阶段施工内容，该阶段修建的坝体全长380米，最大堰高90米，混凝土110万立方米，要在2003年5月底，即不到5个月的时间内完成，其强度之高、难度之大、工期之紧、质量控制之严，都堪称世界水电工程之最。
　　为攻克这一技术难题，三峡总公司组织各方开展科技攻关。其主要措施包括：不影响工程功能的前提下，优化堰体结构，进行混凝土配合比优化设计及施工方案和施工技术的优化设计，以利快速施工。
　　由于在整个碾压混凝土围堰施工过程中进行科学管理，全面优化和采用新工艺，使碾压混凝土浇筑于2003年4月16日全部浇筑至实际高程140米，提前完成了任务，并创造了碾压混凝土浇筑多项世界纪录：最大仓面面积达到19012平方米；最大月浇筑强度达47.6万立方米；最大日浇筑强度达21066立方米。　
本版稿件由周双超撰写（附图片）