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《百问三峡》第3篇 壁立西江(20-38问)
2013/9/29 20:55:26    新闻来源:中国水力发电工程学会
  

  第三篇 壁立西江

  三峡枢纽工程

  历17载风雨,三峡枢纽工程终于破浪而出,壁立西江。这其中,攻克了多少技术难关,又凝聚了多少人的智慧与汗水!

  导流截流,规模与难度堪称世界之最,大江两易其道,才有了三峡大坝的昂然而起。在施工期仍然保证大江分洪与通航功能的发挥,其复杂性远非伊泰普等著名大坝可比。给混凝土"夏吃冰棍,冬穿棉袄",是许许多多这样精益求精的呵护,造就了三峡右岸"无裂缝大坝"的奇迹。世界上装机容量最大的水电站,令人引以自豪的不仅是它的规模,更有"三峡模式"助推民族制造业跨越发展的睿智与胆识。三峡船闸和垂直升船机,"爬楼梯,坐电梯"的过坝体验,为长江这条"黄金水道"平添别样情趣。

  本篇将带您近距离感受三峡枢纽工程,看横跨两岸的大坝与激流如飞的大江起舞,听水电协奏的交响如何与千里江陵的汽笛共鸣。

  20、三峡枢纽工程有哪些主要建筑物?

  三峡枢纽工程的主要建筑物包括三大部分:

  挡水泄洪建筑物:三峡拦河大坝(通常简称三峡大坝)。

  发电建筑物:三峡水电站。

  通航建筑物:包括双线五级连续梯级船闸(简称三峡船闸)和垂直升船机。

  从长江左岸至右岸三峡枢纽建筑物的布置是:三峡船闸,垂直升船机,左岸非溢流坝段和电源电站、左岸电站,泄洪坝段,右岸非溢流坝段和右岸电站,右岸地下电站。

  三峡大坝为混凝土重力坝,最大坝高181米(坝顶高程185米,坝基高程4米);坝轴线全长2309.47米。大坝由非溢流坝段、厂房坝段和泄洪坝段组成,非溢流坝段用来挡水,厂房坝段用来发电,泄洪坝段用来泄洪。

  三峡水电站包括左、右岸2个坝后式水电站、1个地下水电站和1个电源电站。2个坝后式水电站分别位于左右两侧厂房坝段紧靠大坝的下游,地下水电站位于河道右岸的山体中,电源电站位于河道左岸的山体中。三峡水电站总装机容量2250万千瓦,其中,单机容量70万千瓦的水轮发电机组32台(左岸电站安装有14台,右岸电站安装有12台,地下电站安装有6台);电源电站安装5万千瓦水轮发电机组2台。

  三峡船闸和垂直升船机均位于左岸,船闸上游和下游水位的最大落差达113米,三峡船闸能够保证船舶安全顺畅地从上游驶向下游,或从下游驶向上游。垂直升船机是船舶来往于大坝上下游的快速通道。三峡船闸设计通过能力为年单向5000万吨,垂直升船机每次可通过一艘3000吨级船舶。

  21、长江水是怎么通过三峡大坝的?

  浩荡东去的长江水,是通过布设在三峡大坝上的许多孔洞,流向大坝下游的。

  三峡大坝共布设有89个孔洞,不同位置的孔洞,其功能各不相同。其中,泄洪坝段分两层布设有45个孔洞,包括22个表孔和23个深孔,主要用于泄洪;大坝左右侧的厂房坝段布设有38个孔洞,包括26个进水孔与发电机组对应,用于水轮发电机组发电。3个排漂孔、2个冲沙孔和7个排沙孔,主要用于各种漂浮物的下泄和冲沙;右岸的地下电站布设有6个孔洞,为6台发电机组的进水孔。

  为了利用长江水流的能量,通过三峡大坝的水一般都要经过水轮发电机组发电后,再流向大坝下游。根据三峡水电站的设计方案,每台机组正常发电时约需过水流量950立方米每秒,所有机组同时发电所需的水流流量约为3.1万立方米每秒。

  每年10月至来年5月是枯水期,长江上游的来水流量一般均小于3.1万立方米每秒,此时,除通过三峡船闸的极少部分水量外,上游来水全部通过水轮发电机组发电后流向下游。

  每年6月至9月的汛期,三峡水库下泄流量要服从防洪调度需要。当上游来水流量大于3.1万立方米每秒时,部分流量通过水轮发电机组发电后流向下游,超过机组发电所需的流量,要在保证下游防洪安全的前提下,根据防洪调度指令,或蓄在水库内,或通过泄洪坝段泄向下游。

  

  22、三峡枢纽工程会消耗长江水吗?

  有人怀疑三峡枢纽工程会消耗长江的水量,其实,三峡枢纽工程防洪、发电和航运功能的发挥,都不会消耗长江水量。

  防洪:三峡水库汛期把大于下游安全泄量的洪水暂时拦蓄在水库内,洪峰过后,再安全地泄向下游,不消耗通过大坝的水量,只是改变了这些水量流向下游的时间,并通过拦蓄调度,把洪水变成了资源。

  发电:三峡水库蓄水后,大坝上游水库内的水位高于下游水位,水库内的水通过水轮发电机流向下游时,仅仅是把水流具有的势能转换成电能,水量没有任何损失。

  航运:三峡船闸是利用闸室内水位的升降,保证船舶能够顺利地从三峡大坝上游驶向下游,或者从下游驶向上游。船舶通过三峡船闸的过程,也就是使水库内的水逐级流向下游的过程,也不会消耗水量。

  23、三峡大坝是什么样的坝?它有多大、多重?

  三峡大坝是一座混凝土重力坝,坝轴线总长2309.47米,坝顶高程185米,坝基新鲜花岗岩岩面最低高程4米,最大坝高181米,相当于60层楼房的高度;坝顶最大宽度22.60米,坝底最大宽度126.73米。大坝横剖面的形状近似直角梯形。

  混凝土重力坝是依靠自身重量及其与地面的摩擦力抵抗水库上游水的压力荷载,以维持自身稳定的大坝。经过计算,三峡大坝正常蓄水175米时,整个大坝将承受约2000万吨的水压力。

  三峡大坝的重量,主要包括混凝土、发电机组设备、各种金属埋件和闸门等金属结构的重量,总计约为4000万吨。相当于5个半埃及胡夫大金字塔的重量。

 

 24、三峡大坝是用哪些材料建成的?

  三峡大坝是混凝土重力坝,它是用什么材料建成的呢?

  在各类建筑书刊中,人们经常会碰到一个由"人工石"组成的字——"砼"(读音"同"),其实它代表的意思就是混凝土。三峡大坝的坚固和安全,就与这个"砼"字有关。

  三峡大坝混凝土,其原材料都是经过严格优选出来的,这也是三峡大坝坚固可靠的秘诀。这些优选的原材料主要有:骨料、水泥、粉煤灰、拌和水、外加剂。

  骨料:是混凝土中的主要材料,约占混凝土体积的百分之八十,是大坝的主体。骨料分为粗骨料——石头、细骨料——沙。三峡大坝的骨料,来源于大坝基坑、船闸和料场开挖出来的新鲜花岗岩,具有较高的抗压强度。由人工砂石料开采加工系统用机械破碎成不同粒径的人工骨料,提供工程使用。

  水泥:是大坝骨料的黏合剂,只有它的加入才使骨料由一盘散沙,成为坚如磐石的混凝土坝体。三峡大坝使用的水泥,很有讲究。首先它是低热或中热水泥,这类水泥具有以下优点:一是低发热性,可降低大坝内部混凝土的水化热温度;二是具有微膨胀性,可减少混凝土干缩裂缝。

  粉煤灰:是大坝混凝土中的掺合物。粉煤灰本是火电厂燃烧发电后生成的废料,掺加粉煤灰可取代部分水泥并减少水泥硬化过程中的发热量。利用粉煤灰的微珠效应,可大大改善混凝土拌和物的和易性,而且还可降低混凝土用水量,方便混凝土的振捣施工。

  拌和水:也是混凝土成分之一。没有水的参与就不会使水泥发生化学变化,水泥就不会成为黏合剂。水在混凝土中的作用,很像一句成语"成也萧何败也萧何",水少了拌和不成混凝土,水多了混凝土强度降低。如何少用拌和水而且不会影响混凝土的强度与和易性呢?这就需要掺加外加剂。

  外加剂:三峡大坝主要采用了减水剂和引气剂两种外加剂。别看外加剂掺加的份量仅占混凝土水泥重量的百分之几,甚至千分之几,但是作用非凡。三峡大坝选用了与其他原材料有良好适应性,且减水率在18%以上,其他指标满足国标一等品的高效减水剂。这是降低混凝土用水量的一个非常重要的措施,为配制高强度性能的大坝混凝土创造了条件。引气剂的作用,是利用在混凝土中生成互不贯通的微小气泡,增强抗冻融系数来提高混凝土的耐久性,可以达到延长大坝使用寿命的效果。

  三峡大坝混凝土原材料优良,完全可以担当历史赋予的使命。另外,三峡大坝不同部位,还会根据功能进行强化处理,比如大坝泄洪坝面的混凝土中掺入了钢纤维,增加抗冲耐磨性能;通过大坝的发电水流采用压力钢管,进入水轮发电机组发电,避免了有压力的江水直接冲刷混凝土,保证大坝的安全。

  25、三峡大坝是在江水中建起来的吗?

  三峡大坝横亘于长江之中,说它是在江水中建起来的,听起来不错。但是,为了保证大坝混凝土浇筑质量以及混凝土与地基新鲜岩石的结合质量,大坝是不能在江水中直接施工的,而是必须在没有水的条件下施工。从这个意义上讲,三峡大坝不是在江水中直接建起来的。

  在水利水电工程建设中,为了修建大坝,一般需先用围堰把将要建大坝的位置全部或部分围起来(在水利水电行业中,围堰是指临时挡水的坝,围堰围护成的封闭范围称为基坑),同时让江水"改道",流向预先建好的泄水通道,这一过程在水利水电行业中被称为施工导流。在围堰基坑内将存留的江水抽干,开挖到新鲜坚硬的岩石,作为大坝的地基,再在地基上浇筑混凝土大坝;如果大坝需要分期施工时,必须经过多次导流,才能建成完整的大坝。为了统筹解决好大坝施工导流过程中的江水宣泄、通航等关系,一般需进行施工导流方案选择和规划。

  三峡大坝坝址河谷开阔,宽达1000多米,中堡岛将长江分为左侧的大江和右侧的后河,方便江水改道,有利于进行分期导流;由于长江为我国的水运交通动脉,施工期间通航问题至关重要,不能断航;另外三峡大坝坝址位于葛洲坝水库中,水深达60多米,江底有厚达十余米的粉细砂;这些都是三峡大坝施工导流规划中必须考虑的重点和难点。经过多种技术方案比较,三峡工程施工导流采用"三期导流、明渠通航"的施工方案,在整个建设过程中 "三围长江,两改江流"。

  第一期导流围右岸(1993年10月至1997年11月):在中堡岛左侧、后河上、下游及沿中堡岛左侧修筑一期土石围堰,形成一期基坑。在围堰保护下,把基坑内的江水抽干,挖除中堡岛扩宽后河,修建混凝土导流明渠、浇筑混凝土纵向围堰等。一期土石围堰束窄河道约30%,此时大江承担泄洪及通航任务。

  第二期导流围左岸(1997年11月至2002年11月):1997年11月8日进行了壮观的大江截流,迫使长江水从右侧一期导流期间已经建设好的导流明渠流向下游;在大江上修筑二期上、下游土石横向围堰,与一期修建的混凝土纵向围堰形成二期基坑;把基坑中的江水抽干后,在围堰保护下,修建三峡大坝的泄洪坝段、左岸厂房坝段及电站厂房等。此时江水由导流明渠宣泄,船舶从导流明渠和左岸临时船闸通行。

  第三期导流再围右岸(2002年11月至2006年6月):2002年当二期基坑内的左侧大坝建好后,拆除二期上、下游土石围堰,开始由左侧这部分大坝挡水。再在右岸的导流明渠内进行三期明渠截流,修筑三期上、下游土石围堰,在上游土石围堰保护下迅速浇筑较高的三期碾压混凝土围堰。由三期碾压混凝土围堰、混凝土纵向围堰与三期下游土石围堰形成三期基坑。把基坑中的江水抽干后,在三期基坑内修建大坝右岸厂房坝段及右岸电站厂房和右岸非溢流坝段。此期长江水改由左岸电站机组和泄洪坝段预留的导流底孔、泄洪深孔宣泄,船舶先从临时船闸、后从五级船闸通行。

  三峡工程于2003年6月按时蓄水至135米,开始初步发挥防洪、发电和航运效益。2006年5月三期基坑内,右岸大坝浇筑到高程185米,同年6月份爆除三期碾压混凝土围堰,大坝全线挡水。2009年三峡工程全部完建。

  需要特别一提的是两次截流和二期围堰防渗墙工程。

  三峡大江截流最大水深60.0米、截流流量8480~11600立方米每秒、截流施工最大日抛投强度19.40万立方米,同时,截流期间长江仍需通航,这在世界截流工程中是少有的。明渠截流设计流量为9010~10300立方米每秒、总落差达4.11米、最大流速逾8米每秒,同时明渠底部为人工浇筑的混凝土河床,特别光滑,不利截流材料的稳定。这些因素导致两次截流施工难度非常大。

  二期围堰防渗墙最大深度达73.5米,截水面积8.345万平方米,施工时间短,围堰基础地质条件复杂,存在许多难以攻克的地质问题。围堰在上游水压力作用下会产生变形,设计采用塑性混凝土以适应变形。施工采用综合方法,取得了圆满的效果。

  三峡枢纽工程三期导流和两次截流,其规模、难度和复杂程度堪称世界之最。三期导流的顺利实施,保证了三峡枢纽工程所有建筑物都能在干地上施工,顺利建成三峡大坝,确保了施工期长江航运通畅。使三峡大坝横贯长江,让"截断巫山云雨,高峡出平湖"的愿望变成现实,这是中华民族治水史上的一次壮举。为纪念三峡大坝的截流壮举,2005年9月26日,在三峡大坝下游建成了截流纪念园。

 

 

   

  26、三峡工程导截流的围堰拆除到哪里去了?

  围堰在三峡工程建设中,功不可没。围堰阻挡住了滔滔江水,保证了混凝土大坝在干地环境下施工。大坝建起来了,围堰功成名就,甘当"无名英雄",消失得无影无踪。那么,围堰究竟拆到哪里去了,是否被淹没在江水中,成为障碍物,阻碍航运,影响发电呢?

  三峡工程围堰的建筑材料主要是土石材料,少部分是混凝土,三个施工阶段共有三次围堰挡水和拆除施工。三峡工程主要围堰的工程量、拆除量和拆除后的高程见左下表。

  从表中可以知道拆除量小于工程量,说明围堰开挖后的剩余部分会留在江水中。围堰拆除方式有多种。土石围堰水面以上部分的土石料直接挖走,水面以下部分的土石料采用船舶水下挖掘运走,有混凝土心墙的部位先爆破,然后运走。三期碾压混凝土围堰采取"一次爆破,整体倾倒"的方式,爆破下来的混凝土块体倾倒在围堰的上游侧江底,永久淹没在水库中,实测爆破倾落的混凝土块堆积体最高高程不到100米。

  围堰拆除后残余堰体部分或爆破倾倒在江底的混凝土块体顶高程,必须经过专门研究和设计(如上表中的围堰拆除后顶高程一栏数字),以满足不影响发电和通航的要求。

  27、三峡大坝从左岸有裂缝到右岸无裂缝的奇迹是怎样创造的?

  在国内外水利水电工程建设中,历来有混凝土大坝"无坝不裂"之说。这是由于大体积混凝土在凝固过程中会产生热量,导致大坝内部温度升高。当外界环境温度较低时,大坝内外部的温度差形成的拉力会破坏混凝土,产生温度裂缝。温度裂缝分为表面裂缝和深层裂缝,一般表面裂缝危害性较小,深层裂缝危害性较大,需分类进行专门处理。

  事实上,即使发生深层温度裂缝,只要处理得当,大坝依然能安全运行。例如,美国的德沃夏克大坝曾出现深达80多米的深层温度裂缝,裂缝处理后,大坝至今已安全运行近20年。

  三峡大坝混凝土工程量大,浇筑高峰年的年混凝土浇筑量均在400万立方米以上。如此高强度的混凝土浇筑,三峡大坝会出现裂缝吗?

  三峡工程左岸大坝(泄洪坝段上游面),曾经出现过少量表面温度裂缝,裂缝宽度一般为0.1~0.3毫米,最宽为1.25毫米,深度一般小于2米,大部分裂缝需要用放大镜才能看到。对于这些裂缝,采取了以化学灌浆为主的"五道防线"综合处理措施。处理完工后,经监测,裂缝处于闭合状态,大坝运行状态安全。在总结左岸大坝施工经验的基础上,右岸大坝混凝土施工采取了更加周密的温控措施,使三峡右岸大坝自2006年建成后,至今尚未发现混凝土表面温度裂缝。

  三峡大坝施工中采取的主要温控措施,形象地被人们比喻"夏吃冰棍,冬穿棉袄"。

  "夏吃冰棍"指的是夏季(25℃以上的高温季节)拌和混凝土时加入冰屑,配合负温风冷骨料(用-10℃左右的冷风对骨料进行冷却)等措施,拌和出7℃低温混凝土,浇筑时混凝土温度低,会使大坝混凝土内部温度降低,减小与外界环境温度差,避免产生温度裂缝。夏季施工的混凝土不光吃冰棍,还有其他待遇。吃了冰棍的混凝土坐在皮带机上,要在遮阳棚的保护下,运往浇筑现场。并在四周有喷雾降温的环境下,经过振捣施工才成为大坝的一部分。

  "冬穿棉袄"指的是冬季(5℃以下的低温季节)来临之前,给一年以内拆除模板的坝段,在混凝土表面覆盖保温被、泡沫塑料板等保温材料。一到冬季,符合条件的坝段"穿"上色彩鲜艳的保温服,很是壮观,为色彩单调的冬季增加了靓丽的景色。"冬穿棉袄"其实质是防止混凝土表面因为外界环境温度骤降,而发生温度裂缝,确保大坝混凝土质量。

  "夏吃冰棍,冬穿棉袄",虽然比一般混凝土施工增加很多费用,但正是这种讲科学、肯投入的做法,以及严格而周密的温控措施,才创造了三峡右岸大坝混凝土无裂缝的奇迹。

 

 

  28、怎样诊断三峡大坝的"健康"状况?

  我们可以把三峡大坝当成生命体来看待,看其是否健康,要看他的肌体和各个器官是否正常,通过定期检查,查看肌体和各个器官的各种指标是否在正常范围,用数据来说明健康如何。

  三峡大坝的"肌体"是混凝土,"器官"是各种闸门、孔洞、廊道和设备等。一个健康的大坝,其位移、变形、渗漏、泄流孔抗冲刷能力等都应当在设计允许范围之内,各种闸门、设备外形完整,符合设计要求,并能正常启闭。

  三峡大坝在运行过程中的"健康"状况是依靠埋设在坝体内外的各种监测仪器来诊断的。据统计,仅三峡大坝坝体内就布设了监测点约5000个,形成了"天罗地网",对大坝的变形、渗流、应力应变等进行监测,能随时对大坝的工作状态和安全状况作出评价。通过对三峡大坝"健康"状况的监测分析、作出诊断,可以及时发现问题并采取措施保证三峡大坝正常运行。

  让我们先来看看三峡大坝混凝土的"健康"状况。三峡大坝在建设过程中对混凝土原材料优中选优,拌和出的混凝土全部合格,浇筑工艺精细规范,凝固后混凝土的容重、密实性、抗压和抗拉强度、抗渗性等指标的合格率为100%。同样,各种闸门、孔洞、廊道和设备等"器官"的合格率也是100%。因而,三峡大坝的"肌体"和"器官"都是健康的。

  三峡大坝的"健康"状况,是通过埋设在坝体内外的各种传感器和监测仪器的自动观测和人工巡视来进行诊断的。诊断三峡大坝的"健康"状况是一项长期任务,由专门机构、专职人员来承担。

  一座大坝的漏水量是衡量其安全度的标志性数据,目前三峡大坝坝基总渗水量为524升每分,较蓄水前仅增加了不足80升每分。我们知道,农民在井中打水的水桶的容量是25升左右,仅相当于每分钟21桶水量。对于一座蓄水量近400亿立方米、坝高180余米、长2000余米的大坝来说,漏水量极其微小。

  蓄水后,大坝坝基水平位移不超过1毫米,坝顶水平位移不超过17毫米。也就是说,大坝挡水后,坝基只向下游移动了不足坝高18万分之一的距离,坝顶只向下游移动了不足坝高1/1万的距离。三峡大坝稳稳地屹立在三斗坪。

  三峡大坝已历经175米正常蓄水和泄洪的考验,多年的监测结果表明,大坝的各项"健康指标"都在正常范围之内,三峡大坝一直是很健康的。

  

  29、三峡大坝的"寿命"有多长?

  三峡工程举世瞩目,人们会问:三峡大坝的"寿命"有多长?

  人是个生命体,有一定的寿命。生命死亡了,寿命就结束了。三峡大坝是由混凝土、金属结构组成的非生命体,包括可维修和不可维修两部分。可维修部分,包括进出水孔口、水轮发电机组、闸门等,真正不能维修的部分主要是大坝混凝土。那么,什么是三峡大坝的"寿命"?是指可维修部分功能丧失的"寿命",还是指大坝混凝土"死亡"的"寿命"?专家们在讨论水工建筑物设计规范时,针对是否需要规定混凝土重力坝的"设计寿命",意见分歧较大。

  混凝土大坝建设的历史,应追溯到19世纪混凝土的发明问世,此后,混凝土就成为大坝建设的重要材料,出现了以混凝土为主要材料的坝型,如混凝土重力坝、拱坝等。19世纪以来,全世界已经建成的混凝土大坝数以万计,还没有一座是因为混凝土损坏而废弃的。所以,我们很难根据已有大坝,来推算三峡大坝的"寿命"。

  人们出于对三峡工程的关心,对于三峡工程的"寿命"众说纷纭,有100年、200年、500年等各种说法。三峡大坝的"寿命"到底是多少?我们就尝试来回答这个问题。

  一个人的寿命长短,是由先天基因和后天的身体状况以及客观环境等因素决定的。三峡大坝的"寿命",主要取决于大坝混凝土质量。因为进出水孔口、水轮发电机组、闸门等可维修的部分,每年都会进行监测、维护和维修,有些部件根据损坏情况可以进行更换,"他们"都是可以通过"器官"维修和移植而无限持续下去的。

  三峡大坝混凝土的原材料是优良产品,大坝的施工是严格按照规范和施工程序进行的,施工质量百分之百合格。其中,检验混凝土质量的一个重要指标是强度和耐久性。

  混凝土强度指标,包括抗拉、抗压和抗剪强度等,三峡大坝的混凝土强度指标百分之百合格,一个产品质量合格的混凝土,强度不会因为工程建成而停止,反而会增长。著名的美国鲍尔特拱坝由于在施工中严格控制质量,经70年左右的运行,大坝完好如初。最近经美国垦务局质量检查,发现混凝土强度还在增长。

  混凝土耐久性指标,包括抗溶蚀、抗冻性和碳化等指标,三峡大坝的混凝土耐久性指标百分之百合格。三峡大坝混凝土的抗冻性指标为150~250次,表示混凝土的耐久性至少可以经得起150~250次的冻融考验。三峡大坝位于亚热带气候的宜昌三斗坪,气候较温暖,出现冻融循环的机会很少,因此,从混凝土耐久性的角度来看三峡大坝的"寿命",可以预计将超过150年。

  三峡大坝的"寿命",与三峡水库泥沙淤积和抗震性能有没有关系呢?三峡工程在论证期间,针对泥沙淤积影响三峡水库"寿命"进行了充分研究和论证,提出了"蓄清排浑"水库运行方式确保水库长期利用的对策措施,得到了葛洲坝工程近30年和三峡水库2003年蓄水以来运行实践的检验。因此,通过"蓄清排浑"的运行调度,三峡水库可以长期使用。另一方面,三峡大坝建立在坚硬、完整的花岗岩地基上,三峡地区属于弱震地区,地震基本烈度是Ⅵ度,而三峡大坝按照Ⅶ度的地震烈度设防,因而,三峡大坝具有较强的抗震能力。

  根据以上分析,三峡大坝的"寿命"远在百年以上。实际上,三峡大坝的实际使用"寿命"还可以通过维护和维修来"延年益寿"。两千多年前李冰兴建的都江堰水利工程,之所以到今天仍然发挥作用,造福人民,根本原因就是"岁修",每年都对都江堰工程进行维护和维修。古人通过"岁修"延长了都江堰工程的"寿命"。我们今天的科技人员应用现代技术,设专门机构不间断地进行监测巡视,及时维护保养或更换,使大坝的各个部位始终处于健康状态。这样三峡大坝完全可以长期运行下去,像千年工程都江堰一样,持续不断地发挥其综合效益。

 

  30、三峡大坝是如何考虑战时防空问题的?

  三峡工程拥有一个总库容为393亿立方米(正常蓄水位)的大水库,万一发生战争,三峡大坝会不会因遭受袭击而溃决?一旦大坝溃决,会不会使下游发生无法抵御的洪水灾害?这是社会各界十分关心的问题。那么,三峡工程是如何考虑战时防空问题的?

  对三峡大坝战时防空问题的研究,早在20世纪60年代初期已经开始。1964年10月,当我国原子弹的蘑菇云升起在罗布泊上空的时候,科研人员就获得了大坝核爆试验的第一手资料。

  三峡大坝是一座坚固的混凝土重力坝,大坝设计时,已采取了一些有利于提高大坝抗爆能力、减轻破坏程度的工程措施。三峡大坝对常规武器和一定当量核武器的袭击,有较强的抗御能力。三峡大坝战时防空问题研究的重点,是如何对付大当量核武器的袭击。对于三峡工程本身来说,对付大当量核武器袭击最有效的手段,是在短时间内将水库内的水位从高水位降低到低水位,也就是通常说的放空水库。

  三峡大坝泄流能力很大,特别是设置了许多低高程泄洪孔,在低水位时仍有相当大的泄流能力;在汛期,防洪限制水位为145米时,根据需要,还有进一步降低库水位的措施。防空专家指出,现代战争总是有征候可察的,这就为三峡工程在必要时降低库水位赢得了时间。

  当发现有战争征兆时,可事先进行预警放水。大量试验表明,三峡水库水位从175米降到145米(相应的库容为170亿立方米),最长只需要7天,比国内一般大型水库快得多,必要时还可降到130米(库容103亿立方米),从而使溃坝影响大大减轻。

  防空专家假设了最不利的情况,即三峡大坝遭受大当量核武器袭击,瞬时彻底破坏,水库蓄水下泄,造成水灾的影响范围究竟有多大?有关单位花费了8年时间,进行了多次三峡大坝溃坝水工模型试验,揭示了溃坝洪水演进的基本规律,研究了相应的减灾措施。最重要的是,得出了两个规律性的认识:一是三峡大坝上下游的峡谷对溃坝水流有相当的约束作用,限制了溃坝泄流量,延缓了下泄时间。通俗地说,由于峡谷的约束,溃坝洪水必须"排着队"才能流出三峡。二是溃坝水流总量是水库内蓄存的水量,基本上是一个定量的水量;如果事先放空水库,可把溃坝水量减少到最小水量。在最不利的情况下,即三峡水库蓄满时(水位175米,此时库容393亿立方米)大坝瞬时彻底破坏,溃坝洪水的演进过程表明,灾害影响范围为荆州以上的局部性灾害。淹没范围仅相当于1954年大洪水淹没范围的4%左右,远小于历史上大洪水造成的损失。实际上这种情况几乎是不可能发生的。有人说溃坝洪水灾害将影响到武汉甚至更远,是缺少科学根据的。

  31、三峡水电站是当今世界上最大的水电站吗?

  三峡水电站总装机容量为2250万千瓦,是当今世界上装机容量最大的水电站,多年平均年发电量882亿千瓦时。

  三峡水电站建成前,世界上装机容量最大的水电站是伊泰普水电站,该电站位于南美洲巴拉那河上,由巴西、巴拉圭两国合建。1991年该水电站建成时,安装了18台单机容量70万千瓦的水轮发电机组,设计总容量1260万千瓦,年均发电量750亿千瓦时。2001年,该水电站扩建了2台单机容量70万千瓦的水轮发电机组,总装机容量达1400万千瓦;按原设计条件推算,年均发电量为833亿千瓦时,但伊泰普水电站历史上实际最高年发电量曾达到947亿千瓦时,这一发电量较目前三峡水电站略高。

  以后随着长江上游水电站群的建成,实行联合调度,三峡水电站年发电量会进一步提高,预计将达到1000亿千瓦时。届时,三峡水电站不光装机容量世界第一,发电量也将世界第一。

 

  32、船舶通过三峡大坝时"爬楼梯"、"坐电梯"是怎么回事?

  三峡大坝上下游之间水位的最大落差达113米,船舶从下游驶往上游(或从上游驶往下游),必须通过三峡船闸或垂直升船机。人们形象地比喻船舶通过三峡船闸过坝是"爬楼梯",船舶乘垂直升船机过坝是"坐电梯"。

  三峡船闸有南北两线,相当于公路上的双车道,一线上行一线下行。每线船闸有5个闸室、6道人字闸门;相邻闸室地面高程相差22.6米,五个闸室呈楼梯状布置。上游是第一闸室,下游是第五闸室。

  船舶是如何通过三峡船闸的呢?

  假如船舶要从下游驶向上游——船舶驶入第五闸室后,关闭下游人字门,通过地下输水系统,第四闸室往第五闸室内充水,当两个闸室内水面齐平时,打开上游人字门,船舶驶入第四闸室。依此类推,船舶就好像爬过一级又一级楼梯一样,通过第一闸室,驶向大坝上游航道。船舶下行的过程相反。三峡船闸单个闸室净宽34米、长280米,是世界上最大的闸室,可同时容纳6艘3000吨级船舶。一艘船通过三峡船闸大约要3个小时。

  三峡垂直升船机是客轮和特种船舶的快速过坝通道,垂直升船机就像我们日常乘坐的电梯,容纳船舶的承船厢就像电梯的轿厢。承船厢内部净长120米、宽18米、水深3.5米,可容纳一艘3000吨级船舶,承船厢自重加上船舶和厢内水体的总重达15500吨,是当今世界上提升高度和总重量最大的垂直升船机。

  船舶是如何通过垂直升船机过坝的呢?

  假如船舶要从大坝下游驶向上游——当船舶驶入承船厢,关闭承船厢下游闸门,承船厢通过爬升装置上升,直到承船厢内水位与上游水库水位齐平时,打开承船厢上游闸门,船舶驶出承船厢进入上游航道。船舶从上游向下游行驶,与其过程相反。一艘船"乘坐"垂直升船机过坝,约需40分钟。

  目前,垂直升船机正在建设之中,预计2015年投入运行。

 

 


三峡工程开工典礼 

  
 33、万吨级轮船可以从上海直达重庆吗?

  三峡水库蓄水至175米后,万吨级轮船并不能从上海直达重庆,但万吨级船队每年至少有半年时间可以从上海直达重庆。

  万吨级船队和万吨级轮船是两个截然不同的概念。万吨级船队是将一艘具有足够马力的轮船和若干艘驳船(能够装载货物而没有动力的船)用钢丝绳连结在一起,组成能够装运1万吨货物的船队,吃水深度为3米左右。而万吨级轮船是指一艘能够装载万吨货物的轮船,吃水深度为9米左右。受长江中下游水深限制,目前三峡下游长江干流宜昌到武汉段可通行1500(枯水期)~3000吨级船舶,武汉至南京段可通行5000吨级船舶,南京以下可通行2.5万吨级船舶。因此,受长江天然航道限制,万吨级轮船不能从上海直达重庆。

  行驶在武汉至重庆间的万吨级船队,多为"品"字形编队。即用9艘1000吨驳船,或5艘2000吨驳船,或3艘3000吨驳船,配上一艘两千多马力的顶推轮船编队组成。船队宽度为31.2~32.4米,长度为196~264米,吃水深度为2.8~3.3米。三峡船闸单个闸室的净空尺寸(实际使用空间),就是按照一次能够通过一个万吨级船队或6艘3000吨级船舶设计的。

  重庆至宜昌660千米范围内,历史上原有急流滩、险滩、浅滩共139处,需利用绳索将船拉过险滩的绞滩站25处,单行航道段46处。20世纪80年代葛洲坝水库建成后,虽淹没了30余处滩险,但仅改善了滩多流急的三峡江段约110千米的航道,尚有约550千米航道处于天然状态,只能行驶1500吨级船队,严重阻碍了长江上游航运事业和西南地区经济社会的发展。三峡工程建成后,淹没了上述所有滩险。重庆至汉口航道,一年中有半年以上时间可满足万吨级船队对航道尺度的要求。经三峡水库调节,每年枯水季节平均下泄流量为5500立方米每秒,比建库前天然情况下增加约2000~3000立方米每秒,使中游航道水深平均增加约0.5米,保证了万吨级船队的通行。

  需要着重指出的是,三峡工程蓄水通航后,运输方式已发生重大变化,大型货船(有自航能力的单个船舶)已成为重庆至汉口间水运的主力。据统计,在三峡过闸船舶总数中,船队数量所占比例越来越小,已从2003年的35%下降到2007年的15%;运能比例也由70%下降到10%以下。这是因为大型货船比船队在机动性、安全性等方面具有更大的优势。

  34、有多少人参加了三峡枢纽工程建设?

  三峡枢纽工程17年(1993—2009年)建设过程中,直接参加三峡枢纽工程建设的人员最多时近4万人。这些人员不光是施工单位,还包括现场的建设单位、设计单位、监理单位和服务人员。

  三峡枢纽工程虽然工程量巨大,工期紧迫,但由于施工设备、技术和管理水平的提高,所以直接参与建设的人员并不多。与20世纪80年代的葛洲坝工程相比,三峡枢纽工程混凝土量是葛洲坝工程的2.5倍,但直接参建人员仅相当于葛洲坝工程的40%。

  考虑到三峡工程是枢纽、移民和输变电三大工程组成,在三峡工程建设过程中,还曾有上万人参与三峡工程设计和研究,数百家单位提供材料、机电设备和金属结构制造,涉及的人员总数达数十至数百万人。如果我们把视角再拉远一些,从三峡工程最早提出设想到完建的近百年间,有多少人为它殚精竭虑,奉献了智慧与汗水,实在难以统计。因此,三峡工程是中华民族集体智慧的结晶,是一幅众手描绘的宏伟画卷。

 

水轮发电机组定子基坑内现场音乐会。 

  35、70万千瓦水轮发电机组有多大?安装质量怎么样?

  三峡水电站共安装了32台额定容量70万千瓦的水轮发电机组,该机组是当今世界最大的水轮发电机组。那么,70万千瓦水轮发电机组的规模到底有多大?

  从发电效益看,一台水轮发电机组在额定出力每小时发电70万千瓦时(每秒钟发电486千瓦时),如果一个家庭一年使用1500千瓦时电量,那么一台机组一个小时的发电量相当于467个家庭一年的用电量!

  从机组重量来看,机组由进水口压力钢管、蜗壳、导水机构、基础环、座环、转轮、尾水管等构成的水轮机,和由上下机架、发电机定子、转子等组成的发电机,以及将水轮机发电机连接起来的机组主轴构成,这些部件个个都是"巨无霸",最大单件的总重量达460吨,一台机组的总重量达7000吨,相当于法国巴黎埃菲尔铁塔所用钢材重量的总和。仅发电机转子的吊装,就需要2部1000吨以上的桥式起重机同步起吊才能胜任。

  从机组的尺寸来看,机组的进水钢管直径达12.4米,相当于三层楼房的高度!水轮机和发电机的连接主轴的直径达到了3.8米,发电机定子内直径超过18米。2011年4月15日,三峡建设者在右岸地下电站正在施工中的28号机组的基坑内,举办了一场由160人参加,历时1个小时的庆祝"五一国际劳动节"的合唱音乐会。

  外形和重量如此巨大的庞然大物,其安装精度要求却是以零点几毫米甚至微米计!如此高的安装精度对我国大型水电机电安装建设者的技术水平和能力是一个重大考验。以水轮机和发电机的连接件主轴的安装为例,主轴安装垂直度的设计要求为0.2毫米,然而,三峡电站左右岸电站全部机组主轴的垂直度精度达到0.01毫米,远小于一根头发丝的直径(0.06~0.1毫米)!

  高精度的机组安装得到的回报是机组较高标准的运行稳定性和机组运行寿命的延长。以机组顶盖振动为例,在机组稳定性试验中,机组在稳定运行区运行时的水轮机顶盖垂直振动大约50微米,在国际允许值40~140微米范围内,水平振动值约25微米,在国际标准20~40微米范围内。数字是枯燥的,举一个形象例子,在厂房中,如此巨大的设备按照常理,机组运转起来,应该机声隆隆,厂房颤动;然而,三峡电站水轮发电机组运行时,声音却不大,几乎感觉不到振动,曾经有一个试验,将一枚1元的硬币竖立在运行中的水轮机顶盖上,硬币纹丝不动。

 

  36、"三峡模式"如何推动民族制造业实现跨越式发展?

  三峡工程的成功经验——开放市场、引进技术、消化吸收与自主创新有机地结合起来,被称为"三峡模式"。

  三峡工程安装有32台70万千瓦大型水轮发电机组,机组尺寸和容量大,水头变幅宽,是当今世界上最先进的水轮发电机组,设计和制造难度为世界少见。三峡工程建设之前,我国只能设计制造30万千瓦的水轮发电机组,为了既确保三峡工程的质量达到一流,又不失时机地提升民族工业制造水平,国家决定在采购国外先进设备的同时,引进关键技术、消化吸收再创新,为特大型水轮发电机组国产化创造条件。

  三峡建设单位(即三峡工程业主——中国三峡集团)以市场为导向,进行国际招标,搭建了国际化竞争平台。在左岸14台机组招标文件中明确提出了"三个必须":投标者必须与中国制造企业联合设计、合作制造;必须向中国制造企业全面转让核心技术,培训中方技术人员;必须保证14台机组中的最后2台由中国企业为主制造,中国企业分包份额不低于合同总价的25%。为确保核心技术转让完全到位,三峡建设单位专门列支了技术转让费。

  通过上述举措,哈尔滨电气集团公司和东方电机有限公司等国内制造企业完整地引进了核心技术,不但在三峡左岸机组制造中的实际份额达到50%以上,后4台机组还以上述两家为主制造,形成了自主创新能力,为自主设计制造奠定了基础,具备了与国际水电设备制造企业同台竞争的能力。

  在三峡工程右岸电站12台(套)水轮发电机组中,哈尔滨电气集团公司和东方电机有限公司各自承担了4台(套)水轮发电机组的设计制造任务。

  依托三峡工程,两家国内制造企业成功走出了"技术转让—消化吸收—自主创新"三大步,用7年的时间顺利完成了从左岸机组分包商到右岸机组独立承包商的重大角色转变。这种转变,标志着我国水电重大装备实现了30年的大跨越,标志着国内特大型水轮发电机组设计与制造能力已达到世界先进水平,我国自主设计、制造、安装特大型水轮发电机组的时代已经开始。这种转变,使三峡工程右岸机组的整体价格大幅下降,与完全引进国外产品相比,节约投资10%以上。

  此外,三峡枢纽工程在500千伏主变压器、高压开关电器、水电站监控与调度计算机系统和设备等重大装备的国际招标中,同样通过技术转让,使大批国内企业在引进消化吸收的同时,提高了自主创新能力,达到了国际先进水平。

  中国厂商自主设计制造的70万千瓦水轮发电机组、高压开关电器、大型主变压器开始广泛应用于三峡右岸电站、右岸地下电站、向家坝电站、溪洛渡电站等。

 


  
 质量检查专家组在工地。 
 
 
 37、三峡枢纽工程在保证工程质量方面有哪些重大创新?

  三峡枢纽工程千年大计、国运所系,质量责任重于泰山。在保证枢纽工程质量方面进行了多项重大创新。

  质量管理体系创新:一般大型水利水电工程建设,实行业主、施工和监理三级质量管理体系,三峡枢纽工程属于特大型工程,工程质量更加重要并受世人关注,故专门设立了质量总监办公室,负责全面协调和质量监督工作,形成了四级质量管理体系。为了对工程质量进行全面的检查和监督,国务院三建委成立了代表国家的质量检查专家组,由中国科学院院士、中国工程院院士和权威专家组成,钱正英院士为首任组长,具有很高的权威性。质量专家组卓有成效的工作,对保证三峡枢纽工程质量起到了重要的指导和监督作用。

  为了使三峡枢纽工程建设的每一个单元工程都达到一流质量,成立了水文气象中心、安全监测中心、混凝土和原材料试验中心、测量中心和金属结构检测中心等五大中心,加强质量检验和检测。对设备制造实行"监造",聘请了"洋"监理对国外机电设备制造厂商进行"监造"。

  质量文化创新:不留工程隐患,是三峡工程质量的最低标准,也是三峡工程建设的最高原则。三峡工程实行"质量一票否决制"。工程施工中,一旦发现质量问题,不论大小,都要执行"三个查清":查清原因、查清处理措施是否落实、查清责任人或单位是否受到了教育或处罚。并要记入施工单位的档案中,定期予以评定;对发生工程质量缺陷或事故而隐瞒不报的施工单位,进行严厉处罚,并取消其今后的投标资格。

  三峡工程建设始终坚持"零质量事故、零安全事故"的双零目标,把质量和安全放在首位。随着工程建设质量的提高,又进一步提出"零质量缺陷"、"零安全违章"的更高要求,努力争创"一流的工程、一流的质量、一流的管理"。

  质量标准的创新:三峡枢纽工程建设为了达到一流质量,结合工程实际和通过实验研究,参照国际、国内规范和标准,制定了适用于三峡枢纽工程建设的《三峡工程质量标准》。它源于规范,又高于规范,是一流工程质量目标的具体量化和重要体现,做到了一流工程"有法可依"。国家已将《三峡工程质量标准》确定为三峡枢纽工程验收文件之一。

  管理手段创新:三峡枢纽工程建立了现代化的信息管理系统,与各参建单位共同建立了一套完整的工程质量信息即时反馈系统。质量管理部门可以随时检查和抽查工程质量,发现问题或苗头及时采取有效措施加以解决或纠正,加快了工程质量信息的反馈速度,增强了控制力度,极大地提高了工程质量管理和控制水平。

  三峡枢纽工程在质量管理上实行了一系列创新,保证了整个工程质量总体优良。国务院三峡工程质量检查专家组第15次到三峡工地现场检查后认为:三峡右岸大坝是没有裂缝的混凝土重力高坝,创造了世界奇迹。目前,三峡枢纽工程已历经水库蓄水和泄洪的考验,枢纽建筑物、基础的变形、应力以及渗流等各项测值均在设计允许范围内,建筑物运行性态正常,为我国今后大型或特大型水利水电工程建设,在质量管理上积累了丰富经验。

 

  38.三峡枢纽工程建设有哪些科技创新?

  三峡工程规模巨大、技术复杂。工程建设面临着一系列前所未有的世界级难题,必须依靠中国人自己的力量自主创新、攻坚克难。

  在17年工程建设中,三峡工程建设者通过原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新,解决了一系列重大技术问题,取得了丰硕成果。其中集成创新贯穿了三峡工程论证、设计、施工的全过程。

  截至2011年年底,三峡枢纽工程获得了20多项国家科技奖励、200多项省部级科技奖励和700余项专利,建立了100多项工程质量和技术方面的标准。这些科技创新成果有力地促进了我国重大水利水电工程建设、机电设备制造安装、生态环境保护和信息技术应用等领域的科学发展和技术进步。

  水利水电工程技术方面:首创了混凝土骨料二次风冷技术,创立了一套大容量、全方位、全过程的综合混凝土温控生产体系;在两次大江截流中,针对流量大、水深、进占堤头坍塌严重的难题,创造性地采用了深水平抛垫底措施。在围堰防渗施工中,通过技术集成,探索出具有世界领先水平的水下防渗施工技术。在大坝混凝土施工中,大体积混凝土单位用水量显著减少,达到世界领先水平。在三峡船闸建设中,取得了直立高边坡开挖、岩体锚固、船闸输水、超大规模人字闸门安装等几十项国内领先的技术成果。

  机电设备制造与安装技术方面:通过引进、消化、吸收和再创新,掌握了水轮机水力设计、定子绕组绝缘、发电机全空冷与蒸发冷却等具有自主知识产权的核心技术,实现了70万千瓦大型水轮发电机组的全部国产化,跨越了与国外30年的技术差距。

  生态环境保护技术方面:成功培育出世界上第一尾全人工繁殖中华鲟鱼苗;制定了高精度洪水预报与生态联合调度规程;建立和运行了跨地区、跨部门、跨学科的"长江三峡工程生态与环境监测系统",为工程建设、运行中的环境保护与资源管理决策提供了科学依据和技术支撑;通过数学模拟计算、实体模型试验和原型监测分析,成功提出了泥沙问题的解决方案。

  信息技术应用方面:成功开发了在国际工程项目管理领域处于领先水平、具有自主知识产权的"三峡工程管理信息系统(TGPMS)"和"电厂运行管理信息系统(ePMS)"等。

  三峡枢纽工程在科技创新上的成功探索和实践,不但保证了三峡枢纽工程的顺利建成,还使我国由水电大国跃升为水电强国。

 

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