三峡水利枢纽工程建设对水工程科技的进展

2023-10-16 理论教育版权反馈

【摘要】：三峡电站水轮发电机组采用单机单管引水，压力钢管直径12.4m，设计流量966m3/s，运用水位变幅高达45m。通航建筑物关键技术的进展。2)船闸输水系统及水力学问题。阀门启闭机选用竖缸式液压启闭机，阀门吊杆总长最长达72.86m，采用直径325mm无缝钢管分节制作，相邻节之间有铰连接。吊杆设导向槽，以防止启闭阀门过程中吊杆摆动，保证阀门运行安全。

(1)坝工科技进展。

1)大坝泄洪及消能。三峡大坝泄洪及消能具有泄洪大、水头高、排沙量多、泄流孔多、尺寸大，三层泄洪孔运行条件复杂等特点。通过大量科学试验研究和计算分析，深孔与表孔联合泄洪选用挑流消能型式。表孔及深孔采用沿坝面设长隔墙分开，前后错开布置方案。深孔与表孔联合运行并考虑排沙孔、排漂孔和机组泄洪具有100000m3/s以上的泄洪能力。深孔选用有压短管接明流泄槽跌坎掺气型式。

2)两岸岸坡厂房坝段坝基岩体缓倾角裂隙结构面处理技术。两岸岸坡厂房坝段坝基下游形成近70m高陡边坡，岩体中缓倾结构面构成不利滑移面，最大裂缝连通率达83%，影响坝基深层抗滑稳定。设计采用综合处理措施：适当降低基岩面高程，并设齿槽；加大上游底宽，以利用坝前水重；在坝基和厂房基础设置封闭的抽排水系统；利用厂房与坝基边坡岩体紧密相靠以增加抗滑力；相邻坝段间横缝设键槽并接缝灌浆；在左厂3号坝段坝基下部增设排水隧洞(高程26m)以降低扬压力；对坝基岩面出露的长大裂隙结构面挖槽回填混凝土；预留纵横向廓道进行预应力锚索加固处理。

3)电站引水管道进水口型式。三峡电站水轮发电机组采用单机单管引水，压力钢管直径12.4m，设计流量966m3/s，运用水位变幅高达45m。设计研究比较了单孔进水口和双孔进水口型式。从大坝施工条件和安全可靠性，单孔进水口为优。经综合论证比较，推荐采用单孔进水口型式。

4)电站引水管道结构型式。电站引水压力管道条数多，直径大，HD值高等特点。设计对压力管道结构型式进行了深入比较和优选。综合分析认为钢衬钢筋混凝土联合受力管道钢板较薄，有利于保证钢材材质和焊接质量，钢衬可立足于国内钢材，我国具有成功经验，故选用钢衬钢筋混凝土联合受力方案。

(2)通航建筑物关键技术的进展。

1)船闸引航道布置及通航水流条件问题的解决。上下游引航道布置，按通航水流条件要求，控制口门区纵向流速小于2m/s，横向流速小于0.3m/s，回流流速小于0.4 m/s，涌浪高度小于0.5m。上游引航道中心线长2113m，引航道口门宽度220m，航道底宽180m，底高程130m。在引航道右侧设置土石隔流堤，将航道与长江主流隔开，形成单独的人工航道。下游引航道中心线长2722m，右侧为土石隔流堤，航道底宽从闸首128m逐渐扩宽至180m，底高程56.5m，出口距坝轴线4.5km，口门宽200m，受枢纽下泄水流和波浪影响较小。

2)船闸输水系统及水力学问题。船闸输水系统采用高空化数长隧洞等惯性型式，每线船闸两侧岩体内对称布置两条输水隧洞，为克服充泄水过程中出现超灌超泄对船闸闸门运行的不利影响，设计采用在齐平水位前，动水关闭输水阀门的措施，使阀门全关时刻的闸室内外水位差小于规定值。为解决充泄水阀门及阀门段的振动和空化问题，设计采用降低隧洞高程，以保证阀门有足够的淹没水深；快速开启阀门(t 1=1～2min)；阀门后隧洞顶部扩大(1∶10坡比)及底部突扩的体型；门楣设置负压板自然通气等措施，防止阀门区产生空化气蚀，以保证输水隧洞及充泄阀门安全运行。

3)船闸高边坡稳定问题。船闸五级闸室主体段长1621m，均在闪云斜长花岗岩中深切开挖修建，形成路堑式双边坡，设计采取综合措施，根据地质条件合理设计边坡开挖轮廓，在两侧边坡岩体内布置7层共14条排水洞，在排水洞间钻设岩体排水孔，孔距2～2.5m，且上下层衔接，形成完整的排水幕，以降低边坡山体地下水位；边坡周边设截水沟及排水沟，坡面喷混凝土防止雨水入渗，并设排水孔及排水沟，形成边坡地表截防排水系统；严格控制边坡开挖施工爆破，尽量减小对岩石的损伤，发现不稳定块体及时进行处理；加强施工过程监测分析；边坡加固支护采用系统锚杆、预应力锚索、高强锚杆及喷混凝土等措施。

4)船闸金属结构设计。①船闸人字门：人字门单扇门叶宽20.2m，厚3.0m，最大门重850t，第1闸首人字门高38.5m，最大淹没水深达36m，为目前世界上淹没水深最大的船闸人字门；②船闸人字门启闭机：设计对启闭机型式比较了四连杆式启闭机和液压直推式启闭机，选用卧式摆动双作用液压启闭机，该启闭机采用无级变速新技术，并改善优化影响闸门阻力的边界条件，减少人字门启闭时两头大中间小的阻力曲线峰值，使启闭力减小，降低了启闭机的技术难度；加设防反向荷载闭锁装置，并在油缸尾部加设了弹性支承，以增加闸门和油缸运行的稳定性，大大提高了人字门运行的可靠性；③船闸充泄水阀门：充泄水阀门尺寸为4.2×4.5m，工作水头45.2m，设计水头82.0m，总水压力达1.96万k N，为目前世界上已建船闸最大的阀门，设计采用横梁全包式的反向弧形阀门，以保证门体在动水启闭和承受高水头作用的钢度和强度，门重80t。阀门启闭机选用竖缸式液压启闭机，阀门吊杆总长最长达72.86m，采用直径325mm无缝钢管分节制作，相邻节之间有铰连接。吊杆设导向槽，以防止启闭阀门过程中吊杆摆动，保证阀门运行安全。

5)船闸运行监控系统。特点：多目标——有24扇人字门和24扇反向弧形阀门；多工况——双向、换向、变级数、补水，防超灌超泄；严格按过闸工艺要求安排可靠运行。创新点：建立了由现地、集控和总调组成的三层分布式船闸监控系统；研究建立了自动判断运行级数及补水量控制的数学模型，研制了相应的控制程序，填补了多数船闸自动运行控制技术的空白；监控系数具有强大的“安全保护”功能，确保在各种可能的突发事故或故障状态下(设计考虑了8种事故状态)船闸安全。

6)垂直升船机。升船机采用齿轮齿条爬升平衡重式垂直升船机，由上闸首、下闸首和船厢室，上游、下游引航道，上游、下游导航墙和靠船建筑物等组成，其上游、下游引航道与船闸共用。升船机最大提升高度113m，船厢有效尺寸长120m，宽18m，水深3.5m，外形尺寸为长132m，宽23.4m，高10m，船厢总重16800t，是目前世界上提升高度和重量最大的升船机。

(3)机电设计关键技术的进展。

1)机电设计中的技术问题：①水轮发电机组单机容量巨大；②三峡—葛洲坝梯级统一联合调度，设立综合自动化系统，监控对象多，技术复杂而先进，规模巨大，涉及面广；③机电设备技术更新周期短，发展迅速；④设计接口众多，对机电集成设计要求高；⑤机电设计必须适应电网负荷的变化；⑥机电设计应体现与环境的协调。

2)机电设计主要技术问题的解决措施。①机组运行稳定性。

适当抬高额定水头和合理选择机组参数，优化流道和转轮设计，采用X形叶片，按运行水头进行负荷分区，并将稳定运行标准数值化，采取发电机设置最大容量、强迫补气等稳定措施；②发电机冷却方式。左岸14台机组选用半水冷(定子采用水冷、转子采用空冷)方式，随着技术的进步，右岸电站还选用了4台全空冷水轮发电机，右岸电站准备将VGS发电机中一台由半水冷式改造成具有我国自主知识产权的蒸发冷却水轮发电机。

3)推力轴承布置位置。三峡电站机组推力负荷达5800t，是目前世界上最大负荷的推力轴承，设计研究比较了推力轴承的支衬和冷却方式，互块材料及布置在发电机的下机架上(或称下机架方式)，和布置在水轮机的顶盖上(或称为顶盖方式)。选用了推力轴承设置的在发电机架的方案。选用钨金瓦、小弹簧或小弹性柱的支衬方式。

(4)工程施工关键技术的进展。

1)大流量深水截流及深水土石围堰技术。

2)工程施工期通航。

3)大坝混凝土高强度施工及温控防裂技术。

4)围堰挡水发电。

5)特大型闸门及启闭机安装和调试。

6)巨型水轮发电机组安装和调试。

(5)泥沙问题研究的进展。(www.chuimin.cn)

1)泥沙对工程的影响：泥沙淤积在水库内，将影响工程使用年限；水库库尾变动回水区泥沙淤积对航道及港区造成不利影响；坝区泥沙淤积将影响船闸、升船机和水电站的运行；清水下泄，引起坝下游河床冲床和河道演变，将对堤防安全及航运造成影响。

2)采取的对策措施：采取“蓄清排浑”运行方式，水库可长期使用；采取优化调度、疏浚和整治等综合措施，使库尾变动回水区航道及港口航运通畅；大坝泄洪深孔布置低于电站进水口，并在进水口下部设置排沙孔，保证电站正常运行；在船闸、升船机航道部位设置冲沙闸(冲沙洞)冲沙，并辅以疏浚清淤，保证船闸、升船机正常运行；清水下泄冲刷坝下游河道需列专项研究并进行治理，以确保堤防安全及航运畅通。

总之，三峡工程建设提高了我国科技水平。

三峡工程建设标志我国水科技达到国际先进水平，有些项目已为国际领先。

三峡工程建成投运，表明我国大坝高水头、大流量泄洪消能技术，坝体大块口结构设计及封堵技术，坝基不利结构面处理技术，坝基渗控技术，大型金属结构和机电设备设计、制造及安装技术，大型船闸通航水力学及输水系统关键技术，高边坡加固技术，地下电站变顶高尾水洞技术等达到国际先进水平。其中多级船闸关键技术，巨型水轮机解决高水头部分负荷运行区小汽车和脉动的综合技术，大坝混凝土高强度施工及温控防裂技术，大流量深水河道截流及深水高土石围堰施工技术等为国际领先水平。

三峡工程主要水科技进展见表2.10～表2.18

表2.10　国外大中型升船机与三峡升船机主要参数表

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