三峡水利工程勘测设计技术创新与应用

钮新强，郑守仁，王小毛

（水利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，430010，武汉）

三峡水利枢纽工程（以下简称三峡工程）在工程规模、科学技术和综合利用效益等许多方面都堪为世界级工程的前列。工程技术复杂，涉及的专业技术多，设计难度超过了国内外已建水利工程的水平，在枢纽总布置、坝工技术、电站厂房、通航建筑物设计、导截流技术、混凝土施工技术机电设计等方面面临一系列极具挑战性的重大技术难题。长江勘测规划设计研究院作为三峡工程的设计单位，在工程设计中创新运用了最新的科技成果、最新的工程技术，极大丰富了水利水电设计和建设技术的理论和实践。

一、大坝工程

1.高水头、大泄量的泄洪及消能布置

三峡工程的校核洪水泄流量为102 500 m3/s，其泄量之大在世界水利工程上尚无先例。为适应三峡工程高水头、泄洪流量大的特点，尽量减少两岸山坡的开挖工程量，以节省工程投资，经过研究论证，泄洪坝段采用导流底孔与泄洪表孔、深孔三层孔口上下重叠布置形式。深孔、导流底孔的设计水头大于85 m，孔中流速达35 m/s，孔数多，运行条件极其复杂；在同一个坝段内布置有深孔、表孔和导流底孔三层孔口，坝体挖空率接近50%，结构较单薄，在国内尚无先例。

针对大坝水头高、泄洪及导流流量大、排沙量大、三层泄洪孔运行条件复杂及上游水位变幅大等特点，在泄洪孔口的体型选择和水力学设计中采取了坝前设置拦沙槽、设置通气孔和跌坎掺气，有压段局部设置钢衬，孔口过流面浇筑高标号混凝土，提高横缝灌浆高程、局部横缝止水后移，利用横缝间水压力减小泄洪深孔有压段孔口应力等一系列措施，成功解决了高速水流下孔口抗空化及防泥沙磨损、下游水力学衔接、消能防冲和结构受力等关键技术问题，促使我国高水头泄洪水力学技术跃上一个新的台阶，具有巨大的经济效益和社会效益。

2.采用综合工程措施解决大坝深层抗滑稳定问题

三峡大坝厂房 1～5号及 24～26号坝段分别位于左右岸临江岸坡上，因坝后式厂房布置需要，在大坝坝后形成最大坡高达70m的高陡边坡，同时坝下基岩存在倾向下游的缓倾角结构面，最大裂隙连通率达到83.1%，构成不利的深层滑动条件。为解决大坝深层抗滑稳定问题，设计研究采用厂坝联合受力、上游开挖齿槽、封闭抽排等十大综合工程措施，保证了大坝深层抗滑稳定。

3.改善孔口应力的措施——横缝止水后移

由于泄洪坝段泄洪深孔和厂房坝段电站进水口的孔口尺寸大，坝体实际开孔率接近50%，水头高，孔口需配置大量的钢筋。为此，设计对大孔口应力分析及配筋进行了专题研究，提出了将孔口处上下一定范围内的横缝止水局部后移布置，并将孔口处钢筋减少1～2排。横缝止水后移这种新型布置形式改善了孔口应力，减少了钢筋用量，方便了施工。

4.大型钢衬钢筋混凝土管道布置与结构型式

三峡水电站引水压力管道条数多（26 条），内径大（12.4 m），最大设计水头 139.5 m，HD 值高达 1 730 m2，是当今世界上同类型管道中规模最大、技术参数最高的电站引水压力管道。通过对大坝中压力管道布置、结构型式的深入研究和优选，设计大胆创新，在下游坝面预留浅槽内采用背管布置形式，采用钢衬钢筋混凝土管结构型式；经论证突破规范规定，对管道整体安全系数、钢筋、钢衬材质进行了优化，使外包钢筋层数减少，间距变大，方便了施工，保证了混凝土浇筑质量，节省了工程投资。三峡水电站压力管道的研究，对钢衬钢筋混凝土压力管道结构受力的特点和设计有了成熟的方法和实践经验，有力推动了世界高水头、大直径压力管道设计的发展。

5.三期大坝基础大范围采用找平层混凝土封闭式固结灌浆技术

在三峡二期工程试验基础上，为解决三期夏季施工问题，同时为秋冬低温季节连续均匀浇筑基础约束区混凝土创造条件，避免因固结灌浆造成混凝土层面长间歇产生裂缝，设计提出无盖重固结灌浆新技术。实践证明：找平混凝土浇筑密实，满足设计要求；灌浆过程中没有发生抬动破坏和其他异常情况，灌后声波测试和压水试验检查满足设计要求，取得了较好的工程效益。

二、电站厂房

1.大容量、大流量单孔小孔口进水口型式

三峡水电站为坝后式厂房，采用单机单管引水方式，单机容量700 MW,压力钢管直径12.4 m，设计流量966 m3/s，运用水位变幅达40 m。针对三峡电站进水口的水位变幅大、规模大、坝体结构单薄、水流条件复杂等特点，经过单孔大进口、单孔小进口、双进口等多种型式比较及大量模型试验及分析研究，创新采用单孔、小孔口及斜孔口的进水口布置体型，是我国在水电站进水口设计技术上的一大突破；既减小了水头损失，增加发电量，又减小了孔口对坝体的削弱影响，改善了坝体的受力条件和施工安装运行条件，对其他电站进水口设计具有很大的参考价值。

2.巨型机组蜗壳埋入方式新技术

三峡电站蜗壳进口直径12.4 m，HD 值 1 773 m2，HD2值 22 000 m2，其中直径及控制结构变形的HD2值为同期世界最大，而蜗壳外围混凝土相对较薄。通过研究，首次在700 MW级水力发电机组提出并成功应用 “直埋＋垫层”的蜗壳组合埋设方式，解决了巨型机组蜗壳直埋方式外围混凝土开裂对结构刚度的影响和下机架基础变形过大等技术难题；首次在700 MW级水力发电机组蜗壳中采用垫层埋设方式，研究解决了巨型机组蜗壳垫层敷设范围、刚度、厚度及材料性能等问题及技术标准；针对三峡电站机组蜗壳内水压力变幅大、水温随季节变化温差大的特殊性，首次提出并成功应用了蜗壳不设垫层采用充水保温保压浇筑外围混凝土的新技术。

三峡巨型机组蜗壳不同埋入方式在电站的成功实施以及完整设计技术体系与相关技术标准的形成，不仅保证了水电站引水发电建筑物及机组安全稳定运行，而且为巨型机组相关行业规范制定技术标准奠定了基础，提高了我国水电行业的竞争力。

三、双线五级连续船闸工程

三峡双线连续五级船闸，总设计水头113 m，级间输水水头45.2 m，可通过万吨级船队。与目前世界上已建的船闸相比，三峡船闸的规模、总设计水头、上下游需适应的水位变幅等远较其他船闸大。坝址复杂的水沙条件和地形，使船闸工程的总布置及其长期使用、船闸的输水技术及结构设计等方面的技术难度均大大超过了世界已建船闸的水平。三峡船闸的建设需解决一系列极具挑战性的课题。

三峡船闸的主要技术难点：①船闸的总体设计，②高水头、大流量船闸输水技术，③高陡边坡设计，④高薄衬砌式结构技术。

1.船闸总体设计

重点研究在复杂通航水流条件下如何满足船闸安全、通畅的要求。总体设计主要针对船闸远大于以往类似工程遇到的设计水头、船闸所处十分复杂的工程环境和船闸线路位置处于高陡岩坡上的特点，综合分析研究解决高水头船闸的输水方式、满足长期通航的水流条件、船闸主体结构的型式等问题。

（1）高水头船闸的输水方式

已建大型船闸中设计水头最大的单级船闸为34.5 m；分开布置的多级船闸为72.8 m，分2级布置，单级输水水头36.4 m；连续布置的多级船闸总设计水头43 m，分3级连续布置，级间输水水头30 m。三峡船闸总设计水头113 m，采用不同的分级及布置，关系到船闸在枢纽中的布置、运行条件、通过能力、工程造价。通过分析坝址的地形、地质条件，按照三峡工程运行水位的特点，决定船闸采用连续5级布置，将总设计水头等分为5级，船闸中间级的最大工作水头45.2 m，输水主廊道采用输水隧洞及其他输水辅助技术，船闸充泄水时间控制在12 min以内。

（2）满足长期通航的水流条件

船闸线路与长江主河道之间大角度相交，难以保证船舶安全进入口门。通过对船闸线路位置进行大范围、多方案比较研究，确定采用能够满足船闸布置需要的位于坛子岭左侧的线路。在上下游引航道右侧，分别修建长度为2 680 m和3 700 m的防淤隔流堤，在船闸上下游形成带弯段的引航道，调整引航道口门轴线与主河道水流之间夹角，保证口门区的通航水流条件，满足船舶安全进入口门。

长江汛期水流含沙量大，工程运行一定年限后，泥沙淤积将导致引航道的尺度不能满足通航要求；淤积同时改变了水下地形，恶化通航水流条件。关于泥沙淤积碍航问题，利用枢纽在汛期泄洪时以大流量排沙，减少坝前淤积；对船闸引航道，根据工程运行几十年后才会出现泥沙淤积碍航和泥沙淤积的部位主要是在引航道口门以外的特点，确定采用以机械清淤为主，并将临时船闸改建为冲沙闸，在汛末降低水位进行小流量冲沙为辅，并预留在必要时可以加建冲沙隧洞的综合技术，满足了三峡船闸直至水库泥沙淤积平衡以后仍能正常运行的要求。

（3）船闸主体结构的型式

主体结构段岩体强度高，经对独立受力的重力式结构和与岩体联合受力的衬砌式结构进行研究，决定保留中隔墩岩体，闸首与闸室采用高薄衬砌结构与岩体联合受力。通过研究高薄衬砌式结构与岩体联合受力的机理，提出了保证闸墙与岩体联合工作和控制变形的技术，在大型高水头船闸的结构设计方面取得突破。两线船闸间保留岩体隔墩，闸槽上部按边坡稳定要求开挖，下部完全按衬砌结构的轮廓要求直立开挖。采用这种结构型式在研究解决一系列技术难题、保证船闸结构技术进步的同时，大大节省了岩石开挖和混凝土浇筑工程量。

2.高水头大流量船闸输水技术研究

级间最大输水水头45.2 m的防空化技术，12 min内输水24万m3的闸室停泊条件及单线船闸最大输水流量720 m3/s时，引航道内船舶的停泊和进出闸要求，是要研究解决的技术关键。经研究采用了①与主体结构分开、阀门后底部突扩的输水主廊道布置，②闸室采用4区段、8分支廊道等惯性输水系统。

（1）增加阀门段廊道淹没水深，优化阀门段体型，快速开启阀门

增加阀门段廊道淹没水深，对提高阀门后廊道压力有非常明显的效果。采用在山体内开挖隧洞作为输水主廊道，在阀门段布置高程不受结构布置限制的条件下，充分降低阀门段的高程，以加大阀门的淹没水深为主，辅以在阀门后增设突扩底槛、快速开启阀门、在门后进行通气，以及采用全包式阀门等防止空蚀、声振的技术措施。

三峡船闸输水主廊道各中间级阀门段廊道顶最小初始淹没水深不小于26.0 m，结合三峡船闸阀门段廊道布置特点，采用在阀门后以1∶10坡比顶扩、廊道底部垂直向下突扩的体型，利用扩散的漩滚水流消除能量，降低门后水流平均速度及改变门后流态，提高门后压力，抑制空化，减免空蚀。快速开启阀门，主要是利用水体惯性提高门后廊道内压力及抑制阀门底缘水流漩滚的发展，缩短低压状态的历时，从而抑制门后水流空化的发生与发展，同时还可提高输水效率。

（2）闸室底板布置等惯性进出水系统

三峡船闸闸室平面尺寸大，一次充泄水水体大，输水时间要求短，闸室水面上升速度快，船闸充泄水过程中，使闸室内水流分配均匀，是保证停泊在闸室内船舶安全的关键。船闸输水系统采用在闸室两侧对称各布置一条输水主廊道，闸室底板布置4区段、8条分支廊道等惯性分散出水，出水孔上带消能盖板的型式。廊道系统以闸室水体中心为对称轴对称布置，使闸室内水流分配均匀，保证了闸室快速、平稳的充水和泄水条件。即使一侧阀门检修，用单侧廊道进行充水、泄水时，闸室出流仍比较均匀，停泊条件也能满足要求。

3.高陡边坡设计

在船闸结构设计中，将边坡岩体作为闸室墙体结构组成的一部分，边坡设计不仅要考虑稳定安全问题，同时在与闸墙接合的部位，还必须考虑边坡岩体变形对船闸设备正常运行的影响。高陡边坡设计需解决边坡开挖形态控制、边坡岩体加固支护、地下排水等问题。

（1）边坡开挖形态控制

高边坡按自稳的原则进行开挖。两线船闸在闸墙结构顶部以下的微新岩体，按照直立坡和船闸结构轮廓要求开挖，在两线船闸之间保留宽度55～57 m的岩体隔墩，在两侧和中间隔墩的岩体内部，开挖输水隧洞和阀门竖井。为控制基础开挖变形，设计对各部位的开挖工艺、下降速度和开挖顺序提出了严格要求。

（2）边坡岩体加固支护

在确保边坡总体稳定的前提下，边坡岩体加固支护主要解决边坡局部块体稳定性，增加整体稳定及改善岩体应力变形条件。岩锚加固支护措施包括预应力锚索加固、锚杆加固及坡面喷护等。

（3）地下排水系统

两侧边坡岩体内自上而下各布置7层共14条排水洞，各层排水洞内钻设排水孔，各层排水孔相互搭接形成连续的排水孔幕。模拟排水的三维渗流场分析表明，由上述排水洞和排水孔幕组成的岩体排水系统，有良好的排水效果。

4.高薄衬砌式结构技术

三峡船闸主体结构利用基岩强度高、完整性好和输水主廊道采用隧洞的有利条件，闸首和闸室墙均采用高达40～70 m的衬砌结构。研究和采用这种结构型式，在发展船闸结构技术的同时，节省工程量，具有显著的经济效益。

（1）采用衬砌式结构，并保留两线船闸间的岩体隔墩

结合地形地质条件，三峡船闸采用保留两线船闸之间岩体中隔墩的衬砌结构型式，薄衬砌结构的特点是在外荷载作用下自身不能维持稳定，尤其是闸首结构作为大型人字门运行的支持体，要求整体变形必须控制在5 mm之内，结构风险大，国内外对大型船闸薄衬砌结构尚无专门的规程规范和设计标准可供遵循。衬砌式结构必须做好直立岩坡的加固处理，并着重解决衬砌结构与岩体联合受力问题。其关键是研究混凝土与岩面的接触性态、结构与岩体联合受力的机理。经分析研究，衬砌式闸首混凝土衬砌厚12 m，闸室衬砌墙厚1.5 m。

（2）高强锚杆

船闸直立边坡由于爆破影响卸荷松弛，加上岩体不利结构面的存在，边坡采用系统支护和加固处理。而根据衬砌式结构的特点，需要通过高强锚杆保证混凝土与岩体的联合受力。经研究，采用了岩体支护锚杆与衬砌锚杆合二为一的高强锚杆，大量节省了锚杆工程量和投资，缩短施工工期，同时更可提高岩体稳定的安全度。

当墙背与岩体间黏结面开裂后，锚杆不但要承受渗透水压产生的拉力，同时还要承受由于衬砌结构变形所产生的剪力。为此，在锚杆混凝土与岩基接触面处，设置了能自由变形的 “自由段”，有效地降低了锚杆内力，并使锚杆受力分布均匀。

（3）衬砌结构与岩体接合面的排水设计

墙后水压力是衬砌式船闸结构的主要外荷载之一，合理的确定墙后水压力对船闸造价和结构的技术处理，有着十分重要的意义。对墙后排水网的布置形式，分别研究了两种方案：竖向排水管和排水孔相结合方案，由竖向和水平向排水管组成的“井”字形排水管网方案。两个方案的竖向排水管，均与基础排水廊道相连接。经研究，选用“井”字形排水方案，能高效排除墙后渗水，较大程度地降低墙后水压力，满足闸墙稳定要求。

四、施工设计

1.大江截流关键技术

三峡大江截流的设计流量为14 000～19 400 m3/s，最大水深达60 m，龙口最大平均流速为3.33～4.16 m/s，超过国内外水利枢纽工程实际最大截流流量和水深，且截流期间不允许断航。大江截流的重要性及其技术复杂性，使其设计及施工关键技术问题成为三峡工程建设中的重大技术问题之一。针对大江截流设计及施工技术问题进行了大量分析研究及试验工作，提出了确保大江截流成功的关键技术措施：①修建巨型导流明渠，为满足长江航运要求和降低截流难度奠定基础；②研究深水截流堤头坍塌机理，采取平抛垫底措施，缓解深水截流难度；③科学验证，优化设计，力争提前实现截流合龙；④部署技术保障和服务，支持大江截流顺利进展。1997年11月8日龙口合龙，实测截流流量11 600～8 480 m3/s，龙口最大流速4.22 m/s，最大落差0.66 m，最大抛投强度达12.1万m3/d。

2.二期上游深水土石围堰筑堰技术

二期上游深水土石围堰最大堰高82.5 m，堰体填料中的80%需水下施工，且最大水深达60 m，是当今世界上最大的深水围堰。防渗墙最大高度74 m，围堰基础地质条件复杂。施工时先填筑两侧的石渣堆石体，背水侧兼作截流戗堤及排水棱体，再填筑中部风化砂并修筑防渗墙，水下抛填风化砂采取振冲加密措施，减小堰体及防渗墙变形。引进国外液压抓斗、液压铣槽机等先进设备，采用“两钻一抓（铣）”“两钻三抓（铣）”“铣、抓、钻、爆、砸”防渗墙成槽工艺，适应三峡二期围堰地层复杂和工期紧迫的特点，上游围堰最高月成墙面积达6 440 m2。围堰防渗墙创造性地采用风化砂、花岗岩石屑与水泥、膨润土组成的柔（塑）性墙体材料，施工及运行实践证明防渗墙结构安全可靠，防渗效果显著。

3.三期导流明渠双戗截流技术

三期导流明渠截流设计流量9 010～10 300 m3/s，截流水深 20～23 m，截流落差3.26～4.06 m，龙口合龙总能量指标达410.2 MW，为当今世界截流工程之冠。且明渠底部岩面平整光滑，对抛投块体稳定不利。采用上下游戗堤龙口段同时进占，分担落差；在上游戗堤龙口设置拦石坎，抛投特大块石串和埋铁块混凝土四面体等措施，提高截流块体稳定性。2002年11月6日，明渠截流上下游戗堤龙口顺利合龙，实测流量8 600 m3/s。上下游戗堤龙口合龙过程中，上游戗堤龙口实测最大落差为1.73m，最大流速为6m/s；下游戗堤龙口实测最大落差为1.12 m，最大流速为5.1 m/s。这是在国内首次成功地采用并实施了从设计到施工的双戗配合立堵截流实践。

4.三期碾压混凝土围堰快速施工及拆除技术

三期碾压混凝土围堰是三峡工程二、三期衔接的关键性控制工程，混凝土工程量167.36万m3。如何在一个枯水期内完成明渠截流、三期土石围堰施工、三期基坑抽水及三期碾压混凝土围堰施工，是三峡工程建设中的又一重大技术难题。围绕碾压混凝土快速施工及方便后期拆除进行系统研究，取得一系列创新成果，提出适应快速施工的结构措施、碾压混凝土快速施工技术及应对措施、碾压混凝土施工质量保证措施等整套关键技术。围堰在明渠截流后仅用4个月便全部建成，创造了最大月浇筑强度47.5万m3、最大日浇筑强度21 066 m3、连续上升37.5m的世界纪录，其最大浇筑强度已超过国内外当时纪录的1倍以上。三期碾压混凝土围堰爆破拆除首创围堰建、拆有机结合的工程建设新理念。采用倾倒法拆除围堰，技术方案新颖，布置及起爆顺序构思巧妙。围堰成功施爆，树立了围堰爆破拆除新典范。拆除爆破混凝土方量18.6万m3，最大水深45.3 m，总装药量 191.5 t，起爆分段 959段，均创造了目前国内外围堰爆破拆除新纪录。

5.特大型导流明渠确保施工期通航与导流安全

长江是我国重要的水运交通动脉，三峡工程施工期采用明渠通航方案，保障了长江航运的畅通。导流明渠规模巨大，兼有导流与通航重任，其设计导流流量、大型船队通航流量均为世界之最。通过精心设计，开展多方案的明渠体型优化，进行了反复的水工模型(包括船模)试验研究，成功地完成了特大型弯道导流明渠的设计工作。经1998年8次大洪水考验，导流明渠度汛安全，明渠通航保证率高。

6.大坝混凝土高强度快速施工技术

（1）三峡二期工程大坝混凝土施工进度安排

三峡二期工程是三峡工程实现蓄水、发电、通航三大目标的控制性工程，其施工技术复杂，工程量大，二期工程混凝土工程量约1 860万m3，其中大坝混凝土工程量1 070万m3。1999年、2000年和2001年分别完成大坝混凝土 312万 m3、352万 m3和239万m3，1999年大坝月浇筑高峰强度35万m3。施工进度网络中有多条关键线路，控制性节点众多，采用横道图、网络计划技术等常规的施工进度编制手段难以表达其复杂的施工网络关系、多工种平行作业的施工条件。在采用国际通用管理软件P3（Primavera project planner）进行编制施工进度的同时，还对三峡二期工程大坝施工进行了计算机实时动态仿真，该仿真技术运用系统工程的原理，在指定要素条件下，运用多目标决策系统，由计算机根据模拟施工程序自动选择合适的浇筑仓，实时输出任一时刻的坝体三维图形及各种混凝土施工强度和施工进度表格，并实现了与P3软件的对接。该项技术的运用大大提高了施工进度和施工强度的准确性和可靠性。

（2）大坝高强度快速施工技术

三峡工程大坝混凝土快速施工方案作为三峡工程关键技术问题之一，被列为国家“七五”攻关项目，并在三峡各设计阶段进行了研究和多方案比较，提出了门塔机为主和塔带机为主的两大类方案。在通过现场生产性试验的基础上，最终确定采用以塔带机为主，辅以缆机和高架门机方案。

根据塔带机的工作特性和大坝结构特点，对6台塔带机作了合理布置。为了最大限度地发挥塔带机的工作效率，设计提出采用计量皮带机直接由拌和楼供料至塔带机的混凝土供料线布置，以及为保证质量，方便施工，提出了简化大坝混凝土标号分区及调整混凝土级配的有关措施和要求。

为了做好混凝土温控防裂设计，又提出了严格的温控标准和温控措施，包括高温季节出机口采用7℃混凝土、合理控制层厚及间歇期、表面保温、在3 m浇筑层中间埋设冷却水管等综合措施。为满足高强度施工，成功设计了当今世界最大人工砂石料和混凝土生产系统对出机口7℃混凝土生产，改变传统的水冷骨料方式，研究出占地小、投资低、运行可靠的二次风冷骨料新工艺、新技术。由于采用了上述混凝土施工新技术，保证二期工程如期顺利地完成了各项目标，工程效益十分显著。

7.临时船闸2号坝段封堵混凝土厚层快速上升施工技术

临时船闸通航槽两侧的1号、3号坝段，初期坝体浇筑至高程143 m。临时船闸停止使用后，在1号、3号坝段前缘用叠梁门封堵挡水，浇筑2号坝段混凝土。

在临时船闸封堵期间，临时船闸1号、3号坝段除承担自身荷载外，还承担2号坝段封堵叠梁门传来的巨大荷载。1号、3号坝段坝基面高差18 m，坡比为 1∶0.4，监测资料表明陡坡混凝土与基岩已局部脱开，对结构整体受力不利。为保证坝基面、坝体应力及门槽混凝土局部强度满足要求，需在下叠梁门挡水至蓄水135 m期间共67 d的时间内，将 2号坝段甲块混凝土浇筑至高程90.0 m。按常规施工，2号坝段混凝土从基础高程61.5 m浇筑至高程90 m，施工工期约需4～6个月，不能满足总进度要求。设计经多种方案研究分析，突破常规，选择混凝土浇筑层厚采用4.5 m，间歇期 5～7 d，在4.5 m的浇筑层中埋设3层冷却水管通水冷却的施工新技术。监测资料表明，实测混凝土最高温度在 31℃左右，通过冷却降温均降至27℃左右，满足设计要求。

五、三峡巨型水轮发电机组创新研究和应用

三峡水轮发电机组运行工况复杂，且国内没有700 MW机组的设计、制造以及工程设计的实践经验，国外此规模的机组及相应的水电站也屈指可数。其技术难点有：

①水轮机需适应蓄水初期和后期两种水头，水头变幅大。初期水头为61～94 m， 后期水头为 71～113 m，电站Hmax/Hmin高达1.85，是世界上已投入运行的500 MW以上混流式水轮机运行水头变幅最大的机组。②水库运行方式决定了水轮机运行在高水头区 （H为100～110 m）和低水头区（H≤78.5 m）的时间较长，水轮机将不得不长时间在偏离最优工况区运行。③汛期过机含沙量较大，水轮机过流部件面临严重的泥沙磨损问题。④三峡电站在电力系统中承担调峰和事故备用等任务，导致负荷变化剧烈，机组开机停机操作频繁，机组的稳定运行面临挑战。⑤三峡电站发电机空冷和半水内冷的选择，决定发电机电磁参数和运行维护，空冷方案在当时的国内外巨型机组上均未采用，但却有不可替代的优势。因此冷却方式的选择是三峡水轮发电机的重大技术课题。⑥没有先例可循，总体技术必须突破已有的经验和技术。

围绕三峡巨型水轮发电机组主要进行了以下创新研究：

1.水轮发电机组总体设计研究

三峡巨型水轮发电机组没有现成的模式可以借鉴，从机组参数选择到主要部件结构型式的总体设计是水轮发电机组生产制造的依据。鉴于三峡运行条件的复杂和单机容量的巨大，在总体设计上对机组参数的选择和各参数的匹配进行了精心研究，如对机组转速的研究、发电机冷却方式研究、推力轴承支撑方式研究、机组运行稳定性研究、机组控制尺寸研究等，均经过多次专家审查才予以确定。

2.合理选择和优化水轮机的最优水头

混流式水轮机设计水头的大小决定了高、低水头运行工况偏离最优工况的程度。因此，合理选择设计水头，是改善三峡水轮机运行稳定性的有效措施之一。三峡水轮机设计水头的选择既要重点保证高水头工况的稳定性，同时又要兼顾低水头的空蚀和泥沙磨损问题。根据三峡运行条件进行的专题研究分析确认，三峡电站水轮机设计水头应不小于90.1 m。

3.优化转轮设计

在巨型水轮机转轮上首次成功地应用了X形叶片。适应三峡电站水头变幅大以及混流式水轮机叶片不能调整的特点，合理设计转轮和通流部件的形式，经过对采用常规叶片比较，决定转轮叶片采用X形叶片，经过水力和结构优化，尽可能避免在转轮叶片进口产生“撞击涡流”，并将尾水管涡带和压力脉动幅值控制在较小范围内。

4.确定水轮机稳定性指标

首次对尾水管和导叶后转轮前区域在整个运行水头和负荷范围内提出了稳定性分区设置的方法和相应的稳定性指标，并通过模型试验分析混流式水轮机本身固有特性，指导水轮机运行按水头、负荷合理划分运行区域。按影响各个区域水力稳定性能的主要因素确定不同考核指标,确定稳定运行区域为70%～100%额定负荷。

5.发电机设置最大容量

为解决三峡水轮机在高水位、高水头运行区域的稳定性，宜采取适当加大其导叶开度运行的方式解决水轮机在这个区域运行的出力受发电机容量限制的问题。经分析研究，设置发电机最大容量，机组在最大容量工况下，水轮机的导叶开度增大，有利于机组运行稳定。因此，三峡电站发电机设置最大容量840 MVA，要求水轮机按最大出力852 MW设计，发电机按 840 MVA （功率因数 0.9）和840 MW（功率因数1.0）设计，有效地扩大三峡机组稳定运行范围，有利于提高其运行稳定性能。

6.必要的稳定性辅助措施

根据三峡电站的具体情况，设置通过主轴中心的自然补气系统，并设置从水轮机顶盖和底环处向转轮叶片进口处压缩空气的系统，对改善水轮机在高水头运行时的稳定性效果良好。

六、结 语

三峡工程经历了40年的反复论证和16年的工程建设阶段，针对三峡工程中众多技术难题，通过科学研究和技术创新，成功解决了一系列关键技术难题。新科技成果和工程技术在三峡工程的成功运用，不仅为我国带来了巨大的经济、社会效益，同时极大地推动了我国水利水电技术水平的发展，更为我国水利水电技术和有关科技的发展作出了有益的贡献。