葛洲坝水利工程为建设三峡工程提供了哪些借鉴

2011-07-12郑守仁

中国三峡 2011年11期

郑守仁

上：葛洲坝水利枢纽工程拦水大坝施工场景

一、前言

葛洲坝工程是我国在长江干流上修建的第一座水利枢纽工程，1970年12月开工建设，工程施工初期，发现勘测设计深度不够，处于“三边”（边勘测、边设计、边施工）状况，对一些重大技术问题未进行研究论证，就提出设计方案并开始施工。1972年11月，国务院总理周恩来在北京接连召开葛洲坝工程汇报会，深入了解工程建设中的问题。周总理强调，我对葛洲坝工程是“战战兢兢，如临深渊，如履薄冰”，唯恐在长江的水利建设上出事。周总理果断决定葛洲坝主体工程暂停施工，成立由长江流域规划办公室（简称长办，现为长江水利委员会）主任林一山主持的葛洲坝工程技术委员会对国务院负责，长江流域规划办公室负责进行设计。周总理对林一山说：“修葛洲坝，要成为三峡大坝的实验坝。你原先主张先修大的，我们说服你先修葛洲坝，做实践。这里出现的问题，那里同样会出现。搞好了葛洲坝，就是大成功。”周总理谆谆告诫与会者对葛坝工程的建设必须慎重从事，做到万无一失。林一山临危受命，遵照周总理的指示，具体组织领导研究解决了葛洲坝工程建设中的技术难题。在葛洲坝工程技术委员会的领导下，长办依靠科学技术创新和团结协作攻关，在全国水利水电科研院校、设计院、施工单位的大力支持下，于1974年2月完成葛洲坝工程补充勘测设计科研工作，提出《长江葛洲坝水利枢纽修改初步设计报告》，经葛洲坝工程技术委员会组织审查并报国务院批准，主体工程于1974年10月复工。遵照“精心设计，精心施工”的要求进行工程建设。1981年1月大江截流，6月三江船闸通航，7月二江电站首台机组发电，1986年6月大江电站首台机组发电，1988年工程完建。葛洲坝工程为三峡工程建设积累了经验，培养了一批有丰富实践经验及高水平的设计、施工、运行管理人才，为三峡工程做好了全面的实战准备。

长江水利委员会（简称长江委）在总结葛洲坝工程经验教训的基础上，对三峡工程做了大量勘测设计科研工作，并与国内科研单位和高等院校协作攻关，研究解决了三峡工程的重大技术问题。1984年国务院原则批准了《三峡工程蓄水位150m方案的可行性研究报告》，并开始进行施工前期准备工作。1986年国务院要求水利电力部负责组织重新论证工作，为国家提供科学决策的依据，“以求更加细致、精确和稳妥”。水利电力部聘请了412位专家分地质地震、枢纽建筑物、水文、防洪、泥沙、航运、电力系统、机电设备、移民、生态与环境、施工、投资估算、综合规划与水位、综合经济评价等14个专题，进行了三年的补充论证工作。长江委根据论证成果重新编制了《长江三峡水利枢纽可行性研究报告》，国务院三峡工程审查委员会组织专家审查通过，并报国务院提请全国人民代表大会审议。1992年4月3日全国人大七届五次会议通过了《关于兴建长江三峡工程决议》，长江委于1992年12月完成《长江三峡水利枢纽初步设计报告（枢纽工程）》，1993年7月国务院三峡工程建设委员会审查批准。随后长江委完成8个单项工程技术设计，并经项目法人中国长江三峡工程开发总公司（现为中国长江三峡集团公司）组织专家审查。长江委按审定的单项工程技术设计进行各建筑物招标设计及施工详图设计，及时编制各建筑物施工部位的设计文件及图纸，为三峡工程提供了技术支撑，保障了工程建设顺利进行。

二、葛洲坝工程关键技术应用于三峡工程

1、枢纽布置与泥沙防治技术

三峡工程坝址河势及枢纽建筑物布置图

葛洲坝工程坝址河势及枢纽建筑物布置图

三峡工程位于宜昌三斗坪镇附近的弧形河段上，坝址在三斗坪弯道中段。设计上对枢纽布置进行了大量分析和模型试验研究工作，并借鉴葛洲坝工程设计经验，综合考虑坝址自然条件和利于泄洪、排沙、通航、发电，以及便于导流、截流和提前发挥通航发电效益等因素，优选的枢纽布置挖除河床中的中堡岛，将泄洪建筑物布置在河床中部，两侧坝后布置左、右电站厂房，泄洪深孔进口底高程较两侧电站进水口底高程低18m，以利主泓泄洪排沙；并在厂房坝段及坝后厂房布设排沙孔，以分担排泄各自厂房前的泥沙；通航建筑物双线五级船闸和升船机均布置在左岸，位于弯道的岸上游引航道的口门处在微弯段凹岸，流态平缓，泥沙淤积也较少；下游引航道系在滩地开挖而成。坝区泥沙实体模型试验表明，坝下游河道主流仍偏靠右岸，下游引航道将发生不同程度淤积，泄洪水流的流速和波浪高较大，借鉴葛洲坝工程设计经验，在船闸和升船机下游引航道右侧修建防淤隔流堤，同时为避免船闸运行时闸室泄水引起引航道内往复流和水位波动，船闸泄水通过箱涵直接排入隔流堤外大江，下游引航道形成静水航道。三峡工程吸取葛洲坝工程实践经验，结合实际条件，采用排（电站设8个排沙孔排沙）、防（上、下游引航道设防淤堤）、冲（利用泄洪深孔及冲沙闸冲沙）、拦（泄洪坝段及左侧厂房坝段和右侧厂房坝段对应的上游围堰分别拆除至高程57.0m和高程110m作为拦沙坎）、清（机械挖沙）等综合措施，解决了电站进水口前和通航建筑物引航道泥沙淤积问题。引航道及其口门泥沙淤积采用机械清淤与冲沙闸冲沙相结合的措施。2003年工程投入运行以来的实测资料表明，电站进水口前水域淤积在高程90m以下的河槽；船闸上游引航道淤积量较少，对航运未产生影响；下游引航道2003～2009年总计淤积170万m3，航道内及口门区机械清淤量为107.6万m3，均小于原预计量。

2、高水头大型船闸设计及施工技术

三峡船闸闸室输水系统平面布置示意图

三峡工程双线五级船闸是当今世界已建水头最高、闸室及闸（阀）门最多、运行情况最复杂的船闸。双线船闸的闸室有效尺寸与葛洲坝工程的1号和2号船闸相同，即闸室有效长度280m、有效宽度34m、闸槛上最小水深5m。三峡船闸技术较葛洲坝船闸复杂，设计、施工难度大，但葛洲坝船闸设计理论、研究方法和工程经验，在三峡船闸建设中发挥了重要作用。葛洲坝船闸闸室底板纵支廊道四区段顶部出水盖板消能的等惯性分散式输水系统型式，解决闸室超灌、超泄的提前动水关闭阀门措施和人字门近坎冲淤措施，均又应用三峡船闸。葛洲坝船闸为减免阀门段空化和声振，首次采用门楣通气并通过加设负压板实现门楣稳定的自然通气的综合措施，为三峡船闸减免阀门段空化提供了重要的原型应用依据。三峡船闸设计经过大量的分析研究及试验验证，采取降低阀门段廊道高程、增大淹没水深以提高门后压力，并辅以门后廊道突扩体型，快速开启阀门及门楣设置负压板自然通气等措施，船闸运行实践表明，可防止阀门段空化。

三峡船闸大型人字门设计及制造安装在总结葛洲坝船闸实践经验的基础上，对人字门门体结构、材料、制造安装等进行多项技术创新，并充分考虑疲劳应力对门体结构的影响及其采取的对应措施。输水系统工作阀门操作水头45.2m，为世界上水头最高的反向弧门。参照葛洲坝船闸选用反向弧门，将其下游面板改用不锈钢复合钢板，以提高面板抗气蚀破坏的能力，延长其使用年限；在门楣及底坎设通气孔，以防止或减弱阀门面板及底缘的空化；阀门支铰采用自润滑轴承，轴瓦为镶嵌式，以克服采用干油润滑而增加检修维护困难。

3、大流量河道截流与深水围堰设计及施工技术

三峡船闸输水工作闸门门楣通气结构图

葛洲坝水利枢纽工程冲沙闸冲沙

葛洲坝水利枢纽工程电力外送

三峡工程坝址位于葛洲坝水库内，截流水深达60m，居世界首位，设计截流流量14000～19400m3/s，实际截流流量11600～8480m3/s，居世界河道截流工程之冠。大江截流设计借鉴葛洲坝截流水下预平抛护底的经验，采用在截流龙口段河床实施预平抛砂砾石及块石料垫底减小龙口水深的技术措施，并辅以优选戗堤堤头进占方式及抛投方法等安全保障措施，防止合龙过程中戗堤堤头坍塌事故的发生。三峡工程大江截流设计和实施中，如同葛洲坝工程大江截流一样，重视将截流水力学计算、水工模型试验，水文预报和原型水文观测工作紧密结合，互为补充，保证截流设计方案的合理性和可靠性，并有效地指导截流施工，确保了截流龙口顺利合龙。

三峡工程二期上游土石围堰最大高程82.5m，最大水深达60m，堰体80%填料需水下抛填施工，混凝土防渗墙最大高度74m，围堰型式参照葛洲坝工程大江土石围堰的实践经验，采用两侧石渣块石堤及中部风化砂堰体设混凝土防渗墙上接土工合成材料防渗心墙结构。位于河床深槽部位堰体中部设两排混凝土防渗墙，墙底嵌入基岩1m，并对透水岩体进行防渗帷幕灌浆处理。鉴于水下抛填的风化砂密实度较低，采用振冲加密措施，其干密度可达1.8g/cm3，而国产大功率振冲器最大振冲深度为30m，为此，要求堰体中部40m高程以下改用水下平抛砂砾石料，干密度可达1.95g/cm3。以上综合措施提高了深水抛填堰体料的密实度，有利于减小堰体及混凝土防渗墙体变形。设计针对墙体较高，且风化砂及堰基础淤沙的变形性能较差，致使堰体变形及防渗墙体的挠度较大问题，对防渗墙体材料进行了大量试验研究，选用强度较高（抗压强度4～8MPa），弹性模量较低（800～1500MPa）的塑性混凝土，渗透系数小于10～8cm/s，破坏比降大于100。上游围堰基础地质条件复杂，防渗墙造孔成槽难度很大。施工单位采用冲击式正、反循环钻机、液压抓斗、液压铣槽机造孔成槽，优质泥浆固壁，对严重漏失地层采用预灌浓浆，槽内投放堵漏材料、分层冲击堵漏等措施，效果较好。通过造孔成槽施工试验，选用多种成槽工艺，充分发挥各种造孔机械设备的优势，突破复杂地层造孔成槽难关、墙底透水岩体灌浆采用墙体内浇筑塑性混凝土时预埋钢管（直径114mm）成孔技术，最大埋管深度达73m，合格率高达99%，成功地解决了复杂地层高防渗墙底帷幕灌浆问题。三峡工程二期上游围堰建成后经过4年的运行考验，堰体及防渗墙变形值均小于设计计算值，围堰防渗效果良好，渗水量很小。

葛洲坝水利枢纽一角

葛洲坝水利枢纽工程施工场景

三峡工程二期上游土石围堰典型断面（深槽段）结构

4、大坝混凝土温控防裂技术

三峡工程混凝土总量2747万m3，主体建筑物孔洞多，结构复杂，坝块尺寸大，混凝土温控防裂难度大。三峡工程混凝土施工在总结葛洲坝工程生产7℃低温混凝土实践经验的基础上，针对施工场地狭窄的条件，首创在混凝土拌和系统采用二次风冷新技术。其制冷系统装机总容量达77049kw，是当今世界水利工程规模最大的低温混凝土生产系统。大坝混凝土施工采取综合温控防裂措施：优选混凝土配合比，提高其抗裂性能；建筑物选用合理的分缝限制浇筑块尺寸；控制坝块混凝土最高温度，混凝土配合比中减少水泥用量，高温季节浇筑低温混凝土，并设法减小温度回升；采用合适的浇筑层厚及间歇期；混凝土收仓后加强养护；埋设冷却水管，分期通水降低混凝土温度；加强混凝土表面保温，防止受气温骤降而产生裂缝。大坝混凝土施工过程中实施全过程的温控防裂技术，采用的温控标准和防裂措施均达到或超过国内外先进水平，使大坝混凝土裂缝得到有效控制，一、二期工程施工的大坝混凝土均未出现贯穿性裂缝，浅表层裂缝为0.032条/万m3；三期工程浇筑大坝混凝土量为396.5万m3，未发现1条裂缝，创造了当今世界混凝土重力坝筑坝史上的奇迹。

葛洲坝电厂厂房

三、三峡工程借鉴葛洲坝工程施工期利用围堰挡水通航发电

葛洲坝工程施工导流分两期。一期先围二、三江，水流从大江主河床宣泄，照常通航；二期围堰大江，截断主河床，大江上游土石围堰最大高度40m（混凝土防渗心墙达50m），与已施工建成的二江、三江主体建筑物共同挡水，壅高水库水位以保障二江电站发电和三江2号船闸及3号船闸通航。围堰挡水运行5年，二江电站累计发电量330亿kW·h；三江2号、3号船闸正常运行，保证了长江航运畅通，葛洲坝工程在施工期提前发挥了通航、发电效益。

三峡工程施工导流分三期。第一期围河床右侧，在一期基坑内开挖导流明渠，施工三期上游碾压混凝土围堰明渠过水断面以下堰体及纵向混凝土围堰，江水从主河床宣泄，照常通航；同时施工左岸临时船闸及永久的双线五级船闸。第二期截断主河床，在二期基坑内施工泄洪坝段、左厂房坝段及电站厂房、左岸非溢流坝段、升船机上闸首，继续施工双线五级船闸，江水从导流明渠宣泄，船舶从导流明渠及临时船闸通行。第三期截断导流明渠，江水从泄洪坝段的导流底孔及泄洪深孔宣泄，明渠截流后，在低水土石围堰下，抢修三期上游碾压混凝土围堰明渠过水断面以上堰体，并与纵向混凝土围堰及三期下游横向土石围堰围成三期基坑，在基坑内施工右厂房坝段及电站厂房、右岸非溢流坝段。三期上游碾压混凝土围堰最大高度121.0m，与已建成的上游纵向混凝土围堰和泄洪坝段及左厂房坝段、左岸非溢流坝段共同挡水，水库蓄水至水位135.0m，左岸电站发电，双线五级船闸通航。三峡工程建设借鉴葛洲坝工程建设经验，在工程施工期，利用围堰挡水通航发电运行3年，左岸电站共发电量1130亿kW·h，双线五级船闸通航，三峡工程在建设过程中，提前发挥了通航、发电效益。

四、葛洲坝工程建设管理为三峡工程积累了经验

葛洲坝工程建设过程中，为贯彻国家关于基本建设体制改革的精神，根据《基本建设项目包干经济责任制试行办法》和国家有关规定，水利电力部决定对葛洲坝二期工程（即大江工程）实行投资包干，建立甲乙方合同制；成立水利电力部驻葛洲坝代表处（以下简称部代表处）作为建设单位，是执行承发包关系中甲方职能的机构。部代表处主要的职责为：受水利电力部委托与葛洲坝工程局签订承发包合同；编报年度基本建设计划和统计报表，办理基本建设投资拔款、贷款、结算及决算等事项；按照“四包”（包建设规模、包工期、包质量、包投资）的要求，对葛洲坝工程局实行计划、质量、工程量、投资等方面的监督和检查，监督经济合同的贯彻执行；负责对葛洲坝工程局“三保”（保投资，保材料、设备，保设计）的落实；协调设计与施工、基建与生产等方面的关系，以及部交办的事项；参加或参与组织工程设计及概算审查、竣工验收以及其他有关的技术经济等业务活动。

在葛洲坝二期工程施工中，部代表处充分发挥了建设单位在工程建设中的主导作用，协调各方并调动其积极性，明确了各方的职责权，形成工程建设的合力。在与葛洲坝工程局签订承包合同时，明确各方的责权关系，切实赋予各方的权利和义务，充分体现了承包者（乙方）在工程建设中主力军的作用；建设单位（甲方）给承包单位创造必要的外部条件，承包单位对工程质量和工期承担直接责任，在承包合同中并规定了明确的约束机制和激励机制。

部代表处严格承包合同管理，在具体执行中采取了一些行之有效的措施，如制定经水利电力部批准的投资包干办法实施细则；合理确定分年投资和投产工期；进行投资分解管理；严格工程价款结算；开展合理化建议降低工程投资；设置单元工程质量奖和优质工程奖；工程局内部实行层层承包经济责任制和百元产值工资含量包干，控制工程量和工程单价及费用标准以及工期提前奖励等办法，为控制承包合同起到了很好的作用，保障了大江工程施工顺利进行。

1989年10月，葛洲坝大江工程通过国家验收委员会组织的竣工验收。国家验收委员会认为，葛洲坝大江工程设计采取了许多先进技术，达到了先进的设计水平。大江工程的建设管理是成功的，建设速度快，提前一年建成，工程投资控制好，基本上未超过批准的概算。施工单位精心组织、科学管理，采用新技术，创造水电建设的几个新记录，保证了工程质量，提高了工效，缩短了建设工期，取得了较大的经济效益。

葛洲坝二期工程实行工程项目包干经济责任制，甲乙方签订承发包合同，迈开了我国水利水电工程建设体改革的第一步，为三峡工程和我国水利水电工程建设积累了经验。葛洲坝二期工程建设实践，为三峡工程建设提供可借鉴的经验。

（1）充分发挥业主的主导作用是搞好大型水利水电工程建设的先决条件。严格合同管理，认真履行建设各方的职责和义务，是搞好大型水利水电工程建设的基础。

（2）葛洲坝工程建设实践充分说明设计是工程的灵魂，建设优质工程必须以优秀设计为基础。在工程建设过程中，设计单位应加强现场设计代表工作，选派各专业设计负责人驻工地，及时解决施工中与设计有关的技术问题，在确保工程安全的前提下，根据工程实际情况修改设计、简化施工、保证质量，使设计不断完善、优化。

（3）承包单位是工程施工的第一责任者，是工程质量和进度的基础，在工程建设过程中，要自始至终把狠抓施工质量放在首位，严格施工工艺，控制每道工艺是创建优质工程的重要保障。

（4）依靠科学技术是提高工程技术水平的动力。葛洲坝工程建设过程中，委托国内水利科研院校参与枢纽工程水工、泥沙模型试验，相互验证试验成果，并借鉴国内外已建水利水电工程实践经验及教训，抓住关键性问题，科技协作攻关，发挥整体技术优势，解决了工程设计和施工重大技术难题。

五、三峡工程采取葛洲坝工程救鱼及保护水生生物措施

在长江上修建水利枢纽工程改变了河流的自然属性，同时也改变了水生生物的生活环境，对水生态与环境尤其是鱼类造成直接的影响。国务院和水利部门、水产部门的领导及众多科技人员都十分重视葛洲坝工程救鱼问题。

葛洲坝工程技术委员会第十一次会议报告中指出：“关于葛洲坝工程过鱼问题。早在50年代进行长江流域规划的时候，长办和前水产部一起对长江过鱼问题进行过大量调查研究，提出了统一的规划。葛洲坝工程建设以来，技术委员会曾几次邀请水产部门讨论过鱼问题，对葛洲坝大江部分是否设固定过鱼建筑物一直未能取得一致意见。”并在第十三次会议报告中明确：“葛洲坝枢纽的救鱼问题，技术委员会已作过多次研究。根据国内外经验，鲟科鱼类不能有效地通过鱼道；目前尚未找到鲟鱼安全下游过坝的措施；当修建三峡水库及长江上游梯级开发后，中华鲟鱼上溯金沙江天然产卵和回游入海问题更无办法解决。目前不宜仓促修建过鱼建筑物，可在坝轴线下游适当部位预留位置，扩大各种救鱼措施和设施的研究范围。为保护和开发鲟鱼资源，当前应严禁捕杀，并积极进行人工繁殖科研工作和人工放流试验性生产。”

人工繁殖中华鲟

1982年3月，水利电力部批准组建葛洲坝工程局水产处暨中华鲟人工繁殖放流站（现为中国长江三峡集团中华鲟研究所），该所成立后，于1984年对中华鲟人工繁殖成功，1984～1988年，是中华鲟人工繁殖生产体系形成阶段，先后解决了催产、孵化、培育等技术难题，确定了一套适合中华鲟生理生态特点、便于生产操作的人工繁育技术，1984年至今已向长江投放各种规格的幼鲟超过500万尾。1983～1984年在葛洲坝下宜昌古老背和沙市江段发现中华鲟自然产卵后，每年都能观察到回游到葛洲坝下游产卵的繁殖群体200～500尾，产卵场范围稳定在二江泄水闸至古老背江段。中华鲟研究所坚持20多年的长期养殖和亲鱼培育以及技术攻关，中华鲟全人工繁殖在2009年秋季成功孵化出子二代幼苗，为中华鲟物种保护和资源的持续利用开辟了新途径，填补了国内外空白，达到了世界领先水平。葛洲坝工程对中华鲟的保护实践已成为我国水利水电工程建设项目鱼类资源保护的样本。葛洲坝工程对中华鲟保护30年，建坝后前10年回来的亲鱼仍然是原来上游金沙江出生的，后20年回来的亲鱼才是葛洲坝下产孵场出生的，说明中华鲟的保护和水生态恢复需经过若干年后才能取得效果。

三峡工程论证阶段，长江水利委员会对长江水生生物的影响与保护措施进行专题研究，经过有关单位和部门多年的研究和反复论证，借鉴葛洲坝工程从救鱼的决策到实施保护措施的成功经验，提出对水生动物的保护是通过保护其栖息地和人工繁殖放流措施，保护范围从三峡水库库尾的珍稀和特有鱼类的栖息地至长江口珍稀鱼类幼苗保护区。主要保护对象为中华鲟、白鳍豚、白鲟、胭脂鱼、长江鲟和部分上游特有鱼类，兼顾一些鱼类繁殖场的保护。三峡工程初步设计中规划在长江上游、三峡库区、葛洲坝下游以及长江中、下游有关江段，兴建四个珍稀水生动物自然保护区、一个珍稀水生动物半自然保护区和三个珍稀水生动物人工繁殖放流站，使区、站形成保护网络，在相互联系、相互配合与相互补充中完善，从而具备更大的保护功能。

三峡工程借鉴葛洲坝工程救鱼及保护水生生物的实践经验，在工程建设过程中，继续采取对中华鲟和水生生物保护措施，中华鲟研究所对中华鲟人工增殖，每年放流幼鲟；建立水生生态环境监测系统，长期监测鱼类增殖放流效果。国家相关部门在葛洲坝下游80km江段建立湖北宜昌中华鲟自然保护区，主要保护中华鲟、白鲟、胭脂鱼以及四大家鱼产卵场等；在上海崇明岛江段建立长江口中华鲟自然保护区，主要保护中华鲟幼鱼和白鲟幼鱼；在长江上游宜宾江段及赤水河建珍稀鱼类保护区，主要保护白鲟、长江鲟以及部分长江上游特有鱼类；在长江下游新螺江段建白鳍豚自然保护区，主要保护白鳍豚及其栖息地，同时保护江豚。近年来，长江鱼类资源的衰退除了修建水利枢纽工程外，还有其它社会因素和人类活动的影响，往往是多种原因综合作用的结果，说明只采用一种方法补救其效果不大，需从长江流域整体考虑，保证水生生物尤其是鱼类资源综合保护措施的全面落实，才能达到保护的有效性。