科學技術(shù)在三峽工程建設中的應用

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一、三峽工程獲科技進步獎的基本情況
    三峽工程的科學研究與實踐,涉及泥沙與航運、水文、地質(zhì)、水工、施工、建材、金屬結(jié)構(gòu)、機電設備、生態(tài)環(huán)境等多學科、多專業(yè),是一項跨行業(yè)、跨領域的科技大協(xié)作。
    三峽工程開工11年來,長江水利委員會、中國水利水電科學研究院、長江科學院、南京水利科學研究院、清華大學、武漢大學、河海大學、葛洲壩集團公司等數(shù)十家設計、科研、院校、施工單位的數(shù)千名科技人員,為三峽工程的建設貢獻了智慧和力量。三峽工程開工建設以來,有數(shù)十項科技成果達到國際或國內(nèi)水平,有一大批科技成果獲得了國家及相應省部級科技獎勵。
    (1) 載流及圍堰技術(shù)方面。“三峽工程大江截流試驗研究”1998年獲水利部科技進步一等獎,“長江三峽工程大江截流設計及施工技術(shù)研究與工程實踐”1999年獲國家科技進步一等獎,“三峽深水高土石圍堰關鍵技術(shù)研究”2001年獲湖北省科技進步二等獎。
    (2) 大壩(含電站)技術(shù)方面?!叭龒{工程電站進水口水工模型試驗研究技術(shù)成果和進水口型式論證”1998年獲水利部科技進步二等獎,“鋼襯鋼筋混凝土壓力管道設計與非線性分析”1999年獲水利部科技進步一等獎,“三峽工程散裝水泥、粉煤灰實時調(diào)運指揮系統(tǒng)”2000年獲國家科技進步二等獎,“三峽工程大壩混凝土快速施工新技術(shù)的研究及實踐”2002年獲湖北省科技進步一等獎,“三峽工程塔帶機及供料線施工系統(tǒng)關鍵技術(shù)研究”2002年獲湖北省科技進步一等獎,“混凝土預冷二次風冷骨料技術(shù)研究與應用”2002年獲湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎。
    (3) 船閘高邊坡開挖與支護技術(shù)方面?!皫r質(zhì)高邊坡穩(wěn)定分析方法和軟件系統(tǒng)”1996年獲原電力部科技進步一等獎,“巖質(zhì)高邊坡預應力錨固技術(shù)研究”1997年獲原電力部科技進步二等獎,“三峽工程臨時船閘和升船機之間隔墩巖體力學性狀研究”1999年獲湖北省科技進步二等獎,“三峽永久船閘高邊坡預應力錨固技術(shù)的研究與應用”2002年獲北京市科技進步二等獎,“長江三峽工程永久船閘高邊坡變形與穩(wěn)定反饋分析及預報研究”2002年獲湖北省科技進步二等獎。
    (4) 船閘水力學技術(shù)方面?!按l水力學模型縮尺影響及其校正方法的研究”和“船閘輸水初始流量增率和慣性水頭計算”1996年獲水利部科技進步二等獎,“高水頭多級船閘水力學及結(jié)構(gòu)研究——三峽永久船閘水力學關鍵技術(shù)研究”1997年獲水利部科技進步一等獎,“三峽工程多級船閘水力學關鍵技術(shù)”1998年獲國家科技進步二等獎,“三峽船閘輸水閥門水力學大比尺模型試驗研究”1998年獲交通部科技進步二等獎,1999年獲國家科技進步二等獎,“三峽船閘末級閘首超長泄水廊道及閥門水力學研究”2002年獲交通部航??茖W技術(shù)一等獎,“承船箱運行時升船機提升懸吊系統(tǒng)及箱體內(nèi)水體動態(tài)特性模型試驗研究”1995年獲水利部科技進步二等獎。
    (5) 泥沙技術(shù)方面?!捌矫娑S泥沙數(shù)學模型在三峽工程中初步應用”1993年獲原電力部科技進步一等獎,“三峽庫區(qū)泥沙模型試驗研究”1995年獲水利部科技進步一等獎,“三峽工程壩區(qū)泥沙淤積對通航和發(fā)電的影響及防治措施優(yōu)選研究”1997年獲交通部科技進步二等獎。
    (6) 防洪與調(diào)度方面?!伴L江三峽工程防護問題研究”1993年獲水利部科技進步一等獎,1995年獲國家科技進步二等獎,“水電站群優(yōu)化補償調(diào)節(jié)及三峽水庫綜合利用優(yōu)化調(diào)度”1993年獲原電力部科技進步一等獎,“長江防洪決策支持系統(tǒng)研究”1996年獲水利部科技進步一等獎,“長江防洪系統(tǒng)研究”1997年獲國家科技進步二等獎。
    (7) 環(huán)境、監(jiān)測及其他領域方面?!伴L江三峽鏈子崖危巖體崩滑對航運影響的研究”1993年獲交通部科技進步二等獎,“長江三峽工程施工區(qū)環(huán)境保護實施規(guī)劃”1997年獲水利部科技進步二等獎,“三峽右岸混凝土生產(chǎn)與運輸調(diào)度”1998年獲湖北省科技進步二等獎,“環(huán)氧澆注干式勵磁變壓器研究”獲2002年湖北省科技進步二等獎,“三峽水工建筑物安全監(jiān)測與信息分析研究”2002年獲江蘇省科技進步一等獎。
    此外,還有一些項目是緊密結(jié)合三峽工程的需求開展的基礎或通用科研項目,如“中國數(shù)字地震觀測系統(tǒng)的設計、研制、生產(chǎn)、集成和推廣應用”,由中國地震局分析預報中心等單位完成,獲2002年度國家科技進步一等獎,其成果在三峽工程得到有效應用:“預應力巖土錨固綜合技術(shù)及其應用”,由原冶金工業(yè)部建筑研究總院等單位完成,獲2002年度國家科技進步二等獎,其成果為三峽船閘高邊坡巖石錨固工程提供了技術(shù)支持,并得到全面應用。
    二、三峽工程建設過程中的主要重大技術(shù)突破
    在黨中央、國務院以及國務院三峽工程建設委員會的領導下,在全國人民和各方面大力支持下,三峽工程進展順利,工程進度符合總進度計劃要求,工程質(zhì)量滿足設計要求,工程投資控制在概算范圍之內(nèi)。2003年6月實現(xiàn)了水庫蓄水位135m、船閘通航和7月首批2臺70萬kW機組并網(wǎng)發(fā)電的第二階段建設目標。伴隨工程進展,三峽工程建設在科學技術(shù)方面也取得了一系列創(chuàng)新和重大突破,主要包括:大江截流和混凝土防滲墻施工技術(shù),大壩混凝土快速施工新技術(shù),永久通航建筑物施工技術(shù),電站大型鋼襯鋼筋混凝土壓力管道和蝸殼外圍保溫保壓混凝土澆筑技術(shù),瀝青混凝土心墻施工技術(shù),船閘金屬結(jié)構(gòu)技術(shù),水輪發(fā)電機組技術(shù)等。以下就二期大壩工程、永久通航建筑物方面的科技創(chuàng)新與技術(shù)突破作一簡單介紹。
    (一) 二期大壩工程的科學研究與技術(shù)創(chuàng)新
    圍繞三峽二期大壩工程的建設,中國長江三峽工程開發(fā)總公司組織設計、科研和施工單位圍繞設計、施工和管理等方面進行了廣泛、深入的研究,提交了上百篇研究成果報告,研究成果分別被設計、施工和管理單位采用。主要成果如下:
    (1) 左岸廠房1號~5號壩段壩基穩(wěn)定問題??够€(wěn)定性地質(zhì)專題、深層抗滑穩(wěn)定、二維及三維有限元分析、大壩及廠壩聯(lián)接穩(wěn)定性、加固處理措施等專題研究。
    (2) 泄水深孔及導流底孔布置和水力學問題。進行了三峽大壩底孔體形優(yōu)化及水力學試驗研究;導流底孔壩段結(jié)構(gòu)應力分析;泄洪深孔摻氣減蝕常壓及減壓模型試驗;深孔突擴跌方案減壓模型試驗;泄洪深孔及引水管道孔口配筋方案研究;弧形工作閘門振動試驗研究、深孔弧形閘門止水型式研究;導流底孔施工方案和溫控、防裂措施研究等。
    (3) 水電站鋼襯鋼筋混凝土壓力管道結(jié)構(gòu)形式與設計優(yōu)化。包括結(jié)構(gòu)仿真計算、壩內(nèi)埋管段結(jié)構(gòu)分析與大比尺仿真材料結(jié)構(gòu)模型試驗、大比尺平面和局部整體結(jié)構(gòu)模型試驗研究以及預應力鋼筋混凝土管道結(jié)構(gòu)設計研究、下平段施工措施研究。同時還邀請了俄羅斯專家對鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力管道的設計和施工進行了咨詢,并最終決定選用鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合受力方案。
    (4) 二期大壩混凝土原材料選擇及配合比優(yōu)化研究。中國長江三峽工程開發(fā)總公司于1995年開始組織進行第二階段工程混凝土配合比設計試驗研究工作,主要包括混凝土原材料優(yōu)選試驗、混凝土配合比選擇試驗、混凝土性能試驗以及校核試驗。混凝土原材料優(yōu)選試驗、混凝土配合比選擇試驗及混凝土性能試驗選定中國水利水電科學研究院和長江科學院共同承擔平行試驗,中國長江三峽工程開發(fā)總公司試驗中心做校核試驗,并負責整個配合比設計試驗工作的總體組織與協(xié)調(diào)。經(jīng)過近10個單位歷時3年大量深入細致、全面的試驗研究,優(yōu)選出了三峽工程第二階段混凝土配合比。通過混凝土配合比試驗研究,優(yōu)選出的配合比可取得約3億元的經(jīng)濟效益。
    (5) 大壩混凝土溫度控制研究。進行了大壩縱向分縫、大壩夏季澆筑基礎約束區(qū)混凝土溫度、大壩非約束區(qū)采用3m澆筑層厚、左岸電站廠房1號~5號號機組尾水管封閉塊回填、大壩導流底孔施工方案和溫控、防裂研究。研制了大壩混凝土施工計算機模擬系統(tǒng)和大壩溫控仿真反饋分析系統(tǒng),并進行了成功應用。同時,還開展了施工溫近代防裂實施技術(shù)的研究和應用。
    廣泛而深入的科學研究工作,是第二階段混凝土大壩建設取得若干技術(shù)突破與創(chuàng)新的先決條件。其中,“三峽工程大壩混凝土快速施工新技術(shù)的研究及實踐”創(chuàng)造了水電施工混凝土澆筑強度的世界記錄,創(chuàng)立了一整套混凝土快速施工工藝和質(zhì)量保證體系,采用了二次風冷骨料新技術(shù),混凝土原材料及配合比優(yōu)化達到一流水平和全過程綜合溫控技術(shù)的全面實施。這些方面的科技創(chuàng)新,使該項目獲得了湖北省2002年度科技進步一等獎。
    三峽左岸大壩已于2002年10月全線達到185m高程,2003年6月,水庫蓄水至135m高程。埋設在大壩上的6252支各類監(jiān)測儀器的觀測成果表明,大壩基礎的變形小于1mm,基礎滲流量為0.6L/(min.m),僅為設計量的1/10,大壩的水平位移和應力均在設計允許范圍之內(nèi),完全滿足設計要求。
    (二) 永久通航建筑物的科學研究及解決的主要技術(shù)問題
    自1954年以來,在三峽工程壩址比較、正常蓄水位選擇、分期開發(fā)研究、可行性論證、初步設計等各階段,長江水利委員會(原長江流域規(guī)劃辦公室)等單位對通航建筑物的線路布置、形式選擇、施工通航方案、通航水力學及泥沙問題、水工及金屬結(jié)構(gòu)等方面進行了相應的科學研究。三峽大壩永久通航建筑物確定選用雙線五級連續(xù)船閘和垂直升船機后,各有關單位圍繞雙線五級連續(xù)船閘和垂直升船機的設計和施工等方面的問題進行了大量廣泛、深入的科學研究。這些研究成果在三峽大壩通航建筑物不同建設階段得到了充分的應用,對確保三峽大壩船閘通航起到了重要作用。由于三峽大壩升船機要到2009年以后才投入使用,目前其科研、設計等工作正在緊張進行。下面就三峽大壩雙線五級連續(xù)船閘工程建設中的科學研究工作作一簡單介紹。
    1.船閘總體布置研究來源:考試大網(wǎng)
    對船閘布置形式,先后研究了帶調(diào)節(jié)水池的單級井式船閘,帶中間渠道分散布置的兩個連續(xù)2級船閘和4個單級船閘;帶蓄水池連續(xù)布置的3級船閘,連續(xù)布置的4級和5級船閘等不同方案。最后選用5級連續(xù)布置的船閘總體布置方案。在引航道布置研究方面,進行了布置尺度研究,通航水流條件研究,通航水位、流量和相應的過壩船隊(舶)研究,重點通過長江科學院、清華大學、南京水利科學研究院等多家模型試驗,對引航道通航水流條件進行了試驗分析,同時對引航道泥沙淤積的影響及對策展開試驗研究,提出了引航道的防淤。減淤及清淤措施。在建筑物布置方面,進行了主體建筑物布置、附屬建筑物布置、輸水系統(tǒng)布置、主體建筑物結(jié)構(gòu)的分縫分塊及溫控措施、防滲及排水等方面研究。在設備布置方面,進行了人字門及其啟閉機械、輸水閥門及其啟閉機械、上游事故檢修門及其啟閉機械、下游檢修門、主要工作機構(gòu)的電力拖動和控制、船閘整體運行集中控制監(jiān)控系統(tǒng)和附屬設備等方面的設計研究。
    2.船閘水力學研究
    (1) 船閘總體運行水力學研究,分別在長江科學院和南京水利科學研究院1:30、1:40以及1:100模型上平行進行。
    (2) 輸水系統(tǒng)布置及閥門段廊道體形研究,進行了1:17常壓模型、1:30、1:25及1:10減壓模型試驗。
    (3) 反弧輸水閥門水動力特性及防空蝕措施研究,先后進行門楣1:17局部模型常壓試驗、1:10切片模型試驗、1:1模型切片空化試驗及1:30減壓模型試驗。
    (4) 引航道內(nèi)非恒定特性及通航水流條件研究運用數(shù)學模型對航道內(nèi)流速、流態(tài)和波浪以及船閘航行停泊條件的影響進行了計算分析。運用物理模型研究了上游引航道將隔流堤修建在永久船閘引航道外側(cè)的小包方案、修建在升船機引航道右側(cè)的大包方案、修建在臨時船閘引航道右側(cè)的全包方案和近期30年先按小包線路建長660m的短堤方案等。同時對下游引航道也通過水工模型進行了通航水流條件的試驗研究。
    3.船閘水工建筑物研究
    (1) 在深切開挖巖槽兩側(cè)和巖體中,閘首、閘室、輸水隧洞和閥門豎井在頻繁變化的正、反向水壓力作用下與巖體基礎共同工作的力學機理和需采取的結(jié)構(gòu)措施。
    (2) 作為結(jié)構(gòu)組成部分的巖石基礎,在開挖施工過程中盡可能保持完整性的技術(shù)措施。
    (3) 在巖體深切開挖、結(jié)構(gòu)溫度和水壓力變化等綜合因素作用下,引起的閘首結(jié)構(gòu)變形對人字門正常工作條件的影響和相應的改善措施。
    同時,還開展了船閘混凝土襯砌邊墻的外水荷載及穩(wěn)定性研究、閘室直立邊墻襯砌墻錨固力及其優(yōu)化研究、船閘閘室襯砌墻水平分縫及鋼筋是否過縫對結(jié)構(gòu)錨桿受力條件分析,以及船閘閘室混凝土夏季施工與溫控研究等。
    4.船閘高邊坡研究考試大論壇
    自20世紀50年代以來,結(jié)合船閘線路布置、結(jié)構(gòu)形式的論證比較,曾先后圍繞高邊坡進行了大量的研究工作,并列入國家“七五”、“八五”和“九五”重點科技攻關項目,三峽工程開工后,又結(jié)合現(xiàn)場實際開展了大量的研究工作。在船閘高邊坡領域先后進行的研究工作主要為:①圍繞船閘線路選擇而進行的大量勘測及論證比選;②船閘區(qū)地應力場測試及分析;③高邊坡卸荷巖體力學參數(shù)測試研究;④高邊坡的地質(zhì)力學模型試驗及二、三維數(shù)值模擬分析;⑤高邊坡前期變形預測;⑥高邊坡滲流場分析研究;⑦高邊坡開挖及加固分析研究;⑧高邊坡控制爆破及快速施工技術(shù)研究;⑨高邊坡監(jiān)測及快速反饋系統(tǒng)分析研究等。
    三峽大壩船閘已于2003年6月通航。埋設在船閘的3271支各類監(jiān)測儀器原型監(jiān)測成果表明,船閘高邊坡自1999年4月開挖基本結(jié)束后,巖體變形開始趨于穩(wěn)定。截止到2003年8月,累計變形為:南北坡巖體向閘室中心線方向的位移分別為66.28mm和49.43mm;南北坡直立墻位移分別為40.86mm和32.25mm;中隔墩南、北側(cè)位移分別為20.08mm和32.37mm.上述變形值均在前期科研預測范圍之內(nèi),邊坡變形已趨收斂。船閘投入135m四級工況運行后,閘室充泄水引起墻頂位移變幅在0.5mm以內(nèi),閘墻變形工作性態(tài)正常。
    三峽工程開工10年來取得的若干科技創(chuàng)新和技術(shù)突破,推動了三峽工程的科技進步,體現(xiàn)了“科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力”重要思想,充分發(fā)揮了科學技術(shù)在工程建設過程中的基礎和先導作用。