三峡工程科技创新与综合效益综述

戴会超

（中国长江三峡集团有限公司，北京市 100038）

0 引言

三峡工程是治理开发和保护长江的关键性骨干工程，具有防洪、发电、航运和水资源利用等巨大综合效益，对加快我国现代化建设进程、提高综合国力具有重要意义[1]。早在20世纪初，民主革命先行者孙中山先生就提出了开发长江三峡、改善航运并发展水力发电的设想。新中国成立后，毛泽东、周恩来、邓小平等党和国家领导人对治理长江水害、开发长江水资源极为重视，多次亲临长江和三峡坝址视察。经过40多年的论证、勘探、规划、设计，1992年4月3日，第七届全国人民代表大会第五次会议表决通过了关于兴建长江三峡工程的决议。自1994年三峡枢纽工程全面开工建设以来，江泽民、胡锦涛等党和国家领导人做出了一系列重要指示，成立国务院三峡工程建设委员会，全力推进三峡工程建设。三峡工程建设严格按设计要求安全有序进行，总工期17年，分三期施工。2008年开始正常蓄水位175m试验性蓄水，三峡工程开始全面发挥综合效益。2015年9月，三峡枢纽工程通过整体竣工验收，至今已经历十年175m试验性蓄水检验，充分发挥了防洪、发电、航运和水资源利用等巨大综合效益。

2018年4月24日，习近平总书记在繁忙的国务之中亲临三峡工程视察，高度评价了三峡工程的重大作用和历史意义。总书记指出，三峡工程是国之重器，是靠劳动者辛勤劳动自力更生创造出来的。三峡工程的成功建成和运转，使多少代中国人开发和利用三峡资源的梦想变为现实，成为改革开放以来我国发展的重要标志。这是我国社会主义制度能够集中力量办大事优越性的典范，是中国人民富于智慧和创造性的典范，是中华民族日益走向繁荣昌盛的典范。

1 三峡工程是靠劳动者辛勤劳动自力更生创造出来的，核心技术掌握在自己手中，走出了一条具有中国特色的自主创新之路

三峡工程是世界上最大的水利枢纽工程，在枢纽布置和大坝、巨型水轮发电机组国产化、船闸、升船机、工程运行和生态环境保护、工程管理等方面面临着一系列世界级难题，当时既无成功的经验可供借鉴、又无成熟技术可利用，必须进行大量的自主创新，克难攻坚，才能完成这一伟大工程。三峡工程从构想、勘测、规划、论证、设计到施工，经过了几代科技工作者、数万名科技人员的不懈努力和辛勤工作，取得了一系列重大突破。

1.1 枢纽布置及大坝

（1）成功解决了特大型枢纽建筑物的布置难题。三峡枢纽是由大坝、电站厂房和通航建筑物等组成的特大型水利枢纽工程，针对坝址流量大、受地形地质条件和弯曲河道等限制，通过一系列试验研究，综合考虑坝址自然条件和有利于泄洪、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，创新提出了河床中部布置泄洪坝段、两侧布置厂房坝段、两岸山体布置通航建筑物和地下电站，在主要建筑物之间布设排沙和排漂设施的布置方案，成功解决了三峡水利枢纽泄洪流量大、机组台数多、运行条件复杂的布置难题，实现了分期施工、两次导流截流、提前发挥通航发电效益的要求[2]。

（2）成功解决了高水头超大泄量泄洪消能技术的难题。三峡枢纽泄洪量大、水头高、水位变幅大，为满足导流截流、放空、泄洪、排沙、排漂等多目标的运行要求，创新提出了泄洪坝段布置三层泄洪孔，采用“平面相间、高低重叠”型式，解决了主河槽段坝体集中布置多种大孔口的难题。提出泄洪深孔采用有压短管、跌坎掺气和导流底孔采用有压长管、跨缝布置的方案，研究确定适应大水位变幅的深孔跌坎体型和底孔采用不同的进口高程、鼻坎高程及挑角的优化组合方式，采用钢筋混凝土非线性配筋设计方法和横缝止水后移、横缝灌浆等工程措施，解决了泄洪坝段深孔与底孔水头高、运行时间长、空化空蚀、单独及联合泄洪消能防冲以及坝体集中开孔的结构设计难题[3]。

（3）成功解决了坝基高连通率结构面的抗滑稳定难题。大坝左岸厂房1～5号坝段和右岸厂房24～26号坝段位于临江岸坡上，坝基存在倾向下游缓倾角结构面，最大裂隙连通率达到83.2%，构成了岸坡厂房坝段沿缓倾角结构面的深层滑动稳定问题。通过采用特殊的勘察技术，查明了长大缓倾角结构面的空间位置、产状、分布范围和组合方式，建立了确定性地质概化模型，运用“改进等K法”、有限元法和地质力学模型试验进行综合研究，综合判定基础的抗滑稳定性。创新提出“坝踵设齿槽、帷幕前移、基础深层排水和厂坝联合受力、预应力锚索加固”等综合措施，成功解决了岸坡坝段的深层抗滑稳定难题[4]。

（4）研究提出以耐久性为主导的高性能混凝土配合比设计新理念。首次提出了“低用水量、低坍落度、高粉煤灰掺量并降低水胶比”大坝混凝土设计理念，形成了“高内含氧化镁中热水泥加Ⅰ级粉煤灰，联掺高效减水剂和引气剂”大坝混凝土配制新技术，破解了花岗岩人工骨料混凝土用水量高的技术难题，研制出具有高耐久、高抗裂、施工性能优良的高性能混凝土。首次提出的“限制原材料碱含量和混凝土总碱量”抑制大坝混凝土碱-骨料反应综合技术措施纳入到行业标准。

（5）建立了大坝混凝土优质快速浇筑方案及温度控制防裂新技术。三峡工程混凝土工程量巨大，总混凝土量达2800万m3，其中大坝混凝土1600万m3。为满足混凝土特高施工强度，三峡工程采用以架空的皮带输送机加塔式皮带机入仓连续浇筑为主的方案，再辅以成套的混凝土生产设备、吊运等专用设备，形成了一个崭新的大规模混凝土施工系统，首次实现塔带机、门塔机、缆机三类浇筑机械联合作业，创造了年浇筑混凝土548万m3的世界纪录。三峡工程采用了个性化和精细化的温控措施，提出了大仓面、厚层浇筑施工技术，研究应用混凝土骨料预冷新技术、软冷却水管铺设、分期通水和个性化通水、新型保温材料适时跟进温控等整套技术，确保了混凝土浇筑质量，显著提升了施工效率，攻克了三峡大坝孔洞多、结构复杂、坝块尺寸大、混凝土温度控制严格、防裂难度大等一系列技术难题[5-7]。

1.2 巨型水轮发电机组国产化

（1）突破了巨型水电机组研制的核心技术，攻克了三峡巨型水电机组研发、设计和制造难题，实现了巨型水电机组的自主化。在三峡工程之前，中国自主研制的最大水电机组仅为320MW，没有700MW水电机组，而三峡机组比世界上已有的700MW机组的运行条件更加复杂，是国际公认的设计、制造技术难度最大的机组。总体设计上在世界上首次提出了三峡水电机组的设计准则和技术规范，通过优化比选，确定水电机组总体方案、设计参数、工程尺寸等，解决了水轮机运行稳定性以及高水头区要效率、低水头区要出力的技术难题，发电机电磁、冷却、推力轴承技术难题，仅用7年的时间，我国就实现了水电重大装备研制核心技术30年的跨越。

（2）突破了巨型水轮机传统设计理念，在世界上首创了“将水轮机运行稳定性放在首位”的设计准则。三峡电站水轮机的运行水头61～113m，水头变幅远远超出业界统计的经验范围，水轮机更易发生有害振动。当时全球大型水电机组多数受到强烈振动、转轮裂纹等运行故障的困扰。为此，突破了以效率和出力等能量指标为主导的传统设计理念，首次提出了“将水轮机运行稳定性放在首位”的设计准则以及巨型水电机组运行稳定性控制指标；创新性地开展了提高水轮机设计水头、改善水轮机高水头运行稳定性的研究，取得重大研究成果和重大设计技术突破。32台机组中最早投产的已运行15年，并经历了各种水头考验，水轮机运行安全、稳定、可靠[8]。

（3）首创了蒸发冷却技术的巨型水轮发电机；攻克了巨型机组电磁振动的世界技术难题。在世界上首次自主研制了700MW“蒸发冷却”水轮发电机，其定子绕组温升低且温度分布均匀，优于电力行业相关标准，是巨型水轮发电机冷却技术领域的重大突破，技术内涵原创，为世界首创全新冷却概念的巨型机组，具有完全自主知识产权。首创了发电机振动源定量分析方法，利用电磁振动激振源特性计算方法，攻克了巨型水轮发电机电磁振动世界性技术难题，成功解决了三峡左岸部分进口发电机、三峡右岸部分发电机的电磁振动问题，将100Hz电磁振动幅值削弱了87%，从根源上消除了有害高频电磁振动和噪声。成果推广至向家坝、溪洛渡等机组，运行情况表明定子铁心水平通频振动优良。

（4）首创了国内外大型水轮发电机组安装技术和标准，创新了机组启动调试和在线监测技术。创新了主要部件的安装和吊装技术，缩短了安装周期，创新了机组启动调试和在线监测技术。创造了单个电站年投产5000MW装机容量的世界纪录。制订了《三峡水轮发电机组安装标准》和《三峡“精品机组”评价标准》，填补了700MW水轮发电机组安装标准的空白，其关键性指标均高于国内外同行业标准。按照压力脉动、振动、摆度综合判定原则，在世界上首创了机组运行区域的划分标准，确保了机组安全、高效、稳定运行[9]。

1.3 永久船闸

（1）深切高陡边坡的稳定、变形控制与大型衬砌结构研究。船闸高边坡集高、陡、长于一体，不仅规模大、形态复杂，岩石开挖后存在深切开挖卸荷变形的问题，船舶过闸对边坡稳定的要求高，如此复杂的船闸高边坡问题，在国内外尚无先例。不仅要保持高边坡岩体在施工期和运行期的稳定，要求岩体作为船闸结构的一个组成部分与衬砌结构协同工作，还要考虑边坡岩体变形对船闸设备正常运行，特别是对人字闸门正常运行的影响。通过应用大量高新技术进行地质勘测和多种现场科研试验，用不同模型进行计算分析，采用开挖、加固、防渗、排水等综合技术，可靠地解决了高边坡的稳定与变形问题。在此基础上，通过合理采用岩槽的开挖形式（保留两线船闸间岩体隔墩）和船闸的结构型式，大量节省了工程量、投资，保证了船闸的建设工期，形成了一整套大规模岩石开挖及高陡人工边坡稳定性预测和控制的岩石工程方法技术，它在建设完工后整体综合质量评价表明工程质量优良，长期安全性能可靠，是一项成功的世界级的岩石工程。在工程兴建过程中形成了一整套岩石高陡边坡工程的安全和质量的技术保障体系，包括工程超前预报、多种模型综合分析和变形预测、先进高效的监测系统、大型岩石开挖成型技术和岩体稳固的综合锚固排水技术以及新型安全和质量管理模式和监控评价体系等。

（2）高难度的船闸施工技术。三峡船闸施工工程量大、工期紧、技术难度高。175m深切岩坡开挖，其下部直立开挖部分需作为船闸结构的组成部分，要求保持岩坡的强度和完整性，高薄衬砌墙混凝土浇筑、高大闸阀门设备的安装等施工难度均非一般船闸施工可比。针对复杂地质条件下高达68.5m直立岩坡的开挖、300t级长达60m的水平锚索施工，对施工工序、直立坡成型、爆破控制，锚固的设备和器材，提出了成套工艺和技术要求，并分别提出了多种控制岩体质量的新技术和水平锚固工程的高精度施工工艺及技术标准。混凝土浇筑首创采用了已获国家专利的先进立模施工新技术。针对金属结构和设备安装提出了大型人字门、阀门、设备安装的专用标准和安装工艺等，保证了船闸施工的质量和工期[10]。

（3）船闸完建施工。三峡双线五级船闸为了适应三峡工程围堰发电期、初期和后期不同运行水位的需要，在设计上采用了第一、二级船闸底槛及相应闸门和启闭设备分两次建设的方案。船闸第一次建设只能适应水库水位在135.0～156.0m之间运行，为适应最终设计规模水库水位在145.0～175.0m之间运行，在2006年9月进行船闸完建工程施工。一、二闸首及闸室底板抬高8m，拆除并重新定位安装顶底枢、承压条，浇筑闸首及底板混凝土。为满足施工，需将重850t的人字门抬升悬空约80天，研究提出液压顶升、计算机控制钢丝绳悬吊、辅助支撑整体框架方案。研究解决了老混凝土约束区浇筑方法和工艺，选用低热水泥、取消宽槽等措施，成功解决了船闸完建施工过程中的一系列重大技术问题确保工程安全和质量、进度，为大型船闸设计、建设技术创造了和积累了丰富的经验，具有极强的推广应用价值。

1.4 垂直升船机

三峡升船机是三峡水利枢纽工程永久通航设施之一，其主要功能是为客、货轮提供快速过坝通道，并与双线五级船闸联合运行，提高枢纽的航运通过能力，保障枢纽通航质量。三峡升船机设计通航船舶为3000t，提升高度113m，提升重量15500t，上/下游通航水位变幅为30m/11.8m，是目前世界上过船规模、提升高度、提升重量、通航水位变幅最大，技术最复杂的升船机。三峡升船机历经50余年的方案比选和设计分析论证，最终采用了在承船厢水漏空、地震等极端事故工况下，也不发生承船厢坠落事故的“齿轮齿条爬升、长螺母柱—短螺杆安全保障机构、全平衡一级垂直升船机”的技术方案。通过引进消化吸收再创新，不断提升设计水平、制造技术、施工工艺和管理方法，在升船机建设过程中，攻克了齿条螺母柱等关键设备研制、大型超高钢筋混凝土塔柱结构施工、齿条螺母柱和船厢及其设备安装，以及升船机自动控制系统集成与调试等一系列技术难题，创造了168m高钢筋混凝土塔柱结构施工无裂缝、125m齿条螺母柱安装垂直度小于3mm、承船厢全行程全天候运行无卡阻、4个驱动点高程同步偏差小于2mm的建设奇迹。三峡升船机的建设，推动了我国重型机械制造业在冶炼、铸造、热处理、机加工、检测等技术领域的发展与创新，形成了设计、制造、施工、安装调试等一系列工艺、工法和技术标准，填补了我国巨型齿轮齿条爬式垂直升船机建造技术标准空白。三峡升船机的建设，标志着我国已掌握超大型升船机建设技术，齿条螺母柱、承船厢及其设备等大型部件制造达到国际领先水平，实现了从中国制造到中国创造的飞跃。

1.5 工程运行和生态环境保护

（1）建立了规模最大和功能最全的水情测报系统，实现了水库智慧运行。建设了国内水电企业规模最大、功能最齐全的流域水雨情遥测系统，自建或共建共享的遥测、报汛站1401个，控制长江上游流域面积约58万km2，实现了对流域内水雨情和水库信息的快速收集、存储和处理[11]；建立了一套完备的气象水文预报系统，流域水文气象预报预见期达7天，24h流量预报精度平均超过98%，在国内同行业处于领先水平；建设了以光纤传输网通信为主和卫星通信为辅的信息高速公路，研发了新一代智能水调自动化系统和巨型机组电站群远方“调控一体化”自动控制系统，梯级电站水能利用提高率平均超过4%。

（2）成功突破了三峡水库防洪、发电、航运和水资源利用等多目标优化运行关键技术难题。三峡工程建成运行后，外部运行条件发生了较大变化，研究并不断实践了中小洪水拦蓄、汛末提前蓄水等优化运行措施，与初步设计运行方式相比，综合效益得到极大拓展和提升。研究解决制约工程运行中的关键问题，使得三峡工程提前一年实现156m水位蓄水，提前5年开始175m水位蓄水；创新提出了55000m3/s以下中小洪水的拦蓄方式，拓展了三峡工程的防洪效益；提高了洪水资源利用率，同时提高了调度的灵活性；提出了三峡水库由汛后提前至汛末的蓄水方式，大幅提高了水库蓄满率，为枯水期供水提高了保障。通过一系列优化运行措施的研究应用，取得了巨大的经济、社会和生态效益[12]。

（3）建立了三峡工程生态与环境监测系统。为长期、系统地观察三峡工程对生态与环境的影响，并为三峡库区及长江流域的生态与环境建设提供科学依据，建立了跨地区、跨部门、多学科、多层次的三峡工程生态与环境监测系统。该监测网包括气象、大气、噪声、水质、水文泥沙、水生生物、地震、库岸稳定、人群健康调查、土地资源、陆生动植物及物种资源、水土流失、河口生态以及遥感监测等内容，通过对重要的生态环境因子进行定期和不定期监测，取得了大量数据与成果，为应对工程带来的不利影响并及时采取相应措施、充分发挥工程的有利影响和综合效益提供了参考。

（4）实现了长江流域珍稀动植物保护技术突破。通过建立保护区、保护点、种质资源保存、野外迁地保护、人工繁殖放流、开展专项监测和研究等措施分别对陆生珍稀植物和中华鲟等珍稀鱼类进行保护。珍稀植物疏花水柏枝和荷叶铁线蕨是特有种类，通过迁地保护、设施保存、引种回归大自然等多种措施对两个物种进行抢救性保护，确保三峡工程蓄水后两种植物的长期安全生存与繁衍。2009年子二代中华鲟繁殖成功，标志着不依赖野生亲鱼有可能把中华鲟这一物种长期保存，实现子二代中华鲟全人工繁殖的技术突破。

1.6 水电工程建设管理模式及信息化管理

（1）创新了大型水电工程管理和多元化融资模式。三峡工程规模空前、技术复杂、施工难度大，在国家层面成立了国务院三峡工程建设委员会；在企业层面成立了长江三峡开发总公司；按照市场化原则组织建设和经营，率先全面推行业主负责制、合同管理制、招标投标制、项目监理制的项目管理模式。三峡工程首次实行了资本金制，三峡基金成为工程投资的主要来源，并充分运用市场机制，积极利用资本市场，开辟企业债券、银行贷款、出口信贷、发电资产上市融资等多元融资模式。采用“静态控制、动态管理”的投资管理模式，使工程投资得到有效控制。创新提出了“风险共担、利益共享”的电价形成机制，保障了工程的投资回报。根据国家审计报告，三峡主体工程竣工财务决算与1994年上报国务院总体融资方案中测算的动态总投资减少了311亿元。

（2）实施建设世界一流工程和首创“双零”管理理念。党中央、国务院对三峡工程建设提出了明确要求：“三峡工程必须建成为当今世界功能一流、技术一流、质量一流、管理一流的工程”，“千年大计、国运所系”。建立和健全了三峡工程质量保证体系，实施全过程、全方位的监督检查。在大型水电工程建设中首次提出并推行了“以零质量缺陷实现零质量事故”和“以零安全违章保证零安全事故”双零管理目标。制定了指标高于现行国家和行业标准的三峡标准，有力地促进了三峡工程建成世界一流水平。

（3）研发了国际领先水平的三峡工程管理系统（TGPMS）。TGPMS系统是一个面向三峡工程建设和管理全过程的具有辅助决策和预测功能的综合信息服务系统，它包含成本管理、计划与进度管理等13个功能子系统。是一个为设计、承包商、监理、业主共同完成项目目标而搭建的集成的协同工作平台，形成从项目实施层、管理层到决策层以及各层级对外联系的信息体系，实现对三峡工程全过程、全方位的信息控制与管理。TGPMS是中国水电界、中国工程界首次建设开发的大型集成化管理信息系统，通过融合国际先进管理理念、方法、模型并结合三峡工程建设的实际情况开发而形成，是一套既蕴涵国际先进管理理念又符合中国国情的工程管理系统。

2 三峡工程是国之重器，具有防洪、发电、航运和水资源利用等巨大综合效益，支撑和服务长江经济带高质量发展

三峡工程是世界上最大的综合性水利枢纽工程，具有防洪、发电、航运和水资源利用等巨大综合效益。三峡工程的成功建设，全面提升了我国水电产业的规划、设计、施工、设备制造和运行管理水平，培养了一大批优秀的工程科技人才，增强了自主创新能力，使我国水利水电建设整体科技实力达到了国际领先水平。三峡工程运行后，保障了长江流域的防洪安全、航运安全、供水安全以及能源安全，促进了华中、华东、西南地区乃至全国的经济社会发展，取得了显著的经济效益和社会效益。

2.1 防洪

三峡工程是长江防洪体系中的关键性控制工程，三峡工程建成后从根本上改变了长江中下游地区的防洪形势。经过三峡水库调蓄，荆江河段防洪标准由10年一遇提高到100年一遇、1000年一遇或类似1870年特大洪水时，可控制枝城流量不大于80000m3/s，在分蓄洪区的配合运用下保证荆江河段行洪安全，避免南北两岸干堤溃决发生毁灭性灾害。自2003年以来，三峡水库历年累计拦蓄洪水1507亿m3，干流堤防未发生一起重大险情。其中2010年和2012年两次成功应对最大入库洪峰70000m3/s以上的特大洪水，充分发挥了三峡水库的防洪作用，最大削峰40%，使荆江河段控制在警戒水位以下，避免了城陵矶地区分洪，保障了中下游地区的防洪安全。若重现1998年洪水，三峡工程防洪运用后，可减少淹没耕地350万亩，减少受灾人口60万人，减少经济损失787亿元，防洪减灾效益显著。

2.2 发电

三峡电站是世界上总装机容量最大的水电站，总装机容量2250万kW，多年平均发电量882亿kW·h，其中2018年发电量达到1016亿kW·h，创国内单座电站年发电量新纪录。三峡电站地处全国腹地，极大地促进了全国电力联网和西电东送、南北互供输电格局的形成；具有快速启停机、迅速自动调整负荷的良好调节性能，积极参与电网系统调峰运行，为电力系统的安全稳定运行提供了保障；优化了我国能源结构，缓解了华东、华中和广东等地区电力供需矛盾，为国民经济快速发展提供了动力。三峡电站历年累计发电1.19万亿kW·h，发电总收入达2638亿元，已超过三峡枢纽工程总投资。

2.3 航运

三峡工程建成后，彻底改善了库区和长江中游宜昌至武汉的航道条件，航道单向通过能力由1000万t提高到5000万t，万吨级船队可从上海直达重庆。促进了船舶标准化和大型化、提高了船舶运输的安全性、降低了船舶运输成本和油耗。三峡工程蓄水以来，长江货运量快速增长，三峡船闸连续15年保持了“安全、高效、畅通”运行，历年累计过闸货运量12.6亿t，年最大货运量1.4亿t，是三峡工程蓄水前该河段最大年货运量的7倍多，使长江成为名副其实的“黄金水道”。

2.4 水资源高效利用

三峡水库蓄水至175m后，对应库容393亿m3，已成为我国重要的战略性淡水资源库，截至2018年累计为下游补水2400多亿m3。其中，2011年为应对长江中下游100年一遇的严重旱情，三峡水库为中下游抗旱补水54.7亿m3；2014年为应对长江口咸潮入侵，三峡水库应急补水17.3亿m3。通过三峡水库调度运用，提高了水资源综合利用水平，保障了长江中下游供水安全。

2.5 生态与环境保护

峡工程可有效减免洪水灾害对长江中下游生态与环境的严重破坏，避免洪水带来的瘟疫、传染病的传播和蔓延；经过三峡水库调控后，枯水期最小下泄流量由3500m3/s提高到6000m3/s以上，改善了中下游水生态环境，减少长江口咸潮入侵上溯长度和入侵时间；三峡电站累计产生的绿色电能，相当于节约3.9亿t标准煤，减少排放10.4亿tCO2、1100万tSO2以及大量废水和废渣，为国家构建清洁低碳、安全高效的能源体系，为建设美丽长江、美丽中国做出了新的贡献。

3 结束语

三峡工程是国之重器，是中国人自己设计和施工建成的，核心技术掌握在自己手里。三峡建设者按照“功在当代、利及千秋”“千年大计、国运所系”责任和使命，依靠自力更生建成了世界上最大的水利枢纽工程，培育了“科学民主、求实创新、团结协作、勇于担当、追求卓越”的三峡精神，创造了112项世界之最，拥有934项发明专利，编制了135项《三峡工程质量标准》，取得了一系列重大技术突破。

三峡工程科技成果为一系列重大问题的决策奠定了科学的基础，为优化设计、改进施工工艺、保证和缩短工期、保证施工质量、节省工程投资、促进先进技术的应用以及提高工程管理水平都起到了重要作用。研究成果已推广应用于向家坝、溪洛渡、乌东德、白鹤滩、巴基斯坦卡洛特、几内亚凯乐塔等大型水利水电工程中。