高峡出平湖
――水利水电系为三峡工程做贡献
清华大学水电系助理研究员 李爱兰
清华大学水电系研究员 翟大潜
三峡工程是举世无双的特大型水利工程。它控制了长江上游100万平方公里的流域面积，具有防洪、发电、航运和供水等巨大的综合效益，是一项规模大、作用大、影响广的特大型水利工程。
三峡工程这一宏伟大计，起自孙中山先生。解放后1949年及1954年两次长江大洪水，使党中央和中央人民政府决心进行长江综合治理。1970年党中央和国务院决定兴建葛洲坝水利枢纽，就是三峡工程的实践演习。1984年国务院曾原则批准了三峡工程蓄水位150米方案的可行性报告。此后各方面提出了许多意见，为了“更加细致、精确和稳妥”，中央和国务院要求原水利电力部“重新提出三峡工程可行性报告”。这一次的论证工作自1986年开始，由全国各行各业的第一流水平的21位特邀顾问和412位专家为首的几千名专业人员进行了多年的工作，得出了比较一致的意见。经199 2年 4月 全国人民代表大会 七届五 次会议讨论通过，长江三峡工程于1994年12 月正式动工兴建。
水利水电工程系长期以来坚持面向主战场，为国民经济建设服务，走产学研结合的道路，积极参加三峡工程建设。该系从1958年参加三峡工程坝址选择、枢纽布置等科研项目开始，至今已为三峡工程提供技术服务和技术咨询、参加“六五”至“九五”科研攻关近百项。这些研究成果通过了验收并被设计部门采纳，为三峡的建设做出了积极贡献。
一、积极参与，为三峡工程准备四十年
三峡工程，举世瞩目，更牵动着清华水利水电系师生的心。从1958年开始，水利水电系师生就与三峡工程结下了不解之缘。
在1958年1月党中央南宁会议上，毛主席听取了关于三峡问题汇报后，提出了“积极准备，充分可靠”的方针，并委托周总理亲自抓长江流域规划和三峡工程。同年3月，党中央成都会议通过了《中共中央关于三峡水利枢纽和长江流域规划的意见》后，清华水利水电系就积极行动，组织了有300多名师生参加的“科学营”，从坝址选择、枢纽布置、新坝型的研究以及坝体应力、泄洪、消能等各个方面展开了对三峡工程的科学研究。
三峡工程是个巨大工程，在进行新坝型的研究时，需要做大量的实验和计算工作。当时没有现代化实验设备，师生们就自己动手造，国内最早的离心机就是水利水电系的师生们自己造出来的。坝体应力计算工作是巨大而繁重的，没有电子计算机，就靠全校大协作。力学系数学教研组及土建系等单位都参加了当时的研究和设计工作。当时坝体应力设计是在一个大房间内，由几十名师生用40台手摇计算机组成一条龙的计算系统进行，经过几十个日日夜夜的奋战，终于完成了坝体应力计算任务。
党中央、国务院历来十分重视三峡大坝战时防空问题，水利水电系师生也积极参加了这项研究工作。他们不仅在室内进行研究和实验，还在野外实验场进行仿原子弹的爆破破坏实验，在圆明园遗址的荒地上，在新丰江水库下游的池子旁，在部队的抗爆实验场，到处都留下了水利水电系师生的足迹。
水利水电系师生的积极工作得到了周总理的亲切关怀和支持，并受到有关方面的重视。敬爱的周总理在陪同金日成、苏加诺等外国元首到清华大学访问时，特地参观了三峡工程整体模型和新坝型的剖面实验成果，详细询问情况并作了重要指示。《人民日报》也及时报道了清华水电系师生积极开展三峡工程研究的成果。
二、承接论证攻关工程项目近百项
三峡这样巨大的工程，需要攻关的科研项目很多，水利水电系师生面向经济建设主战场，抱着“为国解忧”、“为三峡工程建设做贡献”的决心，全系上百名研究生、本科生积极参加了三峡工程的科研工作，承担近百项任务，其中重大项目有3项，师生在各项工程中发挥了重大的作用。
1983年长江流域规划办公室完成了蓄水位150米方案的三峡工程可行性研究报告，同年委托清华水利水电系做“三峡水库回水变动区兰竹坝河段的泥沙淤积实验”。水利水电系经过一年多的努力，论证了150米方案的泥沙淤积和库区河道演变规划及其对航运的影响，该成果获教委科技进步二等奖。
1984年，重庆市政府、水利水电系黄文熙教授等提出可提高正常蓄水位的意见，党中央、国务院对此非常重视，决定重新论证，并把提高蓄水位方案的论证列为“七五”重点攻关项目。水电系共有10名教授被聘为论证专家组、攻关组的专家或顾问，他们前后20多次赴三峡工地考察论证，在整个决策过程中发挥了积极的作用。两院院士、水力枢纽专家论证组顾问、水利水电系张光斗教授亲自到三峡实地考查移民、经济等问题并发表了重要意见。90高龄的水文专家论证组顾问施嘉炀教授还亲自收集资料、计算，并就工程规模、人防等问题发表意见，促进了论证工作的深化。
在这些大规模的论证中，三峡枢纽的泥沙问题是论证中关键问题之一。水利水电系承担了三峡水利枢纽回水变动区重庆河段泥沙问题的实验研究。该河段是回水变动区最重要的河段。实验历时5年，根据实验结果，否定了以前提出的180米方案。接着，水利水电系又做了175米方案的实验，证明修建三峡枢纽175米方案可以改善航道，万吨级船队可以直达重庆港，并对仍然存在的港区码头附近边滩淤积和嘉陵江河口枯水季节栏门沙等问题提出了采用降低汛前水位，推迟汛后蓄水及采用河道整治工程等解决方案，同时还提出了提高汛前蓄水位以改善枯水期通航条件的“汛前消落限制水位运用”方案。这些实验成果和建议都被设计单位所采纳。该项目的研究获得1989年两委一部的表彰和1991年“七·五”攻关项目重大成果奖，并于1993年获国家教委科技进步一等奖。
三峡工程具有防洪、发电、通航、供水和促进社会发展等巨大的经济和社会效益，是治理和开发长江综合措施中的一项关键性措施。为了确定通航建筑物的合理布置方案，选择正确的运用方式，需要深入地了解三峡工程坝区泥沙冲淤的规律及对通航水流条件的影响，为此确定了“八五”期间进行的专题研究。水利水电系承担了“三峡工程坝区泥沙淤积对通航和发电影响及防治措施优选研究”攻关项目。这是三峡工程设计的重大技术问题之一。历经3年系列的试验与比较，在三峡坝区泥沙淤积如何影响通航与发电方面获得了大量的宝贵资料。本项研究工作推动了三峡工程技术设计的进展，为通航建筑物总体方案合理布置的选择作出了重要贡献，具有重大的社会与经济效益。国家科委工业技术司、长委设计院、国务院三峡建设委员会办公室泥沙专家组都对研究试验成果给予很高的评价。该项设计在国内外尚属首创，专题研究成果在总体上达到了国际先进水平，部分成果达到国际领先水平，获得国家教委科技进步二等奖。
除上述攻关项目外，水利水电系师生还参加了“九五”攻关、横向科技协作等重大项目。在学校领导的直接关心和支持下，由校科技处组织水利水电系、力学系、自动化系和精仪系参加的三峡工程大坝与电站厂房二期安全监测也于1997年12月4日中标，由我校、水科院与青云公司组成联合体共同承担该项任务，工期历时6年，总经费1235万元。
据不完全统计，仅从83年至今，水利水电系已承担了近百项三峡工程科研项目和科技咨询。如左坝坝段深层抗滑稳定研究、船闸高边坡稳定研究、水电站进水口水力学试验研究、水电站厂房结构分析等。所承担的项目绝大多数都已完成，为解决三峡工程技术难题提供了重要的依据。1997年底，长江三峡开发总公司邀请许多国内权威专家来校对上述部分已完成的科研工作进行验收鉴定。专家一致高度评价了水电系的研究成果，认为许多成果都是高水平的，对工程实践极有价值，并被设计部门采纳。
三、水利水电系专家教授参加三峡工程全过程
三峡工程从初期准备、可行性研究，初步设计、再论证、技施设计至专题研究施工建设各个阶段，以张光斗教授为首的十几位水利水电系的专家教授始终站在第一线，为三峡建设做出了突出的贡献。
1、背景及初期的工作
解放之后，长江水利委员会等单位很早就开展了勘测，规划，工作。张光斗教授也一直参与顾问咨询工作。
70年代毛主席批准建造葛洲坝工程，作为三峡工程的实战准备。
葛洲坝工程地基为软弱的砂岩、泥岩，抗冲能力差，原设计泄洪道单宽流量很大，张光斗教授认为不安全，建议部分挖掉葛洲坝，增大泄流前缘，降低单宽流量，减少大江截流时水头差。同时为了消能要做非常大的护坦消力池，但护坦要稳定，按常规要10多米厚，工程量很大，张先生建议护坦下面也做抽排。经反覆研究讨论，这两项重要建议均被采纳，工程得以顺利完工，至今已安全运行20多年。葛洲坝工程中因采用这些先进的经验获国家科技进步特等奖。
2、可行性研究、初步设计、再论证阶段
1983年长江水利委员会完成了三峡工程可行性研究，国务院组织了全国几百名专家教授进行审查，清华大学水利水电系被邀参与的有张光斗院士、黄文熙院士、张仁、谷兆祺、张楚汉等10余名教师。
审查会上主要讨论坝高、坝址、坝型等主要参数，原提方案正常挡水位海拔高程为150.0米，会上讨论十分热烈，黄文熙院士提出不同的意见，认为挡水位150.0米太低，不能充分发挥资源优势，浪费了这样一个优秀的坝址。经过多方论证，不少专家也认为应重新研究坝高。此外，有关航运、泥沙、施工、投资等问题也需深入研究，国务院乃决定继续论证。水利水电系张光斗、张仁、谷兆祺等许多教授均参与了会后的论证工作。1993年完成论证，提出正常挡水位为175.0米的新方案及初步设计。
1993年，国务院再次组织全国近200名专家教授进行审查，清华大学水利水电系被邀与会的有张光斗院士、张仁、谷兆祺教授等人。会上除继续讨论了各主要参数外，还进一步讨论了枢纽布置、建筑物型式、泥沙问题、施工导流方案、船闸结构布置等重大问题。
在施工导流方案上，原设计建议第三期用梳齿法完建，难度很大，安全性差，工期较长。张光斗先生建议改用布置底孔及深孔，用孔口导流，并提出在泄流坝段中布置23个大型底孔，22个大型深孔的具体方法，被会议及设计单位采纳。
3、技术设计及专题研究阶段
1994年长江三峡工程正式开工，为了保证设计质量，三峡建设委员会、三峡开发总公司技术委员会组织了技术设计审查组，聘请全国有关专家教授约100人为专家，清华大学水利水电系张光斗、潘家铮二位院士为专家组顾问及技委会负责人。审查组共分大坝、电厂、船闸等8个小组。100多位专家中，大多数来自全国各大设计院、科研院、工程局及部委。15人来自全国各高等水利院校，清华水利水电系有8人参加，除张、潘两院士外，还有张仁、谷兆祺、府仁寿、王清友、周景星、王树人等6名教授。
在几年之内各小组频繁开会审查设计。清华大学水利水电系许多老师在此期间也承担了40~50项有关长江三峡工程的科研项目。清华大学建筑学院及土木系也分别承担了几个项目。
大坝组谷兆祺教授等对大坝左岸1~5号坝段深层抗滑稳定问题提出异议。这几个坝段等于建在一个高70米左右的陡坡顶上，坡下为开挖得很深的电站厂房，陡坡中有许多缓倾角节理及陡倾角小断裂，经详细的钻孔勘探，证明有上百条之多，形成密集的网络，严重影响大坝稳定安全。张光斗院士也指出这是一个严重问题，现代科技在这方面还缺乏任何经验，必须慎重对待。
在讨论中谷兆祺提出采用厂坝结合，用厂房帮忙顶推，厂房下实行抽排，以增加有效重量的办法，大家集思广益，想了许多办法，形成降低上游坝基，加强上游帷幕及排水，增加大吨位锚索、锚杆、作化学灌浆等加固措施。
谷兆祺、彭守拙教授和他们的研究生们先后作了几年研究，用二维、三维非线性弹塑性有限元分析各种加固方式的效果，并且研究厂坝之间相互作用力的关系，以及巨型厂房受坝体巨大推力作用后应力变形性状。他们首先对复杂的节理断层构造网络实行概化，搜寻各种可能的危险滑移面，然后用多块段刚体极限等K平衡法，非线性有限元降参滑移面屈服发展状况及非线性有限元降参典型点变位发展状况和变形率发展状况，寻求大坝抗滑稳定安全系数的范畴。这些方法所求得的安全系数相当一致，证明厂房若不帮忙，大坝抗滑安全系数太低，不满足要求；厂房顶推，并适当加固，大坝抗滑安全系数可达3.0，满足常规情况下的要求；厂房共同作用，加上特殊的加固措施，大坝抗滑稳定安全系数可达5~6.0，基本满足这种特殊状况下的要求。而且厂房有足够的强度与刚度可承受坝段传来的巨大推力，水轮发电机竖轴铅垂度可在规定范围之内。裴觉民教授用DDA非连续块体分析对这一问题也作了多次研究，也认为必须进行加固。
大坝组还委托清华大学水利水电系研究大坝孔口应力分析、孔口配筋、大坝压力引水背管式钢管。大坝底孔水力学性能，孔口型式，突扩布置，高流速流态改善，消能布置等等研究工作先后也做了几年，从理论上、模型试验上做了很多工作。
对于大坝孔口配筋问题，原设计孔口配筋太多太密，要用5~9层f40毫米的大钢筋，不但耗钢量太多，而且无法施工，无法保证混凝土质量。在潘家铮院士、王光纶教授指导下做了大规模的结构模型试验及理论分析，证明孔口配筋与混凝土开裂发展的机理与常规梁柱的情况完全不同，按新的理论方法配筋量可以大幅度减少，2~3层即可，施工质量可以保证。同时谷兆祺，彭守拙教授作了许多计算，从另外的途径?D?D即进行横缝灌浆，也可减少孔口配筋。最后长委设计决定，采用止水后移，横缝灌浆，改变设计条件等措施解决了孔口配筋这一难题。
背管式引水钢管有很多优点，但三峡工程的背管内径达12.4米，是世界上从未有过的大型钢管，它的受力分布，配筋要求无人做过研究。长江水利委员会委托武汉水电大学做1:2的平面模型，同时又委托清华大学、水科院等6~7个兄弟单位作仿真理论计算，摸索规律，以寻求合适的计算方法。清华大学水利系段云岭教授等人作了详细的计算，其初裂荷载、裂缝位置、裂缝宽度、各层钢筋应力、最终荷载等各方面，均与模型实测值最为接近，可以作为满意的计算方法。
大坝底孔的型式，设计与审查专家之间意见有分歧，原设计主张用无压流，张光斗教授认为以用有压流使流态稳定为好。清华大学水利水电系和其他兄弟单位分头做了许多水力学模型试验，最后证明有压流在泄流能力、截流落差等各方面都可以和无压流一致，而在流态稳定、减蚀、减磨、孔口封堵、坝体应力闸门设备等方面远优于无压流。因此最后决定采用有压流的底孔。
大坝深孔，宽6米，高9米，水头达90米，22个深孔总泄量可达4万多秒立方米，是世界上从未有过的大型深孔。设计者与审查专家也有不同的意见，关键是如何减少空蚀、磨损、闸门漏水及坝后消能等问题。清华大学水利水电系也和许多兄弟单位一样，做了一系列的模型试验，为最后决定只用突跌，不用突扩等措施来解决上列各问题，对保证今后的安全可靠运用，起了重要的作用。
参加上述这些工作的有谷兆祺、彭守拙、王光纶、才君眉等教授以及他们的研究生们。
厂房组在审查中对巨型进水口采用双孔进口还是单孔进口的问题发生分岐，委托清华大学水利系做大比例尺模型试验，王树人、黄继汤、刘天雄等教授承担了这一艰巨任务，经历几个寒暑，实测两种进水口的流态、水头损失、要求淹没深度、进口漩涡性状、行近流速分布等等情况，作了系统经济技术比较，认为单进口优于双进口。这项试验在好几个兄弟单位作相同的平行试验，然后共同对比讨论。清华大学水利系所作试验因为模型条件、量测精度等各方面都较好，获得大家好评，最后试验成果也被设计单位采纳。
在电厂厂房设计中，三峡技术委员会委托我校建筑学院设计厂房外观，他们一共做了各种不同风格的8个方案，供长委及三峡总公司选择。在厂房上部结构方面，技术委员会委托清华大学土木系做不同的方案，龙驭球院士及张铜生、辛克贵教授及水利系张富德教授等承担了这项任务，为他们设计了大型网架屋顶，以及厂房梁柱屋架等结构。该厂房桥吊起重量高达2000吨，在如此大负荷下，厂房墙柱吊车梁变形不得超过10毫米，难度是很大的，此外在发电机动静负荷之下，厂房结构各部分都不能发生共振，也是很不容易的，这些教师很好地完成了这项任务。
三峡船闸规模极其浩大，双向、五级，可通行万吨船队，在世界上是第一大船闸，它完全从山岩中开凿出来，最大挖深达170余米，地质上虽是花岗岩，但有不少节理断层，因此深挖方的岩体稳定问题是一大难题。为了解决这一难题，设计上布置了庞大的防渗排水系统，锚索加固体系，以及监测体系，随着开挖过程中的监测数据，清华大学水利水电系和全国许多单位都受委托，反馈分析岩体参数，然后再根据这些参数，用二维、三维非线性有限元模型测算开挖完成后，各种不利情况下岩体应力变形情况，不但要求围岩完全稳定，而且要求变形很小，不致妨害船闸闸门的密闭与运行。经过周维垣、彭守拙、王光纶教授等多次反演、正算、回归分析，求得各部位一系列的参数，然后算得目前加固措施下，围岩稳定，变形可在限度之内。后来船闸开挖到底，推算值与应力释放后实测值基本符合。船闸设计与施工完全成功。
4、 建造期间
三峡工程正式开工以后，为了保证工程质量，建设一流工程，国务院三峡建设委员会于1999年正式成立三峡工程质量检查专家组，代表三峡建设委员会定期对工程质量和进度进行检查。清华大学水利水电系张光斗教授担任专家组副组长，王光纶教授是工作组成员。王光纶教授等多次深入工地，认真检查施工的每一环节；张光斗教授年近九旬仍坚持到现场检查，甚至冒着危险进入导流底孔，在工地反应强烈，受到好评。他们多次指出导流底孔、船闸输水隧洞、混凝土浇筑方法存在的问题，需要改进，对保证施工质量、确保工程安全起到了重要作用。目前，这项工作仍在继续进行之中。
