三峡工程设计中的重大技术问题
郑守仁
1 三峡工程设计过程概述
1949年中华人民共和国建立后，为解除荆江地区毁灭性洪灾的威胁，解决长江中下游平原区防洪问题，中央在20世纪50年代初即考虑尽早修建三峡工程。考虑到工程规模巨大、技术复杂，中央采取了积极而慎重的方针。1958年初，在党中央南宁会议上，毛泽东主席提出对三峡工程建设应采取“积极准备，充分可靠”的方针。1958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》指出：“从国家长远的经济发展和技术条件两方面考虑，三峡水利枢纽是需要修建，而且可能修建的，……现在应当采取积极准备和充分可靠的方针，进行各项有关工作。”成都会议结束后，周恩来总理指示有关部门立即组织全国的科研大协作，以解决建设三峡工程中的重大科技问题。当时，中央曾考虑在20世纪60年代初开始建设三峡工程。后因国内外形势变化，中央决定调整三峡工程建设部署。周恩来总理在传达这一决定时指示：“雄心不变，加强科研，加强人防”。1970年，中央决定先修葛洲坝工程，目的之一是为三峡工程作“实战准备”。80年代初，中央制定我国远景发展规划时，又准备修建三峡工程。1984年国务院原则批准了三峡工程150m方案的可行性研究报告，并决定立即开始进行施工前期准备工作。尔后，由于部分社会人士和专家对兴建三峡工程提出了不同意见和建议，党中央、国务院于1986年决定组织重新论证，“以求更加细致、精确和稳妥”。经过近3年的补充论证工作，先后完成并经论证领导小组审议通过了14个专题论证报告，长江水利委员会(以下简称长江委)据此重新编制了《长江三峡水利枢纽可行性研究报告》。1990年，国务院成立三峡工程审查委员会，组织专家预审，1991年8月审查委员会审查通过了《长江三峡水利枢纽可行性研究报告》，并向国务院汇报了审查经过和结论，国务院决定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三峡工程的决议案。经过一段时间的积极准备，1993年国务院决定开始进行三峡工程的施工准备，这标志着三峡工程经过40多年的设计、研究和反复论证，开始进入实施阶段。
经国务院审查并报全国人大审议通过的三峡工程方案是：水库正常蓄水位175m，初期蓄水位156m，大坝坝顶高程185m，按“一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民”的部署实施。“一级开发”指从三峡坝址到重庆之间的长江干流上只修建三峡工程一级枢纽。“一次建成”指三峡工程按合理工期一次连续建成，不采用有些大型工程初期先按小规划建设以后再扩建的方式。“分期蓄水”指枢纽建成后水库运行水位分期抬高，以缓和水库移民的难度，并可通过初期蓄水运用，验证泥沙试验研究的成果。“连续移民”则指移民分批不分期（即一次搬迁到位），连续搬迁。
由于三峡工程规模巨大，国务院决定把初步设计分为枢纽工程、水库移民安置规划、输变电工程三大部分，单独编制，分别审查。三峡工程初步设计编制工作，是在1990年7月国务院召开三峡工程论证汇报会后，按照会议的决定开始进行的。长江委于1992年编制完成《长江三峡水利枢纽初步设计报告(枢纽工程)》，上报国务院三峡工程建设委员会(以下简称三峡建委)。长江三峡水利枢纽工程初步设计报告分为综合、水文、地质、综合利用规划、枢纽建筑物、泥沙、机电、环境保护、施工、概算、经济评价等11篇，共300多万字。长江委在三峡坝址共完成地质测绘497km2，地质钻探进尺17.374万m，大口径(直径1m)竖井17个、进尺670m，平硐12条、进尺2559m，岩石物理力学试验室内10662组，现场229组。
1993年4月初，三峡建委第一次会议决定，初步设计审查工作由三峡建委办公室先组织专家进行初审，再由三峡建委审查，三峡建委只审查有争议的重大问题和结论。据此，三峡建委办公室聘请了19位专家组成核心专家组，负责初审工作，中国科学院张光斗院士任组长，严恺院士、潘家铮院士任副组长。按照初步设计的专题，核心专家组下设10个专家组，分别负责相关篇章的审查，提出书面初审意见。1993年5月13日至25日，三峡建委办公室召开了“长江三峡水利枢纽工程初步设计专家审查会议”，核心专家组初审意见指出“三峡工程规模特大，某些单项工程规模即相当于一个大型工程，技术也比较复杂。虽然初步设计已达到一定的深度，但仍有进一步研究和优化的必要。有些技术方案和措施，也需进一步研究落实。为了节省工程量、节省投资和加快进度，有必要在初步设计完成后，立即开展主要建筑物的单项技术设计，再进行招标设计和施工详图设计。其它施工准备工程、导流、施工通航等临时和次要建筑物、在初步设计批准后，即可进行招标设计和施工详图设计。核心专家组关于枢纽布置和水工建筑物的初审意见：“同意《初步设计报告》采用的设计标准，选定的三斗坪坝址上坝线，推荐的混凝土重力坝坝型，同意推荐的枢纽建筑物总体布置方案，泄洪布置方案，两岸坝后电站的布置；基本同意设计推荐的电厂排沙与排漂布置方案，建议进一步研究优化，提高排沙和排漂效果”。同年7月26日，三峡建委召开第二次会议，听取了核心专家组初审意见的汇报。会议经过讨论，做出如下决定：“委员会同意核心专家组的初审意见。初步设计是以批准的可行性研究报告为基础，遵照国务院三峡工程审查委员会的审查意见和七届全国人大五次会议的决议精神，又作了大量分析研究，按照国务院有关规范编制的。初步设计内容完整，资料可靠，规划设计合理可行，满足初步设计要求。委员会批准初步设计，作为下阶段设计和施工的依据。”
批准的长江三峡水利枢纽的枢纽工程初步设计与可行性研究报告相比，在工程项目、枢纽布置、建筑物型式等方面均基本相同，仅有以下4项变化：
(1) 关于施工通航与施工导流方案，可行性研究报告推荐“明渠通航、三期导流”和“明渠不通航、两期导流”两个方案，认为技术上都是可行的，各有利弊，各有得失。初步设计采用了“明渠通航、三期导流”方案，垂直升船机要在第11年投入运行，应尽可能保证长江航运不断航。
(2) 关于水轮发电机单机容量与装机总规模，为了便于国际合作和最终立足国内制造，初步设计中将水轮发电机单机容量由680Mw调整为700Mw，装机仍为26台，装机总规模则由17680Mw增加到18200Mw，净增520MW。
(3) 关于总工期和第一批机组发电工期，可行性研究报告中总工期为18年，准备工程3年，一期工程3年，二、三期工程各6年，即所谓“3、3、6、6”方案，第一批机组在二期工程末即第12年发电；初步设计中总工期为17年，准备和一期工程5年，二、三期工程各6年，即所谓“5、6、6”方案，第一批机组仍在二期工程末(即第11年)发电。初步设计总工期和发电工期均比可行性报告提前1年。
(4) 关于枢纽工程总概算(静态总投资)，按照1993年5月末价格水平核算的枢纽工程总概算为500.9亿元(包括茅坪溪防护工程5.9亿元)。比可行性报告中枢纽工程概算298亿元增加197亿元(未计茅坪溪防护工程)，这主要是由于物价上涨因素而引起的，各项工程量总体来说基本上没有变化。
1993年7月，国务院三峡工程建设委员会关于批准《长江三峡水利枢纽初步设计报告(枢纽工程)》的通知中明确：“同意核心专家组的审查意见，决定批准《长江三峡水利枢纽初步设计报告(枢纽工程)》(以下简称初步设计)，作为下阶段设计和施工的依据。”通知还要求：“水利部长江水利委员会要继续努力，在下阶段设计中尽可能的便利施工，降低施工难度和风险度，降低工程造价，缩短工期；抓紧编制重要工程的单项技术设计和其它工程的招标设计；保证图纸的按期供应”。三峡建委在批准三峡工程初步设计的同时，责成长江委编制大坝、电站建筑物、永久船闸、垂直升船机、机电(含首端换流站)、二期上游横向围堰、建筑物安全监测、变动回水区航道及港口整治(含坝下游河道下切影响对策研究)等8个单项技术设计，并授权中国长江三峡工程开发总公司(以下简称三峡总公司)负责审查单项技术设计。三峡总公司成立技术委员会并聘请157位专家组成8个专家组负责审查工作。1994年至1998年，在三峡总公司的大力帮助下，长江委根据单项技术工作的需要，对主体建筑物基础进行了补充勘探钻孔500个，进尺31627.4m，勘探平洞220.5m，还采取特殊勘探手段查明地质问题，提出地质报告68份；配合单项技术设计进行了泥沙、水工、土工、岩石力学、材料等科学试验研究工作，提出科研报告391份；并认真收集学习借鉴国内外大型水利水电工程设计施工运行经验，以提高三峡工程设计水平。在技术设计过程中，长江委和三峡总公司技术委员会及专家组密切配合，采取多种方式把设计、科研和审查工作有机地结合起来。长江委虚心听取专家组的审查意见，认真研究采纳，使单项技术设计不断完善、优化。为保证单项技术设计成果质量，长江委组织委技术委员会专家负责校审把关。在三峡总公司和全国有关高等院校及科研单位的大力支持协作下，长江委按期完成了7个单项技术设计(第八项变动回水区航道及港口整治技术设计分两阶段进行，第一阶段工作已于2001年完成，目前进行第二阶段工作)，提供技术设计报告10册，290万字，附图600张，各项专题研究报告160份，计1980万字，附图5600张。三峡总公司技术委员会组织专家组分专题进行审查，对重大方案及技术问题均经审定。单项技术设计满足了三峡工程招标设计及招标文件编制和施工详图阶段设计的需要，保证了三峡工程建设的顺利进行。
2 大坝坝址选择
20世纪50年代，长江委开始研究三峡大坝坝址，在西陵峡美人沱至南津关约50km长的河道范围内选择了两个河段（图1）作为研究对象。上段从美人沱迄莲沱长25km，称为美人沱坝区(后改称三斗坪坝区)，该河段基岩为花岗岩，河谷比较开阔。下段从石牌迄南津关长13km，称为南津关坝区，该河段基岩为石灰岩，河谷狭窄陡峻。在美人沱坝区选择10个比较坝址，第一阶段比较后选定三斗坪坝址作为美人沱坝区的代表性坝址。在南津关坝区选择5个比较坝址，第一阶段比较后选定南津关坝址作为南津关坝区的代表性坝址。第二阶段围绕南津关坝址石灰岩岩溶问题和三斗坪坝址结晶岩的风化壳等问题，进行了较大规模的补充勘测工作和设计研究工作。①地质方面：南津关坝址岩溶发育严重，水文地质条件复杂，坝基透水性强；断层倾角平缓，且有粘土质充填，处理较困难；完整的基岩强度较高，但受溶蚀及构造影响的岩石强度较低。三斗坪坝址结晶岩的岩性坚硬，完整；坝址虽有断层通过，但倾角较陡，处理较易，对兴建高坝具有明显的优越性，比南津关坝址稳妥可靠。②水工方面：南津关坝址除大坝工程量较小外，电站厂房需布置地下式厂房，洞挖工程量大，因两岸地形陡峻，地下电站进出口开挖量大；两岸山体较高，船闸布置困难，且开挖量大。三斗坪坝址可布置坝后式厂房；左岸地形有利于布置船闸，工程量较小。③施工方面：南津关坝址必须采用隧洞导流，洞挖工程量巨大，围堰高度大，河床窄而深，工程难度大，三斗坪坝址有条件采用分期导流，施工较有把握；三斗坪坝址有宽阔平缓的沟谷和滩地可作为施工场地，但对外交通较南津关坝址相对困难；南津关坝址施工工期受地下工程和船闸工程控制，比三斗坪坝址要长2年。综合比较，三斗坪坝址明显优于南津关坝址。
三峡工程修建在三斗坪坝址，枢纽下游尚有35km的峡谷航道处于天然状态，需研究航道的改善措施。大坝修建在南津关坝址，这一河段全部在水库内，航道可得到彻底改善。但是进一步研究表明，三峡水电站日调节下泄流量变化对下游航运造成的影响，不论选择三斗坪坝址还是南津关坝址，均需在下游修建反调节水库(即现已建成的葛洲坝水利枢纽)。因此长江委设计推荐三斗坪坝址作为三峡工程大坝坝址。20世纪60和70年代，为了研究大坝防空问题，又重新深入研究了太平溪和石牌坝址，并与三斗坪坝址作进一步比较。1983年5月国家计委审查《长江三峡水利枢纽工程可行性研究报告(150m方案)》，同意选用三斗坪坝址。1986年三峡工程重新论证，长江委在1989年重编的《长江三峡水利枢纽可行性研究报告》(正常蓄水位175m)，仍推荐三斗坪坝址，并经国务院三峡工程审查委员会审查通过。1995年，国务院三峡工程建设委员会对长江委编制的《长江三峡水利枢纽初步设计报告(枢纽工程)》的审查意见中，“同意报告选定的三斗坪坝址”。
在三斗坪坝址深入地进行了坝轴线比较。三斗坪坝址上起瓦厂沟(或茅坪溪)，下迄东岳庙，全长约4km。有上、中、下3条可比较的坝线。上坝线左右两岸分别接坛子岭和白岩尖。中坝线位于河道转弯段下游，左岸仍与坛子岭相接，右岸则通过高家冲口折向下游与东侧的高山相接。下坝线位于中坝线以下河床中两个深槽之间的较高部分，左岸仍与坛子岭相联，右岸与高山相接。在初步设计阶段，从地质、水工、施工、工程量及造价等方面综合比较，推荐上坝线。
3 正常蓄水位的选定
20世纪50年代研究的三峡工程正常蓄水位范围从128m(吴淞基面以上，下同)至260m。当时援助工作的前苏联专家主张高方案，从淹没考虑这是不可接受的，长江委推荐200m方案。1958年中共中央成都会议的决议中指出三峡工程正常蓄水位应控制在200～190m。1959年长江委编制的《三峡工程初步设计要点报告》建议正常蓄水位采用200m。70年代研究“高坝中用”方案，提出正常蓄水位190m，初期运用水位141m、及正常蓄水位200m，初期运用水位150m两个方案。80年代初，为尽量减少淹没损失，重点研究了正常蓄水位150m方案，长江委于1983年编制了《三峡工程可行性研究报告》，经国家计委组织审查同意。1984年4月国务院批准、确定三峡工程按正常蓄水位150m、坝顶高程175m进行建设，防洪限制水位135
m，20年一遇洪水蓄水位150m，100年一遇洪水蓄水位160.7m，1000年一遇洪水蓄水位162.7m，防洪库容143.3亿m3，电站装机容量13000 MW，年发电量646亿kw.h，该方案移民人口33.54万人，淹没耕地1.2万hm2。后因150m水位方案水能资源利用不充分，解决长江中下游防洪问题不理想，又不能满足重庆市和交通部门的要求，经国务院决定从1986年开始对三峡工程重新进行论证。
根据多年来研究的成果，正常蓄水位的重新论证范围为150～180m。重新论证中，重点研究比较了3种类型、6个不同正常蓄水位方案。其中一级开发方案共4个，正常蓄水位150、160、170、180m；两级开发方案1个，三峡正常蓄水位150m，另在重庆下游建一级枢纽，正常蓄水位180m；“一级开发，分期蓄水”的方案1个，三峡工程最终正常蓄水位175m，但为了减少初期移民安置的困难，初期采用较低水位运行。经技术经济比较认为：三峡工程从尽可能满足防洪、发电、航运三项任务要求出发，正常蓄水位宜选高水位方案。为减缓移民强度，有利于工程初期少投入早产出，并使水库的泥沙淤积有一个观测验证的时期，采用较高蓄水位分期蓄水的“一级开发，分期蓄水”方案较为有利。正常蓄水位175m分期蓄水方案，防洪库容有221.5亿m3，可以满足防洪的基本要求；万吨级船队直达重庆的保证率可达45%～50%；调节库容有165亿m3，调节流量5860m3/s，基本可以协调电站调峰和下游航运的关系；发电可装机18200MW，年发电量847亿kw.h。该方案移民人口113万人，可以妥善安置，淹没耕（林）地3.165万hm2。泥沙淤积对重庆港区的影响可通过水库优化调度、结合港口改造、采取整治和疏浚措施加以解决。
由于分期蓄水，水库前后期运行水位差40m，带来的工程技术问题，如首级船闸如何适应初期与后期不同水位，水轮发电机组如何适应这种变化，技术上都可以解决。大坝设计挡水位175m，相应库容393亿m3；校核水位180.4m，总库容450亿m3,坝顶顶高程定为185m，为今后水库运用留有必要的余地。经济分析得出综合经济内部收益率为19.3%，远大于国家规定10%的要求。因此，推荐“一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民”方案。1993年5月，国务院三峡工程建设委员会审查批准《长江三峡水利枢纽初步设计报告(枢纽工程)》，三峡工程正常蓄水位175m得到了国务院的批准。
4 三峡工程任务
防洪是三峡工程的首要任务。荆江河段是长江中下游防洪形势最严重的地区，俗称“万里长江，险在荆江”。由于多年河床演变，荆江北岸江汉平原地面高程低于洪水位10～14m，全靠荆江大堤保护，但大堤高度已达12～16m，一旦失事，将造成数十万人的伤亡，并威胁武汉市的安全。而现状堤防防标仅为10年一遇；考虑分洪区的充分运用，也只能达到约40年一遇；遇特大洪水（如历史上曾发生过的1860年、1870年洪水）尚无切实可靠的措施防止毁灭性灾害。三峡工程位于长江中上游交界处，独特的地理位置、地形地貌以及221.5亿m3的防洪库容，使其能有效的控制长江上游暴雨形成的洪水，对荆江河段两岸防洪起重要的决定性作用。如不建三峡工程而仅在上游干支流上修建水库，虽对中下游防洪也有一定作用，但这些水库的下游至宜昌之间尚有约30万km3的暴雨区无法控制，遇大洪水时，荆江河段的危机仍然存在，三峡工程的防洪作用是上游干支流水库无法代替的。据初步分析计算，现状情况下若遭遇1870年洪水，荆江河段两岸可能造成120万km2农田淹没，受灾人口约1100万人，还将有大量人口死亡；三峡工程建成投运后，遭遇1870年洪水，淹没农田约7万km2，受灾人口约50万～60万人，并可避免人口的伤亡和供水对武汉市的威胁。
三峡工程初步设计装机容量18200MW，保证出力4490MW，年发电量847亿kw·h；最终装机容量22400MW，保证出力5800MW。发电效益大，稳定性和持续性能好，且地进位置适中，在我国能源建设和三峡工程综合利用中占有十分重要的战略地位，并在促进全国联合电力系统形成和长江上游水能开发中作用显著。三峡电站正处于“西电东送”的中间地带，可以起到远送电的电压支撑作用，从而为大规模“西南东送”创造有利条件，对电网稳定运行也将起到很大作用。
长江干流横贯我国东西部，干、支流延展18个省（市），水运条件十分优越，历来是沟通我国东、中、西三大地区运输的大动脉。长江水系通航里程7万余公里，占全国内河通航里程70%，年运量占全国80%，因此，素有“黄金水道”之称。重庆至宜昌600km的川江河道，流经丘陵和峡谷区，落差约120m，水流湍急，滩礁踵接，沿程有主要碍航滩139处，单行控制段46处，航道条件差，每千瓦拖带能力仅约为下游的1/10，运输成本高于下游3倍。三峡工程建成后，与已建的葛洲坝工程联合运行，可渠化重庆以下的川江航道，淹没滩险，改善水流条件，万吨船队可直达重庆。单向年通过能力将从三峡工程开工前的1000万吨增加到5000万吨，运输成本可降低35%～37%。经过三峡水库调节，宜昌以下的枯水季节流量可增加约2000m3/s，结合河势控制，可改善中游浅滩河段航道条件。因此，三峡工程是实现长江航运目标的战略措施，使长江变为真正的“黄金水道”，促进西南腹地与沿海地区的经济交流，带动西南地区经济社会发展。
三峡工程还将对改善生态环境，南水北调和城市供水提供充足的水源，发挥显著的效益。
5 枢纽布置及建筑物型式
5.1 枢纽布置
三峡水利枢纽主要建筑物由大坝、电站厂房和通航建筑物组成。根据三峡工程的运行特点，结合坝址的地形、地质条件，设计进行过多种不同枢纽布置方案和建筑物型式的研究和试验。影响枢纽布置的主要因素是：（1）泄流坝段的长度及其位置。在满足消能防冲要求前提下它应尽可能短。其位置应有利于施工导流，下游流态不影响电站运行和通航。（2）电站厂房型式、尺度和布置。坝后式厂房是最经济的。为此，采用尽可能大容量的机组，以缩短厂房长度。（3）施工导流方案和布置。
长江委在大量工作的基础上，对三峡工程枢纽布置总结出规律性的结论是：(1)枢纽泄洪、导流流量大，防洪、排沙任务重，上游水位变幅大。拦河大坝采用混凝土重力式大坝，泄洪建筑物以在主河槽布置深孔结合表孔的河床泄洪坝段为宜。(2)电站厂房从厂房的土建工程量、结构、造价、施工运行条件等因素综合考虑，以充分利用两岸河滩布置坝后式厂房最为经济合理。(3)根据坝址河势特点，从上下游引航道进出口水力学条件和防止泥沙淤积碍航考虑，通航建筑物布置在左岸较为合理。从工程量和运行条件综合考虑，永久船闸采用双线五级连续梯级式，升船机采用一线单级垂直提升式。(4)枢纽工程施工导流流量大，施工期通航要求高，施工导流宜采用分期导流方式，利用坝址河床有中堡岛的有利地形布置纵向围堰，并在其右侧天然汊河(后河)布置导流明渠。
1986～1988年三峡工程重新论证推荐正常蓄水位175m方案的枢纽布置方案（图2）为：拦河大坝为混凝土重力坝，河床中部布置泄流坝段，泄流前缘总长483m，共设23个7m´9m的深孔(孔底高程90m)和22个净宽8m的表孔(堰顶高程156m，初期运用时堰顶部位保留“缺口”，其顶高程148m，提前发电运用时缺口顶高程109m)。泄洪坝段左侧导墙坝段长25m，设2个6m´9m的深孔(孔底高程90m)；右侧纵向围堰坝段长75m，设2个8m´11m的中孔(孔底高程117m)。此外，在厂房安装场坝段，设有5个4m´5.5m的排沙孔(孔底高程75m)，在水位低于145m时可参加泄洪。电站厂房为坝后式，布置于泄洪坝段两侧，左厂房安装14台，右厂房安装12台680MW机组。通航建筑物布置在左岸，设双线连续5级船闸及一线1级垂直升船机。施工期另设一线临时船闸，配合扩大的导流明渠和升船机维持施工期通航。1989年，长江委按论证领导小组审议通过的论证报告重新编制了《长江三峡水利枢纽可行性研究报告》。1991年8月，经国务院三峡工程审查委员会审查通过，同意选定三斗坪坝址、混凝土重力坝以及枢纽布置方案，要求为将来扩大装机规模留有余地。
初步设计阶段，通航建筑物仍采用双线连续5级船闸和升船机，均布置在左岸，船闸线路左移至坛子岭左侧；施工通航采用导流明渠结合临时船闸及升船机方案。长江委于1992年12月上报《长江三峡水利枢纽初步设计(枢纽工程)报告》，1993年7月由国务院三峡工程建设委员会审查批准。长江委根据审查意见，进行了一些补充和修改，并编制大坝、电站厂房、船闸、升船机(水工部分)等单项技术设计。技术设计阶段，枢纽布置的总格局保持不变，对主要建筑物的某些布置作了进一步的优化或局部调整：(1)大坝泄洪布置，永久泄流孔口布置与初步设计相同，但三期导流期间的泄流布置，将原设于泄流坝段高程109m的临时缺口取消。在表孔正下方布设的22个导流底孔，改为以弧门控制，并采用有压长管型。(2)排漂孔布置，保留泄流坝两侧的排漂孔，但将原各设2个7m´12m的双孔布置改为10m´12m的单孔布置，并在右岸厂房安Ⅱ段增设1个排漂孔。(3)电站排沙孔布置，除保留左、右厂房原布置5个排沙孔外，在左、右厂房各增加1个排沙孔。(4)电站厂房，左、右厂房分别安装14台、12台水轮发电机组，但单机容量由680MW增大到700MW，每台机组段长由37.6m增至38.3m。(5)双线五级船闸，船闸输水系统由每线船闸在右侧布置一条主输水隧洞，改为每线船闸两侧各布置一条主输水隧洞。上游隔流堤由缓建改为全包隔流堤一次建成。(6)升船机轴线沿坝轴线左移25m，并较原轴线向左偏转4°。
5.2 建筑物型式
三峡工程大坝坝型，20世纪50年代曾经研究重力坝、宽缝重力坝等混凝土坝型。因为泄洪坝段孔口尺寸大且有多层，电站进水口尺寸大；各类闸门多；特别是从防空安全考虑，一直选用重力坝。
曾经研究过坝后式厂房、坝内式厂房、地下式和半地下式厂房等。坝后式厂房是比较好的。厂房的尺寸与机组的大小有关。直到80年代以后才比较有把握地设计制造700MW的大机组，为全部采用坝后式厂房创造了条件。最终的方案只有预留的6台机组采用地下式厂房。
通航建筑物采用船闸。就地形与河势看，船闸显然布置在左岸为好。船闸水级的划分主要取决于闸阀门和启闭机械的制造水平，水力学方面问题可解决的措施等。20世纪50年代研究三峡船闸，正常蓄水位200m，按当时的技术水平，只能设计为九级船闸。80年代以后，正常蓄水位175m，三峡船闸设计为五级船闸。比较过五级连续船闸和加中间渠道不连续布置等方式，最终选择双线五级连续船闸。由于是五级连续闸室，充泄水时要相互协调，充泄水时不仅要求时间短，而且要求水流平稳，因此，充泄水时的水力学问题十分复杂，前所未见。大量的闸、阀门，不仅水头高、压力大，而且要求协调运行，因此结构设计和自动化控制系统设计是很复杂的。由于船闸是在山体中开挖建设的，岩体高边坡的长期稳定性和施工安全问题是十分重要的。还有一些复杂的技术问题。对这些问题都进行了深入的设计研究，取得可靠的解决方案。
升船机与双线五级船闸配套运行，主要为大型客轮提供快速过坝通道。升船机承船厢内水域有效尺寸120m×18m×3.5m（长×宽×水深），总重11800t，过船规模为3000t级，最大提升高度113m，上游通航水位变幅30m，下游通航水位变幅11.8m，是当前世界最大的升船机。关于升船机的型式，长期研究了钢丝绳卷扬式和齿轮齿条爬升式两种类型，最后选择了后者。无论是承船厢尺寸、提升重量、提升高度，都是没有前例的，在结构方面和机械设备方面都遇到一些复杂技术问题。
6. 枢纽建筑物设计中的关键技术问题
6.1 大坝及电站建筑物
6.1.1 大坝泄洪及消能
大坝设计按千年一遇洪水流量98800m3/s，相应挡水位175m；校核按万年一遇洪水加大10%洪水流量124300m3/s，相应挡水位180.4m。根据三峡水库防洪调度规划，要求枢纽在防洪限制水位145m具有下泄洪水流量57600m3/s的能力；在库水位166.9m时，具有下泄洪水流量70000m3/s的能力；遇设计洪水和校核洪水，按敞泄运用，要求枢纽在校核洪水时具有100000m3/s以上的泄流能力。为此，大坝泄洪设施需布置深孔以满足低水位时的泄洪要求，并设表孔满足设计洪水和校核洪水泄洪要求。从水库排沙考虑，要求深孔进口高程低于电站进水口高程。综合分析防洪、排沙、工程防护、厂前排漂等因素，大坝泄洪设施采用深孔和表孔相间布置。在泄洪坝段布置23个深孔和22个表孔（图3）。为三期施工导流及截流，布置22个导流底孔，后期回填混凝土封堵。
针对大坝水头高、泄洪量大、排沙量多，三层泄洪孔运行条件复杂等特点，设计研究了三层泄洪孔口不同运行条件下的体型选择和高速水流下抗空化及防泥沙磨蚀问题；深孔与表孔联合泄洪和深孔与底孔联合泄流时，下游水力衔接及消能防冲等问题。通过方案比较，选用挑流消能型式。下游水位较深，消能效果较好，可减少下游两岸冲刷及其对下游航道口门的影响。表孔及深孔采用沿坝面设长隔墙分开，鼻坎为平滑挑坎，前后错开布置方案。导流底孔比较了有压短管和有压长管方案，综合考虑结构安全、方便施工，抗磨和水力学条件等因素，选用有压长管。长管模型试验成果表明，各孔口水流在泄槽内无扩散及收缩现象，流态较平稳。深孔出口反弧段流速35m/s～40m/s，在长隔墙设通气孔掺气防止空化。由于导流底孔鼻坎高程较低，受下游水位淹没影响，水流出鼻坎后，下游水流衔接流态基本上为面流，水舌下有逆向漩滚。模型试验成果表明，库水位135m时，底孔单独运用和底孔与深孔同时运用两种工况下，水舌下逆向漩滚水流的最大底部流速分别为5.9m/s及4.8m/s，距坝址约50m，下游冲刷坑最低高程分别为29.4m及26.5m，距坝址约144m及139m。坝址下游30m范围均末受到冲刷。坝下消能区两侧设左、右导墙，以防泄洪对电站运行产生不利影响，在右导墙左侧设混凝土防冲齿墙保护，最低高程30m。坝基岩面高程30m以上部位设置50m宽的护坦以预防基岩淘刷。
泄洪深孔主要渲泄千年一遇以下洪水，在防洪限制水位145m，要求深孔泄流量为56700m3/s。同时深孔与导流底孔共同担负三期施工导流及围堰发电期度汛任务，要求在135m水位时，深孔与导流底孔联合泄洪能力达70000m3/s。枢纽正常运行后，深孔与表孔联合运用并考虑排漂孔、排沙孔和厂房机组泄流后具有100000m3/s以上的泄洪能力。深孔设计水头85m，孔中流速达35m/s，须采用掺气减蚀措施。设计就深孔有压长管和短管方案的体型做了深入细致的试验研究论证，选用有压短管接明流泄槽跌坎掺气型式。
由于深孔具有数量多、尺寸大、过水历时长、运用操作频繁、水头高变幅大的特点，且孔口周边拉应力大，需配置的钢筋排数多，直径大，施工困难，为此，设计采取下述结构措施：①在有压段局部设置钢衬，减少空蚀，提高抗冲耐磨性能。钢衬厚度26mm。虽然仅减少孔口拉应力值约0.1～0.2MPa，效果不明显，但对减小配筋拉应力区深度有相当作用。②提高横缝灌浆高程至110m，增大孔口侧壁刚度，限制孔口内水压力产生的侧向变位。计算成果表明，灌浆对减少孔口拉应力的作用与初始横缝缝隙宽度、相邻坝段刚度、相邻孔是否充水等因素关系很大。因此，灌浆后孔口应力减少的数值难以确切估计，宜作为安全度考虑。③深孔局部止水后移至坝轴线下1～3m处，水平顶止水高程104m。因局部横缝侧水压力作用，孔口拉应力降低很多。整个有压段孔口应力改由自重工况控制。孔顶最大拉应力1.5MPa，配筋拉应力区深度1.85m，孔底最大拉应力1.2MPa，配筋拉应力区深度1.73m。
导流底孔跨缝布置，运用时间3年。承担三期工程施工导截流及围堰挡水发电期间泄流任务。运用时，水头高达80m，有压段出口平均流速达32.2m/s。底孔横缝将会使高速水流分离形成局部低压区，造成空蚀破坏。温度变化会使横缝与闸门止水连接困难，易产生高压射流破坏闸门止水和冲蚀混凝土。因此，需对导流底孔进行跨缝处理。结合二期抗冲耐磨混凝土浇筑，在6m宽的底板上预留1m厚的抗冲耐磨层，二期浇筑钢筋混凝土跨缝板。考虑到顶部跨缝板施工难度大，且泥沙磨损较底板轻，只在工作弧门5m范围和事故门前、后各3m范围内进行跨缝处理，其结构型式采用预留宽2m、深1.5m的浅槽，二期回填钢筋混凝土跨缝板。跨缝布置的导流底孔在检修工况下将产生不平衡侧向水压力，为此，要求导流底孔运用前，大坝高程80m以下进行横缝灌浆；在低温季节浇筑钢筋混凝土跨缝板，以减少表面气温变化对缝宽的影响。
6.1.2 岸坡厂房坝段基础深层抗滑稳定
左岸厂房1号～5号坝段和右岸24号～26号坝段。下游布置坝后式厂房，其最低建基高程为22.2m，致使岸坡厂房坝段基岩下游面临空，形成坡度约54°，临时坡高67.8m，永久坡高39m的高陡边坡，近百米高的混凝土坝座落在坡顶。这些缓倾角结构面构成潜在的不利滑动面，成为坝基深层抗滑稳定的控制滑面。设计对左岸坡厂房坝段基础沿缓倾角结构面抗滑稳定问题进行了大量地质勘探、科学试验和分析计算工作。技术设计阶段补充特殊勘察，采用先进的勘探手段(包括钻孔取芯、岩心定位、钻孔彩色录像)，查清张大缓倾角裂隙结构面的数量、分布位置、产状、分布范围、性状及连通率。经施工开挖揭示和实测地质资料验证，表明前期勘探成果，特别是特殊勘察成果与主要结论是正确的，坝基抗滑稳定条件总体略优于前期勘察成果。通过现场原型抗剪断试验并辅以大量室内试验，确定缓倾角结构面抗剪断指标。f¢=0.7、c¢=0.2MPa，而岩体抗剪断指标为f¢=1.7、c¢=2.0MPa。大坝深层抗滑稳定计算采用刚体极限平衡分析原理和方法，并用有限元分析及地质力学模型试验验证。设计拟定各种可能滑动面的概化模式进行抗滑稳定分析，并按最坏情况考虑，设想从坝踵至厂房上游侧坡脚连线为单一的滑裂面，按100%连通率考虑，复核其抗滑稳定，作为极端和极稀遇的条件进行特殊组合校核，可满足要求。设计参照丹江口水电站厂房坝段处理缓倾角裂隙经验和国内外类似工程的实践经验，采取下列综合措施，增加岸坡厂房坝段抗滑稳定：适当降低建基面高程，并在坝踵处设齿槽；加大坝体上游底宽，帷幕及排水向上游移，以充分利用坝前水重；在坝基和厂房基础设置封闭的抽排水系统以降低扬压力；在高程51m以下的厂房混凝土与岩坡之间设锚筋及接触灌浆，利用厂房与坝体边坡岩体紧密相靠以增加抗滑力；相邻坝段间横缝设键槽并接缝灌浆以提高其整体作用；对坝基岩体长大裂缝结构面增设预应力锚索加固；在左厂3#坝段坝基增设1条顺流向排水隧洞(高程26m)；对坝基岩面出露的长大裂隙结构面挖槽回填混凝土处理；对临空的高陡边坡进行混凝土支护，并在钢管坝段预留93m高程的纵横向廊道，必要时可进行预应力锚索加固处理。
6.1.3 电站引水管进水口型式
三峡电站水轮发电机组采用单机单管引水，压力钢管直径12.4m，设计流量966m3/s，运用水位变幅达45m。在距进口前12.5m处布置直线形平面拦污栅以减少过栅流速，并设两道栅槽，便于清污、检修置换栅片。为满足电站运行要求，进水口尺寸需要大、高程要低，因此，闸门尺寸大、水头高，需用大容量启闭设备。
设计研究了单孔进水口和双孔进水口两种型式。按常规的大喇叭口体型设计单孔进水口，喇叭口面积为引水管道面积的3.5倍以上，则闸门尺寸和启闭机容量较大，金属结构工程量多，且制造安装难度大。针对三峡电站进水口的特点，从减小其对坝体结构应力的影响及水力损失考虑，采用单孔小喇叭进口体型，进口曲线为变半径双圆弧曲线，喇叭口宽12.11m，高17.62m，孔口高宽比为1.47，孔口面积为钢管面积的1.93倍，工作闸门(宽9.2m，高13.24m)与钢管面积比为1.03。该方案与双线进水口(两孔工作闸门均为宽6.5m，高13.0m；喇叭口宽8.5m，高19.96m)方案通过大比尺(1:30)水工模型对比试验的成果表明，两方案管道的总水头损失，单孔方案小6～11cm，可以认为两方案的水力特性基本相当，单孔方案稍优。设计还比较两方案对坝体削弱的影响，闸门启闭机安装维修及运行条件、金属结构工程量、施工条件等。分析资料表明，单孔进水口的孔口应力较小，对坝体结构有利，双孔将增加钢筋用量，双孔进水口的门体，门槽和启闭机数量比单孔进水口增加一倍。维修工作量相应增多；双孔进水口要求工作闸门同步操作，运用要求严格，事故几率比单孔方案多。双孔方案运行操作条件较差，由于金属结构增多一倍，增加了安装工作量及工期，孔口墩墙结构单薄，钢筋较多，增加混凝土施工难度。因此，从大坝施工条件和安全可靠性讲，单孔进水口为优。推荐采用单孔进水口型式。
根据设计分析、试验研究，为确保进口不出现立轴漩涡，减少水头损失，最终确定的进水口布置有下述调整：①电站进水口底高程由110m，改为108m，闸门尺寸为9.2m´13.2m；②渐变段加长到15m，上斜直段减少到9.63m，与水平面夹角改为3.5°；③工作闸门门槽宽2m，门井沿坝轴向宽9.2m，门井前胸墙厚度6m。
在自重和水荷载共同作用下，孔口拉应力最大断面为渐变段末段。整个电站进水口拉应力值由设计工况和围堰挡水发电控制。为减少拉应力，设计研究了预应力、横缝灌浆、局部横缝止水后移等不同结构措施。
6.1.4 电站引水管结构型式
鉴于电站引水压力管道条数多(26条)、直径大、HD值高(计入水击压力HD=1730m2)等特点，设计对压力管道结构型式进行了深入比较和优选。坝内管段选用钢衬钢筋混凝土联合受力结构。坝后背管段比较了钢管单独受力(即明管)方案和钢衬钢筋混凝土联合受力方案。若按明钢管设计，应选用60kgf/mm2钢材，板厚32～54mm。为避免钢管直接日晒，在钢管外包一层1m厚混凝土。钢管与外包混凝土之间设软垫层PV泡沫板，厚30mm。若按钢衬钢筋混凝土管道设计，尽可能减少外包混凝土钢筋用量，控制钢筋配置排数不少于3层。总安全系数取2.0。钢衬厚度为30～36mm，安全系数为1.2，钢衬钢材有16MnR和15MnNbR可资选择，钢筋制安有圆形筋和螺旋型筋可供比较。考虑日照变化及钢筋混凝土浇筑，钢管外包混凝土厚度为2m。此外设计还研究过预应力钢衬钢筋混凝土引水管。综合分析认为，钢衬钢筋混凝土联合受力结构钢板较薄，有利于保证钢材材质和焊接质量，钢衬可立足于国内钢材，我国建成的水电站中引水管道已采用钢衬钢筋混凝土联合受力结构，具有成功实践经验，故选用钢衬钢筋混凝土联合受力方案。
钢衬钢筋混凝土联合受力管道设计遵循如下原则：①管道环向应力主要由内水压力引起。按极限承载状态，由钢衬、钢筋联合受力计算确定钢材用量；②在设计内水压力作用下，允许外包钢筋混凝土开裂，控制外包混凝土的裂缝宽度小于0.3mm；③钢衬应力需满足二向应力状态强度要求，管、坝共同工作对管道形成的纵向应力由钢衬钢筋混凝土共同承担；④设计时不考虑钢衬与外包混凝土之间有裂隙存在，也不进行接触灌浆。
钢衬钢筋混凝土管道断面采用下部设小贴角的城门洞形断面。管道底部与坝体刚性连接，两侧与坝体设垫层隔开，管坝接触面采用设键槽、凿毛、局部(上、下弯段)设插筋等结构措施以保证接缝面抗剪强度。
大坝与厂房之间设有永久缝，永久缝须进行结构处理。位于河床较低部位的左厂7#-14#机组的引水管道和右厂15#-23#机组的引水管道在厂坝之间设置伸缩节。左厂7#-14#机组的引水管道伸缩节已安装，采用不锈钢波纹止水装置的双套筒伸缩节。位于岸坡部位的左厂1#-6#机组的引水管道及右厂24#-26#机组的引水管道在厂坝之间不设伸缩节，采用长10m的垫层管(明管壁厚60mm)，垫层厚50mm。
6.1.5 电站排沙及排漂
坝址多年平均含沙量1.2kg/m3，多年平均输沙量达5.2亿t。泥沙主要是悬移质，其粒径小于或等于0.25mm的占97.2%。三峡水库采用“蓄清排浑”的方式运用，水库的大部分有效库容，包括防洪库容和调节库容，可以长期保留。据泥沙试验研究成果，枢纽运行30年及54年后，分别有约30%和60%的悬移质泥沙到达近坝区，在此期间电厂坝前淤积的沙量较少，且无粗沙过机问题，不影响电站运行。当水库淤积接近冲淤平衡后，将有85%以上的悬移质泥沙过坝下泄。大坝泄洪深孔较两岸厂房进水口高程低18m，进入坝区的较粗泥沙，一般沿河床深泓自深孔下泄，厂前形成漏斗，保护电站进水口，不致大量淤积。但考虑两岸电站进水前缘较长，为防止进水口淤堵和减少粗砂过机，仍设置了排沙设施。研究比较了分散排沙(每台机组设1个排沙孔)和集中排沙(在厂房中部及端部安装场下部设排沙孔)方案，经综合分析比较，参照葛洲坝水电站排沙孔经验，选用集中排沙方案。根据黄河三门峡枢纽电厂实测淤沙冲刷漏斗纵坡1:30、侧向坡1:6.3～1:6.7；葛洲坝枢纽大江电厂实测淤沙冲刷漏斗纵坡为1:7～1:10，侧向坡为1:7。葛洲坝电站与三峡电站相距40km，水沙条件相似，因此，拟定冲刷漏斗的纵坡比1:10、侧向坡比1:6，据此确定各排沙孔进口高程。在两岸厂房共设置7个排沙孔，其断面为圆形，直径4.5m，进口底高程分别为75m和90m。排沙孔单孔流量350m3/s～400m3/s，进口流速4.5m/s，孔内流速控制在20m/s以内，采用钢板全衬砌。
坝址下游葛洲坝电站运行经验表明，汛期有大量漂浮物至坝前。漂浮物主要是树枝、玉米杆、原木、塑料制品等。三峡库区范围大，流速小，漂浮物来势有所减轻，但汛期漂浮物汇集坝前仍难避免，应采用排漂措施。曾研究先拦后清和坝前导漂方案，因过于复杂，实施较困难，选用设排漂孔方案。通过水工模型试验，根据漂浮物在坝前的运移规律，确定设置3个排漂孔。在泄洪坝段两侧各设1个排漂孔，进口底高程133m，孔口尺寸10m´12m，右岸厂房安Ⅱ段设1个排漂孔，进口底高程130m，孔口尺寸7m´10m。当坝前水位在防洪限制水位135m～145m、下泄流量20000m3/s～56700m3/s时，启用排漂孔，左厂坝前沿回流漂浮物随水流缓慢运移至坝前，通过左导墙排漂孔及纵向围堰坝段排漂孔排至下游。右厂坝前漂浮物通过纵向围堰坝段排漂孔及右安Ⅱ坝段排漂孔至下游。当坝前水位166.7～175m，下泄流量大于56700m3/s时，漂浮物从泄流坝段表孔排往下游。
6.2 双线五级船闸
6.2.1 船闸输水系统及水力学
船闸最大工作水头113m，分为五级，单级最大工作水头达45.2m，为目前世界上规模最大、水头最高的船闸。设计对船闸输水系统充泄水阀门型式及阀门段水力学条件，防空化措施，闸室充泄水水力指标和船舶停泊条件等船闸水力学问题，在南京水利科学研究院、长江科学院、清华大学等几个水工模型同时进行试验研究工作。
船闸输水系统采用长隧洞等惯性型式，每线船闸两侧岩体内对称布置两条输水隧洞，进水口底高程119m，布设在首级闸首上游的引航道内，泄水经末级闸室的泄水廊道，下接箱涵横穿引航道下游隔流堤，从堤外坡脚处进入长江，泄水箱涵底高程44.4m。每线船闸的两条输水隧洞最大输水流量550m3/s，采用城门型断面。闸室充水采用底部纵向四区段出水支廊道顶部设盖板消能的型式。闸室充泄水量为23.7´104m3。模型试验表明，设计方案在任何通航水位条件输水时，过闸船只的纵向系缆力小于5t，横向系缆力小于3t，可满足安全停泊要求。为克服充泄水过程中出现超灌超泄对船闸闸门运行的不利影响，设计采用在齐平水位前，动水关闭输水阀门的措施，使阀门全关时刻的闸室内外水位差小于规定值。通过模型试验，中间级闸室当级间水位差为2.02m(阀门双边运行)和1.17m(阀门单边运行)时，即开始以2min关闭阀门，其最大惯性超高值分别为0.18m及0.14m，可使闸室的超灌超泄值满足小于0.25m的要求。末级闸室泄水，泄水隧洞阀门需在闸室与下游水位差约2.3m时，即开始不小于2min时间内动水关闭阀门，以此控制闸室的水位超降。对充泄水阀门型式比较了正向弧门和反向弧门，两种门型在技术上都是可行的，鉴于反向弧门在国内外高水头船闸均有成熟的经验，特别是葛洲坝工程船闸已经过长期的运行考验，设计选用反向弧门。为解决充泄水阀门及阀门段的振动和空化问题，设计采取适当降低隧洞高程，以保证阀门有足够的淹没水深；操作时快速开启阀门(t1=1～2min)；阀门后隧洞顶部扩大(1:10坡比)及底部扩大的体型；门楣设置负压板自然通气等措施，防止阀门区产生空化气蚀，以保证输水隧洞及充泄阀门安全运行。
6.2.2 船闸引航道布置及通航水流条件
船闸引航道布置及通航水流条件与坝区泥沙淤积关系密切。通过坝区泥沙模型和水工模型对上、下游引航道线路布置方案进行了试验，重点解决水库运行不同历时，引航道内外泥沙淤积对通航水流条件的影响和在各种情况下为满足通航水流条件需要采取的防淤清淤措施等问题。参照葛洲坝工程船闸引航道防淤、清淤的成功经验，三峡工程船闸引航道采用综合防淤、清淤措施，以解决引航道泥沙淤积碍航和通航水流条件问题。(1)
通过大坝泄洪深孔和电站排沙孔将坝前的大部分泥沙排至大坝下游；(2)在上、下游引航道临江侧修建人工防淤隔流堤；(3)将位于升船机右侧施工通航临时船闸改建成冲沙闸，并辅以机械松动及降低下游水位进行冲沙，下阶段研究增设冲沙隧洞加大冲沙流量，以提高冲沙效果；(4)采用自航式高性能挖泥船挖除口门内外未冲走的泥沙。
上下游引航道布置，按通航水流条件要求，控制口门纵向流速小于2m/s，横向流速小于0.3m/s，回流流速小于0.4m/s，涌浪高度小于0.5m。上游引航道总长2113m，口门宽度220m，航道底宽180m，底高程130m。在引航道右侧设置土石隔流堤，将航道与长江主流隔开，形成单独的人工航道。对隔流堤布置方案研究过只将双线船闸置于隔流堤内的“小包方案”和将升船机也置于隔流堤以内的“大包方案”及将临时船闸改建的冲沙闸也包进隔流堤内的“全包方案”。根据坝区泥沙模型试验成果，水库运行（30+2）年，坝前淤积不多，上游引航道不建隔流堤，船闸和升船机引航道的水流条件均可满足通航要求。水库运行50～70年后，引航道泥沙逐渐淤高，水流流速增加，对船舶航行有一定的影响，需采取清淤措施，为此，初步设计采用先建短隔流堤(靠永久船闸1闸首上游长660m)方案，后期根据运行需要再续建“全包”方案的隔流堤。技术设计阶段，经三峡总公司组织专家审定上游引航道隔流堤采用“全包”方案。
下游引航道中心线长2708m，右侧为土石隔流堤，航道底宽从闸首128m逐渐扩宽至180m，底高程56.5m，出口口门宽200m，距坝轴线4.5km，受枢纽下泄水流和波浪影响较小。
水库运行50年至80年，一般年份碍航淤积量上、下引航道各100万m3左右，且主要淤积在引航道口门以外，设计采取在引航道口门处设截沙槽或设水(气)帘破坏异重流进入航道，减少淤积；配备自航式高性能挖泥船挖除航道内的淤沙等措施，可保证引航道的通航水流条件。
6.2.3 船闸高边坡稳定
考虑船闸结构及运行要求，并结合坝区地形地质条件，船闸布置在左岸坛子岭左侧。船闸五级闸室主体段长1621m，均在闪云斜长花岗岩体中深切开挖修建，形成路堑式双边坡。位于第二、三闸室两侧约400m长的边坡高度120～170m，其余边坡高度50m～120m。闸室边墙部位为45m～68m高的直立坡。两线船闸之间保留宽46m～57m，高45m～68m的岩体作为中隔墩。闸室两侧边墙采用锚固于直立岩体上且与其共同受力的钢筋混凝土衬砌式结构。高边坡设计断面呈下陡上缓的喇叭形，闸室直立坡顶部设15m宽的平台，其上按岩体风化程度拟定开挖坡比为：微风化及新鲜岩石1:0.3，弱风化1:0.5，强风化1:1，全风化1:1～1:1.5。两侧边坡每15m高设一级5m宽的马道，在弱风化顶部马道宽10m～15m。为确保长江航运畅通，要求高边坡具有足够的安全性，不能发生任何形式的破坏；边坡形态需满足船闸结构布置要求和便于管理运行维修；边坡的长期变形不得影响船闸闸门和闸室结构安全运用。针对船闸高边坡具有线路长、高度大；岩体深切开挖，地应力释放；边坡轮廓复杂，且边坡岩体作为闸室及墙体结构的组成部分，其运行工况不同于一般边坡工程等特点，设计重点研究高边坡轮廓布置及几何形态和整体稳定分析；岩体渗流场及降低渗流压力的防渗排水措施；开挖卸荷及地应力释放后的二次应力场计算和对形成的塑性区稳定分析；高边坡岩体和结构面在长期荷载作用下，因结构面流变及渗水对裂隙的劈裂作用而产生的变形特性和控制措施；边坡加固支护措施及锚固效果等问题。设计采取下列综合措施，以确保高边坡稳定：在船闸两侧边坡岩体内布置7层共14条排水洞，各排水洞距坡面的水平距离30m～45m，位于直立坡段中部和上部对应部位的排水洞兼作预应力锚索施工洞。在排水洞内钻设1～2排岩体排水孔，孔距2m～2.5m，且上下层衔接，形成一道完整的排水幕，以降低边坡山体地下水位，减小渗透压力；边坡周边设截水沟及排水沟，坡面喷混凝土防止雨水入渗，并设排水孔及排水沟，形成边坡地表截防排水系统，将地表水尽快排离高边坡范围，防止入渗，并阻隔地面及地下的水力联系。边坡开挖施工过程中必须严格控制爆破，采用光面及预裂爆破技术和减震措施，尽量减小对岩石的损伤，发现不稳定块体应及时进行处理，对开挖岩面需及时支护，防止裂隙张开；加强施工过程监测分析，根据监测资料及地质测绘成果进行反馈分析并做好动态设计，使高边坡设计趋于完善优化；边坡加固支护采用系统锚杆、预应力锚索、高强锚杆及喷混凝土等措施，以提高边坡稳定性和改善边坡应力变形条件；边坡防护包括周边拦护网和坡面拦石坎，保护航运安全。
6.2.4 船闸金属结构设计
(1) 船闸人字门及启闭机
船闸人字门共24扇，最大门高38.5m，设计水头36.75m，总水压力12.64´104kN。设计中主要研究闸门的抗扭刚度及增大抗扭刚度的措施，顶枢底枢结构型式与受力状态，支枕垫的安全传力等问题。人字门单扇门叶宽20.2m，厚3.0m，最大门重840t。采用平板横梁式，闸门轴线与船闸横轴线的夹角22.5°。对人字门门体结构、材料等进行了深入研究，并充分考虑疲劳应力对结构的影响和采取对应措施。门体结构上采用变截面变翼缘主梁及优质合金结构钢，适当加强门体边柱，对易于引起应力集中部位用园弧过渡等有效措施，以确保门体具有合理的强度和刚度；优化杆件连接的型式以改善局部受力条件；承压条材料选用不锈钢并增设油滑润装置以防止支承面锈蚀和门轴柱挤卡。人字门顶枢采用楔块调整的A杆刚臂式，对顶枢拉架底部固定体施加预应力以增加其稳定性和控制其变形；底枢采用固定式，适当加大蘑菇头半径，以减小球面承压应力；顶枢及底枢采用自滑润轴承，以防止油润滑不良导致抱瓦而影响船闸正常运行；门底止水改用水平止水以防止闸门振动影响止水效果，同时可减少闸坎泥沙淤积对关闭闸门的影响。
第1闸首人字门高38.5m，最大淹没水深达36m，为目前世界上淹没水深最大的船闸人字门。研究了闸门在启闭过程中动水阻力矩的变化规律和门体所受动态水力特性等问题。对启闭机型式比较了四连杆式启闭机和液压直推式启闭机。根据20世纪90年代国内外液压技术的迅速发展和国外一些大中型船闸的成功运行经验，选用卧式摆动双作用液压启闭机，油缸安装在由滚动轴承支承的双向摆动机架上，活塞杆前端与人字门拉门点通过自润滑球面滑动轴承铰接。该启闭机采用无级变速新技术，并改善影响闸门阻力的边界条件，减少人字门启闭时两头大中间小的阻力峰值，使启闭力减小到2700kN/2100kN，降低了启闭机的技术难度：启闭机按程序形成速度曲线降低了启闭机功率；加设防反向荷载闭锁装置，并在油缸尾部加设了弹性支承，以增加闸门和油缸运行的稳定性，大大提高了人字门运行的可靠性。人字门液压启闭机采用卧缸布置，油缸长8668mm，内径580mm，活塞杆行程7276mm。启闭力2700KN，启门/闭门时间为3.5min/4min，启闭机工作行程7276mm。
(2) 船闸充泄水阀门
船闸第2至第4闸室充泄水阀门尺寸为4.2m´4.5m，工作水头45.2m，设计水头82.0m，总水压力达1.96´104KN，为目前世界上已建船闸最大的阀门。设计采用横梁全包式的反向弧形阀门，以保证门体在动水启闭和承受高水头作用的钢度和强度。门重80t。阀门下游面板为不锈钢复合板，以提高面板抗气蚀破坏的能力，延长使用寿命。在门楣和底坎设通气孔，以防止或减弱门板及底缘的空化。阀门支铰采用自润滑轴承。
阀门启闭机选用竖缸式液压启闭机，启门容量1800KN，阀门启门/闭门时间为2min/4min。阀门吊杆总长最长达72.86m(第3闸首)，采用直径325mm无缝钢管分节制作，相邻节之间用铰连接，吊杆与油缸活塞杆和吊杆与阀门连接均采用铰接。油缸支承为滑动轴铰接，油缸油塞杆采用沿导向槽通过滚轮在启闭行程范围内垂直运行。吊杆设导向槽，以防止启闭阀门过程中吊杆摆动，保证阀门运行安全。
6.3 机电设计中的问题
6.3.1 水轮发电机组
三峡电站机组确定选用700MW混流式水轮发电机组。机组运行水头为：初期（61～94）m，后期（71～113）m，最大水头113m与额定水头80.6m差值达32.4m。由于水头变幅和混流式水轮机转轮叶片不能调节，水轮机在额定水头机组出力700MW时，导叶开度仅为额定开度的60%，偏离最优工况较远，不利于机组稳定运行。针对三峡电站机组具有单机容量大，工作水头变幅大，过机水流含有一定量的泥沙和机组启停频繁等特点，设计重点研究水轮发电机组稳定性能及改善运行稳定性的措施；水轮发电机组主要优选及结构方案；调速器及油压装置选型等问题。鉴于三峡电站机组台数多、容量大，在电力系统中的地位极为重要，必须从机组选型、设计、制造上采取措施，确保机组运行稳定可靠。设计按后期运行水头条件拟定水轮机最优工况的水头高于电站的平均水头，以确保水轮机在高水头运行工况的稳定性和效率，同时也兼顾低水头的运行性能。水轮发电机组主要参数经过反复比较拟定为：水轮机转轮直径9.85m，水轮机额定转速75r/min；额定水头80.6m；额定工况机组过流量966.4m3/s，额定出力710MW，最大出力852MW；发电机最大容量840MVA，功率因素0.9。机组冷却方式比较了全空冷方案和定子水冷、转子空冷（即半水冷方案），推荐全空冷方案。水轮机转轮采用铸焊结构，蜗壳为分节焊接组装结构。发电机采用三个导轴承方案（即半伞式发电机），推力轴承布置在承重下机架上。
调速器采用数字式微机调速器。机组油压装置为分离结构，油压装置压力6.3Mpa。
通过适当提高额定水头。设置发电机最大容量，提出根据水头和负荷分区稳定性考核指标，调整参数等措施，解决了巨型混流式水轮发电机组运行稳定性难题。
6.3.2 三峡——葛洲坝梯级联合调度为目标的综合自动化系统设计为实现最大发挥
三峡——葛洲坝梯级枢纽综合效益的目标，在机电设计中首先提出梯级必须进行统一调度的方案，设计了以梯级调度为中心的综合自动化系统，设立梯级调度中心，下分设左岸电站（含泄水闸控制）、右岸电站、地下电站、葛洲坝枢纽、双线五级船闸、升船机、消防指挥中心等分系统，分系统下设现地子系统，具体涉及到计算机监控和监测、枢纽内外通讯、继电保护、故障录波、工业电视等等，运行实践表明基本上实现了将众多的机电和各种金结设备集成起来，做到安全稳定运行、监控自如、信息及时准确畅通，以利本梯级枢纽最大综合效益的发挥。综合自动化系统涉及地域广宽、监控对象众多、安全性可靠性实时性要求高、技术复杂而先进等特点，在国内巨型水电站建设中尚属首次，在世界水电建设史上也是罕见的。
7 泥沙问题
三峡坝址多年平均年输沙量为5.3亿吨，多年平均含沙量1.19kg/m3(即每吨江水中有1.19公斤泥沙)。三峡水库泥沙淤积与水库长期使用问题关系到三峡工程的防洪、发电与航运效益能否长期发挥，为国内外各界人士所关注。泥沙问题是三峡工程的关键技术问题之一。三峡建委和三峡总公司对三峡工程的泥沙问题极为重视，专门成立了由中国科学院林秉南院士为组长的三峡工程泥沙专家组，全面负责三峡工程泥沙科学研究工作。泥沙专家组与长江委和国内有关科研单位及高等院校通力合作，通过采取原型观测调查，泥沙数学模型计算和实体模型试验相结合的研究途径，取得了突破性的科研成果。
泥沙对三峡工程的影响主要在库内、坝区和坝下。泥沙淤积在水库内，将影响工程使用年限，水库库尾变动回水区泥沙淤积对航道及港区造成不利影响；坝区泥沙淤积将影响船闸、升船机和水电站运行；大坝下泄水流含沙量减少，挟沙能力处于不饱和状态，清水下泄，引起坝下游河床冲刷和航道演变，将对堤防安全和航运造成影响。三峡工程采用“蓄清排浑”运行方式，汛期6月～9月（入库泥沙占全年总量的89%，水量占全年63%）库水位降至防洪限制水位145m（水库为防洪需要腾出库容，准备发生大洪水时蓄纳洪水），其泄洪能力达40000m3/s以上，能较多的将洪水中的泥沙排向下游，减少库区淤积，可将汛期库内泥沙淤积限制在降低了的库水面以下，淤在库内的泥沙也大都在死库容以内，并可减少库尾段的泥沙淤积。汛后10月份来沙少时开始蓄水，库水位逐渐升高至正常蓄水位175m运行。12月至次年4月库水位逐渐降落，大坝泄放流量以满足发电和航运的需要，但消落最低水位不得低于155m，以保证满足水库变动回水区的航道水深要求。5月至6月上旬水位降至防洪限制水位145m。根据三峡水库淤积数学模型计算分析，采取“蓄清排浑”运行方式，在未考虑上游干支流修建水库的前提下，三峡水库运行80年至100年后，水库冲淤将基本达到平衡，水库仍能保持86%的防洪库容和92%的兴利库容，长期发挥防洪、发电和航运效益。
三峡工程采取优化调度、疏浚和整治等综合措施，使库尾变动回水区航道及港口航运通畅。三峡工程大坝设计泄洪深孔布置低于电站进水口18m，并在电站进水口下部设置排沙孔，使大坝前的泥沙淤积低于电站进水口，保证水轮发电机组正常运行。在船闸及升船机航道部位设置冲沙闸（冲沙洞）冲沙，并辅以疏浚清淤，保证船闸及升船机正常运行。对清水下泄引起坝下游河床冲刷问题需列专项研究并进行治理，以确保长江堤防安全及航运通畅。泥沙专家组经过认真的研究分析，对三峡工程泥沙问题得出的结论是：“三峡工程泥沙问题经过研究，已基本清楚，是可以解决的。”
8 结语
三峡工程设计中的重大技术问题，通过大量的科学试验研究和计算分析，并认真学习和借鉴国内外水利水电工程设计施工运行经验，都已妥善解决。鉴于三峡工程规模巨大、技术复杂，我们遵照“在长江上建坝战战兢兢、如临深渊、如履薄冰”的教导，本着科学、严谨、求实态度、虚心听取业主单位、监理单位、施工单位和全国各有关设计、科研单位、大专院校对三峡工程设计的意见和建议，在三峡工程建设中遇到的一些技术难题，我们根据施工实际情况及时修改、完善、优化设计，与各参建单位共同努力把三峡工程建成世界一流工程。
