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中國大陸水力資源理論蘊藏量達6億kW，技術可開發裝機容量達5．4億kW，經濟可開發裝機容量達4．0億kW，水力資源居世界第一位。1949年以前，我國水電裝機容量不過360MW。新中國成立以來，我國的水電工程建設發展迅猛，特別是近十余年來，三峽、溪洛渡、小灣、龍灘、水布埡、構皮灘、彭水、拉西瓦、錦屏、向家壩等多座高壩大庫相繼投入運行，中國水電工程建設取得了舉世矚目的成就，截至2014年底，我國水電裝機3．02億kW，約占全球水電裝機總量的1/4。按規劃，2020年裝機將達到3．5億kW，水電開發還具有巨大的潛力。依托以三峽工程為代表的一批國家重大水電工程建設，通過原始創新、集成創新、引進消化吸收再創新，我國的水電工程在筑壩技術、電站技術、通航技術等關鍵技術上取得了許多重大突破。目前，我國水電工程的建設規模、技術難度和技術創新等方面都已進入世界先進和領先行列。

1水電工程技術創新實踐

1．1壩工技術

1．1．1混凝土重力壩20世紀50年代以來，我國建成了一批高混凝土重力壩，積累了豐富的高重力壩設計施工經驗，取得了諸多重要成果和突破性進展［1］，如大壩深層抗滑穩定技術、多層大孔口結構技術、大壩溫控防裂技術等。三峽大壩按1000a一遇洪水流量98800m3/s設計，按10000a一遇洪水加大10%洪水流量124300m3/s校核。大壩所需泄洪前緣和電站進水口前緣長度均較長，工程布置困難，且1～5號壩段深層抗滑穩定問題突出。針對三峽大壩高水頭、泄洪量大、排沙量多等特點，對泄洪壩段采用表孔、深孔和導流底孔3層相間布置，以縮短泄洪前緣長度;利用左導墻、縱向圍堰和右岸非溢流壩段布置3個泄洪排漂孔;左、右廠房壩段共設10個排沙孔，在150m水位下兼用于泄洪。采取上述措施，使泄洪前緣長度控制在483m，不僅滿足了泄洪、排沙、排漂及施工導流等功能，同時也解決了泄洪壩段與電站布置的難題。三峽大壩泄洪壩段布置有22個表孔、23個深孔、22個導流底孔，其中表孔尺寸8m×17m，深孔尺寸7m×9m，底孔尺寸6m×8．5m，壩體孔洞多、孔口大、門槽多，壩體多層大孔口結構體型復雜。設計中通過優化孔口布置，使表孔、深孔、底孔錯層相間布置，以合理利用有限的泄水前緣長度;在壩段中央布置泄洪深孔，表孔跨縫布置，其下方布置導流底孔;通過孔口體型優化、橫縫接觸灌漿等措施，改善了孔口應力，增大了壩體側向剛度，減少了孔口對壩體剛度的削弱，提高了結構安全裕度。三峽左岸1～5號壩段為電站廠房壩段，緩傾角結構面發育，傾角20°～30°，最大連通率達83．1%，深層抗滑穩定問題突出。通過采用廠壩聯合受力、壩踵設置混凝土齒槽、廠壩基礎聯合封閉抽排、固結灌漿、相鄰壩段橫縫灌漿、預應力錨索加固等綜合處理措施，有效解決了深層抗滑穩定問題。

1．1．2高拱壩2000年，我國建成了最大壩高240m的二灘混凝土拱壩，成為中國拱壩建設的里程碑。繼二灘大壩之后，壩高285．5m的溪洛渡、壩高294．5m的小灣、壩高305m的錦屏一級等一批特高拱壩相繼建成。巖溶地區最高的拱壩———構皮灘拱壩壩高達232．5m，亦投產發電。超高拱壩建設需解決壩基壩肩巖體變形與抗滑穩定問題、強震區抗震安全問題、泄洪消能問題等。近十余年來，我國在高拱壩設計理論與施工技術方面取得了許多重大突破，如巖溶地區高拱壩樞紐布置、高拱壩體形優化設計、大功率泄洪消能技術、大壩抗震設計等。針對復雜巖溶對拱壩穩定與變形的影響問題，結合構皮灘雙曲拱壩工程實踐，研究提出了巖溶地區“精細勘探、大壩優先、避讓為上、系統兼顧”的樞紐布置原則，解決了巖溶地區優良巖體范圍有限所導致的水工建筑物布置難題，為巖溶地區筑壩提供了新思路。

1．1．3碾壓混凝土壩碾壓混凝土技術具有機械化程度高、簡化施工程序、縮短工期、節省投資等優點。目前，我國已建在建的碾壓混凝土壩有120余座，無論數量、規模、技術難度、工藝水平均處于世界領先地位。其中世界最高的碾壓混凝土重力壩龍灘水電站，壩高達216．5m，獲得“碾壓混凝土國際里程碑工程”榮譽。在三峽三期碾壓混凝土重力壩圍堰建設中，通過提出的適應快速施工的結構措施、相應快速施工技術，創造了最大月澆筑強度47．5萬m3、最大日澆筑強度21066m3、連續上升37．5m的世界紀錄，其最大澆筑強度已超過國內外當時紀錄的1倍以上［1］。由我國設計建造的馬來西亞沐若水電站碾壓混凝土壩，首次提出了“壩體上游設置防滲區+強化碾壓層面施工質量+利用壩面排水孔全面壓水檢查澆筑缺陷+灌漿強化處理澆筑缺陷”的先進壩體防滲設計技術，及熱帶雨林地區碾壓混凝土施工工藝與質量控制技術，為多雨地區碾壓混凝土大壩建設提供了寶貴經驗。

1．1．4高堆石壩土石壩由于其具備對基礎條件良好的適應性、就地取材、能充分利用開挖料、造價較低等優點，是世界各國廣泛采用的壩型。土石壩類型多樣，其中近年來我國在高混凝土面板堆石壩與高心墻堆石壩筑壩技術上發展迅猛。(1)混凝土面板堆石壩。混凝土面板堆石壩具有較高的安全性、經濟性和適應性等優點，具有很強的競爭力和生命力。目前，我國已建在建壩高超30m以上的混凝土面板堆石壩達210余座，其中水布埡面板堆石壩壩高233m，是世界上已建、在建的最高面板壩，是“面板堆石壩里程碑工程”。針對面板壩建設中存在的難題，如高應力下堆石體力學特性變化、超高壩變形控制、適應大變形的止水結構與材料等，相關單位通過自主創新、集成創新，在壩料性能及試驗方法、壩體變形控制、大壩防滲系統結構和材料、大壩施工與質量控制、大壩性狀監控及安全評價等方面均有重大創新和突破，形成了一整套超高面板壩筑壩關鍵技術體系［2］。如“壩體變形時空預沉降控制法”、“反抬法”預壓以及下游堆石區與主堆石區同參數施工等技術，有效解決了高面板壩變形控制難題;以表層為主的面板止水系統的設計新理念與相應的結構措施，以及面板中上部設置永久水平縫的結構措施，可顯著提高面板適應壩體變形的能力。(2)心墻堆石壩。國內100m級高心墻堆石壩較多，先后建成了碧口、石頭河、魯布革、茅坪溪、水牛家等，積累了豐富的工程經驗;200m級已建成小浪底、瀑布溝。特別是近十余年來，高心墻堆石壩技術取得了較快發展，在建的長河壩壩高240m，而壩高261．5m的糯扎渡水電站已于2014年全面投產;擬建的300m級兩河口水電站壩高達295m、雙江口水電站壩高達314m。結合工程實踐，我國對高心墻堆石壩壩體結構與材料分區、大壩變形及滲流控制、壩體分析方法、大壩安全評價及預警等關鍵技術開展了系統研究，形成了超高心墻堆石壩靜動力穩定分析理論與方法、滲控分析方法、設計準則與筑壩成套技術，建立了超高心墻堆石壩安全綜合評價體系［3］。

1．2電站技術

1．2．1巨型機組設計制造技術水輪發電機組是水電站的“心臟”，其設計制造直接關系到水電站在各種運行方式下的穩定性。三峽工程之前，我國國內最大的電站機組僅為320MW。三峽工程設計施工中，通過創新思路，以市場換技術，成功實踐了“引進、吸收、消化、國產化、再創新”的技術和產業發展道路，取得了許多關鍵技術，研究開發出世界首創的全空氣冷卻700MW級水輪發電機，并在三峽地下電站800MW發電機上首次采用全空冷和蒸發冷卻方式，打破了巨型機組只能采用風冷技術的論斷。對三峽工程而言，在同一電站的巨型水輪發電機中同時采用全空冷、半空冷和蒸發冷卻3種冷卻方式，推動了水輪發電機冷卻技術的進步和發展［4］。通過三峽工程實踐，我國實現了巨型水電機組的國產化，并推廣應用至向家壩電站(單機容量800MW)、溪洛渡電站(單機容量770MW)等后期建設的大型水電站，為我國重大技術裝備的發展作出了重要貢獻。特別是目前自主研發了百萬級巨型機組成套技術，使我國巨型機組設計制造技術水平跨入世界領先行列。

1．2．2巨型機組蝸殼埋設技術蝸殼埋設技術關系到機組穩定運行與廠房結構安全。三峽電站蝸殼進口直徑及控制結構變形的HD2值為同期世界最大，而蝸殼外圍混凝土相對較薄。大型電站蝸殼埋設國外均采用充水保壓技術，在三峽工程建設工程中，研究發現該技術需7道工序，工藝復雜、施工困難、工期長、投資大。在系統研究保溫保壓埋設、墊層埋設、直埋設等方式的基礎上，研發了巨型機組蝸殼“組合埋設”新技術，建立了相應的技術標準。組合埋設技術只需兩道工序，大大簡化了施工，有利于縮短工期。三峽巨型機組蝸殼不同埋入方式在電站的成功實施以及完整設計技術體系與相關技術標準的形成，不僅保證了水電站引水發電建筑物及機組安全穩定運行，而且為巨型機組相關行業規范制定技術標準奠定了基礎，提高了我國水電行業的競爭力。組合埋設技術完全取代了國外的充水保壓技術，已被國內外后續的多座巨型電站采用。

1．2．3大型地下電站洞室穩定控制技術我國大型地下電站多位于西部高山峽谷區，單機規模大，洞室穩定控制技術難度大。隨著一批復雜地質條件下大型地下電站洞室的成功建設，我國在大型地下電站洞室勘察、設計等方面積累了豐富經驗，取得了眾多創新成果，如大型洞室“巖體穩定拱”設計理論［5］、地下電站“單洞型”布置新型式、廠房軸線與巖層走向“小交角”布置的設計新理念、大型洞室巖溶軟巖及大型關鍵塊體處理的成套綜合新技術等。三峽地下電站應用“巖體穩定拱”設計理論，成功建成了埋深最小的大型地下電站;彭水地下廠房采用“小交角”布置，成功避讓了巖溶系統，并采用“單洞型”布置、高邊墻變形綜合控制技術，順利建成首座洞軸線與巖層走向呈零度交角的大型地下廠房。

1．3高壩通航技術內河通航建筑物主要分為船閘和升船機兩大類。以長江三峽雙線連續5級船閘、長江三峽水利樞紐垂直升船機為代表的通航建筑物，使我國水利水電工程通航技術水平躍居世界前列。

1．3．1船閘三峽船閘通航水頭達113m，通航標準高，要求大壩泄洪達56700m3/s時萬噸船隊安全過閘，而且工期緊，須在2003年蓄水時投運，避免長江斷航。船閘設計面臨船閘結構型式、深切高邊坡穩定、高水頭大流量輸水、巨型人字門及啟閉設備等關鍵技術問題［6］。三峽船閘長達1600m的主體建筑需沿山體深挖(最深170m)后建造，設計成雙線(上、下行)5級，每一線船閘分別設有5個閘室，每個閘室長280m，寬34m，由10個大型船閘組成，檻上最小水深5m，首末船閘上下游落差達113m。船閘若采用傳統重力式結構，開挖及混凝土量巨大、工期長、高邊坡復雜。基于三峽船閘良好的地質條件，研究采用“全襯砌船閘”新型式，閘首和閘室墻全部采用鋼筋混凝土薄襯砌結構，通過專門研制的拉剪型高強錨桿，形成襯砌－錨桿－巖體聯合受力的全襯砌船閘結構體系，共同承受人字門、水壓力和船舶等荷載，有效減少了工程開挖和混凝土量，降低了高邊坡施工難度。三峽船閘高邊坡采用預應力錨固技術，對邊坡巖體進行系統和隨機加固支護，通過截、防、導排等措施，在邊坡巖體一定范圍疏干地下水，減小滲水壓力，并嚴格控制施工程序與開挖爆破，有效解決了高邊坡的變形穩定問題。三峽船閘單級閘室最大輸水水頭45．2m，最大輸水流量720m3/s。高水頭大流量條件下，船閘采用“高空化數輸水廊道”技術，解決了特高水頭船閘輸水系統閥門空蝕與振動等難題;采用改進型“等慣性輸水系統”，保障了船舶在閘室內安全停泊和升降;采用等慣性分散正向進水和旁側泄水方式，使上下游引航道具有良好的通航水流條件。閘室采用人字門擋水，雙線5級共24扇門。每扇門長38．5m、寬20m、厚3m，最大單扇門重850t，其外形與重量均為世界之最。船閘采用“低周高應力”人字門結構設計理論，解決了巨型人字門易產生疲勞裂紋的問題，采用液壓啟閉機“無級變速”和“負載分級平衡”技術，解決了大淹沒水深人字門運行時大型臥式細長油缸的穩定性問題。

1．3．2升船機三峽升船機過船規模為3000t級，上下游水位差達113m，且航道水位變幅和變率均較大，其中上游水位變幅30m，下游水位變幅11．8m，變率±0．50m/h;受船閘充、泄水影響，上、下游引航道水流通航條件復雜。通過比選，采用齒輪齒條爬升式垂直升船機，船廂有效水域為20m×18m×3．5m，船廂總重11500t，最大提升高度113m。升船機設計面臨船廂全平衡及安全控制、承重塔柱變形要求嚴等關鍵技術問題［7］。三峽工程升船機采用齒輪齒條爬升式垂直升船機技術，當船廂升降中發生漏水等失衡事故時，安全機構可隨時將船廂鎖定在螺母柱上，避免發生船廂墜落或沖頂事故，安全可靠性高。針對承重塔柱變形控制嚴的難點，采用“墻－筒體－墻－筒體－墻”的整體對稱結構，滿足塔柱結構的整體剛度要求，保證塔柱與船廂變形協調。繼三峽水利樞紐垂直升船機之后，該關鍵技術已在向家壩升船機等工程中得到推廣應用。

1．4其他除了上述介紹的筑壩技術、電站技術、高壩通航技術外，依托多個大型水電站的工程實踐，水電工程在復雜地形地質條件下的綜合勘探技術、高水頭大流量泄洪消能、深水大流量高落差截流、深厚覆蓋層處理、水工新材料、大型水電工程施工與建設管理等方面均取得了巨大的成就，為我國的水電建設提供了強有力的技術支撐。

2我國水電工程面臨的挑戰與創新方向

2．1面臨的挑戰

2．1．1更加惡劣的自然條件隨著西部大開發和西電東送的大力推進，我國水電工程建設重點地域也從中、東部轉向西部。未來的高壩大庫多集中在這些高海拔、高寒、高地震烈度、高陡邊坡地區，水電工程面臨的自然環境更加惡劣。在高海拔、高寒地區修建大壩，壩基冰凍覆蓋層與破碎巖層一般難以挖除，冰凍覆蓋層與破碎巖層在蓄水后的變形和滲流控制難度大;高海拔、高寒地區筑壩材料抗冰凍和耐久性問題突出;有效施工時段短，加之高海拔地區缺氧等惡劣環境下，施工人員和機械設備作業困難，施工質量控制難度大;高強度地震可能帶來壩體結構與基礎破壞或嚴重變形、壩體液化、涌浪超高，或堰塞湖等危害。

2．1．2生態環境更加脆弱西部地區是我國生態環境最脆弱的地區，環境承載力低。修建高壩大庫，可能會引起多年凍土層融化。這種變化使區域地下水位及生態水位發生重新分配，結果表現為水分不再被局限于近地表土層的深度，植物可利用的水分大為減少，可能導致短根系植物枯死，生物多樣性減少，植被退化，土地荒漠化趨勢增強等生態環境問題。特別是海拔3700m以上高寒植被一旦遭到破壞，其恢復和再造將非常困難。

2．1．3工程移民更加困難工程移民本身是一個非常復雜的社會問題。西部地區本身可用于耕作的土地資源就十分稀缺，筑壩蓄水淹沒了大量可耕作的土地，人多地少矛盾更加突出，傳統安置方式難以滿足移民安穩致富要求。西部又多為少數民族聚集地，生計模式、社會結構特殊，宗教文化復雜，這些更增加了移民的難度。水電工程建設區，地方經濟基礎薄弱，地方政府對水電開發促進經濟發展寄予厚望，導致水電開發企業工程移民投資大，影響了水電開發企業的積極性。

3科技創新方向的探討

針對我國水電工程建設面臨的新挑戰，未來需要從安全、技術、環保、移民等方面開展研究。

3．1提升工程安全理念工程建設安全自始至終是開發水電資源的先決條件，拋棄工程安全，一味追求世界第一的虛榮心理，是不理智的行為。面對新挑戰，必須要革新工程安全文化理念，包括公開透明、以人為本、加強投入。公開透明，就是要系統分析工程建設區域可能存在的安全風險，并使工程建設參與各方對安全風險有深入認識。人是各種生產要素中最活躍的因素，以人為本就是要確保人的安全。高寒、高海拔、高陡邊坡地區，空氣稀薄，自然環境條件惡劣，需加強投入，提高勞動安全保障措施和標準。

3．2提高工程技術水平

3．2．1完善與提升技術標準體系目前我國設計標準“政出多門，參差不齊”，應協調統一現有國家標準、行業標準(電力標準、水利標準)、地方標準。未來水電工程建設的趨勢是高壩大庫，現有的技術標準適用范圍有限，應總結高壩建設的實踐經驗，拓展完善現有標準。我國雖已成為水電建設的主戰場，但設計標準尚未與國際接軌。隨著“一帶一路”戰略的提出，我國水電建設理應借此東風，推進標準國際化，加快國際化進程。

3．2．2研發及實踐“四新”技術探索應用新材料、新技術、新工藝、新設備，提升工程建設能力。針對高寒地區施工，研發高性能混凝土，提高抗凍性、抗碳化等耐久性能;面對西部高地震烈度建設環境，研究總結高地震烈度下高壩抗震技術，支撐后續工程建設;高寒、高海拔地區基礎處理更加復雜，應探索高寒、高海拔地區基礎處理工藝;針對高海拔地區，傳統的地質勘探手段受到限制，應研發地質勘探的新設備。

3．2．3應用現代信息技術信息技術在水電工程中的應用，使信息的重要生產要素和戰略資源的作用得以發揮，使人們能更高效地進行資源優化配置，從而推動水電行業不斷升級，提高社會勞動生產率和社會運行效率。“大數據”、云計算、BIM、“4S”技術等現代信息技術，能實現工程設計數字化、可視化、協同化，工程建設管理監控自動化、管理規范化，及工程運行管理高效化、智能化。

3．2．4倡導綠色水電開發受能源需求的約束，水電適度開發是大勢所趨。在水電工程建設中，需強化高原生態環境保護研究，深入研究高原高壩大庫對氣候及生態環境的影響及保護措施。如永久凍土層融化對生態環境的影響，氣候改變引起冰川變化，水量、水質變化對上下游環境與生態的影響，河流生態系統變化對生物群落的影響。在高原地區建設水電工程，需深入論證，在保護生態的前提下，綠色開發水電，實現可持續發展。

3．2．5重視水庫移民問題水電建設往往涉及大量移民，移民問題是水電工程能否順利實施和最終成敗的關鍵。水電建設移民安置要與時俱進、以人為本，深刻認識水庫淹沒對移民造成的損失和機遇，用動態和發展的觀點，把移民安置放在更大的時空范圍去謀劃，突破“三原”補償限制，推動水電開發和當地經濟社會可持續發展。探索新型移民安置方式，搭建良性發展平臺，積極推動農業結構調整，發展優勢農業。探索“靈活就業+技能培訓+社會保障”的綜合安置模式。重視移民社會重建，增強移民歸屬感、認同感和融合度，物質方面與精神方面重建并重;構建居住安全、功能配套、鄰里和諧、環境優美的新社區。突破“三原”補償限制，建立庫區和安置區經濟社會發展的長效機制。重視有形損失補償，適度關注無形損失補償，加大后期扶持力度，共享工程效益。

4結語

在全球倡導綠色能源及我國大力實施減能減排的大背景下，我國能源結構亟需調整，水能資源需綜合開發利用，未來大多數工程處于我國西部，自然條件更加復雜，只有通過不斷創新，才能解決工程建設中的關鍵技術難題，并推進水利水電行業的科技進步，使我國真正由水電大國成為水電強國，水電技術走出國門，引領世界。

作者：鈕新強 單位：長江勘測規劃設計研究院 國家大壩安全工程技術研究中心