大坝选址科学原理——以三峡大坝为例

大坝理论上应选择背斜，因有天然拱形支撑，承重。不选向斜，是恐有漏水之欤，因其地下含水层好象一个连通器，从坝下方把水流出去。

亦不选断层，恐引发较强地震，使工程遭破坏。

实际中，选址主要考虑：岩性、坚固性、渗水率。且所在地地质无破坏性地震历史，位于稳定地块而非活动带，岩性坚硬，周围无明显山体移动、无大的应力释放及岩崩等。背斜、向斜均有建坝者，一般不选断层，因其具有断层活动性。

三峡坝址是建在背斜上，基底是很坚固的花岗岩，是一个稳定性高的刚性地块。

(1)大坝选址：三峡大坝选址之初，从三峡出口南津关起，上溯至石牌止，13公里河段中初选了5个坝段，统称为南津关石灰岩坝区。另外，从莲沱起，上溯至美人沱止，25公里河段中初选了10个坝段，统称为美人沱花岗岩坝区。然后，对这15个坝段进行勘察研究，经筛选，选择南津关坝区的南津关坝段和美人沱坝区的三斗坪坝段进行深入的地质勘察。1959年，初定美人沱花岗岩坝区为三峡工程坝址。美人沱花岗岩坝区的10个坝段，地质构造背景、岩性条件基本相似，地质条件的差异主要反映在河谷地貌和岩石表面风化深度两个方面，大体分为两种类型，经比较，一类选择了中等宽河谷的太平溪坝段为代表，另一类选择了宽河谷的三斗坪坝段为代表。前者适合于布置地下厂房，工程防护条件较好；后者适合于布置坝后式厂房，施工场地开阔。这两个坝段均具备兴建混凝土高坝的地质条件。由于三斗坪坝址地形开阔，河谷宽达1000余m，右侧有中堡岛顺江分布，

两岸谷坡平缓。基岩主要为前震旦纪斜长花岗岩，岩性均一、完整、力学强度高。微风化与新鲜基岩饱和抗压强度100MPa，变形模量30～40GPa，纵波速度大于5000m/s。岩体透水性微弱，单位吸水量一般小于0.01L/(min•m•m)。坝区有两组断裂构造，一组走向北北西，一组走向北北东，倾角在60°以上。断层规模不大，且岩石胶结良好。花岗岩体的风化层分为全、强、弱、微4个风化带。风化壳的厚度(指全、强、弱3个带)在两岸山体地地段较大，可达20～40m，漫滩地段较薄，主河床中一般无风化层或风化层厚度较小。库区和坝区地壳稳定，地震基本烈度为6度，建筑物按7度设防。水库建成后，可能产生的水库诱发地震，估计最高震级为5.5级。水库库岸总体稳定条件较好。

(2)运输通航：三峡船闸学名是双线五级连续船闸，位于大坝左侧的坛子岭外侧，世人称之为“长江第四峡”，每个闸室长280米，宽34米，这个大小和现在的葛洲坝的船闸大小是一样的，不过葛洲坝是单级船闸。按设计，三峡船闸的年通过量是5000万吨，通过的单体船只最大为3000吨，万吨船队可以直接通过船闸。大坝如果蓄水到175米，船闸工作的水位上游是175米，下游工作的最低水位是62米，水位相差113米，这个落差就是三峡船闸工作的总水头。如果是一艘船从下游通过船闸到上游，就相当于爬了40层楼。连续5级船闸编号从上游开始，上游是第一级船闸，下游是第五级闸室。五级船闸除了五级闸室外，还包括从上游引航道和下游引航道，全长6442米。其中，从第一级船闸上闸首至第五级船闸下闸首长1607米。

三峡船闸的闸门是“人字门”，共有12对闸门，其中最大的单扇尺寸为20．2米×39．5米，如果两扇门合在一起差不多有3个篮球场那么大，是目前世界上罕见的巨型闸门。闸门安装要通过测量、吊装、焊接三道技术难关，涉及声、光、电、力、冶金等10多个学科知识，技术难度之高居当今世界同类工程之首。人字门承担单向水头，越压越紧，最大重量350吨，这么大的门关合之间缝隙只有0．2毫米，从尺寸和重量来说，都可称为“天下第一门”。

船闸为何分为五级？三峡船闸为五级船闸，这样船只通过最快也要大约2小时35分钟，为什么要这样设计呢？大坝蓄水到达175米后，上下游的落差达113米，这就是船闸的工作水头。113米的设计总水头，远远超过了目前世界上单级船闸已达到的安全工作水头。三峡船闸的规模和规划运量大，不适合采用带有节水设施的特高水头单级船闸的方案。因此，必须对船闸进行分级。连续多级船闸的水级划分方式，与枢纽上、下游水位变化的条件，坝址的地形、地质条件，工程的技术难度，船闸运行分期、船闸工程量、造价、船闸运行和管理的条件等因素有关。经过研究比较，采用将总设计水头分为5级。船只怎样过船闸？正常情况下，两线船闸一线上行一线下行，各自独立运行，若一线需要检修，则另一线采用成批过闸、定时换向的方式。

考虑到三峡工程分阶段施工，水库分期蓄水和船闸建成后上下游水位变幅很大的特点，以及船闸在三期施工期投入运行的要求，船闸运行需根据通航要求和水位条件采取多种不同的运行方式。船闸建成而整个三峡工程尚未完工期间，上游水位将保持在135米。当下游水

位低于67米时，使用后四级船闸运行，第一闸室仅作为过船通道，运行时第三闸室需从水库补水。当汛期下游水位达到67米以上时，船闸可只采用三级运行，不需要补水。为了缩短过闸时间，船只过闸是连续的。三级、四级运行时最多可有两批船队在同一线同时过闸，五级运行时最多可有三批船队在同一线过闸。以五级下行为例：当先行船队A由第四闸室进入第五闸室时，后续的第二批船队B由第二闸室进入第三闸室，第三批船队C则可从上游水库进入第一闸室。

(3)大坝发电：三峡大坝水电站的厂房紧靠挡水大坝下游，发电引水压力钢管通过坝体进入水电站厂房内的水轮机室，这样布置的电站叫坝后式水电站。大约有十层楼那么高的厂房里，有两层吊车，下层是半门式起重机，上层为桥式起重机。桥机巨臂舒展，1600多吨重的发电机转子和厂房内各种庞大设备，都是靠这个"超级巨人"准确地放到指定位置。主厂房下面两层，分别是将水能转化成机械能的水车室，将机械能转化成电能的发电机室。世界上最大的电机转动之后，将发出如雷鸣般的巨响。

在主厂房上游的副厂房里，密密麻麻布置着发电机出线及各种电气设备，其下层安装主变压器。三峡水电站采用"一机一变"的组合方式，即一台水轮发电机组配备一台主变压器，一台变压器的重量就是450吨。三峡的电流将从这里出发，通过三峡输变电工程被送往大江南北。