4 三大骨干梯级电站设计中的技术进步
4.1 二滩水电站
4.1.1 工程概况
二滩水电站是我国二十世纪建成的最大的以发电为主的水电枢纽工程，系雅砻江梯级开发的第一座水电站。控制流域面积116400km2，占全流域面积的90%，水库正常蓄水位1200m，总库容58亿m3，调节库容33.7亿m3，属季调节水库，电站总装机容量330万kW，（6台55万kW混流式水轮机组），多年平均年发电量170亿kW.h，保证出力100万kW.枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物、地下厂房、引水和尾水建筑物组成。混凝土双曲拱坝坝高240m，是我国建成的第一座超过200m的高坝，居同类坝型世界第三位，亚洲第一位。拱坝坝体最大泄洪水量16300m3/s，居世界之首，地下厂房装机规模居世界同类型厂房第四位。
4.1.2 坚持科技创新，创一流工程设计
二滩水电站自1972年进行规划选点，到1985年完成初步设计报告，前后经历13年的时间，虽然已做了大量的勘测设计工作，但限于当时的勘测、试验、设计水平和手段，在复杂的区域地质及工程地质条件下，修建高240m的薄型双曲拱坝；岩石初始高应力条件，开挖大型地下厂房洞室群等问题，不仅是国内、也是国际筑坝技术和地下工程遇到的难题。这使当时我院的设计工作面临巨大的挑战。
为此我院在二滩工程招标设计前的优化设计过程中，针对重大（关键）技术问题进行了大量的科技攻关与技术创新工作，为二滩创一流设计提供了强有力的支撑和保证。
查明工程地质条件是做好设计工作的关键，而做好勘测工作是必要的基础条件。在二滩工程的勘测过程中，我院不断总结已有经验，针对以往勘测技术中存在的困难和问题，在工程钻探、工程物探、水文地质测试等方面，结合生产及工程重点技术难题开展了科研攻关，研制和开发了一整套勘测关键新技术体系，如岩芯定向技术、沙卵石层取芯配套技术、3000系列测井改造、高分辨工程地震勘察技术、卫星遥感技术等，这些技术在二滩工程中广泛应用，不仅提高了勘测工作的质量，也提高了工作效率。这套勘测关键新技术体系经国家有关部门组织鉴定，总体上达到国际先进水平。
正确认识和合理评价坝基工程地质条件，不仅关系到坝基岩体利用是否合理、相应的基础处理措施是否适宜，而且对工程的安全、降低工程造价、缩短建设周期也有十分重要的意义。为此，我院结合二滩工程开展"七五"重点科技攻关专题 "高坝坝基岩体稳定性评价及可利用岩体质量标准的研究"工作，通过实践总结和大量的试验研究、地质专题研究工作，建立了坝基岩体工程的"分层多元系统分析法"，形成与发展成为一个比较完整的高坝坝基岩体工程研究体系，该项研究成果应用到二滩拱坝建基面优化研究论证中，不仅使开挖量减少，基础处理方案得到改进，而且使枢纽工程布置更为合理。专题科研成果总报告经部级鉴定，整体水平已达到国际领先水平，这套岩体力学参数取值的分析体系和取值方法，已纳入新编国标《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）中，产生了巨大的社会效益。
拱坝结构设计是二滩工程的设计难点，我院通过组织进行"七五"国家重点科技攻关"高混凝土坝设计计算方法与设计准则专题"研究工作，结合二滩高拱坝合理体形及优化设计；高拱坝应力和分析计算方法；高坝抗震设计；混凝土材料特性；拱坝可靠分析及高拱坝的设计准则等重大技术问题进行科研攻关，研制了一批具有国际先进水平的应用软件，完善和丰富了拱坝计算分析方法，形成多种配套的拱坝计算系统。它反映了拱坝设计在国际上的发展趋势，达到了国内外先进水平，为二滩拱坝设计提供了新的理论基础，为拱坝设计规范修订提供了重要参考依据。
在大江大河的狭窄河谷上修建高双曲拱坝，并利用坝身宣泄大流量洪水，一直是引起国际水电界争论且没有攻克的技术难题。我院结合二滩泄洪消能工程设计优化，开展了国家"七五"科技攻关"高混凝土坝泄洪和消能的研究"工作，针对河床窄、泄量大的特点，提出了"分散水流、分区消能与稳固岸坡和河床、提高抗冲能力相结合"的设计原则，运用模型试验和数值分析等多种手段，全面研究了二滩水电站的泄洪消能布置。通过坝顶表孔溢洪道和坝身泄水中孔的体形优化、泄洪对坡岸稳定的影响及防冲保护措施、泄水建筑物掺气减蚀措施、泄洪时的动水荷载对坝体振动影响、泄洪消能布置方案可靠度和洪水标准论证、泄洪隧洞的体形优化、防止高速水流气蚀破坏等重大问题的研究，优化了各泄水建筑物的体形设计。优化设计成果与初步设计相比，缩短了水垫塘和导流洞的长度，同时为缩短工期提供了有利条件。工程运行实践表明，优化方案是安全、可靠并且经济的，也为其它高拱坝设计所参照，
二滩地下厂房的设计难点是在高地应力区开挖大型洞室群。我院通过大量的地应力测试与反馈分析工作，掌握了原始的地应力分布情况，按照新奥法原理对大型地下洞室群设计和地下洞群围岩稳定采用地质分析、数值分析以及模型试验等多种手段进行研究，给出了围岩安全度定性与定量的评价；支护设计参数采用工程类比法及Q系统法初步确定，并通过计算分析与模型试验进行调整，提出了以锚喷支护为主的方案，减小了地下洞室混凝土支护量；施工过程中，根据开挖地质情况及安全监测成果，进行大量的反馈分析计算，并及时调整支护设计，对拱座、岩柱、洞室交叉部位等进行了锚杆、锚索补强加固处理。运行实践证明，二滩地下洞室支护设计方案是经济合理和安全可靠的。
我院在二滩工程进行"七五"国家重点科技攻关的同时，还进行了导流洞、地下厂房洞室群、建筑材料、机电设备等诸多项重要技术问题的试验研究。据统计，招标阶段前进行了197项科研工作，这些科技攻关成果应用到工程设计中，取得了显著的经济效益，其中仅双曲拱坝经体型优化，建基面外移，最大厚度由70.34m减小至55.74m，坝体混凝土量从474.23万m3减小至409万m3.按1993年的物价计算，各项优化设计成果与初步设计相比，节省了工程投资15亿人民币，缩短了一年工期。
优化设计也有效地控制了施工阶段工程量，二滩工程的最终土石方明挖、石方明挖、石方洞挖与混凝土工程量分别为设计值的99.49%、92.98%、98.03%、98％。施工中普遍关心的大坝基础开挖、电站进水口开挖以及地下厂房开挖的地质条件与前期地质勘探工作所揭露的地质情况符合较好，没有发生大的方案性改变。这些也减少了在国际合同条件下发生大的索赔风险。
1999年1月，中国科学院院士和中国工程院院士参加投票评选的一九九八中国和世界十大科技进展新闻写到："我国本世纪建成投产的最大水电工程二滩水电站头两台机组发电，标志着我国水电建设已进入国际先进行列".二滩水电站的地质勘测与工程设计均获得了国家设计金奖。
4.2 锦屏一级水电站
4.2.1 工程概况
锦屏一级水电站位于四川省凉山州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中游控制性工程。水库正常蓄水位1880m，总库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，属年调节水库。电站装机容量360万kW，多年平均年发电量166.2亿kW.h.工程总投资232.7亿元。
4.2.2 主要技术难题和解决方案
◆工程地质问题
锦屏一级水电站的地质条件复杂程度是大型项目中非常突出的，工程区存在的主要地质问题是"两高一深"，即高地应力环境、高边坡问题和左岸山体内存在的深部裂缝。这些问题直接决定枢纽工程的设计方案，对工程安全和投资起控制作用。
为了查明工程区主要工程地质条件，我院进行了大量的勘探试验和科学研究，采用国内外先进和成熟的勘探技术和分析方法，如地震层析成像技术，SM植物胶钻探，架空层岩石钻探取芯，孔内声波和弹模测试，多种方法的地应力测试等。这些先进技术的应用，为全面准确地获取深部裂缝等工程地质信息提供了保障。
在充分查明工程地质条件的基础上，有针对性地开展专题科研，分析各种地质现象的成因机理，评价其对工程的影响。从岩石及构造基础地质研究出发，结合高拱坝的结构特性，对工程地质问题的分析与评价进行了深入广泛的研究，重点研究坝址左岸深部裂缝的成因机理及工程适应性评价，分析对拱坝变形和坝肩抗滑稳定的影响。
为了适应加快工程建设的需要，对现代信息技术在工程地质上的应用也进行了初步研究，研制开发了《锦屏一级三维地质可视化计算机系统》。该系统利用GIS技术、地质统计方法、智能方法、计算机图形学等先进技术进行锦屏一级水电站的工程地质信息的三维可视化研究，实现工程地质信息的三维可视化管理与查询；实现地质任意剖切、地质可视化分析；并实现三维地质构造图、剖面图的多形式输出。目前已经在实际工作中得到成功应用，在水利水电行业内处于领先地位。
◆高拱坝设计
锦屏一级拱坝是双曲薄拱坝，坝高305m，是目前已建、在建和设计中的最高的大坝，加之地质条件复杂，其设计难度处于世界最高水平。
对于世界第一高拱坝的设计，在充分吸取国内外高拱坝的成功经验的基础上，采用目前最先进的坝工设计理论和方法，进行了大坝结构设计、抗震设计、泄洪消能设计、混凝土骨料特性及温度控制、拱坝基础处理设计等专题研究分析和科研试验工作。
◆施工布置及规划
工程区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，相对高差千余米，为典型的深切"V"型谷，可以利用的施工布置场地极为有限，场内的布置与规划难度很大。
针对施工布置极为困难的情况，我院开展了广泛的调查研究和多方案的分析比较，对大坝混凝土浇筑、大型地下洞室群施工和施工导流等进行专题研究，选择合理的布置方案和施工方法。研究基于GIS的施工导流三维动态可视化仿真与方案设计优化，实现施工导流过程的动态可视化，给施工导流方案的设计、优化和决策提供科学、方便的手段。利用GIS强大的空间数据分析与处理功能，建立锦屏一级水电站施工总布置三维数字模型，并结合二次开发，实现施工全过程的三维动态演示和可视化信息查询，以及施工总布置的优化分析。
采用先进的理论方法和技术手段，紧密配合锦屏一级水电站地下洞室群施工组织设计工作，进行地下洞室群施工全过程三维动态可视化仿真与优化计算研究。在锦屏拱坝的混凝土浇筑方案设计时，应用了大坝混凝土浇筑适时分析系统，提出科学合理的施工组织方案和目标工期。
这些研究的成果水平位于行业领先地位，并在实际工作中得到应用。
4.2.3 工程建设的设计技术储备
锦屏一级的开工建设已是箭在弦上，不得不发。我院为了在工程建设期内做到快速反应，促进工程的进度和质量，预先开展了扎实的设计技术储备工作。
首先，在方法和手段上进行超期准备，建立锦屏一级水电站工程信息综合集成系统（JPMIS）。JPMIS利用GIS强大的空间数据处理及分析技术，综合各方面的信息，实现工程信息的集成与共享。该系统的研制与开发成功，不仅给设计人员提供了强有力的信息存储及管理工具，而且为各专业设计人员访问信息提供了快捷简便的手段，可以大大提高信息的使用效率。
其次，在可行性研究报告的基础上，对工程的关键技术问题进行深化研究，适应施工中可能发生的条件变化。
第三，吸取以往工程的经验和教训，提前开展施工规划方案的研究，形成工程在整个施工期的技术指导文件，达到科学管理。
4.3 两河口水电站
4.3.1 工程概况
两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内，是雅砻江中下游的"龙头"水库，对整个雅砻江梯级电站的开发影响巨大。根据开发方式研究成果，水库正常蓄水位2880m，相应库容120.3亿m3，调节库容74.9亿m3，具有多年调节能力。电站装机容量300万kW，多年平均年发电量116.9亿kW.h.初估工程静态总投资180亿元。
4.3.2 工程特点
◆工程规模巨大
两河口水电站初拟采用土心墙堆石坝，最大坝高达305m，居世界同类坝型前列。
◆战略地位突出
两河口水电站是雅砻江中下游的"龙头"水库，由于其调节库容大，加之地理位置特别，其对雅砻江、金沙江下游乃至长江的梯级电站都具显著的补偿作用，它的兴建对"西电东送"及电源优化配置、改善电网电源结构将起到积极作用，是西部水电开发、促进社会经济发展的战略性工程。
◆梯级补偿效益显著
两河口水电站的开发任务是以发电为主，并具有蓄水蓄能、分担长江中下游防洪任务、改善长江航道枯水期航运条件的功能和作用。
雅砻江干流两河口至河口拟定11级开发，两河口以下10个梯级共利用落差约1615m；金沙江下游河段拟定有乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4级开发，共利用落差695m；长江干流上的三峡、葛洲坝水电站，利用落差133m，两河口下游16个梯级电站共利用落差2443m，两河口水库每1m3水蓄能达6.4kW.h.其中下游已建和近、中期拟开发的主要梯级电站有：雅砻江干流的锦屏一级、锦屏二级、官地、二滩、桐子林，金沙江干流的溪洛渡、向家坝，以及长江干流的三峡、葛洲坝共9个大型或巨型水电站，共利用落差1380m，两河口水库每1m3水蓄能达3.9kW.h，水库对雅砻江乃至对金沙江、长江的调蓄作用都极为显著。电站建成后，对下游已建、在建及拟建梯级电站的补偿效益见表3.
◆经济指标优越
按开发方式研究阶段成果，两河口水电站初估工程静态总投资179.70亿元，单位千瓦投资5990元/kW，单位电能投资1.54元/（kW.h）。电站年发电量在计入增加下游二滩和锦屏一级水电站的70%的发电量后为158.79亿kW.h，其单位电能投资为1.13元/（kW.h）；考虑远景增加下游雅砻江全梯级的70%的发电量后为230.82亿kW.h，其单位电能投资为0.78元/（kW.h）。与目前同类规模电站相比，经济指标优越。
◆开发条件良好
两河口水电站坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇口下游约2km河段，下距雅江县城约25km，国道318线从雅江县城经过，雅江县城至坝区有简易公路相通，雅江县城至成都公路里程约500km，工程对外交通尚属方便。
工程的区域构造稳定性和库区、坝址区工程地质条件均较好，不存在制约性工程地质问题。
根据初步调查，水库淹没人口约5000人，每万kW装机容量淹没人口仅为17人，与国内其他大型水电工程比较，淹没指标很低。
4.3.3 主要技术难题和解决思路
两河口水电站工程规模巨大，尤其是初拟的土心墙堆石坝最大坝高达305m，位居世界前列，在筑坝技术和泄洪消能方面存在较大的技术难度。
对于这些技术难题的解决，我们拟定了以下解决思路：
（1）首先抓住技术难题的关键点，比如对于高土心墙堆石坝设计，其关键点在于筑坝材料的研究与应用、坝体施工方法及中后期导流等；
（2）针对关键技术问题开展超前和深入的研究，如对大坝防渗土料质量改进措施和坝料上坝方式等，我们将从工程预可研阶段就开展研究工作，并在工作中积极推进科技进步和技术创新；
（3）针对土石坝是一种经验坝型的特点，我们将充分吸取国内外类似工程经验。国外已有300m级高土心墙堆石坝的成功经验，而国内的设计与建设经验也在不断丰富，由我院设计的几个100m以上高土心墙堆石坝工程已开工建设，其中瀑布沟水电站坝高达186m，这些工程的建设将为两河口工程积累宝贵经验；
（4）充分利用我院在"高水头、大泄量、窄河谷"条件下泄洪消能设计的成功经验，针对本工程的具体情况开展深入的研究。我院通过二滩、瀑布沟、溪洛渡和锦屏一级等众多工程高水头、大流量泄洪建筑物的设计积累了丰富的经验，与这些工程相比两河口工程的泄洪总功率并不大，因此，其在泄洪消能方面存在的技术难题完全可以妥善解决。