斯克拉、露尔丝:长江三峡大坝工程现场考察报告

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列昂那德.斯克拉(Leonard Sklar)
艾米.露尔丝(Amy Luers)
美国斯克拉——露尔丝工程咨询事务所主任

一、三峡大坝工程进展简介
二、船闸石壁不稳固
三、长江截流和围堰的建筑
四、第三期工程的涡轮发电机系统五、结论

1997年10月,美国的一个工程师代表团应中国三峡大坝工程建设指挥部总指挥邀请,到三峡工程工地作现场考察,我们是该代表团的成员。本报告的资料来自作者与三峡工程指挥部的工程师们的交谈、作者本人的现场观察结果以及三峡工程指挥部提供的文字材料。本报告主要说明三峡大坝工程中已出现的意外问题、偏离正常工程施工要求的做法以及三峡大坝工程后期可能出现的问题。

一、三峡大坝工程进展简介

到1997年10月中旬,三峡大坝的一期工程即将完工,并准备转入二期工程。一期工程按计划要在1997年11月初完工,完工的标志是长江主航道截流和江水改道进入一期工程中修建的通渠。在我们考察三峡大坝工程工地的时候,所有船只的航行均已改用在长江右岸一侧开凿出的通渠,当时这一通渠的过水量大约占长江总流量每秒两万立方米的百分之三十。

我们看到的三峡大坝基建工程主要包括三个方面,即在长江左岸与中堡岛之间建成一道截断长江主流的拦水坝、浇筑混凝土的临时船闸、以及在左岸浇筑混凝土坝墙。已完工的工程有下行航道的人工通渠、上行和下行的堤岸水泥护坡、纵向的水泥围堰、与人工通渠等长的吊桥、通往宜昌市的新高速公路等,而挖掘五级式永久船闸、浇筑中堡岛上的混凝土坝体等工程则已有很大进展。此外,在长江两岸还建起了许多房屋、办公建筑、宾馆及休闲设施等。

二、船闸石壁不稳固

目前,值得注意的首要问题是开凿船闸航道处两侧石壁的稳固性。三峡工程部门根据岩心取样的分析结果,显然高估了构成壁墙的闪石、斜长石花岗岩地层的受力性能。由于挖掘过程会造成突然的不均匀的岩体负载变动,使壁墙的岩体变形,目前垂直高度达170米的壁墙已经出现了浅表破损。三峡工程部门为此请来一个挪威的地质工程专家组,该专家组建议采取补救措施,现在开凿船闸的工程已不得不暂时停了下来。

由于以下几个原因,要解决这个问题可能有困难。首先,在岩体上开凿船闸后,与岩壁平衡性相关的新的岩体应力重组需要很多年、甚至几十年时间。如果按照目前的设计建成船闸,在此岩体应力重组期间,如果壁墙只出现不太经常的破损,那么船闸本身可能还是基本稳固的,但是船闸石壁的破损早晚会造成通航船只的损伤,也破坏船闸石壁本身的稳固性。其次,目前船闸的选址是在与大坝平行的山脊上、位于两侧最高点之间的鞍部,这样就很难使陡坡变成缓坡,从而加大了船闸分级时的坡度。第三,由于石床的稳固性比预期的差,这意味着花岗岩石床的裂损密度将比预计的要高得多,因此大大增加了大坝底部和周边渗水的可能性,这会造成大坝的底基不稳,而更大的潜在危险则是由此而引起的上游西陵峡石壁的大规模滑坡。

三、长江截流和围堰的建筑

长江三峡工程的工程师们所关心的第二个主要问题,是大坝二期工程的总方案以及大江截流的成功。在我们参观期间,工程当局正召集一个紧急技术会议,以应付建筑拦水坝时未曾预料到的困难。这个问题的根源是,在一期工程中挖掘人工航道时,人工航道中泥沙的沉积速度之快远远超出了人们的想象。由于泥沙的沉积,水流在这段人工航道中流速放慢,结果导致长江主航道的流量和流速都加快了。随着拦水坝越接近合拢,主航道越狭窄,水流的流速就越快,以至于为建筑拦水坝而倒进江里的大块石料也被激流卷走,而不能顺坡溜到江底。

这种情形造成两种不利的结果,尽管截流的日程表本来就很紧迫,拦水坝工程的进度还是被迫减缓,同时,又造成江中中堡岛石料来源的枯竭,现在拦水坝右侧方所需的石料都是从中堡岛开采的。当我们在现场时,看到两艘大型吸泥船正在不停地工作,以清除人工航道中出乎预料之多的泥沙沉积。

即使拦水坝最终能合拢,二期工程中围堰的建设也可反映出三峡大坝工程建设中最困难和最冒险的方面。一位三峡大坝工程的项目评估工程师也很赞成这一看法。围堰在库区一侧紧挨着拦水坝。由于在三峡大坝工程周边地区缺乏防渗水的材料,围堰的设计采取了一种极为罕见的方法。目前的设计是,准备用风化的花岗石来建造围堰,这些风化的花岗石基本上就是砂石,要把这些砂石倒入水下,也不用任何机械做压紧处理。在这种情况下,这些砂石是高渗透性的,所以又准备沿着围堰的中轴线浇筑一道水泥防渗墙。这样,工程设计者的希望是,这层水泥膜能完全阻止水流渗透到水泥膜底下极易渗漏的砂石围堰中,从而可以保证围堰的整体稳固性。施工中将在砂石围堰上成对地钻直径0.5米的孔,把水泥注入这些孔中。这道水泥膜总共才一米厚,垂直向下延伸到围堰底下的冲积层和河床。

这种方法的关键在于,能否保证孔钻得直?因为钻孔中的任何一点偏斜,都会造成水泥膜的缝隙,而引起渗漏。即使在建筑工程技术更先进的西方国家,也从未试图在如此大的工程中依赖于这种方法。三峡工程设计者所采用的这种施工方案,按照国际标准,属于老旧的建筑技术。这种建筑技术依赖于提高设计和施工方案的安全系数,来弥补可能预见得到的缺陷,如水泥质量的不一致和浇筑时的不精确性。但是,在三峡大坝工程的设计中,似乎实际上并没有采用提高安全系数的施工方案来弥补其缺陷。

围堰建设的难度和冒险性,不仅反映在这种施工难度很大又极罕见的围堰设计上,而且还反映在三峡大坝工程师们极为紧迫的建筑工期上。大江截流的预定日期是1997年11月,而夏季洪峰预计在来年的5月底就会来到,因此,只有不到七个月的时间来完成围堰的施工。如果不能在洪峰到来之前建成围堰,就不可能排净库区的水,也无法开始挖掘大坝的坝基。倘若如此,建造工程就不得不推迟到雨季之后,大约要到10月才会出现低水位季节。这样,围堰工程建筑期非常紧迫,完工日期不可变更,这会造成施工者仓促赶工,因而施工质量受影响的风险大为增加。

围堰安全性的另一问题是,三峡大坝工程施工是按五十年一遇的洪水设计的,也就是说,如果一场洪水大于五十年一遇的规模,其汛期流量将超过人工航道的承受力,也将漫过围堰。倘若围堰只需要保存一到两年,那么按五十年一遇的洪水规模来设计围堰还不能算是不理性的选择。然而,三峡大坝的二期工程不是一、两年内即可完成,而是要持续六年,那么,施工期间洪水超过围堰设计能力的可能性就是五十分之六,即八分之一。

还应当考虑到工期可能拖延的问题。在如此大规模的工程中,工期会因各种原因而拖延,工期每拖延一年,遇到超过围堰设计能力的洪水的可能性就提高到七分之一;若拖延两年,就提高到了六分之一。而且,由于人工航道中泥沙还在继续沉积,其分洪的能力将因而下降,这又进一步加大了洪水漫过围堰的可能性。三峡工程的工程师们承认,很可能会出现洪水超过围堰承受能力的情况,他们说有一些应急计划,即在上游水文观测站通知洪水即将到来的几天之内,把围堰加高。

由于围堰设计施工上的缺失是三峡工程潜在的致命伤,我们对三峡工程师们采用这种冒险的设计方案非常吃惊。任何漫过围堰的水都将影响整个工程,包括左岸的发电厂和主溢洪道结构。一旦出现这样的情形,上游发出了可靠的短期洪水预报,推测洪水将超过围堰承受能力时,谨慎的做法应该是预先在施工场地注满水,让围堰两侧都淹没在水中,从而保护围堰的基础。待洪水过后,再排空施工场地的水,清除泥沙,修复被损坏的在建工程。当然,这样的情况会把工程工期推迟至少一年或者更长。

如果工程当局不选择提前注水的方法,而围堰又被水漫过的话,其后果是,洪水对不紧实的风化花岗岩围堰会大力冲刷,导致围堰的灾难性损害和严重后果。首先,整个拦水坝和围堰体系都不得不重新修建;其次,工程当局必须努力清除从垮掉的围堰上四散的碎石,因为这些碎石会构成对在建的大坝的广泛损害。这样的事故毫无疑问地会导致工程延期,要用好几年时间才能让一切重新上轨道。第三个后果也许更重要,被堵在三峡工程上游的洪峰一旦失控,就会形成一个超出常见洪峰规模的特大洪峰,冲击下游35公里处的葛洲坝,危及数百万居民和他们的家园。

鉴于二期工程的建设周期相当长,要六到八年或更长时间,围堰也要使用这么久。但是,我们获知工程设计人员并未考虑任何防地震措施,对此也感到相当吃惊。有大量证据显示,在沿长江两岸和大坝附近存在着新的地壳构造运动,例如石灰岩底层的水平断错和间断性的起伏等,三峡地区本身也正经历着与西藏高原上升相关连的新生代后期变形。工程设计人员尽可能低地估计此地区地震的危害性,是没有道理的。围堰的外围完全被水浸泡着,全靠那道未加固的水泥膜来支撑着,即使轻度的地震也会造成围堰的损毁。

四、第三期工程的涡轮发电机系统 Go to top of page

除了船闸石壁的稳固性和二期工程围堰的安全性这两个问题之外,我们会见过的三峡工程师们所担忧的第三个主要问题是,第三期工程中将在右岸发电站组装的第二批12台由中国制造的涡轮发电机。第三期工程的第一批14台涡轮发电机由外国厂商提供,其合同中的技术转让条款规定,外国厂家要帮助中国的企业生产三峡工程所需要的第二批12台涡轮发电机。这些涡轮发电机的功率达到700兆瓦,相当于中国制造过的最大的300兆瓦涡轮发电机的两倍多。

三峡工程投资的回收将主要依赖这些中国造发电设备的连续良好运转。三峡工程的工程师们一方面为建造世界上最大规模的水电站而感到骄傲,但另一方面也承认,他们担心国产机组的质量不可靠,可是他们指出,在选用国产机组的问题上,政治压力可能远远居于技术判断之上。

五、结论

总而言之,虽然今后几个月内,三峡工程的工程师们在修建二期围堰时,可能将面临整个工程中最严峻的挑战,但整个三峡工程大致上还是按照计划进度在推进。对我们来说,二期围堰的设计和施工所采用的方法,是一种令人惊讶的骑士般的冒险态度。从低估可能发生的洪水规模、到作出忽视有明显迹象的地震灾害的决策,三峡工程的工程师们似乎情愿与大自然赌一场,寄希望于在未来的六到八年中,长江的西陵峡段不会发生这两种自然灾害。

根据上面陈述的事实,从我们的专业观点来看,工期建设周期拖延数年的可能性是很高的,而围堰的灾难性崩塌的风险也是无法忽略的。然而,令人遗憾的是,我们在三峡大坝工程现场所闻所见,都在在证明了,国际上工程专业文献以及其他方面对三峡建设项目的担忧不无道理,这些担忧的焦点是,工程当局在修建这个长期争议的工程时,甘愿采取一种冒险的态度。

迄今为止关于三峡大坝的争论大部份涉及的是这一工程的根本目的,而不是施工过程的具体细节。我们曾与三峡工程的工程师们探讨过工程的根本目的这些较大的问题,以下就三峡项目明智与否这一问题,作一简要的讨论,作为这篇报告的结论,我们的看法也反映出至今尚没有明确结论的一些问题。

建设三峡大坝的主要益处共有三个方面,即控制洪水、发电和改善航运,这些都有赖于找到解决库区泥沙沉积问题的办法。然而,通过这次在水库地区的观察,以及了解到在大坝工程设计中用来估算泥沙沉积量和搬运过程的相对简单化的计算方法,我们的结论是,建坝后泥沙沉积对大坝正常运行的负面影响很快就会暴露出来,而且肯定比宣传得要早得多、大得多(就象目前已经在人工通渠中发生的那样)。例如,三峡库区有效库容量的50%多,是由长江的许多支流的狭窄水道和三峡前端宽阔的河道组成的;随着粗石块很快将沉积于这些支流的狭窄水道,而泥沙则迅速淤积于峡谷前宽阔的河道,三峡水库有效库容的损失将很可能首先发生在这些地段。

在三峡大坝的设计中用于预测水库泥沙沉积动态的是一维模型。根据我们的一个水库泥沙沉积动态的二维模型的预测,三峡工程计划中每年一次的水库排水清沙方法,是不可能消除这些存积在支流和三峡库区前端的沉积物的。事实上在支流进入长江的入口处,大块石块的滚动几乎是无处不在,可是,在大坝设计中使用的一维模型里,支流里的石块沉积物被完全忽略了。三峡水库损失有效库容,就会直接丧失对洪水的控制能力。

我们向三峡工程的工程师们提出了这一问题,也提出了其它一些担忧,比如航道河底的的淤积物问题、水库上游的洪水问题、码头和航道的泥沙沉积问题、下游河道河床的衰变问题、洪水控制对大堤的侵害、对涡轮机的腐蚀、对节制闸门、水槽和溢洪道的损害等。从三峡工程的工程师们的反应中,可以十分清楚地看出,他们“没有相关数据”。由于三峡发展集团公司已经计划在上游的长江主干道和主要支流上再兴建更多的水坝,所以,三峡工程的工程师们表示,关于三峡水库泥沙沉积问题的讨论争执不下,是学究式的讨论,这个问题可以留给别的工程师、留给将来、在三峡库区以外的别的地方去想办法处理。

(1997年10月17–18日,中国湖北)

【编者注】该文的中文译校中如有不当之处,由本刊编辑部负责。

当代中国研究
MCS 1998 Issue 2

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