三門峽水利樞紐工程的從無到有、從磨難中涅槃重生的探索歷程,詮釋著人民治黃里程碑的意義,踐行著新中國水利建設事業探路先鋒的使命,并向世界貢獻著多泥沙河流治理的“中國方案”。
探索——第一次改建工程
三門峽水庫于1960年9月至1962年3月首次蓄水攔沙運用,最高蓄水位332.58米,蓄水量72.3億立方米。然而,蓄水后,便出現庫區泥沙嚴重淤積問題,在一年半的時間內水庫淤積泥沙15.3億噸,有93%的來沙淤在庫內,其速度和部位都超出預計。1962年,水電部決定調整三門峽水庫運用模式,汛期閘門全開敞泄,只保留防御特大洪水的任務,庫區泥沙淤積有所減緩,但由于泄水孔位置較高,在高程315米水位時,下泄流量只能達到3084立方米每秒,入庫泥沙仍有60%淤積在庫內,沒有發揮出原設計的發電及航運等項效益。
各級領導、水利界專家學者、長期研究黃河及從事治黃工作的科研人員歷時兩年,對三門峽水利樞紐工程“增建泄流排沙設施,加大泄流排沙能力”問題進行了三次系統、全面、科學的論證研究,最后決定,在三門峽水利樞紐工程左岸增建兩條泄流排沙隧洞,改建5—8號4條原建的發電引水鋼管為泄流排沙管道,以加大樞紐的泄流排沙能力(簡稱“兩洞四管”)。
1965年1月,經國家計委和水電部批準,三門峽水利樞紐工程第一次改建工程(也稱增建工程)開工,由水電部北京勘測設計院負責工程設計,黃河三門峽工程局承擔施工任務。
1967年8月12日,Ⅰ號隧洞建成投運;1968年8月16日,Ⅱ 號隧洞建成投運。“四管”于1966年5月竣工,同年7月29日投入運用。
追尋——第二次改建工程
三門峽水利樞紐第一次改建工程完成后,泄流規模增大了一倍,緩解了水庫的嚴重泥沙淤積,但仍有20%的來沙淤積在庫內,不能完全解決問題。為了更好地發揮工程效益,1969年6月19日,水利電力部和治黃專家向國家呈報了《關于三門峽水庫工程改建及黃河近期治理問題的報告》。
1969年10月,水電部軍事管制委員會在三門峽主持召開三門峽水利樞紐第二次改建工程方案審查會議,圍繞重新打開封閉的建壩時期施工導流底孔進一步增加泄流排沙能力、降低水頭徑流發電等方面進行反復研討,并就改建的兩套方案中關于防洪、排沙、工程安全、施工時間、模型試驗等問題進行充分論證。
1969年12月7日,水電部軍事管制委員會下達《轉告國務院批準三門峽工程改建方案的意見》,初步明確關于三門峽工程二次改建方案,“先開挖表面溢流壩下3個底孔,水電站1—4號機組的引水鋼管進水口高程下降,改建為低水頭徑流水電站,并立即進行施工,通過實踐到1970年上半年,再在總結施工經驗的基礎上,決定最后方案。”
三門峽大壩溢流壩原建的深水孔有12個,進水口底檻高程300米;溢流壩底部有原施工導流底孔12個,進水口底檻高程280米,大壩建成后于1961年6月全部回填混凝土封堵。
1970年1月,1—3號底孔開挖,同年4月底挖通,備受國家和水利界關注的“進水口斜閘門被水泥漿灌牢”“斜門提起困難”“底孔出現拉應力且加固措施沒有把握”三大難題在施工實踐中得到完全解決。
值得一提的是,1—3號底孔進水口斜閘門重32.5噸,閘門前的泥沙淤積最厚處達17米,所需啟門力達500噸左右。鑒于原有設備啟力不足、地形限制難以增設啟門設備的實際情況,施工人員采用了上提、下頂和掛鉤相結合的提門辦法來彌補當時簡易啟升機能力的不足。1970年6月25日1時30分,沉埋在淤沙中達10年的第一臺進口斜閘門被提起,隨后第二臺、第三臺進口斜閘門被依次提起,實現了3個底孔泄流排沙,1—3號原施工導流底孔改建圓滿成功。鑒于實際效果,開挖其他5個底孔分歧已逐步統一,同年7月決定繼續開挖4—8號底孔。由于剩余的4—8號溢流壩深水孔段下部的5個底孔和其上面的深水孔形成了雙層孔過水,而當時尚未有雙層孔過水工程實踐。后經底孔和深水孔雙層過水原體試驗,得出結果與原水工模型試驗成果基本一致,不會影響大壩安全,雙層孔泄流方案得到采納。4—8號底孔每扇閘門門葉約50噸,依次于1971年10月上旬、中旬提起,并投入泄流排沙運用。
與此同時,三門峽水利樞紐電站壩體鋼管道改建工作接續推進,1—4號機組引水鋼管的老進水口堵頭混凝土澆筑、新進水口開挖、新引水管道安裝、管道周圍混凝土回填、頂部回填灌漿、工作閘門井的改建、新工作閘門和啟閉機安裝等項目相繼完成;5號機組發電引水的進水口改建也如期完成,暫作為排污和泄流排沙用,1—5號所有機組進水口高程由原建的300米高程下降至287米高程,進一步增強排沙能力。
按照國家計劃要求,第一臺機組要于1973年年底投運發電。黃河中游段泥沙多,三門峽水利樞紐工程改建涉及的發電運用水頭低,水頭變化較大,且原建成的建筑物已安裝了部分設備,鑒于此,水電站改建后水輪發電機組的機型選用了軸流轉槳式機組。首臺單機容量5萬千瓦機組(4號機組)于1973年12月26日并網發電,其余4臺單機容量5萬千瓦機組也相繼于1975—1979年并網發電。
經過兩次改建,三門峽水利樞紐工程泄流排沙能力得到了極大增強,潼關以下的庫區已由淤積變為沖刷,潼關以上庫區在部分時段內也開始有沖刷。據資料記載,1970—1973年,三門峽水庫敞泄排沙運用期間,潼關以下沖刷出庫的泥沙為3.95億立方米,出庫沙量占入庫沙量的比值在1971年、1972年、1973年分別達到117.19%、137.69%、102.66%;潼關水文站1000立方米每秒流量的水位,已由1969年的328.7米高程,降至1973年的326.7米高程;三門峽水庫330米高程以下庫容較一次改建前增加10.5億立方米;渭河下游的淤積也趨于緩和,土地鹽堿化有所減輕。自1974年起,黃河下游河道的泥沙淤積量較三門峽建庫前大幅度減少,同時,三門峽水庫335米高程以下可長期保持防洪庫容約60億立方米,三門峽水利樞紐工程開始全面發揮防洪、防凌、灌溉、發電和供水的綜合效益。
淬火——泄流工程二期改建
1980—1981年,經檢查,發現三門峽水利樞紐工程各泄流孔邊壁混凝土過流面和門槽導軌埋件不同程度遭受磨蝕破壞,導致溢流壩底孔和深孔等泄流建筑物運用安全難以得到保障。
為解決上述問題,經由水利部、黃委逐級批準,確定溢流壩工程二期改建項目內容為1—8號底孔改建,打開9—10號底孔并改建,6—7號底孔增設2臺600噸卷揚啟閉機,3—4號深孔增設2臺500噸液壓啟閉機、1臺斜門專用啟閉設備,以及2號隧洞出口加固處理等項目。
三門峽水利樞紐泄流主體工程于1987年7月全面開工,拉開了接續二次改建工程、工期跨度20年的泄流工程二期改建:
1987年,兩套自行研制的鋼疊梁圍堰在三門峽水利樞紐2號、5號、6號3個底孔成功沉放,隨后3個底孔斜門槽改建完成;其余5個底孔改建于1995年完成;
1990年,9—10號導流底孔被改建為永久泄流排沙底孔并投運;
1994年,一門一機全部安裝完畢,通過驗收并移交投運;
1996年,2號隧洞出口加固完成,共澆筑混凝土12060立方米,方量之多、規模之大,國內罕見;
2001年,完成增開11—12號底孔工程和1—3號底孔出口增設消能工程;
2003年6月,泄流工程二期改建基本完成,泄流規模得以增強,排沙能力得到進一步提升,滿足了運用原則要求。至此,三門峽水利樞紐二次改建工程圓滿落下帷幕。
經過泄流工程二期改建,在解決了底孔應力、抗磨蝕、進口斜門改建等問題基礎上,改建、增建27個泄流孔洞投入泄流排沙運用,同時提升了啟閉設施的靈活性,縮短了閘門的啟閉時間,增大了調節水沙的能力,使得三門峽水利樞紐工程在發揮錯峰調洪作用,確保黃河下游的防洪安全上取得了顯著成效。
復興——水庫三次運用方式調整
三門峽水利樞紐工程的發展歷程是曲折的,三門峽水庫的運用方式也并非是一成不變的。從蓄水攔沙,到滯洪排沙,再到蓄清排渾,三門峽水利樞紐工程為多泥沙河流水庫調水調沙提供了寶貴的經驗,極大地豐富和發展了國內外泥沙科學理論。
蓄水攔沙。1960年9月至1962年3月,三門峽水庫運用采用蓄水攔沙方式,水庫最高蓄水位為332.58米高程,在蓄水高程以下庫區共淤積泥沙15.3億噸,由于回水淤積和地下水位升高,庫區農田浸沒和土地鹽堿化迅速發展。
滯洪排沙。1962年3月,三門峽水庫運用方式由蓄水攔沙改為防洪排沙(后改稱滯洪排沙)。除配合下游防凌需關閘蓄水外,一般是12個深水孔敞開泄流。由于此時三門峽水利樞紐工程泄流能力不足,1960—1964年水庫下泄沙量很少,下泄水流較清,黃河下游河道共沖走泥沙23.2億噸;1964年汛后出庫泥沙較多,當年汛期最高滯洪水位為325.9米高程,水庫淤積仍在繼續,至1964年10月,全庫區累計淤積泥沙達44.1億立方米,其中潼關以上7.6億立方米,潼關以下36.5億立方米。
蓄清排渾。從1973年10月開始,三門峽水庫按蓄清排渾方式運用,通過水庫調節度對水沙進行綜合調節,在來沙量少的非汛期(11月至翌年6月)適當蓄水興利;在來沙多的汛期降至低庫水位進行防洪排沙運用。通過這種運用方式,把非汛期淤積在庫內的泥沙調節到汛期(特別是洪水期)下排,以利于保持庫區沖淤平衡、潼關高程穩定和下游河道減淤,充分發揮了大水帶大沙的優勢,提高了下游水流輸沙入海的能力。據資料記載,1974—1987年,三門峽進庫年平均來沙量為10.15億噸,河水平均含沙量為25.1千克每立方米,黃河下游河道的年平均淤積量2.6億噸,較建庫前減少三分之一左右。
隨著泥沙條件和水庫運行邊界條件的變化,1991—2010年,在蓄清排渾大原則不變的前提下,根據來水來沙情況,對“蓄清”及“排渾”的調度運用指標進行了調整,使蓄清排渾運用方式更加完善。尤其是在小浪底水庫投入運用之后,三門峽水庫對汛期運用指標進行優化,使汛期運用方式由“洪水排沙、平水興利”,逐步完善發展到洪水期采用“空庫迎洪、敞泄排沙”的方式,大大提高了排沙效率,實現了防洪、減淤、興利等多目標共贏。
2002年,黃河防總利用黃河中游干流水庫群開展黃河調水調沙試驗及生產運行實踐,三門峽水利樞紐工程在其中發揮著承上啟下的關鍵作用。2002—2021年,在黃河調水調沙運用中,經萬家寨、三門峽、小浪底等水庫聯合調度,三門峽水庫累計出庫沙量25億噸。黃河下游主槽過流能力由2002年汛前的1800立方米每秒,增至2022年汛前的5000立方米每秒。其間,三門峽水利樞紐工程全力以赴傳好“接力棒”,為小浪底水庫提供強大動力,實現水庫減淤,提高黃河下游行洪能力,實現調水調沙既定目標作出了應有貢獻。