主要技术问题
过去许多人包括水利技术专家在内，都认为在长江干流修建低坝比修建高坝容易些，特别是认为修建葛洲坝比三峡大坝容易得多。可是深一层接触这个问题就会发现情况并不是这样，相反它却比三峡大坝复杂得多。特别是葛洲坝电站的坝址选择，向上或向下移动的选择余地连一公里的范围都没有。因此除了在大流量河流上修建大坝的困难在这里都能遇到以外，在葛洲坝还有无法避免的特殊困难。这个特殊困难是指，它正在三峡河段的峡口南津关以下，其流态之奇异几乎是其他河流所没有的；另一个特点是这里的地质条件特别差，在大坝基础的处理上困难太多。现在就从研究葛洲坝工程的过程中发现的问题分别作一说明。
第一个问题是，原来在葛洲坝工程的规划设计阶段认为，葛洲坝是一个天赐的可以利用的纵向围堰。葛洲坝是一个顺河礁滩，它把长江分成大江、二江两支河叉。从表面上看，葛洲坝工程确实可以利用这个天然小岛的好条件。葛洲坝顺河长度约有一公里，其高程也高于最高洪水位，葛洲坝工程的选坝河段又只能在这个地区，所以在三峡大坝的规划设计过程中，确定要在这个地区修建一个低坝。葛洲坝工程也因此而得名。但这种认识只能是从表面分析问题的结果，进一步探讨大坝设计的各种问题时，就发现葛洲坝这个洲滩不仅不是有利条件，而且是必须挖掉的障碍物。这个障碍物在葛洲坝工程复工后很快被挖掉了，挖除的土石方约800万立方米。对葛洲坝这个洲滩的认识是葛洲坝工程设计中最早提出的问题，也是葛洲坝工程最早开始的一个争论。而葛洲坝工程总指挥部在技术领导上所犯错误的关键也是反对挖除葛洲坝。有人甚至达到可笑的程度，认为我们不能修建一个“没有葛洲坝的葛洲坝工程”。事实上，挖掉了葛洲坝，许多原来在枢纽布置上一些最棘手的问题一一迎刃而解，还增加了几十万千瓦的装机。
长办提出挖掉葛洲坝并非标新立异，别出心裁，而是先经过仔细分析，再经过模型试验证明后才提出来的。当时我们进行试验时，北京、南京、武汉等地的水工试验单位也同时做了试验，结果不谋而合。
第二个问题是葛洲坝工程的三江航道设计方案。在葛洲坝工程的规划设计阶段，是用葛洲坝河段的支叉之一——三江作为大坝的通航航道。前面所说葛洲坝洲滩将长江分成大江、二江两个河叉；二江左边还有一个天然浅滩西坝，西坝又将二江分出三江。在葛洲坝工程的规划阶段，其左岸航道和船闸建筑物安排在三江上。葛洲坝工程开工后，武汉水电学院和长江科学院合作在工地建成了一个水工模型试验基地。这个试验基地第一个模型试验在放水时出现了一个事先没有料想到的水库水流异常现象。葛洲坝工程兴建以前的三江在洪水季节是从支叉的最上游向下游分泄洪水，但模型证明，葛洲坝工程建成后，三江的水流不是从上游向下游流去，而是从下游向上游倒流。这就是说，模型上出现的情况是从南津关下泄的水流到葛洲坝二江泄洪闸便分出一股水流，在二江电站引水口的上游向左岸流动，再流动到三江口上，形成一个大回流区。这种现象就预示着在大坝建成后不久，这个回流区将成为一个淤积区，因而三江航道就不可能作为通航航道了。这个模型中出现的“异常现象”，其实不是异常现象，从河流学来讲是个正常现象。因为从河流学上说，二江泄洪闸以上的河道在我们兴建大坝过程中，已经疏浚成较深的主河道，这样三江出现回流就是正常的，只是因为在没有模型试验以前，我们忘记了大坝以上的河势变化这一重要因素罢了。由于模型试验的成果启示了我们，要在三江航道与二江泄洪闸以上的主航道之间的这个回流区修建一个库中岛屿，这样就消灭了回流，并使三江航道变成了一个合理的通航航道。这个方案得到了当时的指挥部的同意。有些人不同意这个方案，说这个库中岛屿是葛洲坝工程的一把“关刀宝剑”。后来葛洲坝建成时，他们认为很奇怪，说没有葛洲坝的葛洲坝工程和葛洲坝工程的”关刀宝剑”真的变成了事实。
第三个问题是在葛洲坝工程的工地模型试验中出现的。第一个模型试验除了告诉我们三江航道出现回流外，还告诉我们另外一个变化，这就是从南津关到二江泄洪闸的河势变化。原来从南津关到大江航道以右边为凹岸的长江主泓河道变为由南津关到二江泄洪闸以左边为凹岸的长江主泓河道，这种变化也同三江航道区出现的回流一样，是在做模型试验以前未曾想到的意外现象。这个现象就是有名的柯雷沃雷定律的具体表现。根据柯雷沃雷定律，北半球的河流总是不断地向右岸移动，而南半球的河流则相反，总是向左岸移动。在葛洲坝河段，河流在向右岸移动的过程同时也是个下切的过程。长江葛洲坝河段现在可以看到的三个支叉，大江支叉比二江支叉的河床要深20米，而二江支叉又比三江支叉的河床要深。可能还有四江、五江，但已经进入宜昌市区段；在地质时代，三江应该比四江、五江更深一些。由于葛洲坝工程把库区的水位抬高了20米，也就是说这个水位相当于二江还是长江左岸深泓的年代。葛洲坝工地模型试验基地的第一个模型试验所得到的两个成果，对于葛洲坝工程的河势规划及其相关的大坝枢纽布置等设计工作的指导思想都有非常重要的意义。为了解决三江和大江船闸的位置问题，曾经开了一昼夜的会，才提出一个临时方案，以缓和当时枢纽布置的矛盾。
第四个问题是葛洲坝工程的三江航道与船闸布局问题。葛洲坝工程坝轴线的确定，是当时枢纽布置中的一大难题。但坝轴线移动范围很小，在原来规划过程中确定的坝轴线必须在西坝上游不得少于一公里左右的地区。西坝是宜昌的工业区，是大江、二江汇合后与三江之间的另一个大礁滩。如果坝轴线向下移，过于接近西坝，就无法安排二江泄洪闸的消力池。如果坝轴线过于向上移，葛洲坝引航道上口就太接近南津关，不利于船只的进出，特别是由上游下行的船只，在进闸室以前，必须有足够的航道长度，并控制行船速度，才能准确地进入闸室。葛洲坝工程的坝轴线及枢纽布置等设计工作必须尽早确定，才有足够时间作科研工作。没有足够的研究工作，要确定坝轴线也是很困难的，特别是峡口南津关河段的河势规划工作，更要有足够的时间作大量的模型试验。因为这个河段要求解决的技术问题所涉及的方面很多，使我们不能轻易地为了满足某一方面的要求而过早地作出选择。为了这一点，我们专门开会听取了船长的意见。
为了及时完成葛洲坝工程的初步设计工作，技术委员会确定（大概是第三次会议中）必须对坝轴线和有关的枢纽布置作出决定。在准备起草这次会议的文字报告时，我组织了一个文件起草小组，其中有技术委员会的顾问张瑞瑾和长办的高级工程师黄宣伟等人，时间大概是在1973年3月。因为我当时在北京同仁医院的眼癌会诊尚未作出结论，我就请假到北纬旅社参加文件起草工作。原来确定半天内完成文件起草工作，由于问题复杂，矛盾太多，又改成下午完成；下午不成，又改成半夜以前完成，最后一直到第二天早晨太阳出来以后才完成。这个文件写得很好，大家都很满意，并形象地将这种枢纽布置方式称之为“开抽屉”方案。这个方案是在各种矛盾无法完全解决时，由张瑞瑾教授提出的。
什么是“开抽屉”方案？我们把葛洲坝的坝轴线确定以后，就要确定船闸的上下游引航道长度。按一般的规律，要确定船闸的位置，就应将船闸和坝轴线摆在同一条线上。如果这样确定，船闸下游的三江航道没有困难，而船闸以上的三江航道就有很多困难：第一，船闸以上的航道直线长度不得少于1500米；第二，三江航道口门以上天然河道弯曲半径不得小于若干公里；第三，在弯曲段的河道上，水流流速不得大于0.8米；第四，航道水域横宽不得小于80米。要解决这些矛盾，还要满足这个河段的河势规划各方面的要求。张瑞瑾提出一个方案，在上述各种要求不能满足的情况下，先把船闸的位置脱离坝轴线，向下游移动数百米，这样就等于将船闸当作抽屉，从桌子里拉出来。
为什么“开抽屉”方案是个好方案？第一，如果船闸以上的引航道将来不能克服困难，我们就把这个“开抽屉”方案变成一个永久性方案，把三江航道和大江航道变成两个独立的运河；第二，如果引航道上游将来可以克服困难解决问题（这是非常有希望的），那时我们就把船闸恢复到原位，这样就既不影响与枢纽布置有关的各种研究工作，又可使葛洲坝的初步设计报告不因为引航道的困难不能克服而受到阻碍。所以我当时说了一句话：这个方案好就好在有了“开抽屉”方案，所以将来我们就可以不开抽屉。当时参加起草文件的黄宣伟说这句话合乎辩证法，也证明文件起草人员对此有了深刻认识。
第五个问题是南津关河段的河势规划问题。葛洲坝工程的枢纽布置需要进行大量的科研和水工模型试验工作，与枢纽布置相应的葛洲坝坝区以上河段的河势规划工作也要作科研和模型试验工作。这其中也包括以上所述三江引航道和船闸布局有关问题在内。当时我正在上海华东医院，文伏波同志问我怎么办，我说必须做河势规划。
现在就专门讲一讲南津关河段河势规划的问题。
第一，南津关河段的泥沙运行规律与葛洲坝枢纽排沙建筑物的关系，主要是这一河段的长江水流流态必须符合葛洲坝枢纽各种输水建筑物的排沙要求。例如，除了二江泄洪闸是泄洪排沙的主要建筑物外，还有大江、三江两个航道的排沙闸也要利用长江的多余洪水冲刷航道淤积物，所谓“静水通航，动水冲沙”就是这个意思；还有大江电站与二江电站各个机组引水管的引水、排沙效能。前文说过，根据柯雷奥雷定律，当葛洲坝河段水位抬高20米时，南津关河段的长江主泓由大江转为二江，因而葛洲坝河段的长江主泓河道的凹岸由原来的右岸变为左岸，这种河势变化对于我们在该河段的河势规划工作提供了非常有利的条件。葛洲坝建坝以前，长江主泓在大江，在南津关口的长江水流流态有一个奇特现象，就是在南津关口上下极短的河段内水流发生了急转弯，这样使得大江右岸凹岸河段形成的一个很短的河段凸岸，不仅堆积了大量泥沙，而且还堆积了大量的卵石。这种现象因为葛洲坝工程抬高水位而消失了，并变成了正常的现象，即在二江泄洪闸以上河段，泥沙变成均匀而不是成堆积状地从右岸向下排泄。这种现象有利于三江航道以上天然航道水流流态的改善并减少泥沙淤积，也可以取消原来有人建议的排沙闸。
第二，南津关河段有一个最奇特的现象，就是它的水流流态出现了许多漩涡和泡水，这种水流现象通称为“泡漩”。经过考察和研究，知道这种“泡漩”的形成主要是因为该河段的河床本身就是一个奇特的河床。南津关口以上的长江水面宽200米- 300米，河底低于海平面70米；南津关口以下的长江水面宽约2400米，河底深为海拔20米- 30米。因此，长江洪水由上游向下游宣泄时，江面上的水流由河宽200米- 300米很快向右岸扩散为2400米。长江岸边水流扩散夹角在一般河流与其他长江河段上都少有这种现象，这不可避免地使水流的表面变为异常现象。另外，长江洪水在南津关口向下宣泄时，大量的洪水就由海拔- 70米的河床上升到海拔20米- 30米的河床，水流以45度角流向河面，其上升高度约100米，所以南津关河段的下游就出现了许多泡漩，自古以来都被船夫视为危险河段。要改善这种水流流态，就必须改变该河段的水流条件，这就要做河势规划。工程师们考虑到，要使南津关段河床由深水段到浅水段的45度角变缓，以改善水利条件。但这里有一个矛盾，就是南津关以上河床的坡度越缓，水流流态变缓，就越需大量的块石填充。填充的块石越多，该河段的过水断面越小，如果一旦发生历史上最大洪水时，大量块石会冲向下游。所以改善南津关河段的河势只靠这一措施是不够的。
要改善南津关河段的河势，经过10年研究，还必须长期采取另外两个措施。首先是改善南津关河段由窄变宽的河岸夹角，特别是左岸河段需要展宽。南津关河段由窄变宽的过渡段挖宽以后，则有利于改善三江航道引航道口到南津关口之间这一河段航道的弯曲度，也有利于减弱该河段的水面“泡漩”。因为在“泡漩”由河床底部向水面上升的过程中，河床越是展宽，“泡漩”越是向周边扩散，其能量就会受到削弱。另外一个措施就是葛洲坝库区水位的抬高，使泡漩由底部上升的水压加大，这样就使南津关河段的水流流态也因为长江主泓由大江转到二江后，水流流态有利于航道的顺直，特别是葛洲坝挖除以后，水势平稳，南津关以下的河势因此而大大地改善了。
第六个问题是葛洲坝枢纽输水建筑物的排沙设计问题。从理论上讲，长江上游下泄的泥沙都要进出平衡，所以各种输水建筑物都必须是长江泥沙在葛洲坝河段的最后排泄阶段。二江泄洪闸是葛洲坝工程泄洪排沙的主要建筑物，长江上游下泄泥沙的绝大部分，特别是大颗粒泥沙都要经此向下游排泄，因此二江泄洪闸的闸门底板包括消力池的混凝土底部都要做到耐磨。设计葛洲坝这样大流量的闸门，在国内外都没有可以借鉴的先例。特别是泄洪闸的消力池全年都处于长江水面以下数十米，一旦建筑物受到卵石泥沙的磨损破坏，怎样观察、了解和维修这些被损坏的设施，在国内也找不到可供研究的资料。所以葛洲坝工程的二江泄洪闸有很多复杂的技术问题，都必须进行长时间的，全面的科学研究。其中，主要是消力墩和消力坎的气蚀，以及减少消力池底部磨损的研究。如果二江泄洪闸的水流流态问题不能解决，就有可能在泄洪闸的消力池中产生回流，这样就会使大量沙石停留在回流区，不能向下游排泄，昼夜旋转磨成深坑。工程师称这种现象为可怕的球磨机现象。
由于葛洲坝工程是个低水头工程，所以电站引水口也必须设计在河床底部以下，并在其上设计一个排沙底孔，以避免大颗粒泥沙进入水轮机损蚀叶片。由于排沙底孔的流速很大，可以降低电厂尾水，增加发电效益。另外，导沙坝的长度、高低也必须适当。导沙坝太高，就会减少电厂进水量；导沙坝过低，又会失去导沙能力。还要根据水力学理论，既能满足引水流量，又可减少粗颗粒泥沙。
第七个问题是二江泄洪闸的安全稳定问题。由于葛洲坝的地质条件很坏，坝轴线特别是泄洪闸附近属于松软的沙页岩互间岩层。这种岩层可能导致泄洪闸上游的水向下游渗透，在闸下游产生顶托，使泄洪闸不能稳定而向下游滑动倒塌。所以二江泄洪闸除了进行基础的防渗处理外，还要在闸下游的基础以下数十米深处修建排水廊道，以消除可能产生的顶托现象。以上两种设计施工效果很好，现在经过排水廊道的安全观测，证明没有任何渗透现象，大小排水廊道全都处于干燥状态。
为了防止二江泄洪闸可能下滑倒塌，又有不同意取消二江排沙闸的方案，以便在二江泄洪闸下滑倒塌时，由排沙闸代替二江泄洪闸泄洪。我坚决反对保留二江排沙闸的设计方案，因为二江泄洪闸不存在下滑倒塌的危险，单靠排沙闸向下游排沙是不可能的。事实证明，葛洲坝工程的排沙问题已经解决。
第八个问题是为了减少葛洲坝工程的设计工作量，原定葛洲坝下游的工程设计问题暂不考虑，留待葛洲坝建成后再做研究。当时许多人错误地认为原来的大江航道不能安全通航，二江泄洪闸没有开挖独立的泄洪道，这样二江泄洪闸的洪水会横冲右岸，破坏大江航道。后因设计费已经上缴，泄洪道的修建就被搁置下来。三峡大坝即将建成，上游洪水几乎全部用于发电，二江泄洪闸下泄洪水很少，所以这个问题就不那么严重了。
这是葛洲坝工程设计中解决的一些主要问题。实际上还有其他许多重要的问题，例如在大坝结构和闸门支柱结构等方面，本文因篇幅所限就不作说明了。
在葛洲坝工程大江截流、二期工程的设计已基本确定后，我便组织力量用于三峡工程初步设计的继续研究。这样，在三峡工程决定上马后，长办的主要设计力量就可以毫无困难地投入进去。所以说，葛洲坝工程是三峡工程的实战准备，也可以说是三峡工程一次最全面的科学试验。
这里我要重申我多次说过的一句话：葛洲坝的成功，主要是周总理的关注和正确而及时的决策。没有这一条，葛洲坝就可能中途夭折，或者会遇到更大的困难。而葛洲坝工程技术委员会仅仅是总理指示的贯彻执行者。
