第五章 水力发电之规划
扬子江上游三峡之内，无论冬夏，随处多有急流，以其水势汹涌，恒为航运之梗，若欲就地扩大规模，利用水力，甚非易事，其重要原因如下：
在此巨流之大江，拦河兴筑滚水坝，事实上几不可能。
峡内水面平均宽约４３０公尺，两岸石山坡度甚陡，实无空地另辟引水道。
三峡之内，水位改变甚大，宜昌上游自３７至１６６公里间，低洪水位之差约为３２公尺至５９公尺，建筑船闸发电厂等工程费用过巨。
所幸宜昌上游，低峦横伏，数见不鲜，若利用低峦为天然滚水坝，正流河槽用大块岩石填塞，迫水流过滚水坝，提高水位，以利用水力，似较轻而易举。兹将基本注意之点列下：
宜昌为重庆、汉口之中心，轮船往来，交通甚便，电气事业易于发展，故选择发电厂地基，以近于宜昌为最宜。
天然低峦须具有适当之高度及坚固之基础，且其长度须足敷滚水坝或泄水道之用。
发电厂须有适宜之进水池及泄水沟。
本此原则选得葛洲坝及黄陵庙两地点，各有特长之点。兹将初步设计分述于次。
一、葛洲坝计划葛洲坝位于黄猫峡门口下游２公里，南距宜昌海关６公里，坝基系砾岩，结构颇坚。以故扬子江甫出峡门，葛洲坝适当其冲，经数千年之大冲刷，卒未改变其形状。坝之顶面，地势平坦，约高于宜昌海关水尺零点１５公尺，形成勾股，弦之长约１２２０公尺，面积约６顷，似此情形，不惟葛洲坝可利用作滚水坝，而坝之西边顺接扬子江，安设发电厂，亦甚相宜。兹将研究结果列下：水头之规定 查葛洲坝基础砾岩，北高而南低，北端砾岩露头，高约１５公尺，及至南端降下地面３．５公尺。因滚水坝址略近南端，遂暂定坝高为１２．８公尺。查发电厂之电力，以维持常量为最善，即水轮之速度应为恒数。换言之，同一水轮，同一水量，尤须有同一之水头，方可维持其一定之速度。然在宜昌之扬子江流量，自最小每秒钟３５００立方公尺，至最大６５０００立方公尺，终年改变，无时或同，且洪水之际，最高水位高于水尺零点１６．３公尺。葛洲坝泄水道高度仅１２．８公尺，即洪水时坝之下游水面淹没坝顶３．５公尺。在此情况之下，冬日低水固有水头１２．８公尺，若当洪水，水头自必减少，欲维持一定水头，须将滚水坝上泄水道之宽度缩短，使上游水位增高，至与下游水面成１２．８公尺之水头为止。
依各种水位之计算，计算从略泄水道宽度５１０公尺，无论水位改变至如何程度，其上下游水位之差，恒为１２．８公尺，即以此数为计算电量之水头。
发电能力 依以上规定之水头，并假定水力发电总效率为７３．７％，算出各水位之电量如下：〔表略〕依上表计算最高洪水时虽可发生电力６０４００００千瓦，但数十年不一见，决难利用４０英尺之水位，一年中仅数日。２７英尺之水位，可发生２４４５０００千瓦，平均亦仅每年３个月，难以利用。１２英尺水位时，可发生９５６０００千瓦，平均每年历时约７个月至８个月，将来在需要时可以开发。若利用最低水位，即水尺零点，通年之中，无论何时，均可发生电力至少３２４０００千瓦，本计划即以此为根据。
水力发电厂之初步设计 如上所述，葛洲坝建设５１０公尺宽之滚水坝，顶高１２．８公尺，终年可得１２．８公尺之水头，以最小流量计算，可发生３２００００千瓦电力。水力机之大小，关系于建筑费之多寡与经济，实有详加研究之必要。据美国习惯经验，在１２公尺至１５公尺水头之大水轮，以能发生电力１００００千瓦者为最普通。若采用此种大小样式，则照下节计算，水轮直径仅有３．７公尺尚不过大，我国机械制造工厂尚有能力设计制造或照式仿造，如十分之七由外国名厂定制，十分之三由我国仿造，则安全既得保障，经费亦可节省，惟一厂而有３０具上下之机器，未免太多，厂房长度达６１０公尺，亦未免太长，若改用２００００千瓦之水轮及电机，似较合式〔适〕。第一期５具占地１７０公尺，最后１５具占地５１０公尺，此中斟酌，煞费周章也。
滚水坝泄水道 以葛洲坝之地势而论，滚水坝位置应顺岛之长度建设，若以水力情形而论，则以横断面勾弦〔图略〕为佳。因当洪水之际，滚水坝上有１２．８公尺之水头，以６５０００秒立方公尺之水量，居高临下，势如建瓴，离坝之后，非有相当之水程，不足以杀其势。如第七图〔图略〕设计之位置，水流经过滚水坝后，直流１５２０公尺，方可达到西岸，故不至有害于航运。
滚水坝之本身，因未钻探地层，地下情形尚不明了。兹为计算价值计，暂作初步设计，如第九图〔图略〕中，坝上滚水部分取抛物线式，坝前近底部分取摆线式。坝前底面须建至低水面６公尺，坝前之砾岩须炸去，使低水时水流经过滚水坝后易于从两旁流泄。坝面须铺花岗石，坝心砌以乱石，坝前砾岩如有松裂之处亦须用洋灰灌实，以防冲刷。
岩石坝 发电厂北端须将扬子江河身用岩石填塞，方可使河水流经滚水坝，此处河宽大水时约６１０公尺，最深之处低水时约２１．５公尺，夫以扬子江巨量之水而欲用岩石填塞，自非易事。水位愈高，水势愈急，推动之力亦愈大。究竟石块大至何等程度，方可不至冲去，不可不一为注意。据此次勘查所见，河道中堆积之大石块，似可不至被洪水转动者，其重量约在一吨半以上。又查美国加省ＥＳＣｏｎｄｉｄｏＤａｍ亦为岩石垒成，高２３公尺，底宽４３公尺，顶宽３公尺，所用岩石大块者重至４吨。故本队建议拦河填石，须先填大块石重２吨至４吨，垒至高度１６公尺，使水由滚水坝流去时，方可用小石块填垒上游之面，又须填土以防漏水，兹定坝顶高度３２公尺，宽５公尺；下游之面，垒石坡度１∶２，填上坡度３∶１。其他设计如第九图〔图略〕。
船闸 宜昌、重庆间之交通端赖航运，今欲填塞扬子江，则船闸之建设实为必要。查此段往来轮船最大者６５公尺，吃水２．７至３公尺，勘查之际，曾询当地中外航行专家，数十年后，此段往来轮船有无改大之可能，俱云事实上颇难实现，遂规定船厢长９１公尺，宽１２公尺，引水道约３０５公尺。闸门分上游下游、上游闸门高２３公尺，门顶高于上游洪水位３公尺；门限顶面低于上游低水位３．７公尺；下游下闸门高２０公尺。门限顶面低于下游低水面３．７公尺，闸墩顶面高于下游低水位３２公尺，顶宽３公尺。上游闸墩高２３公尺，下游闸墩高３５．７公尺，闸墩底宽２０公尺，其他尺寸详第九图〔图略〕。据山东小清河船闸设计经验，闸墩高度在９公尺以上板墙式较实体式为经济，兹为初步计算建设费，故取实体式。
低水时期，下游上闸门开置不用，仅用上游及下游之下闸门。如上游低水位长高至３．４公尺以上，则下游之上下两闸门须同时并用。所有 闸门俱用钢制，每门共重１７９５４４磅。
土壤及坝墩 葛洲坝正东有山水沟一道，近葛洲坝时分二叉道，此二叉道之间隆起成坵，即西坝是也。〔图略〕叉道之口，虽高于扬子江低水面，而葛洲坝建坝后上游之水面高远在其上，故须于滚水坝东端向东横建土坝一道，顶高与岩石坝同，宽４．９公尺，上下游坡度均为２∶１，上游之坡用块石铺面，以防冲刷。坝之中心须建混凝土坝心墙以免水之渗透，危及坝身。其各部尺度详第九图。
土坝滚水坝发电厂岩石坝相连之处，须各建极坚固之坝墩，其计算与发电厂挡壁同，分Ａ、Ｂ、Ｃ３坝墩，如第九图。
回水曲线及淹没情形 葛洲坝计划完成后，其回水曲线影响如何，不可不加以研究。惟此次勘测，仅测得扬子江横断面二处：一在葛洲坝，一在黄陵庙附近。而扬子江河槽在葛洲坝以上，极不规则，所测之断面，不足应用，不得已依照海关扬子江上游图所量得之平均河宽，假设横断面底线为抛物线式，并以法国海军所测之河深，定各段之横断面。
根据推算结果，回水曲线在低水时影响于葛洲坝上游者８３．５公里，洪水时仅５４公里，因洪水水面坡度较陡故也。崆岭滩为三峡内低水时极危险之急流，葛洲坝建坝后，该处加深８公尺，可以化险为夷，至低水时淹没农田，除葛洲坝６顷外，尚有南津关、白房子及山水沟等处，以目力观察，约有２０顷。最大洪水时期，淹地面较多，然为时仅数日，无足轻重也。
基础岩质 葛洲坝基础岩质之为砾岩，已详第四章。查美国加州ＦｒａｎｃｉｓＤａｍ于１９２８年冲毁，据当日各工程师查验报告，坝基岩质一部分为砾岩，内含陶土及石膏，陶土见水软化，石膏溶解于水，以致负荷力减少，终归失败。兹据中央大学地质学系郑厚怀教授观察，葛洲坝砾岩标本并无上述情形，惟地下岩层有无节理及渗透层，则须待钻验后始能断言耳。
价值之估计 前述葛洲坝计划常年可发生电力３２００００千瓦，兹为安全计取３０００００千瓦为该计划完成后之总容量，拟分三期建设。第一期发电１０００００千瓦，其余二期每期加添１０００００千瓦，其建设费分期估计如下：第一期 Ｓ ３３９７３８００第二期 Ｓ ２１１５８０００第三期{Ｓ ２１６１００００以上估价，系按照当地情形并参酌过去经验规定。惟水力发电设备之单价，普通以马力为标准，美国巴鲁氏所著之水力工程学，机器设备每马力平均美金２５元，以４元折合为华币１００元。
二、黄陵庙计划宜昌上游２０海里至３０海里腰站河一带有花岗岩低峦多处，皆有用作滚水坝之可能，此次初勘所选地点在黄陵庙附近，故取该处作初步之设计，以与葛洲坝计划相互参证。
黄陵庙之滚水坝以地势言之，应定高度为２０公尺，如是泄水道宽度２１３５公尺即可通年得２０公尺水头，无论何时，至少可发生电力５０万千瓦，兹为与葛洲坝计划互相比较起见，开下７公尺，使高度变为１２．８公尺，与葛洲坝计划情形相同，水头亦为１２．８公尺。此种设计，初视之似觉开石费工太不经济，然事实上填垒岩石坝仍须就近开山取石，故虽凿下７公尺，不为费工也。兹分别设计如下。
泄水道如上所述黄陵庙泄水道顶点定为１２．８公尺，非但坝基须开下７公尺，而坝之下游地势尚高，亦须向下开通河身，使水易于流泄，如第十一图〔图略〕所示，故黄陵庙之滚水坝已不见坝之形式，直可谓之泄水道而已。
由各种水位情形观察，黄陵庙之泄水道，如欲维持通年水头１２．８公尺，其宽度应为２７５公尺。惟此数系以流量恒数等于２．６４计算，若改用３．８则宽度当变为１９０公尺，相差８５公尺，似宜取用１９０公尺为泄水道之宽度，凡超过水位４６．４公尺之水另由虹吸泄水门泄去。如是水量与水位均可同时加以节制，当不至漫溢为患。又坦坡之倾斜，亦须就地势安排适当，否则影响泄水道流量，仍不能得一定之水头也。
当洪水之际，泄水道内水之平均流速虽为每秒钟６．７公尺，而最大流速或可超过每秒钟１５．３公尺，幸石质为花岗岩，对此流速，自不发生问题，惟花岗岩与墙墩相接之处，须特别加以保护，否则逐渐冲刷，势非冲毁不可。
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