周恩来负责长江流域规划，赞成把三峡工程作为长江流域规划的主体工程，但反对三峡工程在经济、技术等条件不具备、时机不恰当的情况下草率上马。周恩来建议先搞丹江口工程。１９５８年８月３１日，周恩来主持的北戴河长江会议同意丹江口水利枢纽上马。１９５８年９月１日，丹江口水利枢纽工程正式动工兴建。这个决策既避免了“二五”计划期间贸然上三峡工程的风险，又为三峡工程建设开辟了前进的道路。
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修建葛洲坝水利枢纽
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１９６９年，丹江口水利枢纽拦洪并开始发电后，长江流域继续兴建大型水电站面临着三个选择：开发长江支流清江隔河岩，装机容量６０万至１００万千瓦；开发三峡下游的航运梯级葛洲坝，装机容量２００万千瓦以上；开发三峡，装机容量１０００万千瓦以上。１９６９年６月，毛泽东到武汉，张体学提出要开始修三峡大坝，毛泽东泼了“冷水”。１０月，毛泽东在武汉，曾思玉等再次提议修三峡大坝。毛泽东说：“目前备战时期不宜作此想”。
１９７０年，毛泽东、周恩来支持了武汉军区和湖北省提出的先建葛洲坝工程的意见，并明确提出修建葛洲坝水利枢纽是三峡工程的实战准备。
１９７０年１２月１６日，周恩来在国务院会议厅主持召开葛洲坝工程设计汇报会。会上，周恩来指出，要有战争观念，高坝大库是我们子孙的事，２１世纪的事。又说，三峡和葛洲坝，两个同时修，形势不允许，“四五”计划同时修两个也不可能。６０年代，周恩来曾说，毛泽东同志有首诗，其中有一句“高峡出平湖”。理想总是要实现的，但是要经过一个历史时期，不能急，不能随便搞。从国力、技术水平及国际形势出发，循序渐进、准备条件、积累经验，这就是周恩来处理葛洲坝与三峡两个工程之间关系的指导思想。
１９７０年１２月２２日，周恩来主持起草了《中共中央关于兴建宜昌长江葛洲坝水利枢纽工程的批复》，指出：“修建葛洲坝水利枢纽，是有计划、有步骤地实现伟大领袖毛主席‘高峡出平湖’伟大理想的实战准备”，修建中“既要考虑战时万一遭到敌人破坏不致危害下游的可靠措施，也要考虑今后保证三峡高坝建设的有效措施”。２４日，周恩来致信毛泽东和林彪，赞成兴建葛洲坝水利枢纽工程。信中陈述了兴建葛洲坝工程的效益等，并提出“至于三峡大坝，需视国际形势和国内防空炸的技术力量的增长，修高坝经验的积累，再在‘四五’期间考虑何时兴建”。《周恩来书信选集》第６０８页。
１９７０年１２月２６日，毛泽东在７７岁寿辰的这天，看了周恩来的信和《中共中央关于兴建宜昌长江葛洲坝水利枢纽工程的批复》后，写下以下批示：“赞成兴建此坝。现在文件设想是一回事。兴建过程中将要遇到一些现在想不到的困难问题，那又是一回事。那时，要准备修改设计。”毛泽东对当时修建葛洲坝工程尚且认为将要遇到意想不到的困难。从这里也可以理解他为什么不同意当时上三峡工程了。
先上葛洲坝工程的决策，是又一次把目标和步骤结合起来既积极又慎重的重大决策。
但是，由于“文化大革命”混乱的形势和其他各种原因，葛洲坝工程开工后，暴露出很多问题。
１９７２年１１月８日、９日、２１日，周恩来抱病三次主持召开葛洲坝工程汇报会。第一，周恩来针对当时“左”的指导思想和做法，强调搞水利工程不能用军事体制与军事办法；不能搞空头政治，要精通业务，重视质量；不能急于求成、急躁冒进。第二，周恩来果断地决定把葛洲坝工程停下来，整顿队伍，修改设计，并成立林一山、钱正英、张体学、王英先、马耀骥、沈鸿、谢北一、袁宝华、廉荣禄九人组成的葛洲坝工程技术委员会，使葛洲坝工程技术有了一个强有力的领导核心。第三，葛洲坝出了问题？是不是先修葛洲坝的战略决策错了？是不是应该先修三峡？对此，周恩来组织大家平心静气地进行讨论，再一次统一大家对先修葛洲坝战略决策的认识。１１月２１日汇报会上，周恩来对林一山和葛洲坝工程技术委员会的其他同志说：“修葛洲坝要成为三峡大坝的试验坝”，“搞好了葛洲坝就是大成功。”葛洲坝工程技术委员会的成员们牢记周恩来的嘱托，兢兢业业地工作，终于胜利完成了建设任务，并创造了“静水通航，动水冲沙”等誉满中外的工程技术杰作。
“待到山花烂漫时，她在丛中笑。”周恩来曾解释毛泽东这两句诗说：“首创的人，没有等到事业的成功，也就是看到别的花开的时候它谢了。”“你首创，但不一定能自己享受。”周恩来生前虽然未能亲眼看到“高峡出平湖”的壮丽图景，但他做了大量的筹划与准备工作，特别是他亲手开创了长江第一坝——葛洲坝工程的建设，为三峡工程建设积累下经验，锻炼了队伍，奠定了基础。
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三上三门峡
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历史上黄河经常决口改道，洪水泛滥所及，北至天津，淤塞破坏海河水系，南至淮阴，淤塞破坏淮河水系，被称为“中国的忧患”。三门峡工程是新中国治理、开发黄河最大和最重要的综合性工程。三门峡工程修建过程中，周恩来三上三门峡，在水库工地度过了八个日夜。
三门峡工程由苏联帮助设计，一届人大二次会议批准修建，１９５７年４月１３日开工。
但是，三门峡工程开工一年后，在要不要修建、大坝泄水孔底槛高程多高为宜等问题上，仍然争论很大。陕西极力反对修建三门峡工程，理由是水土保持能解决问题，无须修三门峡。
周恩来为掌握情况、解决问题，于１９５８年４月２１日至２４日，在三门峡主持召开了现场会议。为了便于对陕西做说服工作，周恩来还请了对西北局有很大影响的彭德怀、习仲勋去参加会议。
三门峡现场会争论热烈、气氛活跃。国务院副总理彭德怀和国务院秘书长习仲勋讲了话，陕、豫、晋和水电部、黄委会、三门峡工程局的负责人及有关专家都在会上发了言。特别是陕西省去了不少人参加会议，发表了慷慨激昂的讲话，说水位高了，西安地区的土地会碱化等等。周恩来在会上认真听取不同意见；会下跑工地，同工程技术人员和工人们交谈，掌握第一手材料。
２４日，周恩来作了总结发言。他肯定了争论的意义；阐述了上游与下游，一般洪水与特大洪水，防洪与兴利，局部与整体，战略与战术等辩证关系；指出了兴建三门峡水库以“防洪为主，其他为辅”、“确保西安，确保下游”的原则；强调围绕三门峡工程要加紧水土保持、整治河道和修建黄河干支流水库的规划。对于泄水孔底槛高程，周恩来说：“原订３２０，这就太高了。３２０就是高出库底４２公尺，是不是能够降低？我们说可以减低到３００，但是和苏联专家商量，最多让步到３１０，不然关闸比较困难。”“还可以继续争一争，看是不是能改到３００，因为减低一点，总可以使泥沙多冲出去些。”
这次现场会，突出了整体利益，适当照顾了局部利益；进一步明确了修建三门峡水库对治理黄河特别对下游五省防洪的重要作用，回答了陕西关于三门峡水库有没有必要修建的疑问。同时，采纳了大坝泄水孔底槛高程降低２０米的意见，对水库兴建和改建后长期减少库区淤积和淹没损失，起了重要作用。
１９５９年１０月１２日至１４日，周恩来第二次上三门峡工地并主持现场会。１２日，他与吴芝圃、卫恒等研究河南、陕西、山西三省水利与运输问题。１３日，他同与会人员讨论了三门峡枢纽１９６０年拦洪发电以后继续根治黄河的问题。１４日，他同水电部、晋、豫、陕、黄委会、三门峡工程局负责同志谈黄河泥沙问题。
１９６１年１０月８日，周恩来第三次上三门峡。他这次和陈毅副总理陪同尼泊尔马亨德拉国王先视察了三门峡水工机械厂，接着又视察了三门峡水利枢纽，了解水库蓄水运用的情况。三个月前，为解决分瓣水轮机转子的焊接问题，周恩来两次同沈鸿、李强、冯仲云等研究具体办法，并指示把全国各地具有丰富焊接经验的老工人和专家集中起来解决这个问题。这天在现场，周恩来仔细观看了水轮机转子，并询问沈鸿焊接会不会出毛病。沈鸿说：“估计不会。”周恩来听了十分高兴。
周恩来每次到三门峡都不顾疲劳，深入现场，掌握实情。他勉励工程建设者好好学习政治、文化和技术，为工程作出更大的贡献。他关心水利职工生活，询问伙食情况。一次，一个小伙子一边吃着馍，一边挤到周恩来面前，他随手掰了一块放到嘴里尝尝，乐得大家亲切地笑了起来。当他得知灌浆工人长期在潮湿的廓道内工作，已有一些人患关节炎时，十分关心，当场指示工程局的领导注意解决这个问题。他回京后不久派来了调查组，又从北京送来医疗设备、药品和保暖防潮劳保用品，安排患者到疗养院治疗、休养，工地上为灌浆工人成立了保健食堂。他就是这样关怀水利职工，就是这样深入实际排忧解难。
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三门峡工程的两次改建
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三门峡水库１９６０年９月开始蓄水，经过一年半的时间，到１９６２年２月，水库就淤了１５亿吨泥沙。不仅三门峡到潼关的峡谷里淤了，而且潼关以上，渭河和北洛河的入黄口处，也淤了“拦门沙”。
面对三门峡工程出现的淤积问题，周恩来一方面承担责任，检讨自己未能将工程办好；一方面总结、消化历史上的治黄经验，借鉴、分析苏联水利建设经验，认真谋划如何改建。
从１９６２年３月起，