三峡船闸对世界水利科技的创新与发展

口 郑守仁 钮新强 宋维邦 童 迪

　　一、总体设计

　　三峡船闸总体设计的基本任务是：按照技术先进、工程量和投资合理的原则，对有关船闸技术可行性及与船闸的工程量投资有重大关系的关键技术问题进行研究决策。

　　根据河道、泥沙冲淤平衡理论，按照水库达到冲淤平衡后的水沙条件，通过深入比选船闸的线路位置，决定将船闸的线路布置在河床左岸的制高点坛子岭左侧，在船闸上、下游引航道右侧布置隔流堤，在汛期削减泥沙淤积并调整引航道口门区水流条件；根据三峡泥沙淤积完全不同于下游葛洲坝船闸的特点，通过采用适合于三峡泥沙淤积特点的清淤技术和考虑在必要时进一步加大冲淤能力的预案，解决了急弯河段、复杂水沙条件下船闸的布置，保证了工程的长期使用。

　　通过对高水头船闸输水技术的研究，确定采用将船闸的总设计水头进行分级，采用连续或分散布置的多级船闸，解决船闸总设计水头113m的输水问题。

　　根据三峡船闸的基础条件，在船闸结构设计中大胆开拓创新，按照船闸结构与岩体联合受力的设计理念，在深切开挖岩槽中保留岩体隔墩，船闸的主要建筑物采用在直立岩坡上浇筑分离式钢筋混凝土薄衬砌墙的结构形式，在为三峡枢纽大量节省工程量和造价的同时，为今后在岩基水利枢纽上修建船闸，提供了一种新的轻型结构体系。

　　船闸总体设计的主要成果，充分反映了三峡船闸自身技术特点，使三峡船闸建设的技术可行性得以明确肯定，在大量节省了工程投资的同时，为各个专项技术达到世界领先水平打下了基础。

　　二、超高水头船闸输水技术

　　1.水级划分

　　在总体设计确定对三峡船闸设计总水头113.0m进行分级的基础上，根据船闸上游水位随水库调度，在年际基本稳定、在年内的变化具有明显规律的特点，按照尽可能降低工程的技术难度、节省工程量和造价、运行管理方便、在工程安全可靠的前提下保持工程在技术上的先进性等原则，经对多种分级方式进行研究比较，最终采用了船闸充(泄)水时，全年不需要溢水，只在库水位上升或下降过程中的少数时间进行补水的基本不补不溢的水级划分方式，采用在世界上领先的级与级之间阀门最大工作水头45.2m连续布置的五级船闸方案。

　　2.船闸输水系统布置

　　三峡船闸级间输水水头45.2m，远大于世界已建高水头船闸，一次充、泄的最大水量23.7万m³，输水时间12～13min，输水系统防空蚀、声振问题，闸室快速、平稳输水问题以及上、下游引航道通航水流条件问题，成为保证船闸安全运行的关键技术问题。

　　船闸输水系统采用在闸室两侧对称各布置一条输水主廊道，其中心线距闸墙边线为26.75m；闸室内的出水廊道，对称于闸室水体中心布置，采用4区段8条分支廊道等惯性分散出水、出水孔上带消能盖板的形式，保证了闸室输水的快速、平稳。这种布置最大特点在于即使一侧阀门检修，用单侧廊道进行充、泄水时，闸室出流仍能比较均匀，闸停泊条件仍能满足要求。

　　3.阀门防止空蚀、声振技术

　　船闸输水主廊道突破以往与船闸结构结合布置的形式，采用在山体内开挖隧洞的形式，在基本不增加工程量的情况下，充分降低阀门段廊道高程，加大输水阀门的淹没水深，作为防止空蚀、声振的主要措施。同时，采用快速开启阀门，门后突扩廊道体型，采用全包式支臂和面板的反向弧形门，阀门后通气等多项先进技术作为辅助措施，使输水系统的效率和运行安全得到了充分保证。

　　三、深切开挖高陡边坡稳定及变形控制技术

　　通过对高边坡进行数值仿真分析、地下渗流场及现场渗透与疏干试验及大规模的现场岩锚试验、岩石力学试验，综合研究岩体在施工过程和长期运行中的力学特性，在对卸荷范围与分区、边坡岩体加固效果、边坡开挖程序、施工期和运行期高边坡的稳定安全状态、边坡岩体地下渗流特性等进行分析研究的基础上，采用以下综合技术，解决了船闸高陡边坡的技术难题：

　　1.对边坡开挖几何形态进行整体控制

　　按照高边坡能自稳的原则，经分析研究，船闸的开挖断面如下：

　　船闸边坡在下部开挖形成两条深50～70m，宽37～39m的直立坡闸槽；槽间保留宽度为55～57m的岩体隔墩；槽顶两侧设宽度为15～30m的平台，作为上坝公路，往上微新岩体1:0.3，弱风化岩体1:0.5，全强风化岩体1:1～1:1.5，按梯段高度15m设宽度为5m的马道、局部弱风化顶部的马道加宽至10～15m。

　　2.地下水控制

　　船闸边坡采用地表截水、防渗和排水与山体内部排水相结合的方式，在两侧山体内各设置7层排水洞，在洞间设置相互搭接的排水孔幕。通过截、防、导、排，尽可能降低边坡地下水位，减小渗水压力。

　　3.对边坡岩体进行系统和随机的加固支护

　　边坡的加固支护，以岩锚为主，包括预应力锚索加固、锚杆加固及坡面挂网或素混凝土喷护等。

　　4.施工程序与开挖爆破控制

　　对岩石开挖的程序和施工工艺进行严格控制，同区段两闸槽的开挖高差不得大于一个梯段，在允许条件下尽可能同步下挖。在开挖高程上，要求洞挖超前相应部位明挖20～30m，竖井超前相应部位明挖至少一个爆破梯段。锚固支护施工紧随开挖及时进行。斜坡面采用预裂爆破，马道采用水平预裂，闸墙顶平台预留保护层开挖，直立坡段采用预裂爆破加光面爆破技术。

　　四、高薄衬砌结构技术

　　1.衬砌式闸首关键技术

　　船闸闸首采用分离式衬砌结构，在国外同类工程中尚无先例，三峡船闸采用这种结构是在经过对工程技术条件深思熟虑之后一种大胆的技术创新。衬砌式闸首边墩结构的体量相对于一般的重力式结构要小得多，自身不能满足结构的稳定性和变形控制要求，必须依靠墙后坚硬的岩体与边墩的混凝土结构联合受力；闸首边墩结构为衬砌结构一锚杆一岩体联合受力的空间结构体系，混凝土结构与岩体接合面具有非线性受力特点，由于三者之间相互约束，结构体系受力条件复杂。经综合研究，衬砌式闸首主要采用了以下技术：

　　(1)根据混凝土结构温控的要求合理进行分缝分块
　　衬砌式闸首采用在人字闸门的支持墙与闸门上游的门龛段之间，设永久横向结构缝，有效降低了结构的温度应力，也使闸门门龛段受力条件与闸室墙相同，使结构简化为闸门支持墙的强度和结构变形的控制问题，主要解决闸首支持墙结构与岩体联合受力的问题。

　　(2)在混凝土结构与岩体之间设置系统结构锚杆
　　支持墙平面尺寸为18.7×12m，高度近70m，在其背面及下游面布置结构锚杆，形成两者间可靠共同受力的条件。锚杆选用高强精轧螺纹V级钢筋。锚杆杆长为9～13m，锚杆间距1.5×1.5m。锚杆在跨缝处设置一定长度的自由段以适应在两者间可能发生的微小相对变形。

　　(3)墙背设置排水系统
　　支持墙与岩体接触面设置高效、可靠的排水系统，严格控制在两者的接触面上墙后地下水位的作用，确保结构与岩体联合工作条件。

　　2.衬砌式闸室关键技术

　　衬砌闸室墙的厚度更小，根据结构稳定要求，必须借助锚杆与岩体连成整体，充分利用墙背的岩体作为支撑，与混凝土结构联合受力，共同承受结构荷载，从而节省工程投资。衬砌式闸室主要采用以下技术：

　　(1)合理选定衬砌墙的厚度
　　对衬砌墙厚度的研究发现，由于墙后岩体的作用，衬砌墙厚度对墙体的受力条件不起主要作用，闸室薄衬砌墙厚度主要满足设备布置、结构防渗和锚杆在墙内锚着长度的要求。经综合比较，衬砌墙的基本厚度采用1.5m。

　　(2)对结构合理分缝
　　每片闸室墙的最大高度48m，每级闸室单侧闸室墙长度近300m，根据结构受力条件，同样需进行合理分缝。在闸墙纵向横缝的间距一般为12m，输水系统分流口部位为24m；竖向每15m高设水平结构缝。

　　(3)在钢筋混凝土薄衬砌结构与岩体间布置系统结构锚杆
　　闸室薄衬砌墙结构锚杆主要由施工期结构的温度应力控制，锚杆长度中下部为8m，中上部长为l0m，上部为12m。锚杆间距分别为2m×l.5m～1.5m×1.35m，2.0m×1.8m和2.0m×2.0m。锚杆锚人结构混凝土内长度均为1.45～2.05m。锚杆在跨缝处设自由段，以减小锚杆对墙体切向变形的约束，使锚杆在跨缝处的受力条件得到改善。设置自由段能有效减小锚杆对衬砌墙体切向变形的约束，降低锚杆内的剪应力，较大程度改善锚杆跨缝处的应力条件，充分发挥锚杆抗拉强度大而抗剪强度低的特点。

　　锚杆的细部构造如下：①锚头。为满足高强结构锚杆在结构混凝土内的锚固要求，锚杆在结构混凝土内设有由螺帽和钢锚板整体组合而成的锚头构造。②自由段防腐材料。通过深入调研和室内防腐试验，确定自由段杆体采用喷锌、涂料封闭、外套橡胶管的联合防腐。

　　(4)在钢筋混凝土薄衬砌结构与岩体间设置墙后排水管网
　　为减少衬砌墙背的渗水压力作用，墙背与岩体接触面设置排水管网。渗透水压力影响岩体稳定、薄衬砌墙结构和锚杆受力条件。在闸墙后设置一套排水系统，排水管中心距为4m×7.5m(顺流向x竖向)，可有效地控制渗水压力。对于总长数千米、规模巨大的船闸薄衬砌墙后布置排水系统，在国内外尚属首创。排水系统的形式，经研究选用“井”式布置，能可靠地排除墙后渗水，较大限度地降低墙后水压力。竖向排水管与横向排水管组成“井”式排水系统，其水平排水管可在竖向排水管之间起连通的作用。当某一条垂直排水管被堵塞时，水平排水管可将水导向相邻的竖向排水管进入基础排水廊道，对控制墙后水位的可靠性有较充分的保证。

　　五、闸门及启闭机技术

　　1.人字闸门

　　三峡船闸人字闸门门面尺寸为20.2m×38.5m(宽×高)、单扇门重约850t，人字闸门运行最大淹没水深36m。人字闸门采用主横梁式结构，为了合理设计门页结构的刚度，考虑顶枢受力特性及疲劳荷载对A、B杆的影响，保证超重人字门底枢可靠的润滑条件，考虑闸首边墩变形对人字闸门的影响等，人字闸门采用了以下技术：

　　(1)引入了低周高应力疲劳的概念，为合理解释在已建高大人字闸门结构产生裂纹的影响原因和如何避免结构出现裂纹提供了理论依据。

　　(2)对已往高大人字闸门支、枕垫块挤卡，严重影响A、B拉杆受力的问题采取了相应对策，提高了人字闸门运行的安全性。

　　(3)首创在船闸底枢轴瓦上使用了自润滑材料，解决了当今世界高大人字闸门底枢采用被动润滑系统不能保证闸门底枢润滑可靠性的问题。

　　2.人字闸门启闭机

　　通过采用在油缸尾部设置支撑小轮，调整活塞杆拉门点位置等技术，在世界船闸人字门中，首次采用了大行程卧缸直连式无级变速液压启闭机，人字门启闭机的液压系统，以高压大流量比例变量油泵为核心元件，采用二通插阀构成容积式无级调速液压传动系统，保证了人字门启闭机的液压传动系统具有良好的静态和动态响应特性和系统的运行平稳。

　　六、船闸整体运行监控技术研究

　　船闸设备和船舶过闸的运行工况多，控制复杂，需自动判断运行级数和补水运行，进行大超灌超泄量的抑制和保护及人字闸门的合拢控制与保护。船闸整体运行监控遵循“安全可靠、功能完善、技术先进、操作方便”的原则进行系统研究，船闸设置了集中自动和现地控制两套系统，采用了以下技术：

　　(1)船闸的监控系统，按“硬件冗余、软件容错”的原则由集控管理层、现地控制层，以及与之配套的通航信号及广播指挥系统、工业电视监视系统等构成，上、下层间采用光纤双环(冗余)以太网络连接。

　　(2)研究推导了自动判断运行级数及补水量计算的数学公式并建立数学模型，编制了运用级数判断程序，自动监测和计算补水量的程序，根据船闸上下游水位自动生成并实施船闸运用级数和补水量控制。

　　七、结语

　　三峡船闸自2003年6月16日投入试通航至今，已顺利通过了为期1年的试运行期，于2004年7月8日，通过了国务院船闸通航验收委员会验收并转入正式通航。三峡船闸经1年多运行实践检验表明，采用的各项技术先进、合理、可靠，较好地达到了预期的效果。船闸的建筑物和设备工作正常，过坝运量较历史的最高水平成倍增加。

　　三峡船闸的建设，使世界船闸建设技术实现了一个大跨越，在解决三峡船闸一系列关键技术难题，高质量、高水平地建成世界上规模和设计水头最大、技术难度最高的三峡双线五级船闸，促进长江航运和沿岸经济全面发展的同时，在船闸技术的许多方面取得了突破和创新，创造和积累了丰富的经验，大大丰富了世界高坝通航船闸设计和建设技术的理论和实践。在三峡船闸设计建设的过程中，培养出了一批水利科技创新人才，为我国水利事业在更高技术基础上持续发展打下了坚实基础。　■

(作者单位：水利部长江水利委员会，郑守仁为中国工程院院士，钮新强为长委勘测设计院院长)
责任编辑 李计初