三峽大壩上下游落差113米，船舶是如何翻越40層樓的三峽船閘的？

長江被稱為黃金水道，而三峽則是長江上防洪發(fā)電的國之重器。175米的大壩雖然攔截了洪水，卻沒攔住黃金水道上的船只，這都多虧了三峽的五級船閘。

一、為什么要有船閘？

受地形、急流以及天然或人工障礙物的影響，河流的水位在某處常有較大的落差，為了改善船舶的通航條件，人們常常會修建船閘來應(yīng)對集中的水位落差河段。

（三峽水利樞紐工程示意圖）

比如三峽大壩壩前正常蓄水位為海拔175米高程，而壩下通航最低水位62米高程，上下落差達(dá)113米，船舶要翻越40層樓房的高度，就得靠船閘。

船閘由固定位置的閘室、閘首、輸水系統(tǒng)、引航道等組成。通過閘首上閘門的開與合，可控制閘室內(nèi)部的水位是與上游水位齊平還是與下游水位齊平，進(jìn)而讓在閘室內(nèi)等候的船舶可自由向上行或向下行。

（船舶從下游經(jīng)過船閘到達(dá)上游示意圖）

二、三峽船閘：世界最大的五級船閘

船閘有多種類型，按照縱向排列的閘室數(shù)目，可分為單級船閘和多級船閘。按照橫向平行排列的閘室數(shù)目，可分為單線船閘、雙線船閘和多線船閘。可以這樣理解，級代表的是樓梯的數(shù)目，線代表的是船道的數(shù)目。

而三峽大壩的船閘屬于雙線五級船閘，是世界上最大的五級船閘。也就是說，船舶通過它要經(jīng)過5個梯級的閘室。兩線船道保證了可以同時讓上游的船舶到下來，下游的船舶到上去。

三峽船閘全長6.4公里，其中船閘主體部分1.6公里，引航道4.8公里。五級船閘編號從上游開始，上游是第一級船閘，下游是第五級閘室，每個閘室長280米、寬34米，

閘室坎上最小水深5米。

永久船閘共有24扇人字閘門。三分之二的人字門高36.75米，寬20.2米，厚3米，重達(dá)850噸，面積接近兩個籃球場，其外形與重量均為世界之最，號稱“天下第一門”。

“人字門”一般只承受單向水壓力，門面向上游凸起，當(dāng)其關(guān)閉時，上游水向下流，使得門越壓越緊。憑借此構(gòu)造優(yōu)勢，三峽船閘關(guān)合之間縫隙只有0.2毫米，滲水率低于每秒0.03立方米。

（人字形閘門，一扇有兩個籃球場那么大）

三、船舶如何翻越40層樓高？

三峽船閘學(xué)名是雙線五級連續(xù)船閘，修建于三峽大壩左側(cè)的壇子嶺山體中，是開鑿于堅硬花崗巖中的人工渠道，于2003年6月投入運行，設(shè)計通航規(guī)模到2030年，單線年通過量為5000萬噸，上下游雙線1億噸。

五級源于113米落差

如上文講過，三峽大壩上下游最大落差達(dá)到113米，分成了五級以后，上下級之間最大水頭還有45.2米。但即使是這樣，這一數(shù)字也仍超過了當(dāng)時世界上最大一級船閘34.5米的水頭。

綜合考量了落差大小、壩址的地質(zhì)、地形條件、船閘的工程量、造價等因素，設(shè)計師最終選擇了五級閘室的設(shè)計方案。各級船室可根據(jù)實際情況而選擇是否使用，當(dāng)汛期下游水位達(dá)到67米以上時，第五級、第四級船閘作正常過船通道，利用剩余三級船閘調(diào)節(jié)水位的落差。

（圖片，三峽船閘剖面圖）

爬五個梯度，要花上3個小時

那船舶是怎么“一步步”穿越40層樓高呢？假如船要從下游到上游，那它得先過第五級閘室，然后關(guān)閉下游人字門，通過開合地下閥門，讓第四級閘室往第五級閘室內(nèi)充水，利用連通器原理，使得兩極閘室內(nèi)水位一致。然后打開第五級閘室上游人字門，船舶平穩(wěn)駛?cè)氲谒拈l室。

就這樣，船舶像爬樓梯一樣一級一級的向上，最終駛向大壩上游航道，船舶下行的過程相反。不過，這一級級的攀爬與下移，也要花上三個小時。

正常情況下，兩線船閘向商場電梯一樣，一線上行一線下行，若一線因檢修等原因停用，另一線則采用成批過閘、定時換向的方式保障上下行船舶的正常通行。

五級船閘運行時最多可有三批船隊在同一線過閘。以五級船閘上行為例：當(dāng)先行船隊由第二閘室進(jìn)入第一閘室時，第二批船隊B由第四閘室進(jìn)入第三閘室，第三批船隊可從下游進(jìn)入第五閘室。（這是一道數(shù)學(xué)題，別看我，我不會！）

此外，長江三峽通航管理局采用GPS遠(yuǎn)程申報、船舶同步進(jìn)閘移泊等技術(shù)手段，強(qiáng)化船舶過閘管理，合理安排船閘檢修工作，努力發(fā)揮、挖掘三峽船閘航運能力。

四、三峽船閘都克服了哪些世界難題？

修建世界上最大船閘的主要技術(shù)問題在于沒有任何先例可以參考。三峽船閘113米的水頭，比之前世界上水頭最高的船閘，前蘇聯(lián)建造的布赫明船閘整整高出45米。從設(shè)計、施工到設(shè)備安裝，每一個步驟都面臨著規(guī)模帶來的挑戰(zhàn)。

1、削平了18座山頭建閘，挖了2萬個游泳池

首先，三峽船閘的開挖邊坡最大高度達(dá)170米，是世界船閘開挖邊坡高度之最。為此，建設(shè)者們削平了18座山頭，硬是在壩區(qū)左岸山崗中劈出一條道來，，這在世界水利建設(shè)中是一道難題。

下圖中，最上方的虛線（地形線）代表原來的山體，粗實線則是開挖后的閘室的形狀。整個船閘的土石方開挖量達(dá)到3700萬立方米，相當(dāng)于大約20000個標(biāo)準(zhǔn)游泳池的容量。

（船閘閘室典型設(shè)計斷面圖）

2、錨桿“納鞋底”防挖后巖體傾倒

除了施工量大之外，開挖卸荷后，兩邊的巖體會向中間傾倒。這就像我們從書柜中密密立放排緊的書中抽出幾本，兩側(cè)的書也一定會像中間傾倒一樣。因此，開挖之后，閘室兩側(cè)的直立墻和超高邊坡的穩(wěn)定性則成為了最大的技術(shù)難題。

在沒有成功經(jīng)驗可以借鑒的情況下，中國水電建設(shè)者另辟蹊徑，用4300多根錨索、17萬多根錨桿，像“納鞋底”一樣扎入巖體中，把山體和邊坡緊緊固定在一起，而不至于滑向閘室。這項技術(shù)也是巖體錨固技術(shù)的重大實踐突破。

（加固邊坡的錨桿示意圖，圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

3、花崗巖上挖70米的槽絕非易事

三峽船閘為與巖體共同工作的薄襯砌結(jié)構(gòu)，最大高度達(dá)70米，也成就了一項世界之最。但是要在花崗巖巖體上開挖出近70米的直立墻平行深槽則是另一個高精度難題。垂直切面的總偏差必須控制在20厘米以內(nèi)。

針對這一技術(shù)難題，三峽的建設(shè)者們經(jīng)過100多組試驗，分析對比了上萬組技術(shù)數(shù)據(jù)，總結(jié)了施工處巖體內(nèi)部破壞的規(guī)律。

開挖時，通過多段微差梯段爆破技術(shù)和光面爆破、預(yù)裂爆破、緩沖爆破等爆破控制技術(shù)，來降低爆破震動影響，進(jìn)而保證開挖后表層巖石的完整性，以增加邊坡的穩(wěn)定性，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

（閘室直立墻施工）

4、“天下第一門”開關(guān)自如，還“滴水不漏”

前文介紹過“天下第一門”，三峽船閘的閘門最高的有38.5米，閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計既要滿足受力的剛度要求，又要能夠適應(yīng)巖體少量變形時可靠止水；而閘門的重量超過800噸，巨大的門體自重，和水下工作環(huán)境，加大了人字門底樞潤滑的難度；人字門啟閉機(jī)由于扇形大齒輪節(jié)圓直徑和模數(shù)超過了世界規(guī)模，無法采用以往常用的輪盤式啟閉機(jī)。這些問題都亟待解決。

利用材料增加強(qiáng)度——大型人字門設(shè)計時，在主橫梁中間截面、端部及邊柱設(shè)計中采用了充分利用材料強(qiáng)度，降低應(yīng)力幅值，提高結(jié)構(gòu)抗疲勞能力的設(shè)計技術(shù)。閘門背面還布置了12根十字交叉的鋼拉桿，用于增強(qiáng)門體剛度和調(diào)整鋼門的形狀。

自潤滑輪軸——由于閘門底樞長期泡在水中，傳統(tǒng)潤滑系統(tǒng)難以工作和維護(hù)，因此閘門底樞采用進(jìn)口球形自潤滑軸瓦。

“大力開關(guān)”——啟閉設(shè)備為大行程臥缸直連式無級變速液壓啟閉機(jī)，采用無級變速運行方式，以降低動水阻力矩的峰值，使啟閉機(jī)啟門力得到充分利用，并能保證啟閉機(jī)運行的安全、可靠。

三峽工程雙線五級連續(xù)梯級船閘的建設(shè)還解決了諸如泥沙淤積礙航問題、高水頭船閘水力學(xué)、極為復(fù)雜的運行工藝與極高的安全可靠性運行要求等等重大工程技術(shù)難題。

結(jié)語

自三峽船閘投入運營以來，至2011年，三峽船閘通過量就達(dá)到了1.003億噸，提前19年達(dá)到了80年代設(shè)計通過能力。2016年達(dá)到1.3億噸，超過設(shè)計通過能力約30%，累計通過量超過10億噸、旅客1174萬人。與此同時，過閘貨船平均噸位已由三峽船閘運行初期2003年的1040噸提高到2016年的4236噸。

作者| 江漢臣，清華大學(xué)管理科學(xué)與工程專業(yè)博士研究生