專業(yè)文獻譯文

三峽工程雙線五級船閘設(shè)計鈕新強，童迪，宋維邦長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計院，武漢，430010)【摘要】簡要介紹了三峽雙線五級船閘總體設(shè)計及總體布置，高水頭船閘的輸水技術(shù)，全襯砌船閘結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)問題，大型人字門及啟閉設(shè)備和復雜運行條件下的監(jiān)控技術(shù)。船閘自2003年投入運行，運行實踐證明，設(shè)計采用的技術(shù)先進、合理、可靠。三峽船閘的設(shè)計建設(shè)，發(fā)展了船閘工程的設(shè)計理論與實踐，使世界船閘工程技術(shù)達到了新水平?！娟P(guān)鍵詞】三峽工程；雙線五級；船閘設(shè)計【中圖分類號】TV61【文獻標識碼】A【文章編號】1009-1742(2001)07-0085-061、前言長江是我國第一大河。按照規(guī)劃，長江為I級航道，常年通航，年運量約占全國內(nèi)河總運量的80%。在三峽工程修建以前，上游從宜昌至重慶長約660km河道，險灘眾多，水流條件復雜，最大只能通航由800t至1000t駁船組成的3000t級船隊，航道年單向通過能力僅約1000萬t。三峽工程建成后，上游庫區(qū)航道，通航條件得到根本改善，萬噸級船隊每年約有一半時間，可以從下游直達九龍坡港；大壩下游航道，通過樞紐流量調(diào)節(jié)，枯水期航道的通航條件，得到了顯著改善，長江中、上游航道的通過能力，年單向可提高到5000萬t。三峽船閘主要建筑物的等級為I級，設(shè)計總水頭113m，最大通航流量56700m3/s，設(shè)計水平年2030年的規(guī)劃通過壩址的貨運量，年單向達到5000萬to船閘采用雙線五級連續(xù)布置，閘室輸水的最大工作水頭45.2m.閘室有效尺寸按照通過萬噸級船隊設(shè)計，為280mX34mX5m(長X寬X檻上最小水深)。船閘在壩址左岸深切開挖的巖槽中修建，開挖邊坡的最大高度170m，閘首和閘室全部采用襯砌式結(jié)構(gòu)。三峽雙線五級船閘是目前世界上在滿足船閘上、下游通航條件、解決閘室快速安全輸水和解決船閘結(jié)構(gòu)技術(shù)方面難度特大的大型船閘。2、船閘總體設(shè)計三峽船閘總體設(shè)計，主要針對影響三峽水利樞紐和船閘的整體效益、船閘技術(shù)的可行性和先進性，以及工程量造價等，帶全局性的重大技術(shù)問題進行研究和決策。針對樞紐壩址復雜的水流、泥沙條件、船閘113m的總設(shè)計水頭和主體結(jié)構(gòu)在深挖巖槽中修建的特點，在船閘設(shè)計的總體上進行設(shè)計研究，解決以下主要問題。多沙河流上船閘的工程布置三峽樞紐的壩址，出于接近直角的急彎河段，船閘線路在上、下游與長江主流之間，大角度相交，在引航道口門區(qū)形成大于通航標準的橫向流速，不能滿足船舶安全進出引航道口門的要求；在汛期，長江水流中大量含沙，工程運行一定年限后，泥沙淤積將改變航道的通航尺度和水流條件，導致引航道口門區(qū)要求的通航水流條件不能得到保證。船閘線路的位置，通過大范圍、多方案比較研究，確定采用位于壩址左岸制高點壇子嶺左側(cè)的線路。通過在上、下游引航道右側(cè)，修建隔流堤，優(yōu)選引航道口門的位置，調(diào)整引航道口門軸線與主河道水流之間的夾角，使引航道口門區(qū)的水流條件能長期滿足通航要求。對泥沙淤積愛行問題，在汛期利用溢流壩泄洪，以大流量排沙，減少引航道泥沙淤積。在不考慮樞紐上游修建壩的條件下，大量模型試驗表明，船閘引航道在工程運行幾十、乃至上百年后，泥沙淤積才有可能礙航，泥沙淤積的部位主要在引航道口門以外，在三峽工程下游的葛洲壩樞紐船閘引航道上，已被成功運用的“動水沖沙”措施，在三峽船閘上，不可能取得顯著效果；對三峽工程至遠期才有可能發(fā)生的泥沙淤積礙航問題，經(jīng)過了研究分析，確定采用以機械清淤為主和將臨時船閘改建為沖沙閘，在汛末降低下游水位，進行小流量沖沙為輔，并在三峽船閘的右側(cè)，預留了在需要時可以加建沖沙隧洞，以增加沖沙流量的條件可能性，保證率三峽船閘直至水庫泥沙淤積平衡以后，船閘引航道仍能保持通航尺度的要求。超高水頭船閘的輸水方式三峽船閘113m總設(shè)計水頭的輸水方式，關(guān)系到船閘在樞紐中的布置，解決船閘水力學問題的難度和運行管理的條件、通過能力、工程量和造價，以及船閘工程的可行性和技術(shù)的先進性。首先考慮的問題是必須對船閘的總設(shè)計水頭進行合理分級，三峽船閘先后研究了三級船閘分開布置、四級和五級船閘連續(xù)布置，以及連續(xù)布置的三級省水船閘等多種方案。對船閘總水頭的分級主要考慮了壩址的地形、地質(zhì)條件和船閘上、下游水位組合等，并考慮了當前船閘輸水技術(shù)的水平，按分級水頭明顯高于已建的世界上高水頭船閘。但通過努力，在技術(shù)上確有一定把握的遠策，采用將總設(shè)計水頭等分為五級，兩線船閘并列連續(xù)五級布置，在中間級的最大工作水頭為45.2m時，船閘最大一次充、泄水水體為23.7萬mH充、泄水時間控制在12min以內(nèi)的分級方式。通過自主創(chuàng)新，將輸水系統(tǒng)與閘墻結(jié)構(gòu)分開布置，采用以增加閥門頂部淹沒水深為基本的技術(shù)措施，結(jié)合引用其他高水頭船閘先進的輸水技術(shù)，解決了三峽船閘超高水頭的輸水問題。巖石地基上的船閘的結(jié)構(gòu)形式按照選定的船閘線路，閘槽需在山體深切開挖形成，船閘結(jié)構(gòu)采用不同的形式，對工程造價有顯著的影響。船閘結(jié)構(gòu)按常規(guī)采用分離重力式或整體式，在技術(shù)上相對比較簡單，也有豐富的經(jīng)驗，但巖石開挖和混凝土澆筑的工程量大、造價高。三峽船閘基巖為閃云斜長花崗巖，比較完整，濕抗壓強度高，具備承受荷載的能力，但必須保證巖體與閘墻間能聯(lián)合受力和控制巖坡變形，需要解決的技術(shù)難度大。經(jīng)研究，通過對巖體采用加固支護、邊坡表面封閉、地下水疏排和開挖爆破控制等綜合技術(shù)以及研究襯砌閘墻與巖體聯(lián)合受力的機理，采取保證閘墻與墻后巖體可靠聯(lián)合工作和控制變形的工程技術(shù)措施，三峽船閘決定將閘首和閘室墻全部采用襯砌式結(jié)構(gòu)，形成了新穎的“全襯砌式船閘”。通過兩線船閘采用全襯砌式結(jié)構(gòu)并列連續(xù)五級布置，船閘的線路與樞紐其他工程和施工總布置的矛盾較小，船閘運行管理集中、方便，為工程明顯地節(jié)省了工程量和投資，提升了船閘結(jié)構(gòu)的技術(shù)水平，并為在河道上游基巖壩址修建船閘中采用全襯砌式結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)經(jīng)驗。3、船閘總體布置線路選擇及其布置三峽船閘先后在左岸研究了I至IV線4條線路，4條線路的主體結(jié)構(gòu)，均位于山體深切開挖的巖槽中。經(jīng)比較，最后選用的IV線，引航道口門軸線與主河道水流之間的夾角較小，線路更平順，比其他線路，能更好地適應水庫淤積平衡后口門區(qū)的水流條件。選定線路主體結(jié)構(gòu)直線段長度1621m.船閘線路總長6442m。上游引航道中心線由一閘首上游面往上為930m直線段，接半徑為1000m，圓心角42°的彎段，再接450m長直線段，至上游隔流堤頭，引航道全長2113m,正常段底寬180m，航道底高程130m。上游引航道口門以上，為530m長的口門區(qū)，口門底寬220m，往上游再接半徑為1200m，圓心角為28°的彎段后，用切線與庫區(qū)航線相接。上游引航道右側(cè)，布置有長2680m的隔流堤。下游引航道中心線從六閘首下游面往下為930m的直線段，接半徑為1000m，圓心角54°的彎段，再接850m的直線段，至下游隔流堤頭，引航道全長2708m，正常段底寬180m,航道底高程56.50m。下游引航道口門以下，為530m長的口門區(qū)，口門寬度

200m,往上游再接半徑1000m、圓心角為10° 布置有長3550m的隔流堤。三峽船閘總體布的彎段后與主河道連接。下游引航道右側(cè)，置圖見圖1.\上壘￡1撫逋200m,往上游再接半徑1000m、圓心角為10° 布置有長3550m的隔流堤。三峽船閘總體布的彎段后與主河道連接。下游引航道右側(cè)，置圖見圖1.\上壘￡1撫逋上講中吉花聽陵民江丈橋左廠壩段下游」IS圖1三峽船匍總怵布蠱圖I巧“ntcfThree(rar^tsshEp-kick三峽雙線船閘每線船閘由上下游引航道及其導航、靠船建筑物及主體結(jié)構(gòu)段的6個閘首,5個閘室組成。主要建筑物布置三峽雙線船閘的主體建筑物,深切挖的閘槽中布置,均為分離襯砌式結(jié)構(gòu)。在雙線船閘之間，保留有底寬為57m的巖體隔墩。一閘首閘頂高程185.00m,二、三、四閘首閘頂高程分別為179.00m、160.00m、139.00m,五閘首閘頂高程為116.67m。一至五閘室結(jié)構(gòu)段長分別為265、263.5、265.5、265.5、254.2m。墻頂高程分別為179.00、160.00、139.00、116.67、96.62m。分別在南北邊坡及中隔墩巖體內(nèi),布置輸水主廊道。上游正向金水箱涵對稱船閘中心線布置在引航道底部,輸水系統(tǒng)的泄水,為兩條橫穿隔流堤的泄水箱涵,將閘室水體直接泄入長江,并在六閘首閘墻內(nèi)布置輔助泄水廊道。每條輸水廊道設(shè)有6組閥門井,門井均在巖體內(nèi)開挖,鋼筋混凝土襯砌形成。金屬結(jié)構(gòu)及啟閉設(shè)備三峽船閘自上游至下游依次布置一閘首事故檢修門及其橋式啟閉機,一至六閘室人字門及其液壓啟閉機,六閘首下游浮式檢修門；人字門高度37.5-38.5m，單扇閘門的寬度20.2m，一閘首人字門的最大淹沒水深35m。輸水系統(tǒng)依次布置有進水口攔污柵、各級輸水反弧門及液壓啟閉機、輸水反弧門的上下游檢修閘門、六閘首輔助泄水廊道工作閥門及啟閉機和上游檢修閘門；輸水反弧門孔口尺寸，一、六閘首為4.5mX5.5m（寬X高），二至五閘首為4.2mX4.5m（寬X高）。人字門采用臥缸液壓啟閉機啟閉，輸水反弧門采用豎缸液壓啟閉機啟閉，兩套設(shè)備共用一套液壓系統(tǒng)。電氣設(shè)備每線船閘各設(shè)置1套監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)地控制層和集中監(jiān)控層組成。集中監(jiān)控層由集中控制裝置、通航指揮信號裝置、工業(yè)電視及監(jiān)視設(shè)、廣播及通信設(shè)備組成，完成單線連續(xù)過船作業(yè)的集中自動控制和監(jiān)視指揮?，F(xiàn)地控制層由分布在6個閘首的12個啟閉機房內(nèi)的現(xiàn)地控制站（子站）和水位檢測、人字門、輸水反弧門開度檢測等設(shè)備組成?，F(xiàn)地控制站采用冗余的控制結(jié)構(gòu)，以可編程序控制器（PLC）作為主控制裝置，2臺PLC分別配置在同一閘首的兩個子站中，互為熱備工作。子站與子站之間的相互聯(lián)系除采用PLC網(wǎng)絡通訊外，還采用電纜進行I/O點之間的低級硬連接?，F(xiàn)地控制站的作用是接受和執(zhí)行集控指令控制現(xiàn)地設(shè)備可靠運行，同時在集控設(shè)備或集控網(wǎng)絡發(fā)生故障，使集中控制不能正常工作時，能各自獨立地進行有閉鎖保護的現(xiàn)地單機操作。三峽船閘主體結(jié)構(gòu)布置圖見圖2.輅水隨煩顧機席00平直啟閉機席耳聲環(huán)球醴加卿杷ii朮口館準門住驅(qū)國門段賀乘匚段 L⑹掘剖也茁出匚段冷原廣真加剛門段圖三三峽昶閘主體結(jié)構(gòu)布垃用Fie-2LaywitcFiiwj<*r觥rucltiresofThree(kxrgcs蚪Rp-luck4、船閘結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1結(jié)構(gòu)布置三峽船閘底板與兩側(cè)閘墻間設(shè)有一道縱縫。閘墻為全襯砌式或混合式。閘首順流向分為門龕段和人字門支持體段。人字門支持體大部分采用重力襯砌式，部分采用下部為重力襯砌式，上部為重力式的混合式。支持體背面及下游與巖體接大部分閘室墻為鋼筋混凝土襯砌式，通過結(jié)構(gòu)錨桿與墻后巖體聯(lián)合受力，部分閘室墻上部重力式，下部襯砌式的混合式。閘室墻厚度主要取決于設(shè)備布置、結(jié)構(gòu)錨桿錨頭的尺寸及受力要求。襯砌閘室墻厚采用1.5m,縱向每12m設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫。觸面上，布置結(jié)構(gòu)錨桿。閘室典型設(shè)計斷面圖見圖3.肚.訛統(tǒng)水排is輸應輔血揺:朮可.'即曲占新卜M：L掙水稠P￥f?iu耗iM15+350M面圖3閘室典里設(shè)計斷面圖Flfl.3T>picaJHcctinndflockdk^nibti1結(jié)構(gòu)分析4.2.1襯砌結(jié)構(gòu)技術(shù)特點三峽船閘采用襯砌閘墻與巖體聯(lián)合受力的分離式結(jié)構(gòu)，襯砌墻的高度為48-68.5m,在國內(nèi)外尚無專門的規(guī)程、規(guī)范或設(shè)計標準可循。結(jié)構(gòu)設(shè)計需要研究解決以下技術(shù)問題：（1）支撐人字門支持體的巖體能提供足夠的抗力，支持體的穩(wěn)定和建基面的應力滿足要求；荷載引起的變形滿足人字門及邊墻頂部機械設(shè)備正常運行的要求；（2）錨桿是受力體系聯(lián)合工作的關(guān)鍵，受力條件復雜，不僅承受軸力，還承受由閘墻

自重、水荷載及溫度變形產(chǎn)生的彎、剪應力；（3）受力體系為混凝土、錨桿、巖體三者共同工作，要求受力體在各種工況下，能夠充分發(fā)揮各自的材料特性，保證工程安全可靠；（4）研究高可靠度的墻后排水系統(tǒng)，使墻后滲水有效地控制在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。4.2.2整體穩(wěn)定分析（1）閘室。襯砌閘室墻自身不能滿足整體穩(wěn)定要求，在閘室高水位時，依靠巖體對閘室墻的支撐作用，承擔內(nèi)水荷載，閘室墻不存在穩(wěn)定問題。在低水位運行或檢修時，作用在閘室墻上的外水壓力，通過錨桿傳遞至巖體，依靠結(jié)構(gòu)錨桿與巖體聯(lián)合受力維持穩(wěn)定，溫室墻的整體穩(wěn)定計算，可轉(zhuǎn)化為對結(jié)構(gòu)錨桿的設(shè)計。（2）閘首。對于門龕段為薄襯砌式，支持體為重力襯砌式的閘首，在兩者之間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，以簡化門龕段的受力條件。門龕段受力條件與閘室墻相同。三峽船閘人字門支持體，在上游高水位運行工況下，由于墻背和下游面有足夠的完整巖體與其聯(lián)合受力，滿足整體穩(wěn)定要求。在檢修工況下，考慮滲壓力作用，在不計入錨桿的情況，滿足抗滑穩(wěn)定要求?？箖A穩(wěn)定則需考慮結(jié)構(gòu)錨桿的作用，與巖體聯(lián)合受力。錨桿反力采用有限元方法計算，按受力最大的錨桿拉力達到其設(shè)計強度布置結(jié)構(gòu)錨桿。通常錨桿受力多呈上大、下小的倒三角形分布，在錨桿過縫處設(shè)置自由段，使錨桿受力更加均勻。有限元分析三峽船閘襯砌式閘墻結(jié)構(gòu)，均能通過結(jié)構(gòu)錨桿與巖體連成整體，形成閘墻-結(jié)構(gòu)錨桿-巖體聯(lián)合受力體系，在各種工況下，能夠充分發(fā)揮各自的材料特性，保證工程安全可靠。閘首支持體和閘室墻有限元分析的方法、主要技術(shù)問題基本相同。由于混凝土與巖體之間存在著接觸面，混凝土與巖體為非線性材料，正確模擬襯砌結(jié)構(gòu)與巖體聯(lián)合受力的機理，保證兩者間協(xié)調(diào)工作。經(jīng)研究，在接觸邊界上引入接觸面單元，在物理方程中，考慮了由于變溫和其他方面的原因引起的初始間隙，以及巖體表面不平整對接觸面剪切應力的影響。接觸面單元的物理方程，較真實反映了襯砌結(jié)構(gòu)-結(jié)構(gòu)錨桿-巖體三者之間的聯(lián)合受力狀態(tài)，按上述結(jié)構(gòu)布置，對閘首支持體、閘室墻聯(lián)合受力體進行有限元分析，錨桿用梁單元模擬，在施工期，模擬混凝土的澆筑過程，考慮溫度作用與混凝土的徐變；在檢修期，考慮墻后滲透壓力與溫度變化的共同作用，可得到不同條件下的結(jié)構(gòu)應力、變形及錨桿內(nèi)力。結(jié)構(gòu)錨桿設(shè)計有限元分析表明，結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下，錨桿承擔了較大的剪力。為此，在混凝土與巖基接觸面處，在錨桿上包裹了彈性材料，形成能讓錨桿進行彎曲變形的“自由段”，以減小錨桿對墻體切向變形的約束，能夠基本消除的剪力，充分發(fā)揮錨桿抗拉強度大、抗剪強度低的特點，并使錨桿受力分布均勻。在錨桿自由段的表面，采用噴鋅加防腐涂料封閉，并外套彈性材料的聯(lián)合防腐方式進行處理。排水系統(tǒng)設(shè)計降低襯砌結(jié)構(gòu)墻后的滲透水壓力，是保證墻體與巖體間聯(lián)合受力的主要因素。三峽船閘底板下部沿兩側(cè)縱縫設(shè)置了縱向基礎(chǔ)排水廊道。在閘墻與基巖接觸面上，設(shè)置了較新穎的“井”式排水方案，能高效地排除墻后滲水，降低墻后水壓力。由豎向排水管與橫向排水管組成“井”式排水系統(tǒng)，可將水導向相鄰的豎向排水管進入基礎(chǔ)廊道后，自流至下游集水井，由水泵抽排至下游引航道。5、高水頭船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計三峽船閘最大的輸水水頭45.2m,遠超過目前世界上已建大型船閘的最高水頭，且充、泄水體大,要求的輸水時間短、閘室水面上升速度快,導致解決閘室輸水問題的難度大。為解決閘室快速充、泄水的問題,采取了以下技術(shù)措施。5.1以增加閥門段廊道閥門淹沒水深為主,輔以其他較先進的技術(shù)措施（1）三峽船閘輸水系統(tǒng)主廊道與船閘的主體結(jié)構(gòu)分開,在兩側(cè)山體中布置隧洞,方便地降低閥門段廊道高程,提高廊道輸水的空化數(shù)；（2）在閥門后，廊道采用頂部逐漸擴大，與底部突然擴大相結(jié)合的體型進一步提高水流的空化數(shù)；（3）采用快速開啟閥門，并采取在閥門的門楣和在閥門后底檻上進行通氣，以及采用全包式閥門和不銹鋼閥門面板等有效防止在廊道閥門發(fā)生氣蝕的技術(shù)措施。在閘室底板布置等慣性進、出水系統(tǒng)和采用有效地降低超灌超泄的技術(shù)措施（1）船閘輸水系統(tǒng)在閘室內(nèi)布置與閘室水體中心對稱軸對稱的4區(qū)段8條分支廊道等慣性分散出水孔，并在出水孔上設(shè)消能蓋板。（2）采用提前關(guān)閉輸水閥門措施，控制了閘室的超灌、超泄，并在六閘首設(shè)置短廊道泄水，保證五閘室泄水后，水位能與下游引航道的水位齊平。6、船閘金結(jié)機電設(shè)計三峽船閘人字門的最大高度38.5m,最大單扇門重8501,最大淹沒水深36m,最大啟閉力2700KN,人字門設(shè)計需考慮防撞荷載、巖體后期變形、閘門受水壓力作用引起的變形和門格內(nèi)淤沙荷載等因素。閘門既要求有足夠的剛度,又要求能適應閘首的變形；巨大的門體自重,加大了人字門底樞潤滑的難度；人字門啟閉機由于扇形大齒輪節(jié)園直徑和模數(shù)超過了世界規(guī)模,無法采用已往常用的輪盤式啟閉機,合理解決閘門的啟閉設(shè)備,是保證船閘正常運行的重要條件。（1） 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度,降低應力幅值,提高結(jié)構(gòu)抗疲勞能力的設(shè)計技術(shù),并在設(shè)計中引進了低周高應力疲勞的概念。對支、枕墊塊的接觸形式,由過去通常采用的同弧半徑或平面的面接觸,改成大曲率半徑對小曲率半徑的線接觸形式。底樞設(shè)計以自潤滑材料代替被動潤滑系統(tǒng),提高了人字門的工作性能和運行的安全可靠性。（2） 采用大行程臥缸直連式無級變速液壓啟閉機。人字門采用無級變速運行方式,以降低動水阻力矩的峰值,使啟閉機啟門力得到充分利用。在液壓油缸尾部,設(shè)置了彈性支承輪,以減小細長油缸的撓度。在設(shè)計中采用了大型臥式細長油缸變截面動態(tài)穩(wěn)定性計算方法