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三峡船闸设计中的关键技术问题是如何解决的（上）
编者按： 三峡双线五级船闸是目前世界上工程规模最大、设计总水头和级间水头最高的船闸，工程的技术要求高、难度大、运行工况多，船闸设计中一系列关键技术问题的研究和解决，使我国船闸设计的技术有了新的发展。
三峡工程的主要通航建筑物为双线五级船闸（以下简称三峡船闸），闸室有效尺寸280米×34米×5米，设计总水头113米，级间最大工作水头45.2米。船闸的规模大、设计水头高，为目前世界上大型船闸中总设计水头最高、级数最多、级间水头最大的船闸。根据坝址复杂的地形、地质、水流、泥沙条件和工程需适应围堰发电期、运行初期和后期等运行分期的要求，三峡船闸设计解决了一系列极具挑战性的技术问题，使船闸技术取得了突破性的新发展。
问题1 如何解决船闸主体建筑物基础稳定问题
――谈船闸主要工程地质问题及其处理设计
三峡船闸线路上起祠堂包，下迄坝河口，跨越左岸山体和漫滩两大地貌单元。船闸基础的岩体，以中粗粒结构闪云斜长花岗岩为主，其间穿插有岩脉及片岩捕掳体。船闸主体建筑物基础的岩性比较单一，均为微新岩体，完整性好、强度高。主要工程地质问题，除专项研究解决开挖高边坡稳定及其变形控制外，为保证船闸结构的安全，与船闸闸首、闸室和输水隧洞相关的局部断层带的处理，按照岩体与结构协同工作的要求，对开挖松动围岩进行加固，以及混合式闸首和闸室墙上部的重力式结构基础的加固等，是基础处理设计需要解决的主要技术问题。
通过计算分析，通过采用对断层破碎带进行局部挖除或用锚索、锚杆加固，对上部重力式结构的基础，进行固结灌浆等处理措施，较好地解决了各主要建筑物基础的加固处理问题，保证了主要建筑物基础可靠的受力条件。
问题2 三峡船闸的高边坡开挖是怎样控制变形的？
――谈开挖岩坡的稳定和变形控制
三峡船闸是长江主河道建坝以后，在左岸劈山开石，人工建设的一段新的长江航道，航槽最大的开挖深度达170米。在两线船闸之间，保留有最大宽度为57米的岩体中隔墩。在两侧边坡下面和中隔墩的岩体内，开挖有输水隧洞和阀门竖井。要求开挖后的岩体尽可能保持完整并长期保持稳定，闸首、闸室墙后的岩体，能够与衬砌结构协同工作，闸首的变形，能够控制在设备运行允许的范围以内。因此，保持开挖后岩体的完整性，稳定性和控制边坡的变形，是深切岩质边坡设计需要解决的关键技术难题。
船闸高边坡通过采用船闸南北两侧的边坡在闸顶以上按照岩体不同的风化程度，开挖成不同坡比斜坡，闸顶以下按照结构的轮廓，基本按垂直进行开挖；对闸顶以上的边坡，设置挂网喷混凝土表面防渗及排水，在山体内部，布置多层排水洞及相应的排水孔幕；对边坡岩体，布置系统锚索和随机锚索或锚杆；对开挖施工，明确规定左线与右线、洞挖与明挖、开挖与锚固支护相互间先后的顺序和以现场爆破试验确定开挖爆破工艺，对地质缺陷的处理、开挖允许误差提出严格要求，并设置安全监测的仪器和设备，从施工期开始，对边坡的变形和地下渗流进行监测等一系列技术措施，较好地解决了高边坡的稳定和变形控制问题。
问题3 船闸薄衬砌结构中的关键技术问题是怎样解决的――谈与岩体共同工作的船闸薄衬砌结构
三峡船闸建造在深切开挖的岩槽中，结构工程量大，采用不同的结构，对工程的技术难度、安全运行和工程量造价有很大影响。因此，研究选用合理的结构型式和结构技术措施，是船闸结构设计需要解决的一个重大技术问题。
三峡船闸根据坝址基础岩体比较完整、强度高的特点，为节省岩石开挖和混凝土浇筑的工程量，决定采用船闸结构与岩体联合工作、结构断面较小的衬砌式结构，只在少数基岩面高程较低的部位，采用上部为重力式，下部为衬砌式的混合式结构。船闸输水系统的隧洞和竖井，同样采用钢筋混凝土衬砌结构。为防止混凝土结构产生温度裂缝，导致闸室内水外渗，对结构进行了合理分缝，对混凝土浇筑工艺作了规定。为保证衬砌结构与岩体协同工作，在闸首和闸室衬砌混凝土与岩体之间，设置了具有足够锚固力，并能适应结构温度变形的高强结构锚杆、可靠的接缝止水和墙后排水管网，在隧洞周围进行回填和固结灌浆，在竖井结构与岩面体之间设置结构锚杆，对围岩进行固结灌浆，对隧洞承受阀门集中荷载的阀门段、体形异常的分流口段及其他复杂受力部位的结构，进行了专项设计。
问题4 三峡船闸如何解决高水头水力学设计的――谈高水头船闸水力学设计
三峡双线五级船闸113米的总水头和船闸45.2米的最大级间水头，已远远超过了目前世界上已建水头最高的大型单级船闸。满足船闸充（泄）水时间、闸室停泊条件和输水廊道及阀门设备运行安全要求的船闸输水系统超高水头水力学，是船闸水力设计需要解决的关键技术问题。
三峡船闸通过在每线船闸两侧对称布置主输水廊道，直接利用输水廊道和阀门进行补水，闸室内的廊道采用分4区段等惯性出水，出水口加消能盖板的布置型式，利用船闸输水系统与主体建筑物分开布置在山体内的有利条件，合理降低在阀门部位主廊道的高程，并采用主廊道在阀门后顶扩加底扩的体形，船闸充水时，快速开启阀门，封闭检修阀门井，在阀门门楣和在底槛内设置通气管，在主廊道的工作阀门段和检修门段，设置不锈钢板衬砌保护，输水阀门采用全包式支臂和面板的反向弧形门，阀门面板采用不锈钢复合钢板等技术措施，较好地解决了超高水头船闸水力学问题。
问题5 为什么船闸要分为五级
――谈船闸的分级与水级划分方式
三峡船闸113米的设计总水头，远远超过了目前世界上单级船闸已达到的安全工作水头。三峡船闸的规模和规划运量大，不适合采用带有节水设施的特高水头单级船闸的方案。因此，必须对船闸进行分级。如何对三峡船闸合理进行分级，并进一步合理地选定水级划分的方式，是船闸设计需要解决的一个重要问题。
根据三峡船闸的总水头以及其他设计条件，船闸可以有许多种可能的分级方案，在对多种分级方案进行比较的基础上，最后通过对连续布置的5级船闸与分开布置的3级船闸两种代表性方案深入进行比较，由于连续布置5级船闸方案的技术经济指标，较分散布置3级船闸方案明显优越，确定采用连续5级船闸方案。
连续多级船闸的水级划分方式，与枢纽上、下游水位变化的条件，坝址的地形、地质条件，工程的技术难度，船闸运行分期、船闸工程量、造价、船闸运行和管理的条件等因素有关,按照各级船闸的水头是否等分，闸室充（泄）水时是否考虑补水或溢水，可以得出许多种水级划分的方式。三峡船闸按照尽可能减小工程的技术难度，节省工程量和造价，船闸的运行和管理方便等原则，经过研究比较，采用将总设计水头分为5等分，船闸充（泄）水时只在库水位蓄升或泄降过程的少数时段，投入运行船闸的第二级需要进行补水，不考虑末级船闸进行溢水，比较适合三峡船闸特点的基本不补不溢的水级划分方式。
问题6 三峡船闸布置了哪些设备和建筑物
――谈多级船闸的建筑物和设备布置
按照三峡船闸在较复杂的工况下，能够正常地运行的要求，对船闸的主要建筑物、机电设备、输水系统及各种附属设备和设施，全面进行周密的安排，以满足船闸运行、管理、维修和参观旅游等需要，是船闸建筑物和设备布置需要解决的一个重要问题。
根据三峡多级闸室连续布置的特点，每线船闸的主体部分，布置有6个闸首，5个闸室。在上、下游引航道内，布置导航墙和靠船墩。按枢纽上游挡水线的统一要求，在第一闸首及其左右两侧挡水坝的下部和左右两侧，设置了防渗帷幕。在两侧山体和中隔墩顶部，布置了控制建筑物地下渗流的防渗、排水系统。对高边坡岩体布置了锚索和锚杆加固支护系统。在船闸结构与直立岩坡之间，布置了结构锚杆和排水管网。每线船闸布置了一套上、下游分别采用正向分散式进水口和侧向直接泄水入长江为主，少量泄水入引航道，在闸室内为4区段8支管顶部出水的等惯性输水系统。在每个闸首，布置了人字形工作闸门及其启闭机和相应的机房。输水系统在船闸级间布置了反向弧形工作门及其启闭机。在第一、第六闸首分别布置了提升式事故检修闸门主浮式检修门。船闸布置了对设备进行监控的现地和集中自动两套操作系统和相及相应的集中控制室、变电站。在各级闸顶，分别布置了交通桥、交通梯、道路和栏杆。每级闸室迎水面，布置有11对浮式系船柱、5对爬梯和1对固定式紧急系船柱。在第2、3闸首上，布置了防撞警戒装置。此外，船闸还布置了排水、消防、安全监测、维修和照明等仪器、设备和设施。
问题7 世界上最大最重的人字闸是如何解决启闭问题的？
――谈高大人字闸门及其启闭机技术
三峡船闸人字闸门的最大高度38.5米，最大单扇门重804吨，最大淹没水深36米，最大启闭力2700KN，闸门的高度、门面水压力、自重和启门力，均居世界第一位。闸门结构既要求有足够的刚度，保证闸门的可靠挡水和在闸门启闭过程中保持体形，又要求闸门能适应闸首可能出现的一定变形，以保证两侧刚性止水的止水效果；很大的闸门自重，加大了保持底枢润滑的难度；很大的启闭力对启闭机和闸门顶枢的受力，提出了更高的要求。因此，合理设计闸门的刚度，解决闸门底枢润滑和启闭设备、顶枢结构可靠受力问题，是人字门设计需要解决的关键技术问题。
三峡船闸的人字闸门通过加强整体刚度，采用变截面主横梁翼缘和底部的水平止水，使闸门既能较好地保持体形，又能适应闸首可能发生的变形时难免可靠地止水；闸门底枢通过采用自润滑轴承，保证了闸门在一般情况下不用加油就能保持润滑，同时在闸门上预留了万一需要时，可以通过加压力油保持润滑的条件；在常用的四连杆机构大齿轮启闭机难以承担特大启门力和在国外目前规定液压启闭机只能用于闸室有效宽度较小船闸的情况下，人字门采用了经对启闭机的结构和布置进行优化，能克服特大启门力并能在较大闸室有效宽度情况下正常工作的液压启闭机。在合理设计顶枢拉杆的强度，控制拉杆加工工艺的同时，对顶枢拉架的埋着螺栓，施加了预应力，以保证顶枢拉杆及其埋件的可靠受力。(未完待续)
