三峡大坝水位落差达40层楼高,船舶是如何翻越的?

subtitle 了不起的中国制造09-12 05:47 跟贴 24803 条
三峡大坝上下游落差达113米,相当于40层楼房的高度,船舶要通过,就得靠船闸。三峡大坝的船闸属于双线五级船闸,也就是说,船舶通过三峡大坝时要经过5个梯级的闸室,而两线船道又保证了可以同时让上游的船舶到下面来,下游的船舶到上面去。

出品| 网易新闻

作者| 江汉臣,清华大学管理科学与工程专业博士研究生

长江被称为黄金水道,而三峡则是长江上防洪发电的国之重器。175米的大坝虽然拦截了洪水,却没拦住黄金水道上的船只,这都多亏了三峡的五级船闸。

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(一)为什么要有船闸?

受地形、急流以及天然或人工障碍物的影响,河流的水位在某处常有较大的落差,为了改善船舶的通航条件,人们常常会修建船闸来应对集中的水位落差河段。

(三峡水利枢纽工程示意图)

比如三峡大坝坝前正常蓄水位为海拔175米高程,而坝下通航最低水位62米高程,上下落差达113米,船舶要翻越40层楼房的高度,就得靠船闸。

船闸由固定位置的闸室、闸首、输水系统、引航道等组成。通过闸首上闸门的开与合,可控制闸室内部的水位是与上游水位齐平还是与下游水位齐平,进而让在闸室内等候的船舶可自由向上行或向下行。

(船舶从下游经过船闸到达上游示意图)

(二)三峡船闸:世界最大的五级船闸

船闸有多种类型,按照纵向排列的闸室数目,可分为单级船闸和多级船闸。按照横向平行排列的闸室数目,可分为单线船闸、双线船闸和多线船闸。可以这样理解,级代表的是楼梯的数目,线代表的是船道的数目。

而三峡大坝的船闸属于双线五级船闸,是世界上最大的五级船闸。也就是说,船舶通过它要经过5个梯级的闸室。两线船道保证了可以同时让上游的船舶到下来,下游的船舶到上去。

三峡船闸全长6.4公里,其中船闸主体部分1.6公里,引航道4.8公里。五级船闸编号从上游开始,上游是第一级船闸,下游是第五级闸室,每个闸室长280米、宽34米,

闸室坎上最小水深5米。

永久船闸共有24扇人字闸门。三分之二的人字门高36.75米,宽20.2米,厚3米,重达850吨,面积接近两个篮球场,其外形与重量均为世界之最,号称“天下第一门”

“人字门”一般只承受单向水压力,门面向上游凸起,当其关闭时,上游水向下流,使得门越压越紧。凭借此构造优势,三峡船闸关合之间缝隙只有0.2毫米,渗水率低于每秒0.03立方米。

(人字形闸门,一扇有两个篮球场那么大)

(三)船舶如何翻越40层楼高?

三峡船闸学名是双线五级连续船闸,修建于三峡大坝左侧的坛子岭山体中,是开凿于坚硬花岗岩中的人工渠道,于2003年6月投入运行,设计通航规模到2030年,单线年通过量为5000万吨,上下游双线1亿吨。

五级源于113米落差

如上文讲过,三峡大坝上下游最大落差达到113米,分成了五级以后,上下级之间最大水头还有45.2米。但即使是这样,这一数字也仍超过了当时世界上最大一级船闸34.5米的水头。

综合考量了落差大小、坝址的地质、地形条件、船闸的工程量、造价等因素,设计师最终选择了五级闸室的设计方案。各级船室可根据实际情况而选择是否使用,当汛期下游水位达到67米以上时,第五级、第四级船闸作正常过船通道,利用剩余三级船闸调节水位的落差。

(三峡船闸剖面图)

爬五个梯度,要花上3个小时

那船舶是怎么“一步步”穿越40层楼高呢?假如船要从下游到上游,那它得先过第五级闸室,然后关闭下游人字门,通过开合地下阀门,让第四级闸室往第五级闸室内充水,利用连通器原理,使得两极闸室内水位一致。然后打开第五级闸室上游人字门,船舶平稳驶入第四闸室。

就这样,船舶像爬楼梯一样一级一级的向上,最终驶向大坝上游航道,船舶下行的过程相反。不过,这一级级的攀爬与下移,也要花上三个小时。

正常情况下,两线船闸向商场电梯一样,一线上行一线下行,若一线因检修等原因停用,另一线则采用成批过闸、定时换向的方式保障上下行船舶的正常通行。

五级船闸运行时最多可有三批船队在同一线过闸。以五级船闸上行为例:当先行船队由第二闸室进入第一闸室时,第二批船队B由第四闸室进入第三闸室,第三批船队可从下游进入第五闸室。(这是一道数学题,别看我,我不会!)

此外,长江三峡通航管理局采用GPS远程申报、船舶同步进闸移泊等技术手段,强化船舶过闸管理,合理安排船闸检修工作,努力发挥、挖掘三峡船闸航运能力。

(四)三峡船闸都克服了哪些世界难题?

修建世界上最大船闸的主要技术问题在于没有任何先例可以参考。三峡船闸113米的水头,比之前世界上水头最高的船闸,前苏联建造的布赫明船闸整整高出45米。从设计、施工到设备安装,每一个步骤都面临着规模带来的挑战。

1、削平了18座山头建闸,挖了2万个游泳池

首先,三峡船闸的开挖边坡最大高度达170米,是世界船闸开挖边坡高度之最。为此,建设者们削平了18座山头,硬是在坝区左岸山岗中劈出一条道来,,这在世界水利建设中是一道难题。

下图中,最上方的虚线(地形线)代表原来的山体,粗实线则是开挖后的闸室的形状。整个船闸的土石方开挖量达到3700万立方米,相当于大约20000个标准游泳池的容量。

(船闸闸室典型设计断面图)

2、锚杆“纳鞋底”防挖后岩体倾倒

除了施工量大之外,开挖卸荷后,两边的岩体会向中间倾倒。这就像我们从书柜中密密立放排紧的书中抽出几本,两侧的书也一定会像中间倾倒一样。因此,开挖之后,闸室两侧的直立墙和超高边坡的稳定性则成为了最大的技术难题。

在没有成功经验可以借鉴的情况下,中国水电建设者另辟蹊径,用4300多根锚索、17万多根锚杆,像“纳鞋底”一样扎入岩体中,把山体和边坡紧紧固定在一起,而不至于滑向闸室。这项技术也是岩体锚固技术的重大实践突破。

(加固边坡的锚杆示意图,图片来自网络)

3、花岗岩上挖70米的槽绝非易事

三峡船闸为与岩体共同工作的薄衬砌结构,最大高度达70米,也成就了一项世界之最。但是要在花岗岩岩体上开挖出近70米的直立墙平行深槽则是另一个高精度难题。垂直切面的总偏差必须控制在20厘米以内。

针对这一技术难题,三峡的建设者们经过100多组试验,分析对比了上万组技术数据,总结了施工处岩体内部破坏的规律。

开挖时,通过多段微差梯段爆破技术和光面爆破、预裂爆破、缓冲爆破等爆破控制技术,来降低爆破震动影响,进而保证开挖后表层岩石的完整性,以增加边坡的稳定性,达到了世界领先水平。

(闸室直立墙施工)

4、“天下第一门”开关自如,还“滴水不漏”

前文介绍过“天下第一门”,三峡船闸的闸门最高的有38.5米,闸门结构设计既要满足受力的刚度要求,又要能够适应岩体少量变形时可靠止水;而闸门的重量超过800吨,巨大的门体自重,和水下工作环境,加大了人字门底枢润滑的难度;人字门启闭机由于扇形大齿轮节圆直径和模数超过了世界规模,无法采用以往常用的轮盘式启闭机。这些问题都亟待解决。

利用材料增加强度——大型人字门设计时,在主横梁中间截面、端部及边柱设计中采用了充分利用材料强度,降低应力幅值,提高结构抗疲劳能力的设计技术。闸门背面还布置了12根十字交叉的钢拉杆,用于增强门体刚度和调整钢门的形状。

自润滑轮轴——由于闸门底枢长期泡在水中,传统润滑系统难以工作和维护,因此闸门底枢采用进口球形自润滑轴瓦。

“大力开关”——启闭设备为大行程卧缸直连式无级变速液压启闭机,采用无级变速运行方式,以降低动水阻力矩的峰值,使启闭机启门力得到充分利用,并能保证启闭机运行的安全、可靠。

三峡工程双线五级连续梯级船闸的建设还解决了诸如泥沙淤积碍航问题、高水头船闸水力学、极为复杂的运行工艺与极高的安全可靠性运行要求等等重大工程技术难题。

结语

自三峡船闸投入运营以来,至2011年,三峡船闸通过量就达到了1.003亿吨,提前19年达到了80年代设计通过能力。2016年达到1.3亿吨,超过设计通过能力约30%,累计通过量超过10亿吨、旅客1174万人。与此同时,过闸货船平均吨位已由三峡船闸运行初期2003年的1040吨提高到2016年的4236吨。

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编辑| 于冉帝

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