三峽船閘完建工程關鍵技術研究與實踐

陳 磊，曹光榮

(長江勘測規(guī)劃設計研究院，湖北 武漢 430010)

三峽工程是開發(fā)和治理長江的骨干工程，具有巨大的防洪、發(fā)電、航運等綜合效益.三峽船閘是三峽工程三大主要建筑物之一，總設計水頭113m，船閘線路總長6442m，閘室有效尺寸為280m×34 m×5m(長×寬×檻上最小水深)，最大通航流量56700m3/s，設計年單向通過能力為5000萬t，可通過萬噸級船隊，是目前世界上已建成船閘中連續(xù)級數(shù)最多、總水頭和級間輸水水頭最高的內(nèi)河船閘［1］.

為適應三峽水庫分期蓄水運行的需要，船閘第1及第2閘首的底檻和閘門采用了分2次建設的方案，在水庫初期運行水位向后期運行水位抬升前后需進行完建工程建設［2］.在二線船閘完建工程施工期間及兩線船閘全部完建后，為滿足航運要求，水庫的汛期限制水位需相應抬高.蓄水位上升涉及防洪、航運、移民、庫區(qū)地質(zhì)災害治理、泥沙驗證等諸多方面，亦須同時作出安排.

1 完建工程主要內(nèi)容

根據(jù)三峽工程初步設計，水庫運行分為圍堰發(fā)電期、初期運行和后期運行等3個階段，對應于圍堰擋水發(fā)電期及初期運行水位135.0～156.0m，船閘第1和第2閘首人字閘門底檻高程為131.0m，第1閘首人字閘門按后期要求安裝，但先不裝啟閉機，也不投入運行;第2閘首人字閘門及機電設備按135.0～156.0m通航水位安裝［5］.

在水庫運行水位抬高至后期運行水位145.0～175.0m前后，需逐線對第1及第2閘首進行完建，將船閘第1閘首和第2閘首人字閘門底檻由131.0m高程加高至139.0m，同時第2閘首人字閘門及其機電設備也相應通過改裝抬高8 m，并將第1閘首人字閘門的機電設備安裝到位.

第1閘首完建項目主要有:閘首底檻加高;人字門啟閉機安裝;電力拖動及控制設備安裝.第2閘完建項目主要有:閘首底檻及邊墻加高;人字門機房加高;人字門升高;人字門啟閉機改裝;電力拖動及控制設備改裝.第2閘人字門升高主要步驟包括人字閘門拆除、整體提升、埋件安裝、門體落位、閘門安裝等.

2 完建時機及運行水位

船閘完建工程是三峽工程建設的一部分.按初步設計安排，初期正常蓄水位156m運行若干年后，水庫再抬高至最終蓄水位175m運行.水庫運用水位從初期蓄水位156m提高到175m的間隔時間主要取決于后期移民安置進度以及對三峽水庫中泥沙淤積規(guī)律的觀測驗證結(jié)果.初步設計建議初期規(guī)模運行時段暫定6 a，屆時可根據(jù)實際情況逐步抬高蓄水位.船閘的完建原則是在水庫運行水位抬升之前和之后各完建一線考慮.船閘完建時機應依據(jù)水庫蓄水至156m水位后逐步抬升水位實施方案以及船閘完建的總工期合理選擇，而船閘完建后汛期水庫運行水位需要抬高.

三峽工程于2003年6月順利實現(xiàn)了蓄水、通航和首批機組發(fā)電，進入圍堰擋水發(fā)電期.為了使三峽工程提前發(fā)揮防洪效益，更好地發(fā)揮發(fā)電、航運效益，決定三峽工程按2006年汛后蓄水至156m水位，即工程提前1a進入初期運行期.由于三峽工程建設進展順利，庫區(qū)移民安置亦可與工程完建同步.在泥沙淤積影響因素方面，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，三峽上游干支流多座大型水庫將開工建設，屆時將發(fā)揮顯著的攔沙作用，上游地區(qū)水土保持作用也開始持續(xù)發(fā)揮，進入20世紀90年代以來宜昌年輸沙量明顯減少，這些因素的影響將大大延緩三峽水庫的淤積.從庫區(qū)移民安置和水庫泥沙淤積的制約性影響看，三峽工程2007年汛后在初期規(guī)模正常蓄水位156m的基礎上適當抬高水位運行是可能的.

船閘閘首完建與三峽工程能夠逐步抬高蓄水位運行互為條件.2006年汛末三峽水庫蓄水至156m水位后，開始實施船閘1和第2閘首的完建工程，有利于加快三峽工程的建設進程、及早全面發(fā)揮更大的綜合利用效益，有利于三峽水庫蓄水至156m水位后繼續(xù)抬升.在工程建設、水庫移民、庫區(qū)地質(zhì)災害處理等方面達到要求的前提下，及早進行船閘第1和第2閘首完建，對全面發(fā)揮三峽工程綜合效益是有利的.

在船閘完建工程施工期，船閘只能單線運行，需輔以翻壩轉(zhuǎn)運措施.根據(jù)對三峽工程過壩運量增長預測和工程客貨運輸能力分析，如船閘在近期內(nèi)進行完建，需解決的過壩運量相對較小，對長江航運的不利影響程度較小，通過將客運全部采用陸運翻壩、擴大滾裝運輸翻壩的規(guī)模、對貨運船舶過閘實行優(yōu)化管理，樞紐的過壩能力基本上能夠滿足近年內(nèi)運量增長的需要.如船閘在較遠期進行完建，由于長江的過壩運量增長較快，在船閘進行完建期間，只用上述措施將難以滿足過壩運量的需要，需進一步依靠目前正在著手興建的升船機，乃至兩岸公路和鐵路的運輸能力，涉及因素多，關系復雜，遠景發(fā)展難以預測.船閘完建越晚，困難將越大.從適應三峽初期運行期蓄水位逐步抬升的需要和適應長江航運發(fā)展的需求考慮，船閘早完建比晚完建有利，汛期連續(xù)完建方案比兩線分別在兩個枯水期完建有利.在汛期船閘完建期間的防洪度汛方面，可采取有效的對策措施，滿足初期防洪任務和保證樞紐安全的目標要求.

三峽船閘完建如安排在2006年汛末水庫蓄水至156m水位后，在第1線船閘完建后，在2007年汛期進行第2線船閘完建，三峽水庫2007年的汛限水位調(diào)整至144 m運行，汛期由于水庫144 m至135m水位之間約42.6億m3防洪庫容不能運用，遇1000年一遇洪水的水庫最高水位171.4 m，將超過初步設計確定的工程安全度汛控制水位(170m)約1.4 m.經(jīng)分析研究，通過采取調(diào)整結(jié)構分塊、設置插筋和阻滑槽、加強排水等措施保證結(jié)合面的粘結(jié)強度，可將水庫允許最高擋水高程提高到172m.

中國長江三峽集團根據(jù)長江設計院的研究論證結(jié)論，報經(jīng)上級主管部門批準，決定于2006年汛后開始實施船閘完建工程.

3 人字門整體提升方案

第2閘首人字閘門單扇高38.5m，重約850 t，需整體升高8 m(施工時應升高10m，預留2m施工空間)，由于其整體提升重量大、提升高度大、風險大，占用直線工期，是船閘完建工程的難點和重點［4］.對人字閘門升高方案主要比較了液壓千斤頂整體頂升人字閘門、簡易橋機整體提升人字閘門和連續(xù)油缸整體提升人字閘門3個方案.經(jīng)綜合比較，根據(jù)國內(nèi)重大件整體吊裝的成功經(jīng)驗，推薦采用連續(xù)油缸整體提升人字閘門方案.

在第2閘首閘室兩側(cè)的閘面上布置約5m高的鋼支柱，鋼支柱上布置2根跨閘室鋼梁，跨閘室鋼梁上沿上下游方向布置2根提升鋼梁，提升梁柱系統(tǒng)利用已拆除的三峽臨時船閘上閘首交通橋箱梁和已拆除的高程82m棧橋鋼箱梁進行改裝，作為人字門提升的承重梁系統(tǒng).在每根提升鋼梁上布置4臺TJJ-5000型500 t鋼索式液壓提升器，每個提升器使用36根φ17.78 mm的鋼絞線;人字門采用打包的方式，每扇人字門使用8臺200 t液壓打包提升器，每個提升器使用18根φ15.24 mm的鋼絞線進行打包.利用4臺TJJ-5000型500 t鋼索式液壓提升器將人字門整體提升10m，待第2閘首底坎混凝土澆筑到設計高程，人字門底樞安裝后將門體下降2m就位再安裝調(diào)整.

人字門提升原則上采用“整體提升，逐級加載，一步到位”的方案;在提升初始階段，為了保護蘑菇頭與頂蓋球瓦不受損傷，采取了頂、提結(jié)合措施，當人字門達到完全脫離蘑菇頭高度后再正式進入提升.與此同時對人字門底部平面度和正、側(cè)向直線度進行測量，調(diào)整扁擔梁重心，以確定人字門提升處于正常狀態(tài).

由于連續(xù)油缸整體提升人字門方案的提升懸臂桁架和提升平臺可在不影響通航的情況下提前安裝，不占用船閘完建直線工期，并可雙門同時提升，和傳統(tǒng)的液壓千斤頂整體頂升方式相比可縮短完建工期約1個月.

4 混凝土施工及工期

第1閘首加高底檻為實體混凝土結(jié)構，順船閘軸線長41 m，寬30m，設計對整體澆筑方案、設寬槽方案和設鍵槽施工縫方案進行了比較分析.整體澆筑方案可簡化結(jié)構設計以及方便混凝土施工.但由于整體澆筑倉面面積將達到1230m2，混凝土的入倉強度較高，對混凝土澆筑手段及施工組織管理有較高的要求，同時由于澆筑塊尺寸較大且位于老混凝土強約束區(qū)內(nèi)，溫度應力值較高，施工風險較大.尤其是第2線船閘最大溫度應力達到約1.23mPa，溫度應力安全裕度小，存在混凝土產(chǎn)生裂縫的風險;寬槽方案和鍵槽縫方案有效減小了倉面尺寸，降低了施工難度，減小了加高底檻混凝土產(chǎn)生裂縫的風險，但由于寬槽回填或接縫灌漿時，要求兩側(cè)母體混凝土冷卻至穩(wěn)定溫度并且要具有1～2個月的齡期，對混凝土溫控要求較高，同時分段澆筑方案工期較長，對船閘完建工程施工進度影響較大.分析認為3種方案技術上均基本可行但各有利弊.

為減輕船閘完建對正常通航的影響，船閘完建采用一線施工，一線通航的方式.完建前船閘適應135.0～156.0m水位方案，完建后適應144.0～175.0m水位方案.初步擬定2個完建施工方案:(1)方案1:第1年的汛后12月份開始完建南線船閘，至第2年5月底完成，南線船閘恢復通航，完建工期6個月.第2年汛期6至9月暫停完建工程施工，安排度汛.汛后10月初開始完建北線船閘，至第3年3月底完成，恢復通航.(2)方案2:第1年的汛后10月份開始完建南線船閘，至第2年3月底完成，南線船閘恢復通航，完建工期6個月.緊接第2年4月開始完建北線船閘，至該年9月底完成，恢復通航.

方案1總工期16個月，汛前完建一線，汛后完建另一線，汛期度汛安全、可靠，避開夏季澆筑混凝土，但總工期較長;方案2總工期12個月，在南線船閘完建后，北線船閘只有2個月的枯水期澆筑第1閘首檢修門底檻，北線船閘的混凝土施工在夏季進行，需采用有效的降溫和隔熱措施.經(jīng)比較，方案2船閘完建總工期較短，第2線船閘在夏季施工通過采取措施可以保證施工質(zhì)量，因此設計推薦方案2，即兩線船閘連續(xù)施工方案.

第2閘首完建工期6個月，為完建施工控制性項目;第1閘首施工工期較短，且有較長的自由時差，為非關鍵性項目.第2線船閘為保證汛期施工要求，第1閘首加高底檻需在2007年5月底形成并具備擋水條件，因此第2線船閘第1閘首完建工程也為施工控制性項目之一.

實際施工采用了整體澆筑方案，第1及第2閘首各布置1臺胎帶機作為底檻和邊墻加高混凝土澆筑主要入倉手段，澆筑層厚底板2～3m，邊墻4 m，采取7℃預冷混凝土、澆筑時初期通8～10℃制冷水冷卻等措施嚴格控制混凝土最高溫度，以滿足溫控要求.

經(jīng)承建單位進一步優(yōu)化人字門整體提升和總體施工方案，完建工程合同工期按第1線(南線)船閘5個月、第2線(北線)船閘4個半月控制.根據(jù)汛末來水情況，實際開工時間提前至2006年9月15日.由于前期準備工作充分，各環(huán)節(jié)銜接有序，工程進展順利，不僅在高溫季節(jié)到來前完成了混凝土澆筑，所有完建施工、安裝、調(diào)試、檢修和運行保障任務僅用了228 d就全部完成，比合同工期提前了2個月［5］.

5 完建期采用4級方式運行

三峽船閘完建施工階段，船閘運行水位提高到156m，汛限水位為144 m，此間，船閘僅一線通航，航運壓力增大.當上游蓄水位升高到156m時，根據(jù)技術設計文件要求，船閘應采用5級運行方式.船閘完建施工期間，第1閘首人字門尚不能投入使用，如采用5級運行，就需利用船閘上游事故檢修門作為工作閘門，由于事故檢修門開啟和關閉1個周期耗時達35～40min，不僅運行管理較為困難，而且將大大影響船閘通航效率，導致船閘通航閘次減少，通過能力降低.采用4級運行方案，第1閘室將作為引航道的一部分，第2閘首當首級使用，第1閘首人字門和閥門不參加運行，避免了5級運行方案要使用上游事故檢修閘門擋水的不利因素，從而可縮短閘次間隔時間約30min;與5級運行方案相比，即使船舶進閘及調(diào)度方式與目前135～139 m水位完全相同，船閘通過能力亦將大大提高.由于一閘室水深增大，其水流條件將比目前運行水位得到較大改善，有利于船舶在一閘室待閘.在一閘室船舶待閘條件下，船舶進閘時間將比目前調(diào)度方式大大縮短，船閘下行通過能力進一步提高.但在156m水位4級運行時，中間級閘首和末級閥門最大工作水頭超過設計值.船閘能否在超過最大輸水水頭的條件下安全運行是4級運行方案的關鍵.

上游水位156.0m，船閘采用4級運行，下游水位62.0～65.6m時，三峽船閘中間級和首、末級閘首最大工作水頭將超過45.2m和22.6m設計值.在下游最低水位62.0m條件下，中間級閘首最大水頭為47.0m，超過設計值1.8 m;第6閘首最大水頭為23.5m，超過設計值0.9 m.若下游水位為63.0m，中間級閘首最大水頭為46.5m，超過設計值1.3m.三峽船閘在試通航前進行的抽水有水聯(lián)合調(diào)試對中間級船閘曾進行了閥門工作水頭46.13m運行條件下的船閘輸水水力學指標測試.為了確保庫水位156.0m條件下，船閘4級運行的安全可靠，南京水利科學研究院在船閘上進行了超設計水頭的原型調(diào)試.在庫水位139 m時，調(diào)整北線第4閘首閘室初始水位，船閘閥門工作水頭達到47m時，對輸水的各種參數(shù)進行重點觀測.

根據(jù)有水調(diào)試階段級間最大工作水頭46m運行工況監(jiān)測成果以及現(xiàn)場原型測試成果，在156m水位條件下，船閘采用4級運行時，通過采取雙邊閥門間歇開啟的輸水方式，中間級閘首輸水系統(tǒng)水力學指標，優(yōu)于輸水水頭45.2m閥門的雙邊連續(xù)開啟方式.在中間級閥門輸水水頭47.0m，初始淹沒水深26.0m條件下，采用雙邊閥門開啟，以2min全開的速率開啟閥門至開度n=0.65時停機、停機時間3min，再以同樣的速率開啟至閥門全開，至剩余水頭6m時，以3min時間動水關閥至n=0.2的運行方式，輸水時間10.75min，閘室流態(tài)平穩(wěn)，輸水系統(tǒng)水力學條件較優(yōu);閥門開啟及停機過程中，運行平穩(wěn)，閥門工作條件較好;閥門及其啟閉機的工作條件可以滿足設計要求.

船閘土建結(jié)構和機電設備經(jīng)設計復核，均處于安全狀態(tài).綜合以上試驗和分析認為，船閘在156.0m水位條件下采用4級運行方式是安全可行的.完建期間兩線船閘均采用了此運行方式，有效地確保了船閘完建期間的通過能力.

據(jù)航運部門統(tǒng)計，在2006年9月15日至2007年4月30日三峽船閘完建期間，船閘在單線換向運行的情況下，仍保持了較高的通航效率，共運行3488閘次、通過船舶23657艘次，旅客65579人次，實載貨運量2377萬t，其中下行1445萬t;日均15.3閘次、104艘次、貨運量10.4萬t.日均貨運量和2005年船閘雙線運行時的9.1萬t相比，不僅沒有降低，還提高了14%.

6 完建期間排干檢查

三峽船閘自2003年6月以來的運行實踐表明總體是好的，在抽干檢查時，發(fā)現(xiàn)了一些缺陷并進行了處理.根據(jù)這次船閘逐線完建的安排，每線船閘的完建時間大致需要5或6個月，這段時間較船閘進行大修的時間還長.利用這段時間，可安排對船閘的土建結(jié)構、金屬結(jié)構和設備，進行一次比較全面深入的檢查，對發(fā)現(xiàn)的缺陷和問題進行維修處理，使船閘能在完全達到設計規(guī)定的技術性能和指標的條件下，投入后期運行.為此，設計單位受業(yè)主委托專門制定了三峽船閘完建期間排干檢查工作大綱.

船閘的檢查維修工作分為兩個階段進行，首先對船閘進行全面深入的檢查，發(fā)現(xiàn)問題;針對檢查的結(jié)果，對一些常規(guī)問題可根據(jù)設計在施工期提出的處理方案和技術要求進行處理，對一些較大的問題和一些過去經(jīng)過處理后再次發(fā)生的問題，需在分析原因、制訂維修方案的基礎上，再對缺陷進行維修和處理，為船閘在全部完建后，安全正常地投入后期水位運行作好充分準備.

建筑物重點檢查項目包括:(1)閘首、閘室、輸水廊道已處理的混凝土裂縫、結(jié)構縫漏水和其他部位有無新的裂縫、滲漏及其他異常情況，以及已處理的其他缺陷的情況;(2)全面檢查輸水系統(tǒng)混凝土表面的沖刷和滲水情況，并重點檢查閥門后底擴腔體以及第1分流口分流舌的頂面和底面等部位蝕損情況;(3)前期已處理的蜂窩、裂縫、結(jié)構縫等原缺陷的情況;(4)船閘基礎排水廊道排水量檢查，并與運行期排水量進行對比分析;(5)輸水系統(tǒng)及閘面洞井蓋板安全狀況等.

金屬結(jié)構重點檢查項目包括:(1)人字閘門尺寸、受力焊縫和背拉桿、門軸柱和斜接柱、底止水裝置、支枕墊塊工作表面外觀及支枕墊塊節(jié)間間隙、頂?shù)讟泄ぷ鳡顩r;(2)反弧門受力焊縫、止水、支鉸及弧門面板檢查;(3)輔助泄水閘門、浮式系船柱等.

機械設備重點檢查項目包括:(1)人字門啟閉機油缸、高壓油管、行程開關、開度裝置、活塞桿、防塵圈、油箱等;(2)液壓系統(tǒng)油壓過壓回路;(3)反弧門液壓啟閉機導向裝置、卡箍裝置、吊桿接頭、吊桿與閘門吊耳連接，以及緊固螺栓等;(4)運行過程中有異?，F(xiàn)象的設備和部件.

電力拖動及控制設備檢測項目包括:(1)水位計、開度檢測傳感器，位置開關、斷路器、接觸器、中間繼電器、通航指揮信號燈、可編程序控制器;(2)計算機工作站的硬件和軟件;(3)接線檢查和絕緣測試等.

從檢查結(jié)果來看，此次檢查發(fā)現(xiàn)的土建缺陷與船閘試通航期的排干檢查情況類似，從缺陷的分布及數(shù)量來看，第1，2，5閘室輸水系統(tǒng)的情況比第3，4閘室好，北線整體情況比南線好.第1分流口舌板的上下表面有局部蝕損現(xiàn)象;反弧門存在不同程度的頂止水固定螺栓松動、頂止水破損;反弧門面板上游面底緣兩種材料結(jié)合處存在銹蝕現(xiàn)象;北線人字門水面以下區(qū)域存在AC鋁金屬防腐涂層鼓泡和局部脫落現(xiàn)象;船閘集控設備、現(xiàn)地啟閉機及其電控設備、通信系統(tǒng)、空調(diào)通風、工業(yè)電視、照明、消防系統(tǒng)、管線廊道處于正常狀態(tài).沒有發(fā)現(xiàn)存在影響運行安全、結(jié)構和設備安全的重大質(zhì)量問題;對發(fā)現(xiàn)的缺陷按設計要求進行了妥善處理.

7 結(jié)語

三峽船閘完建工程是在當今世界級數(shù)最多、水頭最高的內(nèi)河多級船閘(雙線5級船閘)運行中進行的，船閘需適應的上游水位變幅大，邊界條件復雜，技術難度大，許多方面沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可循.長江設計院在中國三峽集團公司精心組織和各有關部門、科研機構和專家的支持協(xié)助下，成功解決了工程影響因素多、施工工期緊、通航壓力大、混凝土澆筑溫度控制要求嚴、人字門整體提升安裝難度大、完建同時還要滿足通航運行和對船閘進行全面的檢修等諸多技術難題，為提前圓滿地完成各項建設、檢修和運行任務提供了堅實的技術保障.三峽船閘的順利完建，標志著這座世界上規(guī)模最大、技術條件十分復雜的超大型船閘已全部達到設計規(guī)定的最終規(guī)模，各項關鍵技術問題已經(jīng)全部解決并得到了實際運行的驗證，豐富和提高了世界高水頭大型船閘的技術理論和工程經(jīng)驗.

三峽船閘的完建不僅進一步促進了長江航運和沿江地區(qū)經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，而且為樞紐早日實現(xiàn)正常蓄水、全面發(fā)揮工程綜合效益創(chuàng)造了必要的條件.三峽船閘完建工程于2007年5月1日全部完成并恢復通航，次年汛末三峽水庫開始試驗性蓄水，2010年10月26日，三峽樞紐壩前水位達到175m，比初步設計預計的時間提前了3 a.

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