三峽大壩上下游落差113米，船舶要如何翻越40層樓？

出品| 網易新聞學院

作者| 江漢臣，清華大學管理科學與工程專業博士研究生

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

一、為什麼要有船閘？

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、引航道等組成。通過閘首上閘門的開與合，可控制閘室內部的水位是與上游水位齊平還是與下游水位齊平，進而讓在閘室內等候的船舶可自由向上行或向下行。

（船舶從下游經過船閘到達上游示意圖）

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目，線代表的是船道的數目。

而三峽大壩的船閘屬於雙線五級船閘，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，當其關閉時，上游水向下流，使得門越壓越緊。憑藉此構造優勢，三峽船閘關合之間縫隙只有0.2毫米，滲水率低於每秒0.03立方米。

（人字形閘門，一扇有兩個籃球場那麼大）

三、船舶如何翻越40層樓高？

三峽船閘學名是雙線五級連續船閘，修建於三峽大壩左側的罈子嶺山體中，是開鑿于堅硬花崗岩中的人工渠道，於2003年6月投入運行，設計通航規模到2030年，單線年通過量為5000萬噸，上下游雙線1億噸。

五級源於113米落差

如上文講過，三峽大壩上下游最大落差達到113米，分成了五級以後，上下級之間最大水頭還有45.2米。但即使是這樣，這一數字也仍超過了當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、地形條件、船閘的工程量、造價等因素，設計師最終選擇了五級閘室的設計方案。各級船室可根據實際情況而選擇是否使用，當汛期下游水位達到67米以上時，第五級、第四級船閘作正常過船通道，利用剩餘三級船閘調節水位的落差。

（圖片，三峽船閘剖面圖）

爬五個梯度，要花上3個小時

那船舶是怎麼「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，然後關閉下遊人字門，通過開合地下閥門，讓第四級閘室往第五級閘室內充水，利用連通器原理，使得兩極閘室內水位一致。然後打開第五級閘室上遊人字門，船舶平穩駛入第四閘室。

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，另一線則採用成批過閘、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：當先行船隊由第二閘室進入第一閘室時，第二批船隊B由第四閘室進入第三閘室，第三批船隊可從下游進入第五閘室。（這是一道數學題，別看我，我不會！）

此外，長江三峽通航管理局採用GPS遠程申報、船舶同步進閘移泊等技術手段，強化船舶過閘管理，合理安排船閘檢修工作，努力發揮、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問題在於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，前蘇聯建造的布赫明船閘整整高出45米。從設計、施工到設備安裝，每一個步驟都面臨著規模帶來的挑戰。

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170米，是世界船閘開挖邊坡高度之最。為此，建設者們削平了18座山頭，硬是在壩區左岸山崗中劈出一條道來，，這在世界水利建設中是一道難題。

下圖中，最上方的虛線（地形線）代表原來的山體，粗實線則是開挖後的閘室的形狀。整個船閘的土石方開挖量達到3700萬立方米，相當於大約20000個標準游泳池的容

（船閘閘室典型設計斷面圖）

2、錨桿「納鞋底」防挖後岩體傾倒

除了施工量大之外，開挖卸荷後，兩邊的岩體會向中間傾倒。這就像我們從書櫃中密密立放排緊的書中抽出幾本，兩側的書也一定會像中間傾倒一樣。因此，開挖之後，閘室兩側的直立牆和超高邊坡的穩定性則成為了最大的技術難題。

在沒有成功經驗可以借鑒的情況下，中國水電建設者另闢蹊徑，用4300多根錨索、17萬多根錨桿，像「納鞋底」一樣扎入岩體中，把山體和邊坡緊緊固定在一起，而不至於滑向閘室。這項技術也是岩體錨固技術的重大實踐突破。

（加固邊坡的錨桿示意圖，圖片來自網路）

3、花崗岩上挖70米的槽絕非易事

三峽船閘為與岩體共同工作的薄襯砌結構，最大高度達70米，也成就了一項世界之最。但是要在花崗岩岩體上開挖出近70米的直立牆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。

針對這一技術難題，三峽的建設者們經過100多組試驗，分析對比了上萬組技術數據，總結了施工處岩體內部破壞的規律。

開挖時，通過多段微差梯段爆破技術和光面爆破、預裂爆破、緩衝爆破等爆破控制技術，來降低爆破震動影響，進而保證開挖後表層岩石的完整性，以增加邊坡的穩定性，達到了世界領先水平。

（閘室直立牆施工）

4、「天下第一門」開關自如，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，閘門結構設計既要滿足受力的剛度要求，又要能夠適應岩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，和水下工作環境，加大了人字門底樞潤滑的難度；人字門啟閉機由於扇形大齒輪節圓直徑和模數超過了世界規模，無法採用以往常用的輪盤式啟閉機。這些問題都亟待解決。

利用材料增加強度——大型人字門設計時，在主橫樑中間截面、端部及邊柱設計中採用了充分利用材料強度，降低應力幅值，提高結構抗疲勞能力的設計技術。閘門背面還布置了12根十字交叉的鋼拉杆，用於增強門體剛度和調整鋼門的形狀。

自潤滑輪軸——由於閘門底樞長期泡在水中，傳統潤滑系統難以工作和維護，因此閘門底樞採用進口球形自潤滑軸瓦。

「大力開關」——啟閉設備為大行程卧缸直連式無級變速液壓啟閉機，採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，並能保證啟閉機運行的安全、可靠。

三峽工程雙線五級連續梯級船閘的建設還解決了諸如泥沙淤積礙航問題、高水頭船閘水力學、極為複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難題。

結語

自三峽船閘投入運營以來，至2011年，三峽船閘通過量就達到了1.003億噸，提前19年達到了80年代設計通過能力。2016年達到1.3億噸，超過設計通過能力約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。

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編輯| 於冉帝

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