长江是横贯我国东西的黄金水道，在国民经济中起着举足轻重的作用。三峡工程建成后，一座181米高的混凝土大坝将横卧江上，如何确保航运畅通、船只安全过坝，是摆在三峡工程设计和施工人员面前不可回避的技术难题。经过我国科技人员长期试验研究和反复论证，决定采用即将建成的双线五级连续梯级船闸和将于2009年建成的大型垂直升船机方案。

　　建设三峡工程双线五级连续梯级船闸有一系列的重大技术难题，诸如泥沙淤积碍航问题、高水头船闸水力学、高陡边坡稳定问题、超大型人字闸门和高水头输水阀门及其启闭机械的制造及安装问题、极为复杂的运行工艺与极高的安全可靠性运行要求等等。

　　-泥沙淤积碍航问题

　　泥沙淤积碍航问题是一个非常复杂的问题。虽然现在还不能说已彻底解决，但基于葛洲坝船闸解决泥沙的经验以及大量的科学试验，可以说，三峡船闸泥沙淤积碍航的问题理论上已基本解决。

　　在设计布置船闸时，充分地考虑了利用河势排沙。长江在流经三峡大坝坝址时，有一个近于90度的大转弯，拦河大坝建在河道转弯处，船闸则是在河道左侧的山体内开挖建成。这样就使得泥沙的流向与船闸及其上下游引航道有了一定的交角，大量的泥沙不会直接进入船闸及上下游引航道。

　　尽管如此，设计及施工人员还是在船闸的上下游建设了人工防淤隔流堤，消除了江水在船闸入口处的大范围回流，防止泥沙进入船闸及上下游引航道。采取了上述两项措施之后，是不是就绝对没有少量泥沙进入上下游引航道呢？不是。所以，现已建成的临时船闸将被改建为冲沙闸，以利航道冲沙。冲沙仍不够，则采用冲吸式挖泥船、自航式高效挖泥船进行清淤。此外，船闸运行后期，根据泥沙淤积情况在升船机和双线五级船闸之间留有建设冲沙隧道的可能。

　　总之，解决三峡工程泥沙淤积碍航问题的技术难度和复杂性均超过了葛洲坝工程，相关的工程措施难度也高些。而且有许多问题，还待进一步研究。如闸室内部的泥沙淤积问题，坝下河床下切影响下游引航道枯水期航深问题，如何确定和选择引航道和闸室各部位清淤工程量、清淤方式、清淤机具等。随着时间的推移，还会出现新情况和新问题，需要不断地据情研究、采取措施。

　　-高水头船闸水力学

　　工程建成后上下游最大水位差高达113米。113米的水头究竟用几级船闸来分解、是连续布置还是分散布置、各级闸室底板高程定为多少？这需要综合考虑建筑物的安全、工程量、设计与制造及施工的难度、成本及今后运行的方便等多种因素。科研设计人员曾为此作过长期的研究。分散布置很多级船闸，可降低设计和设备制造的技术难度，但工程量太大；只做两级三级或四级，工程量可降低，但闸阀门及启闭设备的制造难度又太大。经过4至10级多种方案的比较，最终采用双线五级连续布置方案。闸室底板高程使一二级之差大于其他相邻闸室之差。这样可减少岩体开挖和混凝土浇筑的方量，只是在某些水位条件下，二、三级闸室需要补水。采用五级船闸分解113米水头，中间级船闸最大工作水头仍有45.2米，最大一次充、泄水体积23.7万立方米。若充水太慢，船只过闸时间势必延长，船闸功能效率太低。现将一次充泄水时间设计为12分钟。若依12分钟的预定时间充泄水，水在廊道里的流速就很高。高速水流在输水阀门处一受阻，水的流向改变，就要产生大量气泡，气泡聚集即会爆炸，这种因气泡爆炸所产生的震动和对混凝土结构的破坏，水力学上叫做空蚀、声震。如何消减和消除输水过程中的空蚀和声震，是三峡船闸的一个世界级难题。

　　设计施工人员通过降低阀门段廊道高程从而增大阀门淹没水深，优化阀门后廊道体型从而提高门后压力，阀门尽量向上一级闸室靠近以增加门后阻力，采用全仓式反弧门、门楣通气及快速开启等多项措施后，基本上消除了各种运行工况条件下发生空蚀的可能性。

　　船闸在输水过程中，由于充泄水速度快，水力惯性大，有可能出现上一级闸室的水泄得太多，下一级闸室的水灌得太多，造成下一级闸室的水位反而高于上一级闸室，此谓超灌超泄。超灌超泄会对人字门产生较大的反向推力，从而把还在关着的人字门从下游方向往上游推开，这样会损伤人字门及启闭机械，同时，也影响停靠于闸室里船只的安全。

　　经过多种方案比选研究，采用动水关阀效果最好。当上一级闸室与下一级闸室在一定水位差时，即开始关闭阀门，阀门从全开到全关的时间大约是2分钟。当阀门全关到位时，上下闸室的水位基本平齐。那么，上下级闸室的水位差在什么数值时开始关阀好呢？经试验研究，中间级闸室在阀门双边输水时2.02米、阀门单边输水时1.17米、末级船闸泄水闸室与下游水位差为2.3米时即开始关阀。试验的结果是否准确，还有待有水调试期间进行验证。

　　-高陡边坡稳定难点突破

　　船闸是在山体中开挖修建而成。最大开挖深度达170米，最高直立墙近70米。开挖卸荷后，闸室两边岩体会向中间倾倒。就像书架上立放很紧的书，从中抽出一本后，两边的书会向中间倾倒一样。如何使闸室两边岩体保持稳定，使其位移变形在设计允许的范围内，这又是一道世界级的难题。

　　这个难题人们是如何解决的呢？

　　其途径之一是，船闸闸槽开挖前先开挖山体排水洞、施工排水孔，以减少渗水压力，降低边坡山体地下水位，起地质预报作用，并提供边坡闸槽加固作业工作面。随闸槽开挖下降，及时完成边坡顶部的截、排、防水工程及边坡顶的修整。山体排水洞共有7层，其高程分别为200米、170-175米、152-177米、130-152米、110-125米、89-94米、70-72米。排水洞与边坡的水平距离是30-45米。7层排水洞之间有排水孔相连，从而形成一个完整的山体排水系统。而在船闸闸墙、底板与山体基岩接触面，也设置了纵向横向的排水管网。这样，由山体向船闸渗流的水便经山体排水洞排走，从闸室及输水系统渗入山体的水便经薄衬砌混凝土与基岩接触面的排水管网排走，从而降低了船闸两侧边坡山体内的地下水位。对边坡的稳定起到了很好的作用。

　　合理的开挖和恰当的支护是促使边坡稳定的又一重要措施。

　　船闸开挖除闸室槽的明挖外，还有100多万立方米的输水廊道及竖井等洞挖工程。由于山体内的抗振能力远高于边坡，施工时洞挖于先，明挖于后，这样既可降低边坡内水压力，也可在明挖之前对地质情况有进一步的了解。

　　开挖船闸表层时，根据岩石的风化程度合理地确定了不同的梯段开挖坡比。进入闸室深槽水平开挖后，两线船闸同步下降。开挖闸室深槽时，先抽中间槽，然后再进行闸室侧向保护层、闸室顶部保护层、闸室底部水平保护层的开挖。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。

　　但仅限于此是远远不够的。施工人员在开挖的同时，也开始了对闸室边坡和直立墙的锚固支护。施工人员用4000多束30-60米长的预应力锚索、17万多根8～13米长的高强锚杆，像纳鞋底一样将开挖后的表层与深层岩石牢牢地锚固在坚硬稳定的岩体上。

　　到目前为止，边坡的稳定情况是怎样的呢？埋设于船闸的1500余支监测仪器的监测结果表明，边坡向闸室中心线的最大水平位移为61.56毫米，直立墙顶的最大水平位移为40.15毫米，与最初设计值16-48毫米基本一致，而且上述位移量的70%-90%发生在开挖过程中，开挖结束后，位移渐趋收敛。由此可见，上述各项控制边坡稳定的措施是行之有效的。

　　-超大型人字闸门、高水头输水阀门及其启闭机械的制造安装

　　双线五级连续梯级船闸是世界上规模最大、提升高度最高、技术最复杂的船闸。布置于船闸的人字闸门、反向弧形阀门、平板闸门计有52扇之多。水库蓄水后上下游最大水位差113米、单级闸室最大工作水头45.2米，最大通航流量每秒56700立方米。在这样的高水头、大流量环境下，要求每年通航335天，每天平均工作22小时，过闸22次。环境复杂、闸门众多、启闭频繁、运行方式多样，运行时任何一个闸门出问题，全线船闸就不能运行。因此，对于船闸金属结构及机电设备的安全可靠性要求极高。

　　双线五级船闸人字门是世界上最大的人字门，单扇宽20.2米、高38.5米(另一规格为37.5米)，厚3米，面积相当于二个篮球场大，重850多吨，而且结构复杂，上有顶枢，下有底枢，两边是门柱不锈钢止水，安装完成后，两扇门关到位时的间隙要在0.1毫米以下，一根头发丝也插不进去；其底枢由于常年在水下，要采用自润滑方式。可想而知，其制作、安装要求非常高。

　　由于船闸闸阀门的工作水头高、运行工况复杂，所以船闸启闭机必须满足极为复杂的运行要求。船闸的启闭机除了具备较大的启闭能力以外，还采用了比例泵技术，满足了人字门的变速运行和两门同步运行要求，而其采用的国际最新二通插装阀大规模集成控制技术又使各种管路大大减少，缩小了泵站的体积与空间。现地控制站的可编程控制器能够满足动水关阀，人字门平压开启、变速运行、两门同步等要求。为提高现地控制系统的可靠性，现地控制系统还配置了备份的冗余设备，具有热备自动切换功能。也就是说，一个系统的某个地方出了故障，另一个系统就能自动切换过来继续工作，实现了不停机的切换。同时，现地控制系统还具备人机对话功能，运行人员可以通过可视彩色图形操作面板，直观了解整个启闭机的运行状态和故障情况，从而大大提高了运行的安全可靠性，方便了运行、维护和管理。

　　船闸金属结构和机电设备无论是精度要求高、启闭能力大等制造难度，还是从运行条件的复杂程度看，都是世界一流水平的，但通过前一个阶段的无水调试，已可得出初步结论，调试的结果与模型试验是基本一致的。船闸金属结构和机电设备的制造、安装质量已得到初步验证。

　　-极为复杂的运行工况与万无一失的运行可靠性要求

　　由于水库是分期蓄水，三期工程施工期船闸也要投入运行，所以，船闸运行工艺需根据上游水库水位的变化及船队过闸的需要，以及船闸设备的具体情况综合考虑编制，因而，船闸运行工况极为复杂，运行模式有很多种。

　　从船闸运行级数上讲，有三级运行、四级运行、五级运行；从运行方向上讲，两线船闸都要能够换向运行，故有上行与下行；从是否需要补水方面讲，有闸室补水运行与不补水运行；从输水方式上讲，有单边阀门输水运行与双边阀门输水运行；从船队过闸的方式上讲，有船队逐级过闸运行与船队分组同步过闸运行；从控制方式上讲，有全自动与半自动运行、集控手动操作与现地手动操作运行。现地操作也有单步操作与联动操作。

　　正常情况下，两线船闸独立运行。一线上行，一线下行。若一线出现故障，另一线则要成批过闸定时换向；船闸在运行时，相邻闸首间的人字闸门和输水阀门具有闭锁关系，两者不能同时打开；单级闸室输水要在12分钟内完成；为了防止超灌超泄，输水过程中要动水关阀快速开启；紧急情况下要具有安全保护功能、能够紧急关阀、紧急停机等等，这是船闸电器控制系统必须解决的一些关键技术问题。

　　要在如此复杂工况下确保运行的安全畅通、经济快捷是十分不易的。通过前一段时间的无水调试，已基本验证了船闸的闸阀门及启闭设备能够满足船闸运行的安全可靠性要求。

　　单就控制而言，船闸的运行，集中控制系统和现地控制系统均能操作。集中控制系统有两套互为备份的可编程控制器和计算机工作站。这两套系统独立工作，均能控制船闸运行。当一台设备工作时另一台带电跟踪监视，若正在工作的设备出现故障，跟踪监视的设备会立即切换过来接着工作。若上述互为备份的四套设备全有故障，启动集中控制系统的手动操作键也仍能完成所有操作。退一万步说，就是集中控制系统全部瘫痪了，启动现地控制系统也能完成船闸的运行，而且每个闸首两侧的现地控制站也互为备份，每一个现地控制站也均有可以切换的自动操作和手动操作功能。(田宗伟)

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