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三峡奇迹的标志——探访长江设计院三峡船闸设计创新之路
作者:人民长江报    来源:人民长江报     日期:2007-09-07

    奔腾咆哮的江水随着三峡大坝的建成,人类实现了千百年来的伟大理想——“高峡出平湖,天堑变通途”。5月14日,世界上规模最大的三峡双线五级船闸通过完建验收,这标志着历经13年、已在2003年6月投入运行的三峡船闸工程,最终按照设计规定的规模,高质量、圆满地完成了建设任务并开始发挥全部功能。
    
    “三峡是创造奇迹的地方,而船闸就是奇迹的标志。”国务院三峡工程质量检查专家组组长、“两院”院士潘家铮如此感叹。
    
    在没有成功经验可资借鉴的情况下,长江委设计人员通过对船闸工程及其重大技术问题的大胆创新,以敢为人先的气魄,潜心研究,反复论证,逐个攻破,保证了船闸建设的顺利进行,用现代科技为长江航运和中西部经济发展打通了一条快速通道,为世界铸就了一座历史丰碑。
  
     三峡船闸全貌  
  
    设计创新:船闸建设的灵魂
  
    设计是工程建设的灵魂,设计水平的高低,对于项目的质量、投资和效益,都起着至关重要的作用。三峡船闸的规模大、设计水头高,船闸需适应的上游水位变幅大、坝址复杂河势和含沙水流等条件的复杂程度,均大大超过了世界各国已建船闸的水平。中国科学院及中国工程院院士张光斗教授曾说:“永久船闸是三峡工程的硬骨头,最难啃的大硬骨头。”
  
    为此,长江委一代又一代设计人员前仆后继,论证、研究了数十年,攻破了一道道技术难关,为船闸建设注入了创新的灵魂。长江设计院三峡船闸设计总工程师宋维邦帮助记者细细解读了船闸设计过程中的一些“硬骨头”。
  
    长江泥沙含量较高,年输沙量绝对值巨大,水库蓄水后,三峡船闸上、下游引航道和闸室泥沙淤积对船闸运行和长江航运的影响是人们普遍关注的问题,也是船闸建设必须解决的首要问题。设计人员通过深入比选,决定将船闸的线路布置在河床左岸的制高点——坛子岭左侧,在船闸上、下游引航道右侧布置隔流堤,调整引航道口门区水流条件,采用适合三峡泥沙淤积特点的清淤技术,并落实了进一步加大冲淤能力的预案,由此解决了急弯河段、复杂水沙条件下船闸的布置难题,保证了工程的长期使用。
  
    根据三峡船闸的基础条件,设计人员又在船闸结构上进行了大胆创新,采用了在直立岩坡上浇筑分离式钢筋混凝土薄衬砌墙的结构型式,使船闸结构与岩体成为一体,联合受力,从而为今后在岩基水利枢纽上修建船闸,提供了一种新的轻型结构体系;闸首和闸室全部采用衬砌式结构,这在世界大型船闸建设史上也是绝无仅有的。
  
    船闸总体设计的主要成果,充分反映了三峡船闸自身技术特点,使三峡船闸建设的技术可行性得以明确肯定,在大量节省了工程投资的同时,为各个专项技术达到世界领先水平打下了基础。
  
    长江委设计人员充分吸取国内外已建船闸输水系统的设计和运行经验,在大量的模型试验成果的基础上突破常规,采用在引航道正向取水、两侧山体布置主廊道、加大阀门后淹没水深、在闸室内采用8支廊道、4区段等惯性顶部出水加盖板消能的布置方案,保证不同运行阶段船闸的运行条件,其技术措施可靠性高,可以保证输水系统各部位的运行安全,保证闸室具有良好的水流条件,能够满足船舶或船队安全停泊的标准要求。
  
    三峡船闸共有24扇规模为“天下第一”的人字闸门,三分之二的人字门高38.5米、宽20米、厚3米,重达850多吨。因此,润滑问题是闸门设计的关键技术问题之一。设计人员首次采用了自润滑材料以提高闸门运行的工作性能和安全可靠性,同时解决了机油污染问题,大大减少了维护闸门运行的工作量。
  
    船闸运行监控系统技术的特点是多目标、多工况,为防止意外事故的发生,充分保证船闸的安全正常运行,设计人员成功的建成了世界上第一套集现地、集控和总调为一体的三层分布式的多级船闸集中自动监控系统,填补了多级船闸复杂工况连续自动监控运行的空白。控制室的工作人员只要在操作屏幕上按动一个按钮,发出一个指令,船闸就可以连续完成从关闭闸门、充泄水到开启闸门等一连串的运行动作,未来还可完成全部过闸程序的自动化运行。
  
    中国工程院院士、长江委总工郑守仁说,三峡船闸的创新设计,使世界船闸建设技术实现了一个大跨越,在高质量、高水平地建成世界上规模和设计水头最大、技术难度最高的三峡双线五级船闸的同时,在船闸技术的许多方面取得了突破和创新,大大丰富了世界高坝通航船闸设计和建设的理论与实践,培养出了一批水利科技创新人才,为我国水利事业在更高技术基础上持续发展打下了坚实基础。
  
  
    工程效益:“黄金水道”新纪元
  
    曾几何时,当人们谈起长江航运,三峡纤夫精瘦的身体,与地面平行的姿势以及粗壮的纤绳几乎成为标志性的影像。今天,现代化的船闸使得过往船只可以安稳、轻松地畅游长江,巍峨壮丽的三峡船闸迅速取代三峡纤夫的形象,成为长江航运的新标志。
    
    长江是中国唯一贯穿东中西部的“黄金水道”,年运量约占我国内河运量的80%,沿岸大型企业生产所需80%的铁矿石、72%的原油、83%的电煤依其水运保障。
    
    三峡船闸完建、恢复双线通航后,川江航运迎来了前所未有的黄金时刻,航运效益大大超过天然航道时期,原来滩险水急的川江航道就此步入百舸争流的时代,呈现出一派繁荣的景象。
    
    资料显示,三峡工程蓄水前,川江浅滩礁石密布,不能夜航,年通航能力只有1000多万吨。自2003年6月16日三峡水库蓄水、通航后,三峡过坝货运量出现“井喷”,2006年达到5024万吨。
    
    三峡天堑变成坦途后,船舶的运行周期大大缩短,宜昌至重庆的深水航道,成为水上“高速公路”,航行时间比天然河道可节省6至8个小时。
    
    据统计,三峡船闸自2003年6月16日试通航以来,除因流量超限和天气原因短暂停航外,均实现了安全通航。2003年6月18日至2007年4月16日,三峡枢纽通过货运量达1.67亿吨,客运量850万人次,年过坝运量较历史最高水平成倍增加,保证了石油、矿产、鲜活农副产品、大型建设物资等及时通过,有效服务了沿江经济和航运发展。
    
    另一方面,随着船闸的完建,三峡三期枢纽工程已经具备了175米挡水条件,水库实际防洪能力较初期运行又有所增大,为水库下游防御千年难遇大洪水的突发状况提供了有效保障。
    
    潘家铮院士认为,三峡船闸恢复双线通航,为畅通长江黄金水道、缓解长江水运压力提供了重要保障。
    
    三峡船闸完建,适应了三峡水库最终蓄水至175米的运行要求,库区航运条件将大大改善,万吨级船队可直达重庆,运输成本可降低约4成,为中国西部经济又好又快发展注入了新的活力。
  
  
三峡船闸设计负责人钮新强(右一)在三峡工地
  
    创新精神:走向世界的钥匙
  
    投资80多亿元打造的三峡船闸,是三峡工程通航设施中最特殊的一项,不仅工程规模举世无双,建造难度也属世界之最。长江委副主任、三峡船闸设计负责人、长江设计院院长钮新强畅谈了三峡建设的体验,他说,三峡船闸已按照设计要求高质量地完成建设任务并开始发挥巨大效益,这对长江设计院而言具有更为深远的意义——三峡船闸的设计成果和建设成就,极大地提升了长江设计院的品牌,近两年长江设计院之所以能够在20多个国家和地区取得一系列项目,都不同程度得益于三峡工程这块“金字招牌”。回顾十几年来的建设历程,他感慨地说,三峡船闸的巨大成功,与长江委几十年来形成的技术理念密不可分,是长江委广大设计人员敢于实践、敢于创新、精诚合作、谦虚谨慎的工作风格铸造了“金字招牌”。
    
    三峡船闸在论证过程中曾历经坎坷。没有前例的高水头五级梯级船闸,设备多,体型巨大,无论是水工结构、金属结构、机械设备、控制操作系统都十分复杂,只要有一个领域、一个地方、甚至一个零件出现问题,就会影响全线通航,长江断航事关重大,能担这个风险吗?还有升船机,其设计远远超过当前国际水平,一些境外人士在问,外国人都没有经验,中国工程师能行吗?
    
    面对担忧和质疑,长江委设计人员感到前所未有的压力,但同时有胜利建成三峡船闸的信心:任务确实异常艰巨,具有极大的挑战性和风险性,唯一的解决之道,就是踏实工作,兢兢业业,谦虚谨慎,加强研究,优化设计,千方百计提高设计、施工和制作安装质量,防止出现任何事故,不放过任何一个问题。
    
    钮新强在叙述中曾引用潘家铮院士的一句话,“我们的批评者就是最好的老师。”为使设计方案更加完善,工程最终达到预期目标,设计人员把批评当作进一步思索和论证的动力,不断反思、孜孜以求更好的设计方案。
    
    然而,好的设计方案要达到好的效果,必须用实践来检验。船闸工程开工建设以后,长江设计院大批设计人员常年驻守工地,提供技术支持,主动热情地提供技术服务,及时解决、处理现场技术问题,不断改

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