长江葛洲坝水利枢纽船闸与升船机设计

图2-5 葛洲坝水利枢纽总布置图

葛洲坝工程是三峡工程下游的航运梯级。通过葛洲坝对三峡电站日调节下泄的非恒定流进行反调节，渠化改善三峡大坝以下37km的天然航道，并利用河段落差发电。

枢纽由拦河坝、泄水闸、船闸和水电站等组成，坝轴线长2605.5m。葛洲坝船闸包括大江航线1 号船闸及其上、下游引航道，三江航线2号、3 号船闸及其共用的上、下游引航道，近期可通航现行各类船舶，远景可通过万吨级船队，年单向通过能力5000 万t以上。

葛洲坝船闸三江2号、3 号船闸，于1981年6月通航；大江1 号船闸，于1988年9月开始试航，1990年5月正式通航。葛洲坝船闸的建成和投入运行，标志着从根本上改善长江航运条件的伟大事业迈开了重要的一步。

葛洲坝工程位于长江西陵峡出口南津关下游8.3km，坝址处于南津关急弯和镇川门微弯河段之间的过渡段上。上游两岸和江底有母猪嘴、巷子口、玉井、横梁子等河岸的天然突嘴和礁石。长江出南津关后，流向由东急转向南，江面宽度由300m 突然增大到2200m，河底高程由－40m急剧上升到＋30m左右，河床纵断面形成1∶7 的反坡；河道地形对江水挑流的作用，在江内形成剪刀水、泡漩等不利流态，构成川江航道的最后一个洪水急流险滩。坝址江中有葛洲坝和西坝两个小岛，把长江分成大江、二江和三江；大江和二江在葛洲坝尾部汇合，至西坝尾部又与三江相汇合。大江宽约800m，河底高程一般为30m，为长江在天然情况下的主航道。二江在坝址处宽约300m，河底高程为43m，天然情况在长江流量达13000m3／s时开始过流。三江在坝址处断面的上口宽约550m，河底高程46m，出口处断面的上口宽约200m，河底高程为40m，天然情况在长江流量超过21000m3／s时开始过流。坝区河谷开阔，两岸山体低矮，一般地面高程为55～70m，山顶高程在200m以下。在坝轴线上游约700m处左岸有黄柏河、右岸有鹅石子沟汇入长江，下游600m处右岸有紫阳河汇入，三江下口对岸有砖桥河汇入。

坝址河床岩面高程：大江一般为25～30m，有3 个基岩浅槽，槽底最低高程为8～10m；二江一般为35～38m；三江上、中段为37～42m，下段在34.5m以下。河床覆盖有砂卵石层，其厚度一般为5～8m，大江最厚处有23m。

坝址地层为白垩系下统陆相红色碎屑岩，大江中线以右为石门组砾岩，夹少量粉砂岩透镜体，总厚度约为100m，砾岩比较坚硬，局部裂隙有微溶蚀现象；中线以左为五龙组的层砾岩、砂砾岩与粉砂岩、粘土质粉砂岩，其中有少量的粘土类软弱夹层，岩层厚度变化较大，约为35～60m。葛洲坝到黄草坝（西坝头部）的二江地区为五龙组的层粉砂岩、粘土质粉砂岩夹砂岩，其中夹有较多的粘土岩类软弱夹层，岩层厚度约为70m。黄草坝以左的三江地区为五龙组的层砂夹粘土质粉砂岩，亦夹有粘土岩类软弱夹层，与建筑物关系密切的岩层厚约50m。

岩层走向与坝轴线约成70°交角，倾向左岸微偏下游，倾角为4°～8°，除有极其轻微的褶曲外，基本为一单斜结构。裂隙短小，不甚发育，高倾角裂隙多发育在砂岩、砾岩中，低倾角裂隙主要发育在粘质岩石中。基岩地下水主要为裂隙水，裂隙和层面裂隙是基岩地下水的主要通道；有裂隙的地段岩石透水，否则不透水；一般近地表的透水性较大，往深处减弱，ω值小于0.01L／min的深度一般小于16m，大江、二江和三江各有一个强透水带。

建筑物的稳定主要受软弱夹层特别是泥化夹层的控制，强透水带、大江基岩浅槽对建筑物的稳定也有一定影响。另外，粘土质岩石风化速度很快，抗冲刷能力差。

根据坝址河道特点，按照枢纽总体规划，船闸的通航水流条件如下。

（1）船闸的最大通航流量：

三江：4.5 万m3／s，长航近期和远景最大船队可迎向航行；6.0 万m3／s，近期大型船队可单向航行。

大江：3.5 万m3／s，建成后根据实际情况确定，在下游航道进一步整治措施实施前为2.5 万m3／s。

（2）船闸的最小通航流量为3200m3／s。

（3）船闸的通航水位：

上游最高通航水位为66.0m。

上游最低通航水位为63.0m。

下游最高通航水位：三江为54.6m（流量6.0万m3／s时水位）；大江为50.6m（流量3.5 万m3／s时水位）。

下游最低通航水位为39.0m（流量3200m3／s时水位）。

下游检修水位为46.0m（相应流量1.6 万m3／s）。

船闸有效尺寸和船闸线数，主要决定于设计水平年的过坝运量和相应的设计船舶（队）及近期通航船舶的尺度。

规划货运量受货物来源、供求关系、船舶运力、港口吞吐能力、航道通过能力和运输方式等因素的制约，其中有一个环节发生变化，就会影响规划货运量的准确性，通过对长江航运公司（简称长航）1952～1972年共21年过葛洲坝的货运量统计，货运量的发展具有河道的运量、主要货种、重向货流变化大的特点。因此要准确推估设计水平年货运量十分困难。经反复论证，确定设计水平年2030年的规划运量定为单向5000万t。

通过葛洲坝的船型船队主要有交通部长航和地方航运部门的船型船队两类，长航船型较大，地方船型较小。

长航在葛洲坝建设期的船型很复杂，最大的驳船为1500t，最大拖轮为1942kW，最大船队为1 艘推轮顶2艘1500t驳船和1 艘800t驳船的品形船队。远景规划万吨级船队因考虑因素较多，暂定一艘1942 kW推轮顶4 艘3000t驳船，船队尺寸为230m×31.6m×3.3m（长×宽×满载吃水，下同）。

地方船型也很复杂，驳船20～200t 不等，而以100t 左右者居多；推轮功率59～221kW不等。建坝前船队上水大部分为双挂环拖带，下水为四挂环船队，另外尚有农副、渔船500余艘。为了适应运量的发展，地方航运部门将对现有船队船型和队形进行逐步改善，远期队形拟采用梭式和燕式顶推。

根据以上规划货运量及船型船队的情况，考虑到长江水运的重要地位和航运发展，为确保航运畅通，不致因船闸检修、冲沙、挖泥而断航并从有利战备考虑，经有关部门共同研究决定与枢纽同期兴建两线三闸，1 号、2 号船闸主要供大型船队使用，3 号船闸主要供客货轮和地方小型船队使用。1 号船闸按中水期通过海轮的要求，有效尺寸定为280m×34m×5.5m，其上闸首的槛上最小水深，定为6.0m；2号船闸有效尺寸280m×34m×5.0m；3 号船闸为120m×18m×3.5m，施工过程中，利用挖除软弱夹层后基岩面较低的条件，实际有效尺寸为120m×18m×4.0m。

葛洲坝船闸的级数曾比较过一级和两级。工程施工当时一级船闸方案水头27m、跨度34m的下闸首人字门的制造安装、船闸水力学和闸门启机、电器设备的设计制造都有相当难度，船闸耗水量也较大。两级船闸布置了分开和连续两个方案。分开方案的第二级船闸设在三江下口附近。此方案虽可提高三江航道的底部高程减少开挖方量，但为防止在特大洪水期淹没第二级船闸的机电设备，必须将有关建筑物的顶部高程抬高；为浇筑第二级船闸和冲沙闸的混凝土，须专设一套施工系统，两级船闸和冲沙闸的混凝土工程量、金属结构材料及机械设备比一级船闸方案大得多，中间渠道内的非恒定流和泥沙淤积问题也比较复杂；两级船闸的闸门高度较小，但其跨度不变，闸门设计并无质的改变。船闸减少了耗水量，但增加了船闸管理的复杂性和船舶过坝的总历时。

根据以上比较认为，通过借鉴国外一些大型船闸的成功经验，充分利用我国金属结构和机械的设计、制造和安装技术能力，并通过有关模型试验，一级船闸方案船闸水力学和闸、阀门设备的技术难题是可以解决的。因此，为简化布置，节约投资和方便管理，决定采用一级船闸方案。(www.xing528.com)

葛洲坝附近的长江河段呈反S形，为使航道顺直，左岸航线的线路位置，曾考虑由三江上口左侧的绵羊洞经东湖、南湖，直至大公桥附近汇入长江。此线路约在晚更新世前即为长江的东湖古道，现地面已比大江高出20m，开挖工程量很大，出口位于微弯河段的凸岸也不理想，而且线路位置与宜昌市建设规划有矛盾，因此决定将左岸线路位置选在三江内。三江约在晚更新世末，取代东湖古道亦曾为长江主河道，河道上游进口处在弯道的凹岸，粗颗粒泥沙淤积少，下游出口远离坝轴线，受泄水建筑物过流影响较小，是一条比较好的线路。

大江航线的线路位置曾比较过河床和河岸两个方案。大江在建坝前，为主要通航水道，河床方案线路处于河段的凸岸，船舶在进出南津关时，需要急转约90°的大弯，曲率半径虽近1000m，但建坝后泥沙和水流条件较差，视野不够开阔，特别是因二江泄水闸下游的西坝突嘴难以切除，二江泄水闸泄流折冲大江航道，使下游航道流速和波浪很大，因此大江航线的泥沙和通航水流条件比三江航线复杂得多。河岸线路，上、下游口门远离泄水闸，通航水流条件较好，但工程量较大，且需另建施工系统。河床方案，满足引航道通航水流条件的难度虽然较大，但适当降低最大通航流量后，通过采取工程措施，仍在可以满足通航条件的范围以内，且工程量相对较小。经过讨论选定河床方案。

在主河床布置泄水和水电站建筑物，两岸布置通航建筑物的总体格局下，在枢纽坝轴线选线过程中，曾结合增加船闸前的船舶冲程和直线段长度，研究比较过将坝轴线下移的各种方案。限于下游河谷较窄，枢纽建筑物布置不下，因此决定主坝线不动，仅考虑过将船闸部位的局部坝轴线适当下移，包括研究三江坝轴线下移、三江坝线转弯、大江船闸下移等方案。

考虑到与2号船闸基础廊道相接的黄草坝基础廊道混凝土及3 号船闸已浇筑部分混凝土的实际情况，经深入研究，并征求有经验船长的意见，决定维持三江坝轴线位置不变。但将闸前直线段长度由1200m调整为960m；将船闸轴线反时针旋转8.5°，与坝轴线之间呈81.5°斜交，为方便船舶错会，进一步将船闸前防淤堤的堤线向右折转3°。

鉴于大江船闸主要是单向运行，经多个模型试验并根据船长经验，上游引航道长1000m已可满足航运要求，经进一步征求船长意见，决定将船闸的上闸首布置在坝轴线上。此外，三江船闸尚有避开前坪、船闸右移到西坝，以及为免建活动桥而将船闸下闸首上移到坝轴线上等方案，均因工程量大或布置困难而放弃。

船闸布置与相邻建筑物的关系。三江曾研究过在船闸左边布置4 台17 万kW 机组，利用其常流尾水防止引航道泥沙淤积。该方案的电厂基础较好，对外交通与出线都较方便，但电厂常流水使船闸上口门产生横向流速妨碍船舶航行；下游的纵向流速也较大，地方船舶不能上驶。如电站移置船闸右侧，只能安装1 台机组，甚不经济合理，因此将电厂移置二江，三江只布置船闸与冲沙闸。

三江船闸与冲沙闸的布置曾研究过两个方案：①两座船闸并列居中，两侧各布置3 孔冲沙闸；②两座船闸分别布置在6 孔冲沙闸的左、右两侧。经比较选择方案②，即将要求直线段较短的3 号船闸布置在三江的左侧，船闸轴线与坝轴线正交；将要求直线段较长的2号船闸布置在三江的右侧；两座船闸中间布置6 孔冲沙闸，使冲沙和泄洪时水流较顺直。两座船闸分开布置运行时相互干扰较少，船闸均毗邻岸边，在管理上也较方便。大江船闸左侧为大江电厂，右侧是9 孔冲沙闸。

综合上述研究的结果，根据河势规划和航运要求，葛洲坝枢纽的通航建筑物布置形成两线三闸总格局。两线航道分居枢纽两侧的大江和三江，左线上游用三江防淤堤、下游利用西坝与主流隔开；右线上游用大江防淤堤和隔流墙隔流，下游用导航隔流墙导航隔流，既可形成左、右两条独立的静水航道，又可用以束水攻沙，辅以机械清淤，能较好地解决航道泥沙淤积的问题。左岸航线布设一大一小两座船闸，右岸航线设一座大型船闸，两线配合使用，保证长江通航不致中断，并能满足远景运量发展的需要。

根据坝址的地形、建坝前后河势和水沙的特点，工程按一体两翼格局布置。二江泄水闸居中，二江电站与大江电站分居两侧，两条航道为工程的两翼，用两道防淤隔流堤将其与泄水建筑物隔开，形成大江与三江两条独立航道，如图2-6 所示。

图2-6 葛洲坝水利枢纽鸟瞰图

葛洲坝船闸兴建当时，我国对通航水流条件尚无统一标准，参考国外有关规定和模型试验成果，结合航道实际条件与驾驶员的经验，通过研究，逐步形成和完善了葛洲坝船闸通航水流条件的标准。

在上游引航道口门区的中心线至岸边的宽度范围内纵向流速不超过2m／s，横向流速不超过0.3m／s；适当放宽口门区中心线右侧的流速要求，回流流速不大于0.4m／s；涌浪高度不大于0.5m。下游引航道口门区水流条件，要求航线与其附近水流的交角不大于25°，经船模试验验证，船舶能顺利进出口门区。引航道流速，输水系统上游进水口拦污栅的过栅流速不大于3.0m／s，引航道内纵向流速不大于1.0m／s，横向流速及回流流速不大于0.25m／s。

三江航道系拓宽挖深原三江河道而成，左、右两侧分别布置3 号和2号船闸，中间设6 孔冲沙闸，引航道布置尺寸为：引航道底部宽度不小于120m，上游口门宽度为230m；闸前直线段长度：2号船闸为960m，3 号船闸为360m；弯曲半径：2 号船闸为1000m，3号船闸为600m；下游口门宽度为150m；闸前直线段长度：2号船闸为650m，3 号船闸为360m；弯曲半径：2号船闸为720m，3 号船闸为600m；三江上游引航道总长为2.5km，右侧防淤堤长为1750m，左侧有黄柏河在坝轴线以上700m处汇入，黄柏河口以上航道需适当扩宽，宽度不小于236m，底部高程左侧为55m，右侧为52m，黄柏河口以下航道地形较低不必开挖，宽度不小于300m，上游口门实际布置宽度为232.17m。黄柏河在三江上游航道汇入，大流量时在引航道内形成较大的横向流速，对此，曾比较束窄汇流口，泄流以45°与引航道斜交的方案和适当加宽汇流口，泄流与引航道正交方案。窄口斜交方案削减横向流速效果明显，但工程量大。考虑到敞口正交方案可能导致碍航的大洪水平均每年不过数小时，而对地方船只进出黄柏河锚地比较方便，该布置对船闸充水时消除引航道非恒定流的影响有利，因此采用宽口正交方案。三江下游航道总长度为3.9km。

三江下游引航道沿线有18条城市下水道汇入，其中单个最大流量达16m3／s，在出口附近也会形成局部横向流速，需采用扩大出口使横向流速小于0.25m／s。

下游口门区右侧在庙嘴设鱼嘴，左侧由原地形削坡呈圆弧形与下游左岸连接，航线与主流夹角为22°～23°，船模试航表明可顺利进入口门，且留有另一船队进出的宽度。实施过程中，由于在江边修建公园，使口门区航标右移，中心线与主流夹角超过25°，但仍能保持安全运行。

三江防淤堤长1750m，顶部高程70m，堤身高度一般为18～25m，最大高度为29m。堤顶宽度上游端为10m，下游方向按电厂进流要求逐渐扩宽，最宽处为260m。堤身边坡坡度左侧为1∶2～1∶5，右侧为1∶2～1∶4。按最大设计流速6m／s，并考虑风浪影响，设置了混凝土或抛石护坡和护脚。主要采用基坑开挖料、上游引航道开挖料、南津关整治开挖块石料和砂卵石料等填筑。为改善南津关复杂的水流条件，对右岸的巷子口、向家嘴突嘴和左岸的玉井突嘴进行了整治，并对附近的岸线进行了整理。为了减小黄柏河来水及泥沙对上游引航道的不利影响，除改建上游的汤渡河水库以提高对黄柏河的拦沙蓄洪能力外，黄柏河的汇入口设计，采用了正交加宽的布置方式，并对防淤堤的抗冲能力做了专门的设计。三江下游引航道护坡的原设计最大流速为4.8m／s，考虑波浪的影响采用块石护砌。后从便于施工的角度考虑，在施工时全部改用混凝土浇筑。

大江引航道上游口门区的水流结构与三江相似，1000m长隔流堤可以满足船只进闸运行的要求，但因大江航道位于凸岸，泥沙淤积量多且粒径较粗，确定最大通航流量为35000m3／s。当长江流量超过35000m3／s时，大江航道过流冲砂，这样不仅制约了口门外的边滩淤积，也冲刷了下游航道的淤积，减少了航道在汛后清淤的工程量。

大江下游航道位于葛洲坝枢纽各过水建筑物下泄水流的汇流处，按原河势规划需切去西坝突嘴，使大江、二江电站尾水和二江泄水闸泄流顺畅。大江下游引航道附近的水流平顺，但由于拆迁困难未能实施，以致二江泄水闸泄水和二江电厂出流折冲大江航道，形成强烈的斜流和斜波。经综合比较，通过加固下游纵向堰并往下游修筑导流堤，导引二江出流偏左、减弱水流向航道折冲的态势，在下游先建长230m导航隔流堤，斜流、斜波有明显减弱，但当长江流量超过32800m3／s 时，实船试航中感觉驾驶有困难。因此，经专家评审确定，大江近期通航流量先按25000m3／s 掌握，再进一步研究改善措施，把通航流量提高至30000m3／s，并争取达到35000m3／s。

大江上游防淤堤长度1000m，堤顶实际长度860m，堤顶高程为70m，一般高度40m，最小宽度10m，最大宽度140m，上游堤顶长度100m部分为堤头段，其余部分为堤身段。

防淤堤位于大江右侧河槽，基础表层为砂卵石覆盖层，下部为基岩。但防淤堤右侧施工期布置有横向围堰的部位，为防止缓流和弱回流淤积对堤基不利，临时修筑了挡淤埂。

防淤堤充分利用当地材料，采用以砂、石为主填筑的结构方案，上游一半长度以上的堤身，直接在水中进行抛填，堤身断面设两级马道，堤头段断面边坡为1∶2，向下游左侧渐变为1∶3，右侧渐变为1∶2.5～1∶3 与堤身相连接。

防淤堤在大江泄洪冲沙时，堤头右侧形成绕流和跌水并出现涡流，流速很大，跌水最大跌落高度2.5m。防淤堤的护坡护脚施工在高程43m 以下为水下施工，采用特大块石和工程截流剩下的混凝土四面体抛护，43m高程以上为水上施工，采用现浇混凝土护坡。上游的南津关航道上起母猪嘴，下至大江、三江上游引航道的口门区。天然航道在中、枯水期能满足通航要求，在洪水期流速高、流态差，呈现多处回流、泡漩、剪刀水、拐子水等复杂流态，在流量不小于40000m3／s 时不能通航。葛洲坝船闸建设期间，对这段航道进行了整治。

整治措施包括在左岸玉井段切坡和平顺岸线，在南津关口清凉树附近炸平横卧于河床中的横梁子；在右岸扩宽巷子口过流断面，切去向家嘴。经整治后满足了船舶经大江、三江航道过坝的要求。

葛洲坝水利枢纽船闸，为我国在水利枢纽上首批修建的高水头大中型船闸，设计建设过程中，在复杂河势和水沙条件下，综合利用枢纽中布置通航建筑物方面，解决了如下一系列重大技术难题。

（1）通过对上游航道进行整治和在上游引航道靠主河道一侧合理布置防淤隔流堤，成功地解决了由于葛洲坝地处峡谷出口平原分叉型河段特殊河道地形造成的复杂水流条件问题，较好地满足了引航道口门区的通航水流条件。

通过合理扩大左岸黄柏河汇入口的宽度，减缓汇入水流的流速，较好地克服了较大支流汇入对引航道通航水流条件的不利影响，且使该支流变害为利，通过利用黄柏河口较宽阔天然水域的调节作用，基本消除了在船闸充水时，在上游引航道中产生的非恒定流对船舶（队）通航的不利影响。

（2）通过布置防淤隔流堤，并在限制水域内设置冲沙闸以束水攻沙，即所谓“静水通航，动水冲沙”的运行方式，配合根据需要辅以机械清淤，解决了引航道及其口门区泥沙淤积影响通航尺度的问题；通过对黄柏河上游汤渡河水库的加固，解决了黄柏河泥沙推移质进入三江上游引航道的问题；通过在船闸闸门底槛附近设置冲淤设施，合理布置输水系统的出水孔和在冲沙闸泄水冲沙时，配合进行充、泄水的措施，较好地解决了泥沙淤积对人字门运行的不利影响，实现了通航建筑物的长期使用。葛洲坝工程两条航线通过采用“动水冲沙、静水通航辅以机械清淤”的措施，成功地解决了葛洲坝船闸上、下游引航道的泥沙淤积问题，是河流辩证法与水利工程相结合的成功典范。在三江航道2 号、3 号船闸之间修建6 孔冲沙闸和大江船闸右侧修建9 孔冲沙闸（兼作备用泄洪闸）。三江冲沙闸每年汛末在最后一次洪峰来临时，利用弃水冲沙，可将淤积在上、下游引航道内的极大部分泥沙冲走。动水冲沙的关键是恰当掌握冲沙时机和冲沙流量。冲沙时机根据天然情况和实践经验，选在汛末最后一次洪峰来临时为好，过早则冲沙后又来洪峰，仍有泥沙淤积；过晚则错过末次洪峰，形成冲沙与发电用水的矛盾。但根据当前洪水预报精度，很难准确捕捉末次洪峰出现的日期，因此，每年9月长江流量降至24000m3／s 左右时，冲沙闸放水进行冲沙，冲沙流量采用6000m3／s（机组满发约需流量18000m3／s）；如在后面再来洪峰、发生大量淤积，则再进行第二次冲沙以资补救。根据情况，大江冲沙闸每年在流量不小于3.5 万m3／s时进行多次冲沙。

（3）通过合理选择和布置船闸的输水系统并配合必要的附加措施，以及合理布置船闸泄水口和附设导水建筑物，较好地解决了三江两座高水头船闸，在同一条引航道内泄水，对下游引航道停泊条件的影响，较好地解决了两座高水头大型船闸和一座高水头中型船闸安全快速输水的问题。