第４１卷第４期 ２ ０ １ ０年２月 人 民 长 江 Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｖｏｌ，４１．Ｎｏ．４ Ｆｅｂ．，２０１０ 文章编号：１００１—４１７９（２０１０）０４—００８４—０３ 水工金属结构专业技术发展回顾与展望 田连治，石运深 （长江水利委员会设计院，湖北武汉４３００１０） 摘要：长江委设计院金属结构专业的技术发展和成长是伴随着我国水利建设事业而发展起来的。６０年来，通 过一批水利水电工程建设实践，包括：２０世纪５０年代的平原建闸，６０年代的陆水试验坝和丹江１：２＿Ｙ－程，７０年 代的葛洲坝工程，８０、９Ｏ年代的万安、隔河岩和三峡．Ｙ－程，到目前的构皮滩、彭水水电站以及伯利兹、埃塞俄比 亚、缅甸等一批国际水电项目的设计和施工，使整体技术水平得到了全面的锻炼和提高，掌握了多项专利技术 和专有技术，在工程建设领域形成了令同行称道的传统优势。 关键词：水工金属结构；闸门设计；船闸设计；压力钢管；水利水电工程 文献标志码：Ａ 中图法分类号：ＴＶ３４ 时值长江委成立６０周年之际，回顾几十年来长江 委水工金属结构专业的发展历程和经验教训，对于提 为长江设计院增添了光彩，成为在国内设计院中有着 重要影响的专业设计单位。 回顾６０年来所完成的各项工程设计以及发展过 程，归纳起来，经历了从小到大，从强到精的不平凡阶 高专业技术水平，进一步作好以后的专业设计，十分必 要。从专业队伍的成长来说，长江委金属结构专业由 开始只有几人发展到了几十人，专业技术从闸门、管 道、启闭机到升船机各个方向，已逐步配套完善起来， 段，这些阶段各项工程的先进设计和科学技术成果，均 代表了专业设计的智慧与水平，特别是在三峡工程设 计上，有了集中的体现。下面就各个阶段的典型代表 性工程设计概要加以简述。 并向深层次和高精尖的高水平发展，现在已能担负起 像三峡水利枢纽这样超大型规模工程的全部金属结构 设计任务了。通过几十年来各个大中小型工程的实 践，积累了宝贵的经验，也得到了同行的认可，组织编 １平原建闸设计 ２０世纪５０年代初期，开始建设荆江分洪北闸工 程时，在闸门与启闭机设计方面，可以说是白手起家， 完全靠摸索前进。５４孔弧形闸门，单孔宽１８ ｍ，水头 ３．５ ｍ，由７个支臂支撑在底板上，并采用人工绞盘式 制或参加编制了“钢管设计规范”、“水工钢闸门设计 规范”以及“船闸闸阀门设计规范”等部分规范和手 册 Ｊ。 自国家在基本建设中实行业主负责制、招投标制 和工程监理制以来，我们先后在高坝州、水布垭、彭水、 构皮滩、三峡等水利枢纽建设中，协助业主编制了金属 钢丝绳启闭闸门，这种设计，现在看来，算是大胆的设 计，至少７个支铰同心度就相当难控制。后来设计南 闸时，闸门水头增加到６ ｍ，相当于又上了一个台阶。 结构招标文件。一批专业设计人员，取得土木工程注 册资格、监理工程师注册资格等。 总之，通过几十年来的成长与发展，我们这支专业 南北闸工程竣工后，经受了１９５４年特大洪水的考验。 通过南北闸设计，积累了有益的设计经验。以后又完 成了荆江分洪工程的配套工程排水闸的设计；还完成 了长江中下游土司港、罗家沟、蒲田咀、张渡湖、汉江杜 队伍，在当前市场竞争机制下，所表现出的竞争力越来 越强，不仅在国内能够拿到更多的项目，而且也逐步走 向了世界市场，拿到了不少国外工程项目。可以说，金 属结构专业取得的成果，特别是在三峡的成功运用，也 收稿日期：２００９—１１—３０ 家台、白荡、凤凰颈、华阳和杨湾等平原涵闸的闸门与 启闭机设计，并于１９５５年开始编写了平原建闸设计手 作者简介：回连治，男，长江委设计院枢纽处，教授级高级工程师。 第４期 田连治，等：水工金属结构专业技术发展回顾与展望 ８５ 册。该书正式出版后，发行较广，有一定参考价值，获 得国内外同行好评。 启弧形闸门，遇特大洪水才开启上层平板闸门，这样就 比较灵活 。 ２丹江口水利枢纽设计 丹江口水利枢纽是长江委２０世纪６０年代在汉江 上设计的第一座高水头综合性水利枢纽。在泄洪坝段 金结设备的设计方面体现了设计人员以科学的态度摸 索前进的过程，在大坝泄洪深孑Ｌ弧形工作闸门的选型 葛洲坝通航建筑采用一级船闸，闸室宽３４．０ ｍ， 闸门高达３４．５ ｍ，闸门规模位居世界前列，也是为三 峡作实战准备的技术攻关内容之一。人字闸门采用机 械式四连杆启闭机，扇型齿轮直径达５．０ ｍ，齿轮模数 达５０，它是世界上规模最大的。通过参考美国威尔逊 船闸的技术资料，结合我国国情，设计出了符合我国国 情的闸门结构和机械布置方案。目前葛洲坝船闸已运 设计工作中，设计人员与科研人员一道，从调查研究人 手，广泛深入考察了河北的岳城水库和岗南水库，安徽 的佛子岭、梅山、响洪甸等水库和东北丰满、云峰、浸窝 等水库的高水头平板、弧形门的运行情况，认为在６０ ｍ左右水头运行工况下，采用短管泄流出口顶部压坡 和弧形闸门的布置方案是比较合理的，模型试验也验 证了这一结论。现在经过４Ｏ余年的运用实践，证明丹 江口深孔布置和方案选型是正确的。另外，在进口喇 叭口将用较小的反钩槽布置于坝面，而采用反钩闸门 作为事故检修闸门，既减少了进水口的水头损失，改善 了水流流态，又避免了高流速对常规门槽的危害，使进 口水流更加平顺，过流面始终保持正压，这是当时国内 首创的设计布置方案。后来，这种布置成功运用于隔 河岩、万安和三峡等水利枢纽。 丹江口泄洪表孔平面滑动工作闸门，其支承滑道 系引进原苏联胶木滑道技术，运用多年后，由于胶木老 化开裂等因素，致使滑动摩擦因数增大，甚至超过了坝 顶门机的启闭容量。为此，设计人员进行了大量的科 学试验研究和原型观测工作，从抗摩材料人手，采用掺 聚四氟乙烯粉末，嵌四氟圆柱和复合材料等，对多个方 案进行比较，最后找到了合适的滑道材料，解决了门机 超载问题，并为以后开发更好的高强低摩滑道材料指 出了研究方向。 ３葛洲坝水利枢纽设计 葛洲坝水利枢纽是２０世纪７０年代长江委在长江 干流上兴建的第一座为三峡作技术准备的大型水利枢 纽工程，它面临着一系列的重大技术问题：二江泄水闸 基础为粘土质粉砂岩，如何在软弱地基上建成泄水闸， 以安全宣泄长江的巨大洪水；下游消能要求闸门作局 部均匀开启，门型如何选择等。经过大量调查研究和 模型试验，特别是对国内平原水闸淹没出流的工况和 运行经验进行分析和总结，分析了长江的水文特性和 葛洲坝泄洪调度方案，认为弧形闸门在水力学条件方 面较易适应局部开启的特点，最后选定了上部采用平 板闸门，下部采用弧形闸门的双扉门布置方案，合理解 决了长江大流量安全泄流问题。在一般洪水时，只开 行近３０年，情况良好。 葛洲坝枢纽由于泄洪流量大，因而泄水闸闸门尺 寸大、孔数多，电站单机引用流量大，一台机组需要布 置３个进水口和出水口，电站加泄水闸的闸门数量达 １００余扇。鉴于大型平面闸门在工地焊接组装受现场 条件和工期限制，可能影响焊接质量和延长工期的缺 点，因此，设计时，将闸门沿高度分块改为按制造运输 单元尺寸分块，并将原工地组装节间焊接改为铰接或 螺栓连接的方式，这样不仅确保了整体质量，而且也加 快了安装进度，只需将分节闸门运到工地，用铰接轴销 穿轴或拧紧连接螺栓就行了。当然，在实施该方案的 过程中，应注意处理好节间水封，使漏水量符合规范要 求。自葛洲坝工程投入运行以后，长江委进行了全面 总结，编写了“葛洲坝工程丛书”，以供工程技术人员 在今后的工程设计中参考借鉴。 ４三峡水利枢纽设计 １９５８年根据周总理指示，前苏联派了多名各专业 的专家，前来长办指导三峡设计工作。当时重点是研 究２００ ｍ水位的高坝方案，金属结构专业先后有两位 专家一直工作到１９６０年才撤走。三年困难时期，对三 峡的研究转入了对人防以及冲击波对闸门的影响研 究。以后，中央对三峡提出了“积极准备，充分可靠， 有利无弊”的方针。在三峡工程论证中，提出了金属 结构方面的论证报告，为三峡工程决策提供了依据。 ８０年代，开始确定研究三峡１７５ ｍ水位和三斗坪坝址 方案的初步设计和单项技术设计工作。在三峡工程设 计研究过程中，美国垦务局与陆军工程师兵团的专家 来到长江委，就大坝、电站和通航建筑物中的金属结构 设计提供了技术咨询。对设计中出现的技术难题，经 整理筛选后，将课题列入国家重大技术装备与水利水 电系统科研计划，组织有关部委、院校的科研力量进行 攻关研究，取得的成果为三峡工程设计提供了科学依 据 Ｊ。对于技术设计重要成果，全国金属结构专家审 查组给予了充分肯定，也提出了宝贵意见，主要结论如 下 ８６ 人 民 长 江 （１）对通航建筑物，肯定了双线五级船闸金属结 构的布置方案。虽然第一闸首事故检修闸门采用平板 桁架门加叠梁门操作较为繁琐，但能适应三峡上游水 位变幅大的特点，是较稳妥可靠的布置方案，只是叠梁 门压强大，要注意门槽传力设计以及选择较合适的支 设备的表面积超过１００万ｍ。，防止这些钢结构的腐 蚀，对于工程长期正常运行和节省维修费用是十分重 要的。对此，设计院给予了足够重视，做了大量的调研 工作，并委托科研单位进行了大量科学试验，组织了现 场挂片试验，国内技术交流和专题研讨会，在掌握了大 承材料。各级人字门和液压启闭机是初步设计确定的 门型与机型，但要充分看到３８．５ １Ｔ１人字门的尺寸规模 和３６ ｍ高淹没水深所带来的技术难题；要充分考虑门 叶结构、顶底枢的选型与布置计算，要吸收已建成并运 行多年的葛洲坝船闸的实践经验，并有针对性地借鉴 攻关课题中的科学试验成果。第二闸首底坎抬高问题 应予以很好的研究，并尽量缩短断航时间。输水廊道 采用反向弧形阀门和竖缸液压启闭机，也是初设中所 选定的门型与机型，反向弧形阀门需扩大比例尺进行 模型试验，优化体形设计；启闭机吊杆长达７０余米，要 求２ ｍｉｎ快速开阀，在系统设计和整体布置上均应充 分考虑各种工况与不利因素。 （２）从电站进水口布置来看，采用双槽平板式拦 污栅是可行的，并尽量将栅条与梁系制作成流线型，以 减少过栅水头损失。由于电站进水口需适应１３５ ｍ围 堰发电水位时的水力学条件，底坎被降至１０８ ｍ高程， 而完建后正常蓄水位１７５ ｎｌ时，底坎水头达６７ ｍ，进 水口经过单孔和双孔的全面技术经济比较，最后审定 采用单进口，这样就带来了快速事故门的规模加大、定 轮支承布置上的难度、启闭机持住力较大以及快速关 闭等技术问题的处理。因此，为保证定轮可靠工作，以 选用自润滑球面滑动轴承为好。 （３）针对压力钢管布置方案，经过技委会技术设 计专题审查，确定选用坝后浅槽背管布置方案，并按钢 衬钢筋混凝土联合受力设计，坝内段按坝内埋管设计， 厂房段按明管加设垫层设计，１～６号机组以弹性垫层 管取代伸缩节，进口及上弯斜直段采用１６ ＭｎＲ，下弯 及下水平段采用６０ ｋｇ／ｍｍ 级的高强调质钢。 （４）泄洪坝段设计的关键是深孔弧形闸门与启闭 机的可靠度，因为三峡深孔是枢纽长期、经常运用的孑Ｌ 口，要求安全可靠。通过比较论证、确定采用了不突扩 的布置形式，高压止水型式则成为闸门设计的关键，经 过对天生桥、鲁布革等高水头枢纽的考察论证，认为采 用设计所推荐的止水方案是可行的（注：即音符止水 加转铰式活动顶止水方案）。另外，根据国外经验和 三峡泄洪深孔的重要性，在孔道高速水流区，采用全断 面复合不锈钢板衬砌。 （５）三峡永久船闸、大坝和电站厂房的金属结构 量技术、产品资料和吸取专家建议的基础上，精心地进 行了防腐工程专题设计。根据各类金属结构的不同工 作条件和环境，规定了不同的防腐蚀措施和技术要求， 并逐步指导工程实践。这种对金属结构进行系统的防 腐蚀专题设计的作法和经验，得到了各方面的肯定和 赞许。目前三峡工程建设已近尾声，我委已编写出三 峡工程技术丛书，供工程技术人员参考。 ５展望 回顾６０年来在长江委承担的一大批大中型工程 的设计和施工实践中，金属结构专业队伍得到了全面 的锻炼和提高，同时不断注重新生力量的补充和培养。 目前，该专业队伍已成为一支尊重科学、重视实践、敢 于创新和勇于负责的专业技术队伍。 ６０年来，长江委创造了辉煌的工程业绩和优秀的 技术品牌，在工程建设领域形成了令同行称道的传统 优势。这些优势主要表现在以设计技术为主的业务模 式、以水利水电为主的行业领域和以长江流域为主的 国内市场。但也应看到，我们距离国际一流工程咨询 公司水平还有差距，自我国加入ＷＴＯ以来，水电建设 业内的市场形势、业务模式和发展方式正在经历一系 列深刻的变化。要求我们的经营地域从国内市场向全 球市场延伸，即以长江流域为主的国内市场，向以发展 中国家为主的国际工程业务市场延伸。业务模式由技 术劳务型向技术管理型延伸，继而向项目总承包管理 转型，即从单纯的技术设计向项目管理、工程总承包、 ＢＯＴ等形式延伸；由地域性的水利水电行业设计企 业，向国际化的跨行业工程公司转型。同时，也要求我 们的人才培养，应由专业技术型向技术管理和综合管 理型转型。 参考文献： ［１］ 王既民，杨逢尧，田连治．长江委水工金属结构专业５０年成就回 顾［Ｊ］．人民长江，１９９８，１（增）：７～９． ［２］ 李锦云，徐永蔚．葛洲坝枢纽二江泄水闸金属结构总体布置［Ｊ］． 人民长江，１９９８，１（增）：１６—１８． ［３］ 石运深，莫青松．三峡枢纽深孔弧形闸门布置及水封型式研究 ［Ｊ］．人民长江，１９９８，１（增）：３５—３６，４１。 （编辑：赵秋云）
