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五问新通道之一 | 船闸设计如何化解高水头输水难题

　　本网讯（杜潇）水是托举巨轮翻越大坝的天然动力，也是蕴含巨大能量的“猛兽”。

　　三峡大坝上下游最大水位差高达113米，相当于40层楼的高度。对于三峡水运新通道而言，怎样的“魔法”能在短短十几分钟内充满一闸室水，平稳托举巨轮，又确保水工结构毫发无损？

　　工程师解释说，答案就藏在流体力学与工程智慧之中。

　　给高速水流穿上“气垫服”

　　面对数十米的高水头时，水流经过阀门缝隙的速度会携带极其恐怖的能量。这时，一个看不见的物理学“冷面杀手”——“空化现象”（也叫空蚀）便会悄然降临。

　　物理学中的“伯努利原理”告诉我们：在流体中，流速越大的位置，压强越小。

　　当极速水流穿过阀门缝隙时，局部的压强会瞬间暴跌。当压强跌破常温下水的汽化压力时，水会不可思议地在常温下“沸腾”，产生无数微小的气泡。

　　可怕的不是气泡的产生，而是它们的破灭。当这些气泡随着水流冲入下游的高压区时，会承受不住周围巨大的水压而瞬间破裂。在破裂的瞬间，会产生极高压力的微射流，就像无数把纳米级的小铁锤，以极高频率疯狂敲击金属表面。再坚硬的金属，在长期空蚀作用下也会造成损耗和破坏。

　　如何破解这个难题？工程师们给出的答案是“掺气减蚀”。

　　既然气泡破裂的刚性冲击无法避免，那就给水流穿上一件有弹性的“气垫服”。工程师通过特殊设计的通气孔，人为地向高速水流中强制掺入大量空气。当水流中充满了可压缩的空气气泡时，这些空气就像一层极其柔软的缓冲垫。当空化气泡溃灭时，掺入的空气层能瞬间吸收掉绝大部分的冲击能量，完美护航精密阀门的安全。

　　将“狂暴洪水”化为“温柔淋浴”

　　保护好了阀门，接下来还需要考虑闸室内的安全。

　　新通道船闸要求在短短12分钟内，将高达27.7万吨的水灌入闸室。如果不进行任何调控，汹涌的暗流与漩涡会让万吨巨轮在闸室中剧烈摇晃，甚至扯断船舶的缆绳。

　　工程师的调控妙招，其实源于物理学中最基础的压强公式，即P（压强）= F（压力）/ S（受力面积）。

　　在总注水量带来的冲击作用力（F）恒定、时间极短的前提下，要减小水流对闸室水面和船舶的冲击（P）， 最优调控方法就是尽可能扩大出水面积（S）。

　　既有的三峡船闸底部出水孔只覆盖了闸室长度的63%，而新通道的工程师通过对底部廊道结构的极限优化，将这个比例提升到了90%。

　　这就好比洗澡，同一整桶水猛地从头泼下相比，你一定更愿意享受花洒下细密均匀的淋浴。新通道利用多孔分流技术，把一股狂暴集中的水流，化解成了闸室底部无数股均匀喷涌的细流。水流的动能在相互交汇中被层层对冲、消耗，托举着水面如同电梯般平稳上升，让万吨巨轮始终稳如泰山。

　　3公里地下巨龙化解“水锤效应”

　　新通道面临的另一道难题，来自深埋在坚硬的山体岩石中、全长近3公里的输泄水廊道。

　　▲ 6月8日拍摄的三峡水运新通道工程三峡枢纽新通道施工现场。新华社记者 肖艺九 摄

　　物理学告诉我们，质量越大，速度越快，惯性就越大。想象一下，一条3公里长、装满数十万吨水的地下管道正在高速泄水，如果此时突发险情需要紧急关闭阀门，会发生什么——

　　高速水流因为巨大的惯性无法立刻停止，它们会狠狠地撞击在闭合的阀门上，并产生剧烈的反向压力波。这股巨大的波动在管道里来回震荡，工程学上称之为“水锤效应”。

　　▲ 有时拧开水龙头，会发出“嗡嗡嗡——滋滋滋”的声响。这是因为水在管道中快速流动、来回震荡，像一把把小锤子在“敲击”管壁。这就是“水锤效应”。（图片来源：新华科普微信公众号）

　　面对这条3公里长的“地下水龙”，工程师采取了“刚柔并济”的双重防控法宝：

　　一是通过岩土联合受力，为输水管道穿上“刚性铠甲”。泄水廊道并不是悬空的管道，而是深深嵌在坚硬的岩体内部。工程师通过特殊工艺，让山体岩石与混凝土廊道严丝合缝地“抱”在一起联合受力。这就像是给输水管道穿上了一层坚不可摧的“岩石铠甲”，当高达30米水头的水锤压力在管道内炸开时，扛下这股压力的不仅仅是一层混凝土，而是背后整座连绵的大山。

　　二是依托连通式溢水池打出的“柔性太极”。光有硬扛还不够，必须给无处释放的压力寻找出口。为此，工程师在闸顶配套建设了“连通式溢水池”，它的原理就像高压锅上的限压安全阀——一旦管道内的水锤压力飙升，多余的高压水流会自动向上涌入溢水池，将压力波动瞬间转化为溢水池内可控的水位升降，宛如太极一般“四两拨千斤”，凶险的水锤危机在无声中消弭于无形。

　　从化解高水头势能的雷霆之威，到利用流体压强原理破解“空化”难题；从活用压强公式让狂暴江水变为温柔淋浴，到利用缓冲机制化解长距离管路的“水锤”重压——面对113米水位落差下的巨型水体，工程师们没有选择一味地使用蛮力阻挡，而是运用极致的物理科学，将水的能量层层拆解、合理引导。这就是三峡水运新通道工程中，水被平稳调控的“魔法”。

 

编辑： 任贤 杜健伟 杨津

发布日期：2026年06月24日