荷兰位于北海沿岸,是通向欧洲的门户。莱茵河、马斯河和斯凯尔德河三条大淡水河流经这里出海,并在河口地区形成一片巨大的三角洲。

几个世纪以来荷兰人民与水顽强地斗争,向海洋夺取生存的权利。他们筑堤抽水获得田地,建立起家园;他们开河建港,航海业闻名于世。但是水对荷兰人民来说既是朋友也是敌人。1953年是历史上的一次大劫难,北海汹涌澎湃,海水漫过堤坝扫荡一切,1,835人葬身鱼腹。从此荷兰政府决定加速实现当时已确定的一项计划,即三角洲工程计划。

三角洲工程的目的是为了抵御北海的侵袭,它要封堵荷兰西南部的主,要潮汐河口和海湾、但保留通向鹿特丹港和安特卫普港的水道。三角洲工程将不仅缩短几百公里的海岸线,而且将迫使咸水退向北海,从而有效地改善淡水流域的管理。

自1968年国会通过了三角洲工程计划以来,各项工程按着计划在一步一步实施,难度一项比一项大,水利工程技术受到了严峻的挑战。

7.2

三角洲工程计划的最后一项是封堵东斯凯尔德河口。为了不改变东斯凯尔德河口的地形?挡潮闸将建在河口最深的三个潮汐河道上,它们是哈门、斯文劳根伯莱特和罗姆鲍特。考虑到现场施工不仅将影响潮流,从而引起环境问题,而且还容易造成危险。因此决定尽量采用预制件,因为他们只需要现场放置装配就行了。原先的经验已不够用,最新发展的技术即使还没有被实践检验也被采纳了。为挡潮闸能在1985年投入使用,设计与施工方法的研究同步进行。挡潮闸的最后方案是这样的:全长3000米,它有65个预制混凝土闸墩,闸墩间装配62扇直升式钢闸门,闸门开启时,闸后潮差至少为原来的四分之三,能够保持东斯凯尔德流域的自然环境。当预报有风暴潮或危险高水位时闸门关闭,以确保内地免遭北海的威胁。

按照原先在东斯凯尔德河口建坝的计划,河口浅水处已经建成了二个人工岛:劳根伯莱特岛和盖尔岛:两个施工岛:尼尔琴斯岛和诺德兰岛。事实上他们已经是坝了。鉴于尼尔琴斯岛已经初步具备了施工条件,因此把它作为施工岛进行作业是有利的。大部分预制构件,如闸墩、底梁、上梁和基础垫层等都将在这里建造,用于投放在闸墩周围的石块也聚积在这里。

下面介绍挡潮闸的主要组成部分及有关技术。

每个闸墩重达18,000吨,为预应力钢筋混凝土构件。在占地面积为一平方公里的巨大的斯加尔施工坞中预制。施工坞四周筑起堤,坞内抽干水,坞底标高为海平面以下15.2米。施工坞再由堤分割为四块,当一块中的闸墩全部完成后,即给这一块决堤进水。坞内水深随潮水位不等,自13米至17米。这对于起吊和运送闸墩的船只来说水深是足够的了。由于每个闸墩自身有9000吨的浮力,加上船上起吊力10,000吨,最重的闸墩也能运送就位了。

每一个闸墩相当于一座三、四十层的高楼,它们的高度自30.25米至38.75米不等。闸墩的下部是一个沉箱结构,里面是空的,等所有闸墩沉放完毕后要住里面灌沙。每个闸墩的施工周期是一年半,因此每二周就有一个闸墩投入建造,换句话说,任何时候都有30个闸墩同时在施工,不过每个闸墩都处于各自不同的施工阶段。需要有一个相当出色的施工组织,按周密的计划才能完成这些又大又复杂的混凝土构件的浇注。闸墩施工期间,施工坞事实上就是一个巨型的露天混凝土工厂。自1979年3月至1982年初,总共要完成45万方混凝土。

运送每个自重18,000吨的闸墩到位,并在水深30米的河道上按45米的间隔沉放,误差仅仅几个厘米,这远远不是一项简单的作业。牡蛎号船是专为起吊、运送和沉放闸墩而设计建造的作业船,玛可玛号船是为牡蛎号定位的锚泊船。牡蛎号船体形如字母“U”,在施工坞中可以让闸墩进入船体中间,然后把闸墩吊起几米。驶离斯加尔施工坞,抵达预定的沉放地点。牡蛎号带上闸墩时吃水深12米、因此从施工坞至哈门河口或罗姆鲍特河口都要迂回行驶一段航程。这就需要有额外的时间,沉放闸墩的作业因此原则上只能在天气预报有较长一段好天气的情况下进行。

牡蛎号上装备有9000马力动力,4个能控制方向的推进器,两个在船头,两个在船尾,因此在施工坞中能运行自如,在驶入东斯凯尔德航道后则靠拖轮帮助。牡蛎号有二个巨型起吊架,起吊能力为10,000吨,因此它当之无愧为这支船队的旗舰。当牡蛎号带着闸墩抵达沉放地点后便与玛可玛号会合,两船的连接装置可靠性高,抗拉力达600吨。玛可玛号的作用是保证牡蛎号将闸墩精确地沉放到海床上。闸墩的正确位置对于挡潮闸今后的作用是至关重要。由于玛可玛号在与牡蛎号连接前就先期定了锚,因此两船合一后便能灵活机动精确地调整位置,大大节省了时间。

闸墩是挡潮闸的支柱,它支撑包括钢闸门、公路桥和上梁等上部结构。当暴潮来临时闸门关闭,挡潮闸承受巨大的推力,并由闸墩传递至基础床面。因此基础床面必须确保闸墩不至移动,否则闸门就会被卡住,这是头等重要的事情。挡潮闸的闸墩放置在海床上,不采用桩基。

基础海床施工较重要,首先开挖底沟。有必要的地方用高质量的沙取代不合格的沙。潮汐沟最深的地方填平并覆盖砾石以免冲刷。为了进一步提高海床的承载力防止闸墩沉陷,在闸墩周围30米范围内要压实,海床在压实和检查之后,在闸墩沉放之前还必须整平至规定的高度,然后再铺上一层基础垫层,垫层是预制的,每个闸墩下都放置一张。每张垫层长200米,宽42米,厚36厘米。整平海床和放置垫层这二项作业由特殊作业船卡迪姆号和简海姆斯号同时进行。

为了加强基础结构的承载力,一个较小的,尺寸60米长,29米宽,36厘米厚的垫层放置到第一张垫层上面。这样基础床就由上垫层和下垫层构成。放置下垫层的作业是最关键性的,因为它将影响闸墩的水平度。为了加工上垫层和下垫层,特地在尼尔琴斯施工岛上建造了一座工厂。之所以称这些垫层为反滤垫层是因为他们有沙、小砾石和大砾石三层不同粒径的材料组成,其作用是吸吹掉下层土中水压力的变化,并确保下面海床中的沙不至冲刷。反滤垫层是整个基础结构的重要组成部分,而基础结构的设计宗旨是防止闸墩沉陷。

基础床准备完毕后则等待闸墩沉放。闸墩坑放就位后,为了增加稳定性,其水下基础周围要用块石堆成一个底坎。这也有助于减小东斯凯尔德河口的断面,直至只留下闸门能关闭的部分为止。用来堆底坎的石块是不同大小的,越接近上层越大,因为上层的大石块能防止下层的小石块被水冲走,这一原则跟基础垫层的一样。大石块每块重达6 ~ 10吨,这样即使闸门因故障不能关闭时也不至于危及整挡潮闸。

这样大的石块不能从水面直接抛下去,否则要损坏闸墩的混凝土结构。因此要借助于一艘浮船,船上有专用辅助吊车和块石倾卸机,并装备有动态定位系统,它可以使船保持位置或借助于移动式推进器缓缓地移位而不需要其他船只的帮助。该浮船除了倾卸块石的用途,还曾用来密实所沉放的块石层、移去多余的沙以及观测水下的作业情况等。

闸门最重要的部分,即预应力钢筋束的锚筋座是受特别保护的,以免被下沉石块损坏。当最大的6 ~ 10吨的石块沉放时,闸墩表面覆以沥青层,以免闸墩混凝土损坏或开裂,而影响挡潮闸200年设计使用寿命。在二年左右的时间内要沉放的石块有500万吨,在这么短的时间内要聚集这么多的石块是相当困难的。因此前后花了四年工夫向工作岛储备石料,石料来自德国、芬兰、瑞典和比利时,石料比重2.8 ~ 3.0吨/米3,都比较高,能防止被水流冲走。

当水下底坎完工后,接着就进行上部结构施工,这包括按次序装配公路桥箱形梁、闸墩帽、闸门、底梁和上梁。每一个部件都有其特殊的作用和施工方法,以下仅对闸门作简单介绍:

闸门共有62扇,须放置在闸墩之间,闸门升起时,挡潮闸即敞开,有14,000米2的通孔让足够的水通过,保持原有潮差的四分之三。

闸门是钢制的,门宽42米左右,其精确的尺寸要根据闸墩沉放后再定。闸门高度根据水流断面从5.90 ~ 11.90米不等,大致按河道断面的底部轮廓而定,一般是中间深,两边浅。因此闸门高度也是中间高二边低。闸门重量自300吨至500吨不等。

闸门面向东斯凯尔德一侧是垂直面板,向北海一侧是水平和垂直的钢管桁架梁。闸门设计为能抵挡双向水头,并能在任何情况下启闭自如。

闸门启闭采用液压系统。每扇闸门由二个油缸运行。全部124个油缸由中心控制室集中操纵。闸门维修时要将闸门再吊起1.3米。

由于挡潮闸的大部分构件是预制的,因此必须选最佳条件就位。举例说,基础垫层必须进行铺放作业;闸墩和底坎必须进行沉放作业,这些作业都离不开好天气和海上条件。这意味着在某一个时期内要对周期为几天的时间作一个精确的预报。为了这一目的而建立了气象水文中心,专家们对来自北海上的许多个测站的有关潮水位、流速、波浪、水温、盐度和风速、风向等情况加以研究。其中最重要的是要掌握何时波浪将影响河口,因为一些特殊设备对波浪特别敏感。该中心与荷兰皇家气象研究中心建立有直接联系,国际气象网也提供信息,这些都是气象预报的基础。他们向有关部门频繁地发布气象公报,尤其在沉放作业时几乎每分钟都提供最新资料。

全部62个闸门将由尼尔琴斯岛上的管理中心集中控制。管理中心大楼的最高二层将成为三角洲工程特别是东斯凯尔德工程的永久性展览室。

挡潮闸的整个操作系统每月将至少试运行一次,以确保闸门随时处于工作状态,预计每年真正遇高水位而关闭闸门的次数为一至二次,闸门的开启或关闭作业大约要一个小时,因为如果关得太快的话会在东斯凯尔德引起波浪。

设计和建造东斯凯尔德挡潮闸是荷兰水力学工程技术史上崭新的一页,它将不仅对荷兰也将对全世界起到一定的影响。