概述巴拿马运河工程以及它的智慧设计

Written by 张嘉.

很多朋友们都去过巴拿马运河旅游,那儿风光优美,而且享受到游船过闸的热闹及乐趣,可能还想知道些建造这运河的概念及一些 设计的智慧,现在就叙述一番。同时巴拿马运河是太平洋和大西洋间的主要通道,有着无比的重要性,对全世界航运帮助很多,省却绕道南美洲极南端的麻烦和长 途,所以介绍这运河的工程常识供大家参考。

1. 巴拿马运河区的地理和淡水湖的形成:
在中美洲的巴拿马国是一个狭长地带,仅宽50哩,处于大西洋和太平洋之间,开凿巴拿马运河来连接两洋交通是人类的文化,而且经济观点上有着无限的价值。在 巴拿马运河地带,有一条崇山峻岭区形成了大陆分界线(CONTINENTAL DIVIDE),这线以北有两条河,一为CHAGRES河,一为TRINIDAD河,这两条大河加上其他小河其流域面积总共为2100平方哩,这些河流的 水统统汇集於CHAGRES河近大西洋的GATUN镇而流入大西洋。工程人员在GATUN镇附近的CHAGRES河上建造一个大挡水坝,称为GATUN 坝,把所有的河水一并堵起,形成一个大型的淡水湖,称之为GATUN湖。湖水的水面是在高出海平面海拔85尺,平常以EL.表示。GATUN湖的面积有 164平方哩,拦水GATUN的水坝长1.5哩,坝高出海面105尺,顶部有14道铁门可以开关来调节湖水高度。这坝有三条落水管,利用75尺水位落差来 发电,供应运河区用电。在大陆分界线以南为RIOGRANDE河,也建有MIRAFLORES湖,一部分GATUN湖的湖水流入此湖再流向太平洋。

2. 巴拿马的雨量对湖的影响:
巴拿马在这两条大河的流域内,一年平均雨量为100寸左右,每年十个月以上下雨,使这个GATUN湖永远积水,可保持水面高度EL.85尺,多出的水由GATUN坝排洪道排入大西洋的加勒比海(CARIBBEAN海)。

3. 船闸的运作:
船闸的用途是把船升高或降低,以适应运河各段的水位。巴拿马运河建有三个船闸,名GATUN闸、PEDRO MIGUEL闸及MIRAFLORES闸。船只从北面加勒比海行经巴拿马运河时须在GATUN三级闸升高85尺到GATUN湖,而后经过GATUN湖及 COLEBRA CUT到PEDRO MIGUEL闸,这是一级闸,降低水位30尺至EL.55。又经过MIRAFLORES湖至MIRAFLORES闸,这是二级闸,降低水位55尺,到达太 平洋海岸的海平面。

4. GATUN湖水的利用:
水位在闸内的升降完全利用GATUN湖水从EL.85往下流的原理,来调剂船闸内水位的高低,来应付船只的过闸,不需要用任何帮辅。这2100平方哩的流域汇集成164平方哩的GATUN淡水湖,其淡水使用量分配如下:
船闸运作用水58%,发电用水36%,人们使用6%,合计100%。
这2100平方哩流域有40%为丛林,保护从林没有污染,会使清洁的淡水源不断的供应。

5. 巴拿马运河航道概况
(a) 船经大西洋边的LIMON湾防波堤的进口开入,进入运河航道,航道长7哩,41尺深,河底宽500尺,到达GATUN闸。
(b) 在GATUN闸分三级楼梯式,逐级升高30尺左右,将船总共升高85尺。闸共有六室分两行,每行三室,每室长1,000尺,宽110尺,深约70至80尺。
(c) 过GATUN闸后就是GATUN湖,行经24哩GATUN湖,湖面EL.85尺,运河行经底为EL.40,湖水深度为85-40=45尺。
这24哩运河底宽:第一段16哩1000尺,第二段4哩800尺,第三段4哩500尺。
(d) 经过这24哩湖中运河后就到GATUN镇,开始进入工程中最艰难把山挖开的CULEBRA CUT,或称GAILCARD CUT。在群山之间开辟一条河道,共长8哩,由于山坡土石非常不稳固极易下滑,所以从法国人开拓不成,被美国工程师造成,运河底部宽300尺,水面 EL.85尺,底部EL.40尺,水深85-40=45尺。这段河道和GATUN湖相连,走完这8哩的CULEBRA CUT就到PEDRO MIGUEL闸。在2001年CULEBRA CUT 河底已拓宽为直线部分630尺,曲线部分730尺,是来应付双线行驶的许多大型船只。
(e) PEDRO MIGUEL闸仅有二室,分二行每行一室,这闸为一级升降,每室尺寸长为1,000尺,宽110尺,深80尺。这闸升降范围为30尺,也就是说这闸把水面从EL.85降至EL.55。
(f) 出PEDRO MIGUEL闸就进入MIRAFLORES 湖, 这湖长1.5哩,水面为EL.55,运河河道底部宽500尺,深45尺。
(g) 出了MIRAFLORES湖进入MIRAFLORES闸,共有四室,分两行,每行二室,这闸为二级升降,将水面从EL.55分两级降至EL.0,而后连接 通往太平洋的水道。太平洋的潮水可有20尺的变动,MIRAFLORES水闸可应付这潮水的升降,闸室长1,000尺,宽110尺,深70—80尺。
(h) 从MIRAFLORES水闸通往太平洋的水道,共长8哩,水面与海拔平,底部宽500尺,深45尺。
(i) 进入太平洋,运河全程长50哩。
(j) 如船从太平洋走往大西洋,与上列行程方向相反,在MIRAFLORES闸水面上升55尺,至MIRAFLORES湖,而后过PEDRO MIGUEL一级闸水面上升30尺至EL.85尺的CULEBRA水道,连接GATUN湖,走完GATUN湖至GATUN三级闸,水面下降85尺至LIMON湾而后到大西洋。

6. GATUN湖能否连续同时供应12个闸室的用水量:
由于GATUN湖的面积16平方哩而且巴拿马的雨水充足,水是足够供应的。

7. 运河设计聪明的概念:
很多人都有一个想法就是大西洋和太平洋海平面都差不多一样高,为什么不一直打通,走起来方便(注四),但却建造一个GATUN湖将淡水升高至海拔85尺来 运作呢?这就是原设计人聪明的地方。主要原因是让有盐的海水侵蚀运河区,利用丰富的淡水资源来操作、发电、饮用,同时造起来比较经济。详细情形说明如下:
(a) 在CHAGRES河及TRINIDAD河的下游建一个GATUN坝将河拦起,形成一个164平方哩的GATUN淡水湖,使水位升至EL.85尺。由于巴拿 马地带雨水充足,这湖永远可保持EL.85尺,否则湖水不足,那运河的运作就有困难了。淡水湖的定型是设计聪明之一。
这湖及运河是1914年完成的,同时在1935年在CHAGRES河上游又见了一个坝,名曰MADDEN坝,拦住河水,形成一个MADDEN湖来辅助运河地常用水的需要。
(b) 他们研究得成功,利用当地土壤及湿地(SWAMP)的土壤性质,湖水向地下渗透量比较少,湖面可保持EL.85尺,否则漏底的湖是无用的。
(c) 利用水向下流的原理来操作各闸室。一个18尺直径的钢管造在混凝土墙内充满一个闸室的水约需15分钟,两个水管同时充水则仅需7分钟,不用帮辅,经济实惠,这是聪明的地方。
(d) 每一个闸有一个控制室,所有水源的开关均用电控制比较可靠,简单容易。
(e) 闸室尺寸设计很合适,大船通过均无问题。如闸室建造太小,大船不能通过,在100年以前(十九世纪末)建造的闸能预测到二十一世纪以后大船的使用相当宏观。例如我们坐的CAROL PRINCESS游船长946尺,宽105尺,载重吃水27尺,客载满时总重91,267长吨,在2003年12月13日通过闸室时没有困难,仅在一个半小时之内就通过GATUN闸的三个闸室,到达GATUN湖而后停泊于湖中,让游客下船游览。
(f) 不让带盐的海水侵扰巴拿马的淡水区,使淡水能有效的利用,同时淡水对船闸的水泥墙、钢铁门及输水管的侵蚀必有盐的海水要小得很多,减少许多维护及修理费 用。这运河得维持通航最少数万年,如果闸室常常损坏需改建或修理,一则会中断一部分航道,二则会增加不便,三则会减少收入,诸多因素使得淡水的利用有着高 度的价值。这淡水的使用是聪明的设计。
(g) 利用GATUN坝形成的水位落差来发电供应运河区,即经济,又无污染,这也是很明智的,否则用火力发电得用燃煤,长期供应很不经济,加上污染问题,用油也可以,但得从外面进口。
(h) 船过运河费由于运作复杂,需付差不多两元多美金一吨,像我们坐的九万多吨船,过河费是美金$245,600元,折合2.70元一吨,等于我们2000名游 客每人分担过河费120元。运河收的过河费是很大的一笔收入,在2002年总共有13,185条船通过巴拿马运河,总重187.8万吨(187.8 MILLION吨),共收入588百万元(588 MILLION US DOLLORS)(近六亿),任何船只宁可付过河费也不愿浪费时间走南美洲南端兜一圈。行程增加九千哩,以每小时25哩速度行驶,得额外花费十多天时间。
(i) 现在这个操作系统受到太平洋20尺左右涨潮落潮的影响比较小,比直线一直开通两洋容易控制。
(j) 当时开凿运河时在CULEBRA山区已有极大困难,如果运河全部在两洋之间直线开通,挖至海平面7.45尺,那困难就更加加大了。所以运河底部保持在海平面40尺左右的设计,是非常合适经济的。
由于这些运河工程设计及施工适宜,使其百年来稳健的使用,没有太多困难,敬佩开创人的智慧。

8. 湖水流入闸室的进水系统:
每个闸室平面是1000尺长,110尺宽,沿闸室1000尺长的方向,闸室外墙是很厚的混凝土墙,厚度是46尺,两个平行的闸室中间也隔有很厚的墙,厚度 是60尺。这两条外墙及一条中间墙的底部各埋有一条18尺直径的输水管,这输水管在上游和GATUN湖相连,GATUN湖水可直接供应闸内需要的水,每个 闸室底部有很厚的混凝土地板,内部装有20条6尺直径的支管,与18尺直径输水管垂直相连,这些支管配有100个出水口,均匀分布在闸的底部,使得进水时 产生的进水柱不影响船的平衡度。一个1000尺x110尺面积的闸室水面升高30尺,仅需最多15分钟的时间,很快,完全靠水的压力来充水。

9. 闸室的闸门:
全条运河三个闸,一共有40对门,每对门为二扇门,关起时成人字形,人字形的尖端指向上游,抵抗水力。每扇门的高度自70尺至80尺不等,宽65尺,厚7 尺,为钢板铆钉(RIVET)门,中空,当闸室装满水时,中空的门有浮力,这可减少门铰链上的压力,开门或关门比较容易。平均一扇门重约六百吨。

10. 船在闸室内的运作:
船的大螺旋桨不能在闸内使用,尤其是大型船只在闸内两侧及前后空间不多,比较容易发生碰撞,所以由运河公司用在闸墙顶部装置的小火车头来拖,每个小火车头重55吨。我们坐的CAROL PRINCESS船重九万多长吨,船的两侧和船闸钢管水泥墙仅二至三尺的距离,共用八个小火车头,船的两边各用四台,使拖船力量平衡,缓缓前进,这就不会向一边歪斜,撞到闸墙及闸门。大船是一个很重的庞然大物,碰撞的力量极大,运作时得特别注意。

11. 结论:
巴拿马运河设计得非常经济实用,原则上是使用淡水,摒弃有盐分的海水,拦截两条淡水河形成一个海拔85尺高的淡水湖。利用淡水湖的水压供应闸内用水,升高 水位,又简单又快速,使船只很顺利地过闸,同时用湖水高差来发电机供应人民用水,一举三得。由于地理位置重要,许多欧亚船只都利用这运河,大大增加运河的 价值。这运河工程给我们带来许多繁荣和便利,运河建成将近一百年了,由于有智慧的设计,在这漫长的岁月里,对世界上航运默默地做出了重大的贡献。美国政府 在1978年慷慨的捐赠与巴拿马政府,标扬了现代世界“大助小”、“富助贫”和平相处的真理。


注:
1. 许多名字如河名、湖名、闸名、镇名等等都用原来的英文名字,因为译成中文后更不容易念了。
2. 巴拿马用米制(METERIC SYSTEM),许多资料也是米制,笔者以英制来写,大家看起来方便一点。
3. 巴拿马运河原设计及建造人为法国团体,后因经济问题在1904年改由美国工程师及工程公司接手,重新设计建造。
4.略谈埃及苏伊士运河的建造作为本文的参考:
大家都知道世界上还有第一条大运河,那就是埃及的苏伊士运河(SUEZ CANNAL),这条运河是南北向,北端连接地中海,南端连接红海,使欧洲及亚洲间来往的海运,不必绕道非洲南面的好望角,省却九千哩的路程。这运河总长 105哩,在1869年建成,距今已有一百三十多年的历史了。由于地中海和红海的水位相似,他们直接挖一条运河连接,这就是苏伊士运河。河中没有船闸,由 于沿运河地质大半为沙漠性质,天气炎热,雨量较少,如果像巴拿马运河建淡水湖的计划比较不易办到,所以工程师们从这运河西面七八十哩的尼罗河(NILE RIVER)上造一条小型的淡水运河通到苏伊士运河区,这小型的淡水运河名曰ISMALLIA CANAL,供应淡水给营运的苏伊士运河区域。经过许多年来多次的开挖和改进,现在的苏伊士运河水深64尺,底宽302尺,水面宽731尺,双向行驶,很 适合现代繁忙船只的航行,每年通过的船只约在20,000艘以上。这些叙述是用来作为写巴拿马运河文稿的参考资料。

参考资料

1. NANCY WINSLOW PARKER, “LOCKS, CROCS & SKATERS, THE STORY OF PANAMA CANAL”, GREENWILLOW BOOKS, NEW YORK, 1996
2. DAVID MCCULLOUGH, “THE PATH BETWEEN THE SEAS, THE CREATION OF PANAM CANAL 1870-1914”, SIMON & SCHUSTER, NEW YORK, 1977
3. ALONZO DEF. QUINN, “DESIGN AND CONSTRUCTION OF PORTS & MARINE STRUCTURES”, 2ND EDITION, 1972, MCGRAWHILL BOOK CO.
4. JUDITH ST. GEORGE, “PANAMA CANAL, GATEWAY TO THE WORLD”, G.. P. PUTMAN’S SONS, NEW YORK, 1989
5. ARTHUR M. SCHLESINGER & FRED L. ISREAL, “BUILDING THE PANAMA CANAL”, CHELSEA HOUSE PUBLISHERS, PHILADELPHIA, 1999
6. BROCHURES & MAPS DISTRIBUTED TO THE PASSENGERS BY THE CAROL PRINCESS SHIP OFFICE DURING THE WRITER’S DECEMBER 9 TO DECEMBER 19, 2003 CARIBBEAN TRIP.
(a) DAILY BROCHURE “PRINCESS PATTER” 12-9-03 TO 12-19-03
(b) COLON/PIER 6, PANAMA
(c) LOG OF THE CRUISE, CORAL PRINCESS
(d) ACP(PANAMA CANAL AUTHORITY) “THE PANAMA CANAL EXPLANATION SHEET” 16”x17” SIZE SHEET
(e) ACP “THE PANAMA CANAL MAP & DETAILS” 17”x21” SIZE SHEET
(f) PRINCESS TRAVEL BOOK “ADVENTURES ASHORE”
7. PHOTOGRAPHS TAKEN BY THE WRITER DURING THE TRIP