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10万座大坝的诞生!

 

中国


是世界上河流最多的国家之一


4.5万余条江河


纵横交错


遍布960万平方千米的大地


(上述河流数量仅包括流域面积50平方千米及以上的河流,下图为中国主要河流分布,

 

制图@郑艺/星球研究所)


 

 

中国


还是世界上水旱灾害最多的国家之一


有文献记载以来


1092次水灾、1056次旱灾


让数千年的中华文明发展史


成为一部人与水旱灾害的抗争史


(上述数据仅统计至1949年,下图为洪流中的钱塘江,摄影师@肖奕叁)


 

 

一边江河奔流、哺育众生


一边灾害频发、民不聊生


两种截然相反的特征


也促使中国发展成为


全球大型水利设施最发达的国家


没有之一

 

其中最为突出的


便是遍布中国大地


拦蓄近9000亿立方米库容的


近10万座水坝


(国际大坝委员会规定,坝高超过15米,或者库容超过300万立方米、坝高在5米以上的坝为大坝

 

下图为中国高度100m以上大坝分布,制图@郑艺/星球研究所)


 

 

它们可以挡水


拦截滔滔洪流


(请横屏观看,2020年7月,新安江水库九孔泄洪,摄影师@吕杰琛)


 

 

可以蓄水


保障供水、灌溉


(请横屏观看,新丰江水库是香港、深圳等诸多城市的重要饮用水源之一,摄影师@剑胆琴心)


 

 

也可以抬高水位


发展水电、改善航道


(灯火通明的白鹤滩水电站,建成之后将成为仅次于三峡水电站的世界第二大水电站,

 

摄影师@柴峻峰)


 

 

中国也因此成为了


世界上拥有水库大坝最多的国家


(根据《碾压式土石坝设计规范(2002)》,坝体按照高度可以分为:<30m为低坝,30-70m为中

 

坝,>70m为高坝;下图为世界主要国家坝高30m以上的大坝数量分布,制图@郑艺/星球研究所)


 

 

我们究竟是如何建造出


数量如此众多的大坝的?

 

 

人们就近取土、层层夯实


筑起上窄下宽的高墙


拦住上游来水


最古老的

 

土坝

 

便诞生了


(土坝的建造型式众多,下图为均质土坝示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

经过压实的土料颗粒


依靠彼此间紧密咬合


大大增强了坝体的稳定


颗粒间明显减小的孔隙


又能阻碍水的流动


令其具备较强的防渗功能


从而实现


“兵来将挡,水来土掩”


(土料压实前后防渗对比,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

甚至在条件足够理想时


无需机械夯实


凭借土料自身的重量


就能层层压实、筑起大坝


(上述筑坝方式称为水中填土法,黄土高原上的汾河水库大坝,是全球首个使用水中填土施工的大

 

坝,位于山西太原,摄影师@王蒙)


 

 

当然


除了土料


卵石、砂石以及人工开采的块石等


均可用来堆筑大坝


人称

 

堆石坝



但与细密的土料不同


石料颗粒粗、硬度大


极易发生渗水


即便机械压实


也收效甚微


(堆石坝渗水示意,制图@罗梓涵/星球研究所)

 

 

 

于是工程师们


利用石料、土料“双管齐下”


或在堆石坝中央


增设一道直立的土质防渗墙


成为


心墙堆石坝


(心墙堆石坝结构示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

(碧口水库大坝便是一座心墙堆石坝,位于甘肃文县,画面前方是经电站流出的水体,

 

图片来源@视觉中国)


 

 

或是将防渗墙倾斜布置


则为


斜墙堆石坝


(斜墙堆石坝结构示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

家喻户晓的小浪底大坝


高达160米


是中国最高的斜墙堆石坝


(请横屏观看,气势如虹的小浪底大坝,坝顶长1667米、宽15米,位于黄河中游,摄影师@林治坤)


 

 

正是这样一座大坝


让小浪底水库的蓄水量


达到126.5亿立方米


超过2个太湖

 

也正因如此


黄河下游的防洪标准


得以提升至1000年一遇


让近1亿人口免于水患


(太湖的蓄水量约为56亿立方米,下图为小浪底大坝泄洪场景,摄影师@张子玉)


 

 

然而


能够防渗的并非只有土料


混凝土甚至拥有


更小的孔隙、更强的防渗

 

只不过


相对于颗粒松散


且在水体挤压下


易发生轻微变形的堆石坝


混凝土还是太过“坚硬”


二者截然不同的变形程度


令它们无法“齐心协力”


共同抵抗奔腾的江河

 

直到20世纪80年代


我国开始引入一种新型设备


振动碾


它如同一台超强力“压路机”


经其碾压后的石料


颗粒密实、硬度增大


抗变形能力大幅加强


足以与混凝土旗鼓相当


(堆石坝的建造场景,图片来源@视觉中国)


 

 

自此以后


堆石坝终于能获得混凝土的加持


只要在坝体的上游一侧


铺设一层混凝土面板


便能完成防渗


这便是


面板堆石坝


(面板堆石坝结构示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

由于这种坝型施工快、造价低


一经问世便迅速风靡全国


其中位于湖北恩施的


水布垭大坝


高度达到233米


一举成为当时世界最高的面板堆石坝


(清江上的水布垭大坝,坝体上可见Z字型马道,用于排水、检修、交通等,摄影师@李云飞)


 

 

以上种种


由土料和石料堆筑的大坝


统称为

 

土石坝

 

由于它的


材料易得、结构简洁、施工简便


因此应用极为广泛


据相关数据统计


在我国近10万座水坝中


各种土石坝的数量


占到95%以上


几乎是大江南北、遍地开花


(东圳水库大坝,一座设有心墙的土石坝,位于福建莆田,摄影师@DJY俊逸)


 

 

 

可即便数量如此庞大


但是泥土、碎石等筑坝材料


本身属于松散颗粒


这便注定了土石坝


并非十全十美

 

一方面


无论如何压实


颗粒间的孔隙依然存在


经年累月下


发生渗流在所难免

 

另一方面


松散的土石料表面


难以抵抗猛烈的水流冲刷


因此土石坝不允许洪水漫顶


必须在远离坝体的位置


增设专门的泄洪通道


(水布垭大坝和右边的溢洪道,点击图片查看泄洪场景,摄影师分别为@李顺武@谭江弘)


 

 

 

 

那么


我们如何才能建起


更加坚固的大坝呢?

 

 

不妨想象


将一块巨石置于水中


只要其重量足够


就能与地基间产生


足够强大的摩擦力


令其在汹涌的水流中岿然不动

 

类似地


如果能够人工打造一块这样的巨石


便能以其“一己之力”


抵挡奔腾而来的江河之水


堪称


“一夫当关,万夫莫开”


这便是

 

重力坝

 

(重力坝示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

为此


坚硬、致密的混凝土


再次进入人们的视线


以其浇筑的

 

混凝土重力坝

 

不仅能够拦水截流


而且其本身足够坚固


因此可以在坝身上设置泄水孔


甚至建造可直接溢流的坝段


(正在泄水的丹江口大坝,位于湖北丹江口,摄影师@白䒕帆。另:在混凝土重力坝出现之前,

 

早期的重力坝多由石灰浆黏结石块而成)


 

 

尤其在大江大河之上


每逢汛期水位暴涨


一座座混凝土重力坝


便如“定水神针”一般


成为防洪的中坚力量

 

例如


坐镇金沙江的


向家坝水库大坝


(向家坝水库大坝,位于云南水富,点击图片查看各部分结构,摄影师@柴峻峰)


 

 

驻守黄河的


三门峡大坝


(三门峡大坝,位于河南三门峡,点击图片查看各部分结构,摄影师@黄雪峰)


 

 

以及


横亘于长江的


三峡大坝

 

这座高181米


全长2309米的庞然大物


以超过1600万立方米的混凝土打造而成


能拦蓄221.5亿立方米的洪水


与4个太湖的蓄水量相当


(请横屏观看,拦截长江的三峡大坝,位于湖北宜昌,点击图片查看各部分结构,摄影师@李心宽)


 

 

自大坝竣工以来


曾在2010年、2012年和2020年


三次长江大洪水中


削减洪峰40%左右


极大地减轻了


长江中下游地区的防洪压力


(2020年夏季三峡大坝泄洪的场景,摄影师@李心宽)


 

 

然而


稳立于洪涛的重力坝


却也并非无懈可击


它还必须战胜一个


“看不见的敌人”


人称扬压力

 

这种特殊的作用力


由两部分共同组成


其一是地基渗水和坝体渗水


所产生的渗透压力


其二则是淹没于水下的坝体


所承受的上浮力

 

在扬压力的作用下


坝体相当于被向上“托举”一般


极不利于坝体稳定


(重力坝扬压力示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

为此


工程师们千方百计


试图在保证坝体稳定的同时


尽可能减小坝体与地基间的接触面


从而避免产生过大的扬压力

 

比如


将坝体内部分段收缩


形成一节节空腔


成为

 

宽缝重力坝

 

(宽缝重力坝结构示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

(新安江大坝,中国第一座宽缝重力坝,摄影师@方建飞)


 

 

甚至直接将坝体的下部掏空


形成一座“空腹”的

 

空腹重力坝

 

(空腹重力坝结构示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

(中国第一座空腹重力坝是上犹江水库大坝,位于江西赣州。下图的牛路岭水电站大坝

 

也是一座空腹重力坝,位于海南琼海,图片来源@视觉中国)


 

 

可是到这里


人们就能高枕无忧了吗?


可惜


答案是否定的

 

因为宽缝也好,空腹也罢


重力坝的体型依然过于庞大


混凝土浇筑时的


温度条件、施工步骤


更是复杂


(三峡大坝施工的场景,图片来源@视觉中国)


 

 

但工程师们


并没有知难而退


而是转而改用


掺杂粉煤灰的特殊混凝土


结合与土石坝相同的碾压方式


建成取长补短、优势互补的


碾压混凝土重力坝

 

这种新型筑坝技术


既能减少混凝土用量


又能简化施工步骤


还能便于大型机械施工


从而缩短工期、降低造价


可谓一举多得


(1986年我国建成了第一座碾压混凝土大坝,坑口水库大坝,位于福建三明,

 

图片来源@三明市大田县融媒体中心)


 

 

也正因如此


众多愈发宏伟的大坝拔地而起

 

从101米高的


水口大坝


(闽江上的水口大坝,位于福建福州,图片来源@视觉中国)


 

 


到200.5米高的


光照大坝


(光照大坝、沪昆高铁、北盘江特大桥,三大超级工程同框,位于贵州黔西南,摄影师@王璐)


 

 

再到目前世界上最高的


碾压混凝土重力坝


龙滩大坝

 

它高216.5米


已经远远超过


我国最高的常规混凝土重力坝


三峡大坝


(红水河上的龙滩大坝,位于广西河池,摄影师@姚王度)


 

 

而若要进一步


实现坝高的突破


同时还能进一步


控制用料和成本


那么是否


存在更加精巧的结构呢?

 

 

在广东省北部


一座体态轻盈、造型优美的大坝


巍然屹立于峡谷之中


其坝体向上游方向拱起


厚度与高度之比仅有0.11


这就是坐落在广东韶关的


泉水大坝


这是中国最薄的

 

拱坝

 

(南水河支流上的泉水拱坝,图片来源@视觉中国)


 

 

这种结构精巧的坝型


除了依靠坝体自重


更关键的


则是利用拱形结构


将绝大部分水体推力


传向两岸坚实的山体


以山体产生的反作用力


令坝体维持稳定


堪称名副其实的


“借力打力”


(拱坝示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

有了山体的分担


拱坝的体积


一般仅为同等高度重力坝的30-60%


可谓是既美观又经济


(耒[lěi]水河上的东江大坝,坝体轻薄,坝顶最窄处仅有7米宽,位于湖南资兴,

 

摄影师@姚王度)


 

 

更为精妙的是


正常状态的拱坝


在自身重力、水体推力


基岩支撑、温度变化等


诸多条件综合作用下维持平衡


如果遭遇突发情况


某个条件发生改变


其余条件仍能保证坝体稳定


这便是超静定结构

 

因此


拱坝具备


出类拔萃的安全性


其超载能力甚至可以达到


设计性能的10倍以上

 

以汶川的沙牌拱坝为例


它距离5 · 12汶川大地震震中


仅有36千米


即便当时的水库满载运行


在经历地动山摇之后


坝体也未受到明显损害


(岷江支流上的沙牌拱坝,位于四川汶川,摄影师@余振威&刘文君)


 

 

但是


集美观、经济、安全


于一身的拱坝


对地形和地质条件的要求


却极为苛刻

 

其理想的坝址


要求两岸的基岩坚硬且完整


河谷还必须左右对称


且从上游向下游收缩


只有这样


坝体才能稳稳地


“卡”在河谷之中


(金沙江上正在建设的乌东德大坝,位于云南昆明与四川凉山交界,

 

点击图片查看各部分结构,摄影师@卢思璇)


 

 

好在随着工程、材料


以及计算机模拟技术的进步


拱坝的适应性


越来越强

 

人们不仅在


地质条件复杂的喀斯特地貌区


建成了乌江渡、构皮滩等


一众知名的大型拱坝


(乌江上的构皮滩拱坝,位于贵州遵义,摄影师@秦军,图片来源@水电八局)


 

 

拱坝的形态


也愈发多样

 

其平面


可以是厦门岛


上李水库拱坝的规则圆弧状


(厦门岛上的上李水库大坝,位于福建厦门,点击图片查看拱坝平面形状,

 

图片来源@视觉中国)


 

 

也可以是乌江上


东风拱坝的双曲线型


(乌江上的东风拱坝,位于贵州清镇,点击图片查看拱坝的平面形状,摄影师@李贵云)


 

 

而其剖面


可以保持竖直


是为单曲拱坝


(单曲拱坝结构示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

亦可以


同样向上游弯曲


是为双曲拱坝


(双曲拱坝结构示意,制图@罗梓涵/星球研究所)


 

 

更令人震撼的是


拱坝的高度不断刷新记录

 

2000年


240米高的二滩拱坝建成


这是中国首座突破200米级的大坝


(金沙江与雅砻江交汇处的二滩拱坝,位于四川攀枝花,摄影师@石磊)


▼ 

 

 

2010年


拉西瓦拱坝封顶


最大坝高突破250米


(黄河干流上的拉西瓦水库拱坝,位于青海海南,摄影师@李俊博)


 

 

2014年


溪洛渡大坝竣工


其坝高达到285.5米


(金沙江上的溪洛渡拱坝,位于四川凉山与云南昭通交界,摄影师@柴峻峰)


 

 

放眼世界


在全球76座200米以上的高坝中


仅拱坝就有38座之多


毫无疑问地成为了


200米级高坝的最佳选手

 

但是


200米级


仍不是拱坝的极限

 

澜沧江上的小湾拱坝


高度达到294.5米


直逼300米级


(小湾拱坝,坝顶最窄处仅有12米宽,位于云南大理与临沧交界,点击图片查看各部分结构,

 

摄影师@陈畅)


 

 

而雅砻江上的


锦屏一级拱坝


高度达到305米


成功晋级世界最高坝

 

就这样


在西部的高山峡谷中


越来越多的高拱坝


凭借有利地形


以四两拨千斤之势


拦洪蓄水、抬高水位


让奔腾的江河带来源源不断的电能


输送到祖国各地


点亮万家灯火


(龙羊峡水电站,位于青海海南,摄影师@李俊博)


 

 

 

从“水来土掩”的土石坝


到“一夫当关”的重力坝


再到“借力打力”的拱坝


它们可谓是


中国大坝家族的绝对主角


但10万座大坝的精彩


却不止于此

 

我们还有


结构简洁到


只需用一组支墩和挡水盖板


便能组成的支墩坝


(佛子岭水库大坝,位于安徽六安,是中国仅有的两座连拱支墩坝之一,点击图片查看各部分

 

结构,图片来源@视觉中国)


 

 

也有以橡胶等合成材料


做成封闭布囊锚固于河道


“随充随用”的橡胶坝


(淮河支流沂水上的小埠东橡胶坝,全长1135米,是目前世界最长橡胶坝,位于山东临沂

 

城内,图片来源@视觉中国)


 

 

甚至随着科技的突飞猛进


古老的土石坝


也能继续冲击新的高度

 

2014年


糯扎渡大坝建成


高度达到261.5米


(澜沧江上的糯扎渡大坝以及右边的溢洪道,位于云南普洱,摄影师@潘泉)


 

 

一年后


双江口大坝开工


其最大坝高314米


未来将重新定义世界最高坝


(请横屏观看,大渡河上正在施工的双江口大坝,位于四川阿坝,摄影师@杨虎)


 

 

就这样


在960万平方千米的广袤大地上


中国人建造了


大大小小近10万座水坝


它们如同十万个“勇士”


巍然挺立在


群山之间、江河之上


守护着农田、乡村、城镇


以及一片又一片家园


(怀柔水库大坝与北京怀柔城区同框,摄影师@陈剑峰)


 

 

但是


建造水坝


也仅是庞大水利工程系统的


冰山一角

 

正如宏伟的三峡工程


早在大坝开工之前


已历时40年


精心设计、反复论证

 

哪怕大坝封顶之后


仍历时6年


才建成世界装机容量最大的


水电站

 

历时9年


才建成世界上规模最大的


三峡升船机


(三峡升船机是三峡工程的最后一个“配件”,图片来源@视觉中国)


 

 

而直到2020年


这项水利枢纽工程


才宣告全面完成

 

最终


它不仅是一堵拦洪的巨墙


也是一座庞大的蓄水池


一台强劲的发电机


一条航运物流的大通道


(请横屏观看,超级工程三峡水利枢纽,摄影师@黄正平)


 

 

三峡工程如是


每一座水利工程亦如是


而在这每一座工程背后


无不凝结着


无数建设者的心血和智慧


也正因如此


才诞生了中国大坝的奇迹


乃至中国水利工程的奇迹


(雅鲁藏布江上的加查水电站,静卧于莽莽群山之间,摄影师@行影不离)


 

 

本文创作团队


撰文:艾蓝星


图片:散夏


设计:罗梓涵


地图:郑艺


审校:桢公子,黄超

 

【致谢】本文的图片内容得到了“中国水电八局”的鼎力支持,本文撰写得到了清华大学土木水利学院马吉明教授、中科院地质与地球物理研究所张磊博士(水利专业)的大力帮助,特此感谢。


【参考文献】
[1] 王瑞芳. 当代中国水利史[M]. 中国社会科学出版社, 2014.
[2] 郭秦渭. 水工建筑物[M]. 重庆大学出版社, 2006.
[3] 潘家铮. 千秋功罪话水坝[M]. 清华大学出版社, 2014.
[4] 贾金生. 中国大坝建设60年[M]. 中国水利水电出版社, 2013.
[5] 水利部建设与管理司. 中国高坝大库TOP100[M]. 中国水利水电出版社, 2012.
[6] 水利部. 2018年全国水利发展统计公报.
[7] 水利部. 2013年第一次全国水利普查公报.

 

 


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