10万座大坝的诞生!

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)

10万座大坝的诞生!

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)

10万座大坝的诞生!

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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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我们究竟是如何建造出

数量如此众多的大坝的?

 01 

水来土掩

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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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 (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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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那么

我们如何才能建起

更加坚固的大坝呢?


 02 

一夫当关

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)

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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。: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)

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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,点击查看各部分结构,摄影师@柴峻峰)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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(新安江大坝,中国第一座宽缝重力坝,摄影师@方建飞)

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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)

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(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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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?


 03 

借力打力

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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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放眼世界

在全球76座200米以上的高坝中

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)

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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)

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 04 

十万“勇士”

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)

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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)

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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)

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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)

10万座大坝的诞生!

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)

10万座大坝的诞生!

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)

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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)

10万座大坝的诞生!

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)

10万座大坝的诞生!

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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