轉帖:10萬座大壩的誕生! |
送交者: 求真知 2021年01月13日15:34:16 於 [天下論壇] 發送悄悄話 |
10萬座大壩的誕生!
收錄於話題 #探索中國:工程篇 14個 4.5萬餘條江河 縱橫交錯 遍布960萬平方千米的大地 (上述河流數量僅包括流域面積50平方千米及以上的河流,下圖為中國主要河流分布,製圖@鄭藝/星球研究所) ▼ 中國 還是世界上水旱災害最多的國家之一 有文獻記載以來 1092次水災、1056次旱災 讓數千年的中華文明發展史 成為一部人與水旱災害的抗爭史 (上述數據僅統計至1949年,下圖為洪流中的錢塘江,攝影師@肖奕叄) ▼ 一邊江河奔流、哺育眾生 一邊災害頻發、民不聊生 兩種截然相反的特徵 也促使中國發展成為 全球大型水利設施最發達的國家 沒有之一 其中最為突出的 便是遍布中國大地 攔蓄近9000億立方米庫容的 近10萬座水壩 (國際大壩委員會規定,壩高超過15米,或者庫容超過300萬立方米、壩高在5米以上的壩為大壩,下圖為中國高度100m以上大壩分布,製圖@鄭藝/星球研究所) ▼ 它們可以擋水 攔截滔滔洪流 (請橫屏觀看,2020年7月,新安江水庫九孔泄洪,攝影師@呂傑琛) ▼ 可以蓄水 保障供水、灌溉 (請橫屏觀看,新豐江水庫是香港、深圳等諸多城市的重要飲用水源之一,攝影師@劍膽琴心) ▼ 也可以抬高水位 發展水電、改善航道 (燈火通明的白鶴灘水電站,建成之後將成為僅次於三峽水電站的世界第二大水電站,攝影師@柴峻峰) ▼ 中國也因此成為了 世界上擁有水庫大壩最多的國家 (根據《碾壓式土石壩設計規範(2002)》,壩體按照高度可以分為:<30m為低壩,30-70m為中壩,>70m為高壩;下圖為世界主要國家壩高30m以上的大壩數量分布,製圖@鄭藝/星球研究所) ▼ 我們究竟是如何建造出 數量如此眾多的大壩的? 人們就近取土、層層夯實 築起上窄下寬的高牆 攔住上游來水 最古老的 土壩 便誕生了 (土壩的建造型式眾多,下圖為均質土壩示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ 經過壓實的土料顆粒 依靠彼此間緊密咬合 大大增強了壩體的穩定 顆粒間明顯減小的孔隙 又能阻礙水的流動 令其具備較強的防滲功能 從而實現 “兵來將擋,水來土掩” (土料壓實前後防滲對比,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ 甚至在條件足夠理想時 無需機械夯實 憑藉土料自身的重量 就能層層壓實、築起大壩 (上述築壩方式稱為水中填土法,黃土高原上的汾河水庫大壩,是全球首個使用水中填土施工的大壩,位於山西太原,攝影師@王蒙) ▼ 當然 除了土料 卵石、砂石以及人工開採的塊石等 均可用來堆築大壩 人稱 堆石壩
但與細密的土料不同 石料顆粒粗、硬度大 極易發生滲水 即便機械壓實 也收效甚微 (堆石壩滲水示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ 於是工程師們 利用石料、土料“雙管齊下” 或在堆石壩中央 增設一道直立的土質防滲牆 成為 心牆堆石壩 (心牆堆石壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ (碧口水庫大壩便是一座心牆堆石壩,位於甘肅文縣,畫面前方是經電站流出的水體,圖片來源@視覺中國) ▼ 或是將防滲牆傾斜布置 則為 斜牆堆石壩 (斜牆堆石壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ 家喻戶曉的小浪底大壩 高達160米 是中國最高的斜牆堆石壩 (請橫屏觀看,氣勢如虹的小浪底大壩,壩頂長1667米、寬15米,位於黃河中游,攝影師@林治坤) ▼ 正是這樣一座大壩 讓小浪底水庫的蓄水量 達到126.5億立方米 超過2個太湖 也正因如此 黃河下游的防洪標準 得以提升至1000年一遇 讓近1億人口免於水患 (太湖的蓄水量約為56億立方米,下圖為小浪底大壩泄洪場景,攝影師@張子玉) ▼ 然而 能夠防滲的並非只有土料 混凝土甚至擁有 更小的孔隙、更強的防滲 只不過 相對於顆粒鬆散 且在水體擠壓下 易發生輕微變形的堆石壩 混凝土還是太過“堅硬” 二者截然不同的變形程度 令它們無法“齊心協力” 共同抵抗奔騰的江河 直到20世紀80年代 我國開始引入一種新型設備 振動碾 它如同一台超強力“壓路機” 經其碾壓後的石料 顆粒密實、硬度增大 抗變形能力大幅加強 足以與混凝土旗鼓相當 (堆石壩的建造場景,圖片來源@視覺中國) ▼
自此以後 堆石壩終於能獲得混凝土的加持 只要在壩體的上游一側 鋪設一層混凝土面板 便能完成防滲 這便是 面板堆石壩 (面板堆石壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ 由於這種壩型施工快、造價低 一經問世便迅速風靡全國 其中位於湖北恩施的 水布埡大壩 高度達到233米 一舉成為當時世界最高的面板堆石壩 (清江上的水布埡大壩,壩體上可見Z字型馬道,用於排水、檢修、交通等,攝影師@李雲飛) ▼ 以上種種 由土料和石料堆築的大壩 統稱為 土石壩 由於它的 材料易得、結構簡潔、施工簡便 因此應用極為廣泛 據相關數據統計 在我國近10萬座水壩中 各種土石壩的數量 占到95%以上 幾乎是大江南北、遍地開花 (東圳水庫大壩,一座設有心牆的土石壩,位於福建莆田,攝影師@DJY俊逸) ▼ 可即便數量如此龐大 但是泥土、碎石等築壩材料 本身屬於鬆散顆粒 這便註定了土石壩 並非十全十美 一方面 無論如何壓實 顆粒間的孔隙依然存在 經年累月下 發生滲流在所難免 另一方面 鬆散的土石料表面 難以抵抗猛烈的水流沖刷 因此土石壩不允許洪水漫頂 必須在遠離壩體的位置 增設專門的泄洪通道 (水布埡大壩和右邊的溢洪道,點擊圖片查看泄洪場景,攝影師分別為@李順武@譚江弘) ▼ 那麼 我們如何才能建起 更加堅固的大壩呢? 不妨想象 將一塊巨石置於水中 只要其重量足夠 就能與地基間產生 足夠強大的摩擦力 令其在洶湧的水流中巋然不動 類似地 如果能夠人工打造一塊這樣的巨石 便能以其“一己之力” 抵擋奔騰而來的江河之水 堪稱 “一夫當關,萬夫莫開” 這便是 重力壩 (重力壩示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ 為此 堅硬、緻密的混凝土 再次進入人們的視線 以其澆築的 混凝土重力壩 不僅能夠攔水截流 而且其本身足夠堅固 因此可以在壩身上設置泄水孔 甚至建造可直接溢流的壩段 (正在泄水的丹江口大壩,位於湖北丹江口,攝影師@白䒕帆。另:在混凝土重力壩出現之前,早期的重力壩多由石灰漿黏結石塊而成) ▼ 尤其在大江大河之上 每逢汛期水位暴漲 一座座混凝土重力壩 便如“定水神針”一般 成為防洪的中堅力量 例如 坐鎮金沙江的 向家壩水庫大壩 (向家壩水庫大壩,位於雲南水富,點擊圖片查看各部分結構,攝影師@柴峻峰) ▼ 駐守黃河的 三門峽大壩 (三門峽大壩,位於河南三門峽,點擊圖片查看各部分結構,攝影師@黃雪峰) ▼ 以及 橫亙於長江的 三峽大壩 這座高181米 全長2309米的龐然大物 以超過1600萬立方米的混凝土打造而成 能攔蓄221.5億立方米的洪水 與4個太湖的蓄水量相當 (請橫屏觀看,攔截長江的三峽大壩,位於湖北宜昌,點擊圖片查看各部分結構,攝影師@李心寬) ▼ 自大壩竣工以來 曾在2010年、2012年和2020年 三次長江大洪水中 削減洪峰40%左右 極大地減輕了 長江中下游地區的防洪壓力 (2020年夏季三峽大壩泄洪的場景,攝影師@李心寬) ▼ 然而 穩立於洪濤的重力壩 卻也並非無懈可擊 它還必須戰勝一個 “看不見的敵人” 人稱揚壓力 這種特殊的作用力 由兩部分共同組成 其一是地基滲水和壩體滲水 所產生的滲透壓力 其二則是淹沒於水下的壩體 所承受的上浮力 在揚壓力的作用下 壩體相當於被向上“托舉”一般 極不利於壩體穩定 (重力壩揚壓力示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ 為此 工程師們千方百計 試圖在保證壩體穩定的同時 儘可能減小壩體與地基間的接觸面 從而避免產生過大的揚壓力 比如 將壩體內部分段收縮 形成一節節空腔 成為 寬縫重力壩 (寬縫重力壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ (新安江大壩,中國第一座寬縫重力壩,攝影師@方建飛) ▼ 甚至直接將壩體的下部掏空 形成一座“空腹”的 空腹重力壩 (空腹重力壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ (中國第一座空腹重力壩是上猶江水庫大壩,位於江西贛州。下圖的牛路嶺水電站大壩也是一座空腹重力壩,位於海南瓊海,圖片來源@視覺中國) ▼ 可是到這裡 人們就能高枕無憂了嗎? 可惜 答案是否定的 因為寬縫也好,空腹也罷 重力壩的體型依然過於龐大 混凝土澆築時的 溫度條件、施工步驟 更是複雜 (三峽大壩施工的場景,圖片來源@視覺中國) ▼ 但工程師們 並沒有知難而退 而是轉而改用 摻雜粉煤灰的特殊混凝土 結合與土石壩相同的碾壓方式 建成取長補短、優勢互補的 碾壓混凝土重力壩 這種新型築壩技術 既能減少混凝土用量 又能簡化施工步驟 還能便於大型機械施工 從而縮短工期、降低造價 可謂一舉多得 (1986年我國建成了第一座碾壓混凝土大壩,坑口水庫大壩,位於福建三明,圖片來源@三明市大田縣融媒體中心) ▼ 也正因如此 眾多愈發宏偉的大壩拔地而起 從101米高的 水口大壩 (閩江上的水口大壩,位於福建福州,圖片來源@視覺中國) ▼ 到200.5米高的 光照大壩 (光照大壩、滬昆高鐵、北盤江特大橋,三大超級工程同框,位於貴州黔西南,攝影師@王璐) ▼ 再到目前世界上最高的 碾壓混凝土重力壩 龍灘大壩 它高216.5米 已經遠遠超過 我國最高的常規混凝土重力壩 三峽大壩 (紅水河上的龍灘大壩,位於廣西河池,攝影師@姚王度) ▼ 而若要進一步 實現壩高的突破 同時還能進一步 控制用料和成本 那麼是否 存在更加精巧的結構呢? 在廣東省北部 一座體態輕盈、造型優美的大壩 巍然屹立於峽谷之中 其壩體向上遊方向拱起 厚度與高度之比僅有0.11 這就是坐落在廣東韶關的 泉水大壩 這是中國最薄的 拱壩 (南水河支流上的泉水拱壩,圖片來源@視覺中國) ▼ 這種結構精巧的壩型 除了依靠壩體自重 更關鍵的 則是利用拱形結構 將絕大部分水體推力 傳向兩岸堅實的山體 以山體產生的反作用力 令壩體維持穩定 堪稱名副其實的 “借力打力” (拱壩示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ 有了山體的分擔 拱壩的體積 一般僅為同等高度重力壩的30-60% 可謂是既美觀又經濟 (耒[lěi]水河上的東江大壩,壩體輕薄,壩頂最窄處僅有7米寬,位於湖南資興,攝影師@姚王度) ▼ 更為精妙的是 正常狀態的拱壩 在自身重力、水體推力 基岩支撐、溫度變化等 諸多條件綜合作用下維持平衡 如果遭遇突發情況 某個條件發生改變 其餘條件仍能保證壩體穩定 這便是超靜定結構 因此 拱壩具備 出類拔萃的安全性 其超載能力甚至可以達到 設計性能的10倍以上 以汶川的沙牌拱壩為例 它距離5 · 12汶川大地震震中 僅有36千米 即便當時的水庫滿載運行 在經歷地動山搖之後 壩體也未受到明顯損害 (岷江支流上的沙牌拱壩,位於四川汶川,攝影師@余振威&劉文君) ▼ 但是 集美觀、經濟、安全 於一身的拱壩 對地形和地質條件的要求 卻極為苛刻 其理想的壩址 要求兩岸的基岩堅硬且完整 河谷還必須左右對稱 且從上游向下游收縮 只有這樣 壩體才能穩穩地 “卡”在河谷之中 (金沙江上正在建設的烏東德大壩,位於雲南昆明與四川涼山交界,點擊圖片查看各部分結構,攝影師@盧思璇) ▼ 好在隨着工程、材料 以及計算機模擬技術的進步 拱壩的適應性 越來越強 人們不僅在 地質條件複雜的喀斯特地貌區 建成了烏江渡、構皮灘等 一眾知名的大型拱壩 (烏江上的構皮灘拱壩,位於貴州遵義,攝影師@秦軍,圖片來源@水電八局) ▼ 拱壩的形態 也愈發多樣 其平面 可以是廈門島 上李水庫拱壩的規則圓弧狀 (廈門島上的上李水庫大壩,位於福建廈門,點擊圖片查看拱壩平面形狀,圖片來源@視覺中國) ▼ 也可以是烏江上 東風拱壩的雙曲線型 (烏江上的東風拱壩,位於貴州清鎮,點擊圖片查看拱壩的平面形狀,攝影師@李貴雲) ▼ 而其剖面 可以保持豎直 是為單曲拱壩 (單曲拱壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ 亦可以 同樣向上游彎曲 是為雙曲拱壩 (雙曲拱壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所) ▼ 更令人震撼的是 拱壩的高度不斷刷新記錄 2000年 240米高的二灘拱壩建成 這是中國首座突破200米級的大壩 (金沙江與雅礱江交匯處的二灘拱壩,位於四川攀枝花,攝影師@石磊) ▼ 2010年 拉西瓦拱壩封頂 最大壩高突破250米 (黃河幹流上的拉西瓦水庫拱壩,位於青海海南,攝影師@李俊博) ▼ 2014年 溪洛渡大壩竣工 其壩高達到285.5米 (金沙江上的溪洛渡拱壩,位於四川涼山與雲南昭通交界,攝影師@柴峻峰) ▼ 放眼世界 在全球76座200米以上的高壩中 僅拱壩就有38座之多 毫無疑問地成為了 200米級高壩的最佳選手 但是 200米級 仍不是拱壩的極限 瀾滄江上的小灣拱壩 高度達到294.5米 直逼300米級 (小灣拱壩,壩頂最窄處僅有12米寬,位於雲南大理與臨滄交界,點擊圖片查看各部分結構,攝影師@陳暢) ▼ 而雅礱江上的 錦屏一級拱壩 高度達到305米 成功晉級世界最高壩 就這樣 在西部的高山峽谷中 越來越多的高拱壩 憑藉有利地形 以四兩撥千斤之勢 攔洪蓄水、抬高水位 讓奔騰的江河帶來源源不斷的電能 輸送到祖國各地 點亮萬家燈火 (龍羊峽水電站,位於青海海南,攝影師@李俊博) ▼ 從“水來土掩”的土石壩 到“一夫當關”的重力壩 再到“借力打力”的拱壩 它們可謂是 中國大壩家族的絕對主角 但10萬座大壩的精彩 卻不止於此 我們還有 結構簡潔到 只需用一組支墩和擋水蓋板 便能組成的支墩壩 (佛子嶺水庫大壩,位於安徽六安,是中國僅有的兩座連拱支墩壩之一,點擊圖片查看各部分結構,圖片來源@視覺中國) ▼ 也有以橡膠等合成材料 做成封閉布囊錨固於河道 “隨充隨用”的橡膠壩 (淮河支流沂水上的小埠東橡膠壩,全長1135米,是目前世界最長橡膠壩,位於山東臨沂城內,圖片來源@視覺中國) ▼ 甚至隨着科技的突飛猛進 古老的土石壩 也能繼續衝擊新的高度 2014年 糯扎渡大壩建成 高度達到261.5米 (瀾滄江上的糯扎渡大壩以及右邊的溢洪道,位於雲南普洱,攝影師@潘泉) ▼ 一年後 雙江口大壩開工 其最大壩高314米 未來將重新定義世界最高壩 (請橫屏觀看,大渡河上正在施工的雙江口大壩,位於四川阿壩,攝影師@楊虎) ▼ 就這樣 在960萬平方千米的廣袤大地上 中國人建造了 大大小小近10萬座水壩 它們如同十萬個“勇士” 巍然挺立在 群山之間、江河之上 守護着農田、鄉村、城鎮 以及一片又一片家園 (懷柔水庫大壩與北京懷柔城區同框,攝影師@陳劍峰) ▼ 但是 建造水壩 也僅是龐大水利工程系統的 冰山一角 正如宏偉的三峽工程 早在大壩開工之前 已歷時40年 精心設計、反覆論證 哪怕大壩封頂之後 仍歷時6年 才建成世界裝機容量最大的 水電站 歷時9年 才建成世界上規模最大的 三峽升船機 (三峽升船機是三峽工程的最後一個“配件”,圖片來源@視覺中國) ▼ 而直到2020年 這項水利樞紐工程 才宣告全面完成 最終 它不僅是一堵攔洪的巨牆 也是一座龐大的蓄水池 一台強勁的發電機 一條航運物流的大通道 (請橫屏觀看,超級工程三峽水利樞紐,攝影師@黃正平) ▼ 三峽工程如是 每一座水利工程亦如是 而在這每一座工程背後 無不凝結着 無數建設者的心血和智慧 也正因如此 才誕生了中國大壩的奇蹟 乃至中國水利工程的奇蹟 (雅魯藏布江上的加查水電站,靜臥於莽莽群山之間,攝影師@行影不離) ▼ |
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