| 沙漠之虎 | 2021-01-13 11:42 |
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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？ 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）▼  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？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） ▼  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？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）▼  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）▼  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）▼  |
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