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？

　　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）

　　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.

　　... The End ...