从水来土掩、一夫当关到借力打力，中国10万座大坝的诞生

原标题：从水来土掩、一夫当关到借力打力，中国10万座大坝的诞生

本文转载自微信公众号“星球研究所”（ID: xingqiuyanjiusuo），原文首发于2021年1月13日，原标题为《10万座大坝的诞生！》，不代表瞭望智库观点。

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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

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）▼

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）▼

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

驻守黄河的

三门峡大坝

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

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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

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）▼

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

也可以是乌江上

东风拱坝的双曲线型

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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

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

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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）▼

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.

原标题：《10万“勇士”，起！》