第1章 坝工建设进展及其关键问题
1.1 坝工发展概述
1.1.1 坝工发展简史
人类筑坝的历史已有近5000年，全世界已建的水坝目前已达数万座。根据坝工技术历史发展的进程，水坝可分为以下三类[1]：①古代坝，19世纪中期以前建造；②近代坝，19世纪中期至20世纪初期建造；③现代坝，20世纪初期以后建造。
1.1.1.1 古代坝[1][2]
古代坝的基本特征是，坝是凭经验建造的。在整个建坝历史中，古代坝的历时占绝大部分。
公元前3200年，在约旦的贾瓦地区曾建造过一些块石护坡土坝。这些古代坝是在1974年由耶路撒冷的不列颠考古学院发现的，其规模也很小，但被 《吉尼斯世界纪录大全》列为世界最古老的坝。
公元前2900年左右，埃及在尼罗河干流建造了一座砌石坝——科希斯坝，坝址位于孟菲斯以南20km处的科希斯。坝高为15m，坝长为450m。因此，该坝堪称世界最古老的 “大坝”。
公元前1305—前1290年，埃及人曾在霍姆斯附近的阿西河上建造过一座堆石坝，坝高6m，长2000m。此坝一直使用到现在，有3300年左右的历史，堪称世界上使用年限最长的坝。
意大利在1611—1613年修建了一座干砌条石拱坝 （高桥坝），坝高4.9m，坝体厚度2m，拱弧半径14m，此后曾8次加高。其加高的次数在水坝加高史上是创纪录的。最后一次加高是在1887年，坝高达38m。高桥坝及其加高过程如图1.1所示[1]。
中国古代坝保留最完整、最典型的是安徽省寿县的安丰塘，也称芍陂，建于公元前598—前591年间，至今已有2600年历史，由春秋时楚相孙叔敖主持修建，与都江堰、漳河渠、郑国渠并称为我国古代四大水利工程。安丰塘现在是一个四面筑堤的平原水库，塘堤周长24.3km，堤高6.5m，水面34km2 ，库容近1亿m3 ，可对近64万亩农田进行自流灌溉。
洪泽湖是我国现存五大淡水湖之一，总容量达130亿m3，年入湖洪水总量超过800亿m3，规模之大，世所公认。但它不是天然湖泊，而确实是一座水库，其依托的就是洪泽湖大堤，该大堤实际上就是一道拦淮大坝，古时称高家堰，相传是东汉 （约公元200年）广陵太守陈登开始修筑，清朝初坝高5.12m，全长67.25km，创世界最长水坝纪录。时至今日，苏北地区3000万亩农田和1650万人口仍以这条大坝作为主要防洪屏障，而由其拦挡形成的洪泽湖则仍作为淮河下游重要的调节控制水库。高家堰断面如图1.2所示[2]。
图1.1 高桥坝及其加高过程示意图
图1.2 高家堰断面图 （单位：m）
1.1.1.2 近代坝[1]
近代坝的基本特征是，坝的设计开始有了理论做指导，这主要表现在重力坝与拱坝的设计上。
法国是世界上最先研究并建造近代坝的国家。左拉坝是世界上第一座用理论进行设计的拱坝，建造目的主要是为了使下游重要城市免受洪水的威胁。设计最大压应力值只取用0.65MPa；坝轴线选用拱形；加深地基开挖深度；加糙坝基表面，即在基面上用瓦西水泥浇筑 “人工石”；不在坝内开设引水管道；特别重视坝踵及坝趾处坝与地基接缝的处理等等。左拉坝的布置如图1.3所示[1]。
图1.3 左拉坝布置图 （单位：m）
埃及在1898—1903年建造了一座著称于世的近代坝——阿斯旺坝。此坝位于尼罗河上，最大坝高29m左右。全坝由非溢流坝段、带底孔的泄水坝段以及左岸船闸组成。非溢流坝段长约550m，底孔坝段总长1400m，共设180个泄水孔。其中140个位置较低，孔宽2m，孔高7m；40个位置较高，孔宽2m，坝体采用花岗岩岩石，用波特兰水泥砂浆砌筑。坝体总方量为53.5万m3。泄水底孔坝段坝体断面如图1.4所示[1]。
图1.4 阿斯旺坝泄水底孔坝段坝体断面图 （单位：m）
1—支墩；2—泄水底孔
1.1.1.3 现代坝[1]
现代坝的基本特征是，重力坝与拱坝设计理论进一步完善与提高，土石坝设计理论在20世纪初期开始形成，加上施工技术与管理的进步，使坝工建设在全世界得到飞速发展。
到20世纪初期坝工建设进入现代坝阶段后，建坝中心便逐渐从欧洲转移到美国。1931年，美国建成首座100m级的土石坝——盐泉 （SaltSpring）面板坝，坝高100m。大坝断面如图1.5所示[1]。
图1.5 盐泉坝断面图 （单位：m）
1968年，美国建成奥罗维尔 （Orowille）斜心墙坝，坝高230m。大坝断面如图1.6所示[1]。
图1.6 奥罗维尔斜心墙坝断面图 （单位：m）
1—不透水料取自岸边开挖；2—透水料做排水用；3—抛石护坡；4—灌浆帷幕；5—渗漏量测堰
胡佛坝 （图1.7[1]）位于美国内华达州与亚利桑那州交界处的黑峡峡谷之中，为混凝土重力拱坝，坝高221.4m，坝顶长379m，坝体混凝土量336万m3 ，是美国综合开发科罗拉多河水资源的关键性工程。坝基为坚硬的安山角砾岩。坝体设计采用了当时美国刚提出的先进的试载法。
坝基设置有灌浆帷幕与排水孔，并对上游剪力带进行了灌浆加固处理。在混凝土坝施工机械和施工工艺等方面积累了成功的经验。胡佛坝对现代混凝土坝设计和施工技术的形成与发展具有重要影响。
胡佛坝是世界最早建造的高度超过200m的大坝，比当时最高的坝高出85m。那时世界上几乎所有的坝都只有它一半高。其库容为367亿m3，比著称于世的阿斯旺坝的库容大8倍。工程开挖量相当于巴拿马运河开挖量的1/4。工程的规划设计工作于1921—1928年完成，1931年开工，1936年建成。在纪念建坝20周年时，美国土木工程师学会称此坝为现代美国土木工程七大奇迹之一。
图1.7 胡佛坝
中国现代大坝建设以三峡、二滩和小浪底工程为代表，这三座工程标志着中国大坝建设在建设技术上由追赶世界水平达到与世界水平同步。三峡水利枢纽具有防洪、发电、航运等巨大综合利用效益，拦河大坝 （混凝土重力坝）最大坝高181m；二滩混凝土双曲拱坝是上世纪亚洲第一、世界第三的高拱坝；小浪底斜心墙堆石坝最大坝高154m，在国际国内赢得了广泛赞誉。
国际大坝委员会规定[3]：坝高超过15m，或者库容超过300万m3、坝高在5m以上的坝为大坝。
未来大坝建设的主要国家将为包括中国、印度、巴西、土耳其及非洲等工业化相对较晚的国家。
1.1.2 我国坝工发展现状
我国建坝历史虽久，但前期发展较慢。
根据1950年国际大坝委员会的统计资料，当时全球5268座水库大坝中，我国仅有22座，数量极其有限，当时我国坝工发展尚处于非常落后的阶段[3]。
新中国成立后，特别是改革开放30多年来我国坝工建设有了突飞猛进的发展。据不完全统计[3]，截至2010年年底，我国已建、在建坝高在30m以上的大坝共计5564座（同期全世界共计13629座，我国占40%），其中坝高在300m以上大坝1座，200～300m之间的大坝13座，150～200m之间的大坝30座，100～150m之间的大坝141座，30～100m之间的大坝5379座。
目前，我国建坝总数及高坝数量均已跃居世界第一。在各类大坝中，我国的代表性高坝如下：
（1）混凝土坝：常态混凝土坝已建最高坝为锦屏一级混凝土双曲拱坝 （坝高305m，为世界同类最高坝），另外还有小湾双曲拱坝 （坝高292m）、溪洛渡双曲拱坝 （坝高278m）等高坝。碾压混凝土坝已建和在建共计90余座，已建的龙滩碾压混凝土重力坝坝高216.5m，为世界同类最高坝。
（2）土石坝：已建的水布垭混凝土面板堆石坝最大坝高233m，为目前世界已建面板堆石坝中的最高坝；另外还有三板溪坝 （坝高186m）、洪家渡坝 （坝高180m）等高坝。
1.1.3 世界三类已建最高坝
1.1.3.1 大狄克逊 （GrandDixence）重力坝[1]
大狄克逊坝位于瑞士狄克逊河上，建于1953—1962年，坝高285m，坝顶长695m，库容4亿m3，电站装机86.4万kW。该坝为目前世界最高混凝土重力坝。
1931—1935年曾在大狄克逊坝上游400m处建造过一座大头坝，这就是坝高87m的狄克逊坝。原计划只是加高狄克逊坝，由于种种原因后决定新建大狄克逊坝，而将老坝（狄克逊坝）作为新坝的上游围堰。
坝址处河谷呈V形，山势陡峭。坝基为质地良好的花岗片麻岩。根据地形、地质及施工条件，曾进行堆石坝、拱坝、支墩坝和重力坝等坝型方案比较，最后选定实体重力坝方案。大坝分二期施工。大坝断面如图1.8所示[1]。
图1.8 大狄克逊坝断面图 （单位：m）
该坝采用传统的材料力学法设计，未计两岸的影响。其特点是采用分期加高的方法修建；为改善分期加高施工时坝踵应力条件，上游坝面下部采用倒坡。
1.1.3.2 英古里双曲拱坝[4]
目前世界已建的最高拱坝为我国锦屏一级水电站混凝土双曲拱坝。该坝位于四川省境内的雅砻江上，于2014年11月建成，坝高305m，坝顶长552.23m，坝体厚高比0.207。在2009年以前，英古里混凝土双曲拱坝为世界最高拱坝。
英古里坝位于格鲁吉亚的西部德日瓦里市附近的英古里河支瓦尔峡谷内，临近土耳其边界，为目前世界上已建最高的混凝土拱坝，具有发电和防洪等综合效益。
该坝为双曲拱坝，最大坝高271.5m，厚高比0.29，坝顶弧长758m，总库容11.1亿m3。地下厂房装机5台，单机容量26万kW，另在尾水渠上建4座电站 （总装机34万kW），总装机容量164万kW。建于1965—1982年。
该坝坝址为不对称峡谷，坝基地质条件复杂，由各种裂隙发育的石灰岩、白云质石灰岩等构成，在右坝肩下约100m处分布有派生构造断裂斜断层，地震烈度为8度。大坝横剖面及上游立视图分别如图1.9、图1.10所示[4]。
图1.9 英古里坝横剖面图
图1.10 英古里坝上游立视图
英古里坝的主要设计特点包括：
（1）该坝采用周边缝结构。通过拱座均匀扩散坝基 （肩）应力，从而改善坝体地震应力分布状况，并减少地基产生裂缝的可能性。周边缝采用三道止水，其材料均为紫铜片。
（2）为了使坝在地震计算烈度作用下具有近似弹性变形，设计了一种独特的结构：在坝上部1/4处设有穿过横缝的抗震钢筋网 （跨缝水平钢筋+垂直钢筋）。
（3）为了消除基础塑性变形，在坝下游两岸的底部设计了混凝土板和设置预应力锚筋等加固设施。
（4）为了抵消由于坝体施工和水库蓄水引起右岸断层区产生的水平位移，在断层垫座上设置了两组浇筑缝 （大致沿断面走向的缝+与坝中心面平行方向的缝），两组缝均延伸至垫座高度的一半处。
1.1.3.3 努列克心墙坝[4]
努列克坝位于塔吉克斯坦的瓦赫什河中游。水库库容为10.5亿m3，电站装机容量为270万kW （9台30万kW）。除了发电外，还有灌溉效益。工程于1961年开工，1980年建成。坝址地形为峡谷状，深达300m以上，河床宽40m，河床冲积层厚13～20m。大坝建在多发性强震区，地震基本烈度为9度。
努列克心墙土石坝最大坝高为300m，坝顶长744m，坝顶宽20m，上游坝坡1∶2.25，下游坝坡1∶2.2，直心墙迎水坡为1∶0.25，背水坡为1∶0.27。坝体总体积为5800万m3。该坝为目前世界最高土石坝。大坝剖面如图1.11所示[4]。
图1.11 努列克坝横剖面图
1—堆石压坡体；2—坝壳堆石；3—反滤层；4—心墙；5—堆石护脚；6—混凝土垫座；7—一期堆筑线
努列克坝的主要设计特点如下：
（1）心墙基础面设置混凝土垫座，长157m，河床处宽23m，两岸处宽30～60m，垫座表面覆盖两层土工膜，垫座内布置4.2m×3.8m的灌浆及检查廊道。
（2）心墙与下游坝壳之间设两层反滤。
（3）心墙料为壤土、砂壤土及小于200mm碎石的混合料；反滤料由天然砾卵石混合物由过筛加工制成；坝壳料用天然砾卵石混合料，粗卵石含量平均20%～25%，最大粒径500～600mm；压坡料为平均粒径400～700mm的毛石。
（4）抗震措施：
1）大坝上游坝体内部高程855m、876m和894m各设一层加筋抗震层，以缓和、吸收最危险地震可能引起的坝内切向应力。
2）在较高的912m高程处，也设加筋抗震层并将上下游大坝坝体结合在一起。
1.1.3.4 世界上设计最高的土石坝：罗贡斜心墙坝[4]
罗贡斜心墙坝也位于塔吉克斯坦境内的瓦赫什河上，在努列克坝上游约70km处。水库总库容130亿m3，具有灌溉和发电等综合效益。
大坝为黏土斜心墙土石坝，设计最大坝高335m，坝顶长660m，顶宽20m，底宽1500m，坝体体积7550万m3。左岸地下厂房装机6台，总装机360万kW。
坝址基岩为砂岩、粉砂岩和泥板岩，地震烈度为9度。
大坝于1975年开工，由于苏联解体、阿富汗战争及泥石流灾害等因素影响，至今未建成。大坝设计剖面如图1.12所示[4]。
图1.12 罗贡坝设计剖面图 （单位：m）