我國(guó)水工技術(shù)發(fā)展與展望

楊澤艷，趙全勝，方光達(dá)

（1.中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)公司，北京 100120；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

1 我國(guó)水工發(fā)展及歷程

1.1 水工簡(jiǎn)況

我國(guó)筑壩可追述到公元前598年～公元前591年在安徽壽縣修筑堤壩形成的芍陂灌溉水庫(kù)，距今已有2 600多年歷史。我國(guó)大陸第一座水電站云南石龍壩水電站始建于1910年7月；最早的抽水蓄能電站為1963年建成的河北崗南小型混合式抽水蓄能電站。

據(jù)有關(guān)報(bào)道，至2011年我國(guó)約有87 000多座大壩，約占世界大壩總量的1/2。高度在200 m以上的超高壩多在2000年以后建成。目前，我國(guó)已建最高的常態(tài)混凝土重力壩是2008年完建的三峽大壩，高181 m；已建最高的碾壓混凝土重力壩是2009年完建的光照大壩，高200.5 m，擬建最高的是黃登壩，高203 m；已建最高的拱壩是2009年完建的小灣雙曲拱壩，高294.5 m，在建最高的是錦屏一級(jí)拱壩，高305 m；已建最高的碾壓混凝土拱壩是2009年完建的大花水壩，高135 m，在建最高的是萬(wàn)家口子壩，高167.5 m；已建最高的土心墻堆石壩是2010年完建的瀑布溝礫石土心墻堆石壩，高186 m，在建最高的是糯扎渡大壩，高261.5 m，擬建最高的是雙江口大壩，高314 m；已建最高的面板堆石壩是2008年完建的水布埡壩，高233 m，擬建最高的是茨哈峽、大石峽等250 m級(jí)高壩。

我國(guó)已建最大的水庫(kù)為三峽水庫(kù)，總庫(kù)容為450.44億m3，在全球各類大型水庫(kù)的排名中居第22位；已建裝機(jī)最大的水電站為三峽水電站，總裝機(jī)容量22 500 MW，也是目前世界上裝機(jī)容量最大的水電站；已建裝機(jī)最大的抽水蓄能電站是2000年完建的廣州抽水蓄能電站和2008年完建的惠州抽水蓄能電站，裝機(jī)容量均是2 400 MW。

我國(guó)已建泄量最大的工程是1988年完建的葛洲壩樞紐工程，最大泄量達(dá)11萬(wàn)m3/s；三峽工程的泄洪流量和功率均是世界上最大的，泄洪功率約98 GW。已建水頭最高的水電站是2011年完建的蘇巴姑水電站，水頭1 175 m。已建跨度最大的地下廠房是三峽地下廠房，開(kāi)挖跨度達(dá)32.6 m，在建最大的是向家壩地下廠房，開(kāi)挖跨度達(dá)33.4 m；最長(zhǎng)的發(fā)電引水隧洞是2004年完建的福堂水電站引水隧洞，長(zhǎng)19.3 km。錦屏二級(jí)水電站引水隧洞埋深超過(guò)2 500 m，是世界上埋深最大的水工隧洞。

我國(guó)三峽雙線五級(jí)連續(xù)梯級(jí)船閘總水頭113 m，單級(jí)最大水頭45.2 m，設(shè)計(jì)單向通過(guò)能力5 000 t，可通過(guò)萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)。三峽船閘的總水頭、單級(jí)水頭、通航噸位均位居世界第一。

1.2 發(fā)展歷程

從20世紀(jì)初開(kāi)始，縱觀我國(guó)的水工技術(shù)發(fā)展歷程，以筑壩高度的發(fā)展為代表，大致可劃分為艱難起步、曲折前進(jìn)、借鑒提高、重大突破等4個(gè)階段（見(jiàn)圖 1）。

（1）艱難起步階段。這一階段從20世紀(jì)初到50年代初，時(shí)間跨度50多年。1910年大陸開(kāi)工建設(shè)、1912年建成投產(chǎn)的第一座水電站——石龍壩水電站應(yīng)為這一階段的里程碑工程。日本占領(lǐng)我國(guó)東北期間，為掠奪資源、服務(wù)侵略戰(zhàn)爭(zhēng)還修建了豐滿、水豐等百米級(jí)混凝土重力壩工程。本階段由于飽受列強(qiáng)欺辱和戰(zhàn)爭(zhēng)創(chuàng)傷，全國(guó)水工發(fā)展極其緩慢。特點(diǎn)可歸結(jié)為現(xiàn)代筑壩技術(shù)引入中國(guó)、工程屈指可數(shù)、技術(shù)落后、質(zhì)量較差。

（2）曲折前進(jìn)階段。這一階段從20世紀(jì)50年代初到70年代末，時(shí)間跨度約30年，經(jīng)歷了蘇聯(lián)援建、大躍進(jìn)、三線建設(shè)、文化大革命等歷史時(shí)期，水工專業(yè)技術(shù)得到了初步發(fā)展，成功修建了一批100 m級(jí)高壩，解決了100 m級(jí)高壩的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，但后期發(fā)展速度明顯減慢。期間基本建成了三門峽水利樞紐，建成了兩座小型抽水蓄能電站，壩高150 m以上的烏江渡和龍羊峽等水電站開(kāi)工建設(shè)。里程碑工程有第一座庫(kù)容超100億m3的新安江水電站，第一座裝機(jī)容量超過(guò)1 000 MW的劉家峽水電站。本階段的特點(diǎn)可歸納為自主創(chuàng)業(yè)、道路曲折、標(biāo)準(zhǔn)欠缺、體制待善。

圖1 我國(guó)水工技術(shù) （壩高）發(fā)展階段劃分示意

（3）借鑒提高階段。這一階段從20世紀(jì)80年代初至20世紀(jì)末，時(shí)間跨度約20年，經(jīng)歷了改革開(kāi)放等歷史時(shí)期。工程建設(shè)開(kāi)始制度創(chuàng)新，業(yè)主負(fù)責(zé)、招標(biāo)投標(biāo)、建設(shè)監(jiān)理、合同管理等四項(xiàng)制度基本建立。魯布格、二灘、小浪底、天生橋一級(jí)等工程采用國(guó)外貸款，由外國(guó)公司參與設(shè)計(jì)或施工。這期間三峽工程開(kāi)工建設(shè)，廣州、十三陵等抽水蓄能電站工程也開(kāi)工建設(shè)；建成了烏江渡、龍羊峽、寶珠寺等水電站；引進(jìn)了碾壓混凝土筑壩、現(xiàn)代混凝土面板堆石壩等技術(shù)；國(guó)家安排了 “六五”～“九五”科技攻關(guān)，在200 m級(jí)高壩、泄洪消能、地下工程、碾壓混凝土技術(shù)等方面取得了重大進(jìn)展。二灘水電站最大壩高達(dá)240 m、裝機(jī)容量達(dá)3 300 MW，為這一階段的里程碑工程。這一階段的特點(diǎn)可歸納為引進(jìn)資金、借鑒學(xué)習(xí)、穩(wěn)步發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步、標(biāo)準(zhǔn)完善、制度建全。

（4）重大突破階段。21世紀(jì)開(kāi)始，國(guó)家開(kāi)始實(shí)施 “西電東送”、 “南水北調(diào)”工程，我國(guó)水利水電發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的高速發(fā)展階段，陸續(xù)開(kāi)工并建成了龍灘、水布埡、小灣等一大批高壩大庫(kù)及超大型水電站，南水北調(diào)西線工程基本完工，溪洛渡、向家壩等巨型水電站正在緊張建設(shè)中，南水北調(diào)中線工程相繼開(kāi)工，白鶴灘、烏東德等巨型水電站和南水北調(diào)西線工程前期設(shè)計(jì)也在穩(wěn)步推進(jìn)之中，“藏電東送”規(guī)劃提上議事日程。新建了泰安、惠州等1 000 MW抽水蓄能電站10余座。三峽工程裝機(jī)容量為世界上最大的水電站，為這一階段的里程碑工程。水力沖填、拋填和爆破堆石類土石壩，支墩、空腹和寬縫類混凝土壩，狹窄河谷壩后式廠房類樞紐布置等水工技術(shù)已很少采用。超高筑壩、高水頭大泄量、復(fù)雜地基處理、大容量多級(jí)船閘、超高邊坡處理等建設(shè)水平均達(dá)到世界領(lǐng)先水平，高拱壩、高碾壓混凝土壩、高土心墻堆石壩、高面板堆石壩等成為主力壩型。壩址壩型及樞紐布置選擇等重大技術(shù)問(wèn)題決策可靠，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系基本建全。隨著中央企業(yè) “走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)水工先進(jìn)技術(shù)已走出國(guó)門，國(guó)外已建最高的面板堆石壩和擬建最高的拱壩都以我國(guó)技術(shù)人員為主施工或設(shè)計(jì)。這一階段的特點(diǎn)可歸納為高速發(fā)展、技術(shù)領(lǐng)先、標(biāo)準(zhǔn)更新、體制完善、走向世界。

2 主要技術(shù)及發(fā)展

2.1 超高壩筑壩技術(shù)

我國(guó)不僅是超高壩大國(guó)，也是超高壩強(qiáng)國(guó)。我國(guó)已建、在建和擬建200 m以上高壩統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)，超高壩主要以混凝土拱壩和重力壩、土心墻堆石壩和混凝土面板堆石壩等四類壩型為主。

混凝土重力壩對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較好，壩身可布置泄水和引水設(shè)施，結(jié)構(gòu)受力明確，抗震性能較好，安全可靠性高。復(fù)雜地質(zhì)條件下的壩基深淺層抗滑穩(wěn)定是重力壩的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，是風(fēng)險(xiǎn)防范的重點(diǎn)，一般采用多種方法研究論證。壩體應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算分析，壩體混凝土溫控、碾壓混凝土層間結(jié)合及壩面防滲等關(guān)鍵技術(shù)基本成熟。重力壩由于材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，壩體斷面尺寸較大，相應(yīng)水泥用量多，外來(lái)材料運(yùn)輸量大，且溫度控制難度大，工程投資較高，制約了超高重力壩的大規(guī)模發(fā)展。

表1 我國(guó)已建、在建和擬建200 m以上高壩統(tǒng)計(jì)

拱壩以結(jié)構(gòu)合理和體形優(yōu)美而著稱，壩身還可泄水，抗震性能好，在狹窄河谷地區(qū)修建拱壩既經(jīng)濟(jì)又安全。拱壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于查清拱座地質(zhì)條件，控制拱座穩(wěn)定。合理地選擇建基面，優(yōu)化調(diào)整大壩體形，壩體應(yīng)力控制等關(guān)鍵技術(shù)基本成熟，超高拱壩的抗震安全措施還需深化研究。拱壩對(duì)地質(zhì)條件要求高，勘察工作量較大、周期較長(zhǎng)，復(fù)雜地質(zhì)條件下的拱座和邊坡處理工程量大，高拱壩溫控與防裂要求高，施工期壩體應(yīng)力控制復(fù)雜，這些問(wèn)題在一定程度上限制了高拱壩的選型。

土心墻堆石壩幾乎適應(yīng)于任何壩址，尤其是對(duì)于河床覆蓋層深厚、設(shè)計(jì)地震烈度高等不利自然條件，是一種安全和經(jīng)濟(jì)的選擇。土心墻堆石壩建設(shè)的關(guān)鍵在于防滲土料的質(zhì)量、儲(chǔ)量勘察與評(píng)價(jià)，抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定是風(fēng)險(xiǎn)防范的重點(diǎn)。心墻土料設(shè)計(jì)、改性措施、壩體填筑工藝和質(zhì)量監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)基本成熟，近年來(lái)開(kāi)始重視高壩變形及裂縫控制。土心墻堆石壩的體積較大，心墻料開(kāi)采占地較多，土料施工受氣候影響較大。

面板堆石壩以其在實(shí)踐中體現(xiàn)出來(lái)的安全性高、經(jīng)濟(jì)性好和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)而深受壩工界的青睞，常成為首選的富有競(jìng)爭(zhēng)力的壩型。在堆石料設(shè)計(jì)和填筑、面板防裂控制以及接縫止水結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)方面均積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，近年來(lái)超高壩變形控制備受重視，我國(guó)已探索建立變形控制集成技術(shù)，但受到試驗(yàn)手段的限制，堆石填筑料的力學(xué)性能很難通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)準(zhǔn)確把握，壩體變形預(yù)測(cè)仍是超高堆石壩的技術(shù)難題，尚待深入研究。

2.2 高壩泄洪消能

新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)在高水頭大流量泄洪消能方面進(jìn)行了大量、系統(tǒng)的研究，取得了豐碩的成果并應(yīng)用于工程實(shí)踐。高水頭、大流量、大泄洪功率、大單寬流量、復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的消能防沖是我國(guó)近年高壩大庫(kù)工程泄洪消能的顯著特點(diǎn)。泄洪建筑物防空蝕、防沖刷破壞是風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)。泄洪消能建筑物布置多采用分散泄洪、分區(qū)消能，并因地制宜地發(fā)展了適應(yīng)不同工程特點(diǎn)的挑流、底流、戽流及寬尾墩臺(tái)階溢流聯(lián)合等消能方式，在工程中成功采用了各種新型消能工結(jié)構(gòu)，對(duì)高速水流空蝕問(wèn)題、摻氣減蝕方法、抗沖耐磨材料和底板抗沖指標(biāo)等也進(jìn)行了深入的研究，取得了一些經(jīng)驗(yàn)或理論數(shù)據(jù)。目前，超高壩高流速泄洪消能設(shè)施運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不多，有待實(shí)踐檢驗(yàn)。

2.3 大規(guī)模地下洞室

大跨度、淺埋深或高地應(yīng)力是近年我國(guó)地下廠房的主要特點(diǎn)。一般廠址選擇中首先考慮避讓重大地質(zhì)缺陷，再根據(jù)坡地形地質(zhì)條件、水力過(guò)渡過(guò)程、進(jìn)出廠條件等在首部式、中部式或尾部式地下廠房中優(yōu)選布置形式，結(jié)合主要結(jié)構(gòu)面、地應(yīng)力方向和進(jìn)出水流條件等選擇軸線方位，結(jié)合圍巖穩(wěn)定性和施工次序優(yōu)選洞室間距、設(shè)計(jì)吊車梁布置和支護(hù)形式。

近年來(lái)水工隧洞向大長(zhǎng)度、深埋藏、大斷面等方向發(fā)展，一般采取綜合措施預(yù)報(bào)不良地質(zhì)條件、高地下水和高地應(yīng)力，采取 “短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測(cè)”來(lái)處理軟弱圍巖，按 “以堵為主，堵排結(jié)合”的原則處理地下水，采用 “導(dǎo)洞開(kāi)挖、應(yīng)力解除孔、快速錨桿、掛網(wǎng)噴護(hù)、輔以格柵拱”等綜合措施降低巖爆等級(jí)及危害。隧洞襯砌采取限裂設(shè)計(jì)。圍巖及支護(hù)穩(wěn)定性控制是大規(guī)模地下洞室風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)。

2.4 復(fù)雜地基處理

我國(guó)已有多座高堆石壩建在深厚覆蓋層地基上，已建一次造孔最深的防滲墻深110 m，在建最深的防滲墻為150 m，試驗(yàn)最大深度達(dá)220 m。壩基抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定及防止沙層地震液化是風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)。通過(guò)高壩建設(shè)探索出了能適應(yīng)較大變形和較高水頭作用的防滲墻與大壩防滲體聯(lián)合的防滲結(jié)構(gòu)形式，超深造孔機(jī)械和施工工藝的發(fā)展為建設(shè)超深防滲墻提供了技術(shù)保障。

我國(guó)在復(fù)雜巖石和巖溶地基處理方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。軟弱或透水巖石地基的處理主要采取補(bǔ)強(qiáng)和防滲兩方面措施。首先是詳查后盡量避讓，無(wú)法避讓時(shí)或適當(dāng)擴(kuò)大壩基并采取結(jié)構(gòu)措施改善壩體受力條件，或采取跨越及置換等補(bǔ)強(qiáng)措施提高建筑物基礎(chǔ)巖體承載力和抗變形能力，或采取高壓灌漿及增設(shè)鋪蓋等方式增強(qiáng)防滲能力，或采取錨固措施提高壩基軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度等。

2.5 高邊坡處理

實(shí)踐表明，我國(guó)水利水電工程從籌建準(zhǔn)備開(kāi)始，碰到的首要工程技術(shù)問(wèn)題是邊坡問(wèn)題，其特殊性和復(fù)雜性在其他行業(yè)鮮有見(jiàn)到，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為 “工程規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜、全方位穩(wěn)定分析、針對(duì)性工程治理、信息化建設(shè)和管理”。邊坡抗滑穩(wěn)定和變形控制是風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)。我國(guó)已形成了系統(tǒng)的水工邊坡分類體系及安全控制標(biāo)準(zhǔn)，滑坡邊界條件、巖土指標(biāo)、滑動(dòng)成因、滑坡機(jī)理和穩(wěn)定模式的判斷經(jīng)驗(yàn)較豐富。邊坡綜合治理措施主要包括優(yōu)化坡型、減載壓腳、內(nèi)外排水、淺層支護(hù)和深層錨固等。

3 發(fā)展展望

“十二五”時(shí)期，我國(guó)水資源利用、水電可再生能源開(kāi)發(fā)將迎來(lái)新一輪的快速發(fā)展，熱點(diǎn)向西部高海拔和寒冷地區(qū)轉(zhuǎn)移，發(fā)達(dá)地區(qū)抽水蓄能電站也將進(jìn)一步發(fā)展，工程所處自然條件將更加惡劣，技術(shù)難度會(huì)進(jìn)一步增大。高壩大庫(kù)、高水頭大裝機(jī)容量電站、長(zhǎng)距離輸水等工程建設(shè)給水工技術(shù)帶來(lái)前所未有的機(jī)遇和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 “十二五”期間，南水北調(diào)工程將深化建設(shè)，溪洛渡、向家壩、錦屏一二級(jí)等一批巨型、大型工程將相繼發(fā)電或竣工，烏東德、白鶴灘、兩河口、雙江口等大型水電站也將核準(zhǔn)進(jìn)入建設(shè)期，黃登、松塔、古水等一批大型電站將完成可行性研究設(shè)計(jì)并逐步進(jìn)入籌建或在建階段，怒江上游、金沙江上游、瀾滄江上游、雅魯藏布江下游水電規(guī)劃的主要工作也將完成。上述大部分工程處于高寒、偏遠(yuǎn)、深山峽谷地區(qū)，將面臨更加復(fù)雜的地形地質(zhì)條件、高地震烈度、深厚覆蓋層、高陡邊坡、深埋長(zhǎng)大地下洞室、環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害等工程技術(shù)問(wèn)題，技術(shù)難度不斷加大，需要有針對(duì)性地開(kāi)展重大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，攻克水電工程關(guān)鍵技術(shù)難題。

水工技術(shù)將向300 m級(jí)高拱壩、高土心墻堆石壩的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，300 m級(jí)高面板堆石壩、250 m級(jí)高碾壓混凝土重力壩、深厚覆蓋層上250 m級(jí)高土石壩、150 m級(jí)高碾壓混凝土拱壩的筑壩技術(shù)，300 m級(jí)壩泄洪消能關(guān)鍵技術(shù)，特高邊坡穩(wěn)定分析方法與安全評(píng)價(jià)體系，復(fù)雜地質(zhì)條件下大型地下洞室群穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與控制標(biāo)準(zhǔn)，深埋長(zhǎng)大隧洞圍巖穩(wěn)定性及地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，超大深厚復(fù)雜地基處理等方向發(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外水利工程已有幾千年的歷史，水電工程也有上百年的歷史。在漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)程中，水工技術(shù)伴隨著水利工程和水力發(fā)電工程的發(fā)展而發(fā)展，取得了豐富的工程設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)?？v觀我國(guó)百年來(lái)的水工技術(shù)發(fā)展歷程，大致可劃分為 “艱難起步、曲折前進(jìn)、借鑒提高、重大突破”等四個(gè)階段。百年水工技術(shù)的發(fā)展表明， “社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累是工程技術(shù)發(fā)展、變革的強(qiáng)大推動(dòng)力。”

水工專業(yè)基本形成了完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，將向超高筑壩技術(shù)與安全控制，高水頭大流量泄洪消能關(guān)鍵技術(shù)，特高邊坡分析與安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)，復(fù)雜地質(zhì)條件下大型地下洞室群安全評(píng)價(jià)與控制標(biāo)準(zhǔn)，深埋長(zhǎng)大隧洞圍巖穩(wěn)定分析及超前預(yù)報(bào)技術(shù)，超大深厚復(fù)雜地基處理技術(shù)等方向發(fā)展。與此同時(shí)，水工專業(yè)在技術(shù)發(fā)展、質(zhì)量狀況和人才隊(duì)伍等面方面均是優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)并存。仍需要加強(qiáng)技術(shù)交流與標(biāo)準(zhǔn)修制訂和宣貫，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與避讓、分析與防范、檢測(cè)和控制、管理及應(yīng)急等研究，加大科技投入和成果的推廣應(yīng)用，提高服務(wù)質(zhì)量和管理水平，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)和人才培養(yǎng)。

注：根據(jù)中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)公司水工處技術(shù)總結(jié)報(bào)告 《我國(guó)水電工程水工專業(yè)發(fā)展回顧與近期工作安排》整理。

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