大壩工程百年縱覽

[英國]

P.J.曼森

戰(zhàn)略與規(guī)劃

大壩工程百年縱覽

[英國]

P.J.曼森

為了紀(jì)念著名工程師杰弗里·賓尼1967年主持設(shè)計(jì)巴基斯坦曼格拉大壩，在英國大壩協(xié)會(huì)研討會(huì)(2 a一次)召開時(shí)，都會(huì)邀請(qǐng)嘉賓發(fā)表“杰弗里·賓尼演講”。2016年，P.J曼森受邀演講，回顧了大壩工程過去50 a取得的重大進(jìn)展，內(nèi)容涵蓋水文學(xué)、水力學(xué)、水工建筑物、混凝土壩、砌石壩和土石壩，以及大壩安全和泥沙淤積等，并對(duì)其未來50 a的發(fā)展進(jìn)行了展望。

大壩；壩工程；縱覽

50 a前，大壩的設(shè)計(jì)施工和現(xiàn)在大相徑庭，當(dāng)時(shí)都是采用計(jì)算尺、設(shè)計(jì)用表和7位數(shù)對(duì)數(shù)表進(jìn)行人工計(jì)算。圖紙均為手繪，還沒有便攜型科學(xué)計(jì)算器。當(dāng)時(shí)也有計(jì)算機(jī)，不過所占空間有幾間房屋那么大，還需要人工插入打孔卡。英國當(dāng)時(shí)還是采用英制單位，通訊采用信函和電報(bào)，沒有傳真和電子郵件，當(dāng)然更沒有手機(jī)。一些設(shè)計(jì)上的處理和決定一般需要在現(xiàn)場(chǎng)做出。50a來，大壩設(shè)計(jì)施工方法發(fā)生了很大變化。本文對(duì)大壩工程設(shè)計(jì)各個(gè)學(xué)科發(fā)生的變化和進(jìn)展進(jìn)行了探討，并基于此，對(duì)今后50a大壩工程的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 水文學(xué)

20世紀(jì)中期，水文學(xué)家普遍贊成采用降雨統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合降雨徑流建模的方法來推演極端洪水。由于當(dāng)時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)第一代電子計(jì)算技術(shù)，而且理論假設(shè)降雨本質(zhì)上具有隨機(jī)性，所以可以按照這種方法對(duì)極端洪水事件進(jìn)行推演。也就是說，如果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)足夠多，可以概率論為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測(cè)，例如，預(yù)測(cè)1 000a或10 000a一遇洪水的風(fēng)險(xiǎn)。

但是，即使在技術(shù)發(fā)達(dá)的英國，當(dāng)時(shí)所獲取的數(shù)據(jù)也不足以實(shí)現(xiàn)這種極端概率洪水預(yù)測(cè)。1960年以前，英國全境只有600個(gè)水文站點(diǎn)，各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄年限約50 a，總數(shù)據(jù)量僅約30 000(站·a)。1961年，又增加了6 000個(gè)站點(diǎn)。這意味著20世紀(jì)70年代提出的英國1975年“洪水研究報(bào)告”分析可以提供的數(shù)據(jù)庫總量達(dá)96 000(站·a)。但是約有2/3的數(shù)據(jù)(約60 000(站·a))涵蓋的時(shí)間范圍僅為10 a。

此后，收集的數(shù)據(jù)越來越多。英國1999年“洪水估算手冊(cè)”的研究數(shù)據(jù)為151 245(站·a)，最近的“長期降雨”研究數(shù)據(jù)多達(dá)171 904 (站·a)。但是所用記錄仍然集中于1960～2000年這段時(shí)間內(nèi)，即這些數(shù)據(jù)只具有更廣泛的空間覆蓋度而沒有較長的時(shí)間跨度。因此，在探討1 000a一遇事件時(shí)，實(shí)際上只是根據(jù)最近幾年的記錄，計(jì)算第1 000年發(fā)生一次事件的概率。當(dāng)然，如果降雨本質(zhì)上具有隨機(jī)性，而且也無法獲取長時(shí)間序列數(shù)據(jù)，這樣計(jì)算就沒有問題，但事實(shí)并沒有這么簡單。

20世紀(jì)90年代，維多利亞湖(Lake Victoria)的水位及其流入整個(gè)白尼羅河水系的流量呈有規(guī)律的周期性變化，與太陽輻射變化密切相關(guān)。通過分析奈瓦沙湖(Naivasha)和坦噶尼喀湖(Tanganyika)的水位記錄以及其他長期記錄，可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)水系也存在類似相關(guān)關(guān)系。

非洲南部贊比西(Zambezi)河的長系列水文數(shù)據(jù)的周期性已經(jīng)對(duì)莫桑比克的卡博拉巴薩(Cabora Bassa)大壩以及上游的卡里巴(Kariba)大壩的洪水和產(chǎn)流造成了影響。20世紀(jì)50年代，這種周期性對(duì)卡里巴大壩產(chǎn)生了較大影響，因當(dāng)時(shí)對(duì)施工期洪水的估算值偏低，使得施工期洪水漫過圍堰頂溢流。后來重新評(píng)估了水文條件，將施工期主泄洪工程的設(shè)計(jì)流量從6 000 m3/s提高到9 000 m3/s。

最近，采用200a樹的年輪記錄對(duì)贊比西流域進(jìn)行了分析，并在美國進(jìn)行校準(zhǔn)以得出200 a的年降雨記錄。這些數(shù)值與流域水文站的記錄吻合，可以表明數(shù)據(jù)在200 a的時(shí)間內(nèi)存在周期性，相關(guān)系數(shù)接近90%。

整個(gè)非洲1945～2000年的流域水文站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)都出現(xiàn)“擺動(dòng)”。同時(shí)，在整個(gè)20世紀(jì)，南美洲巴拉那(Rio Parana)河年均徑流與太陽活動(dòng)相關(guān)。英國氣象局研究人員也發(fā)現(xiàn)英國降雨數(shù)據(jù)在某些方面具有周期性。

然而，傳統(tǒng)的水文學(xué)家好像對(duì)此并不感興趣。一般來說，對(duì)洪災(zāi)和饑荒的預(yù)測(cè)會(huì)引起相關(guān)機(jī)構(gòu)的重視(如救援機(jī)構(gòu)或經(jīng)濟(jì)規(guī)劃機(jī)構(gòu))。無論如何，都不應(yīng)該忽視或者低估這些常理和常識(shí)。

未來50a，人類將會(huì)得到越來越多的氣象數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)也已經(jīng)讓信息流通和交換更順暢，所以氣候和降雨模式中的關(guān)系和周期性將會(huì)越來越突顯。就現(xiàn)在而言，周期性厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)英國氣候的影響已經(jīng)越來越明顯。今后，這類研究會(huì)幫助我們更容易地分離并區(qū)分大自然的周期性變化和人為全球變暖造成的變化。簡而言之，希望在未來50a，我們不僅可以預(yù)測(cè)極端降雨事件的災(zāi)害程度，而且還能明確預(yù)測(cè)出降雨事件可能發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)。

2 水力學(xué)

確定了洪水規(guī)模后，則應(yīng)在洪水傳播到河流下游之前，削減其破壞力。20世紀(jì)60年代，消力池是對(duì)洪水進(jìn)行消能最簡單直接的方法。各國也有自己的標(biāo)準(zhǔn)，很多國家遵循美國墾務(wù)局的做法，其出版的《小壩設(shè)計(jì)手冊(cè)》等介紹了相關(guān)具體措施。 然而，一些問題也相繼出現(xiàn)。美國皮特(Pit)河上的一些大壩出現(xiàn)消力墩遭氣蝕破壞現(xiàn)象。巴基斯坦塔貝拉(Tarbela)大壩重量超過800 t的混凝土板因壓差而發(fā)生位移。墨西哥內(nèi)薩瓦爾科約特爾(Nezahualcoyotl)大壩也出現(xiàn)類似情況。美國的力比(Libby)、德沃夏克(Dvorsak)和卡查(Kinzua)等電站也出現(xiàn)因泥沙和雜質(zhì)的球磨作用而磨損消力池表面的情況。蘇丹的羅賽雷斯(Roseires)大壩下泄挾沙水流40 a后，底部閘門發(fā)生腐蝕，不銹鋼襯里侵蝕厚度達(dá)40 mm。巴基斯坦塔貝拉大壩溢洪道泄槽下游的消力池發(fā)生侵蝕，因此產(chǎn)生的維修費(fèi)用高達(dá)2億美元。

大多數(shù)情況下，問題在于工程規(guī)模過大。有些設(shè)計(jì)，在小尺度模型上運(yùn)行良好，但由此推算得到的設(shè)計(jì)水頭、流速和沖擊力卻超過了施工材料和系統(tǒng)可以承受的范圍。1982年，對(duì)不同國家總共300多個(gè)消能工的原型記錄進(jìn)行了研究。研究成果以論文的形式發(fā)表在英國土木工程師協(xié)會(huì)論文集中，其中還包括一份設(shè)計(jì)圖紙，描述了不同類型消力池的推薦用法。很多教科書也都采用了這份圖紙。

同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，很多高水頭泄槽和大型泄洪洞存在氣蝕破壞的問題，這也與工程規(guī)模有關(guān)。高速水流因存在非常規(guī)蒸發(fā)現(xiàn)象，高強(qiáng)度氣泡潰滅，對(duì)混凝土的沖擊很大，其作用相當(dāng)于對(duì)混凝土進(jìn)行開挖。其解決方案著重于對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理，許多設(shè)計(jì)人員也經(jīng)常采用氣槽，甚至出現(xiàn)過度使用的現(xiàn)象。

但是，仍需應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，創(chuàng)新工藝。采用折頂堰降低高水位的老方法再一次出現(xiàn)，如琴鍵式溢流堰或PK式溢流堰。英國環(huán)保局對(duì)某兩個(gè)(Ulley和Boltby)階梯式溢洪道的垮塌進(jìn)行了調(diào)查，深入了解了其水力性能，特別是墻縫處密封不良是其最大的薄弱環(huán)節(jié)。

埃塞俄比亞高185 m的特克茲(Tekezi)大壩采用大量的導(dǎo)流板將閘門出水導(dǎo)入下游狹谷，本文作者為巴基斯坦達(dá)蘇(Dasu)壩設(shè)計(jì)的多水射流布置也有類似的效果。在某些情況下，壩頂溢流的不穩(wěn)定性會(huì)造成壩頂振動(dòng)，引起溢流層及其下部被摻入的氣窩產(chǎn)生共振。對(duì)于這個(gè)問題，無法通過前期設(shè)計(jì)來解決，更多的還是通過工程試錯(cuò)法來處理。1994年，位于阿根廷和巴拉圭邊界的亞西雷塔(Yacyreta)大壩初期泄洪時(shí)，水流過度飽和，消力池較深，溶解的氣體造成下游數(shù)千條魚死亡。近年來，作者和加拿大BC公司合作，為C點(diǎn)大壩提供咨詢，以避免出現(xiàn)類似情況?？梢詫⒌退鲗?dǎo)入到下游消力池的上層水中，不會(huì)出現(xiàn)向下的沖水射流，從而避免了類似亞西雷塔大壩的問題。同時(shí)，在可能的最大流量出現(xiàn)時(shí)，C點(diǎn)大壩水流的水力性能反而更好，所以，這種設(shè)計(jì)值得在所有簡單的消力池設(shè)計(jì)中推廣運(yùn)用。

近年來，控制大型隧道水流的渦流豎井、水力閘和孔口等水力創(chuàng)新設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)，水力工程師的選擇越來越多。另一個(gè)值得關(guān)注的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是“羅伯茨壩頂分離技術(shù)”(Roberts Crest Splitter)。這項(xiàng)設(shè)計(jì)由南非的C.羅伯茨研發(fā)，目前還沒有成為高水頭溢流消能的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。不過，目前越來越多的人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用也越來越廣泛。南非和斯里蘭卡幾個(gè)重要大壩和阿曼瓦迪代蓋(Wadi Dayqah)大壩均采用了這項(xiàng)設(shè)計(jì)，其運(yùn)用效果顯著。

今后，水力學(xué)的發(fā)展和相關(guān)的工程解決方案很大程度上取決于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建模的使用。在許多情況下，CFD模型最好是和物理模型聯(lián)合使用，但是CFD建模能力變化速度快，可以模擬原型水動(dòng)力學(xué)特征(包括摻氣等現(xiàn)象)，使其逐漸成為水利工程主要設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。作者希望CFD能夠進(jìn)一步發(fā)展，并在將來使用CFD設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、安全的水利工程。

3 水工建筑物

50a來，從某種程度上看，水工建筑物的混凝土結(jié)構(gòu)分析基本未發(fā)生變化。極限狀態(tài)分析法可能已經(jīng)取代了彈性力學(xué)分析法，但是基礎(chǔ)分析仍然采用彎矩圖和剪力圖，而且在簡支附近允許出現(xiàn)扭矩和增大的剪力。以后相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生在入職以前就會(huì)學(xué)習(xí)CFD建模、Mathcad、AutoCAD以及有限元建模。這是因?yàn)椋词故且桓喼Я航Y(jié)構(gòu)，也可以對(duì)其進(jìn)行建模、加載和分析，并根據(jù)主應(yīng)力大小、位置和方向配入鋼筋。對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也是如此，只需根據(jù)主應(yīng)力(而非剪力、扭矩或者彎矩)對(duì)原有的程序代碼進(jìn)行重新編寫即可。

此外，作者認(rèn)為在將來有可能對(duì)20世紀(jì)70～80年代的水工建筑物進(jìn)行更新和加固。20世紀(jì)70年代初引入了極限狀態(tài)規(guī)范，采用設(shè)計(jì)裂縫寬度來控制工程使用年限。結(jié)果導(dǎo)致密集鋼筋比以前承受的應(yīng)力高得多。隨著低碳鋼普遍被高強(qiáng)度鋼取代，這種方法還將導(dǎo)致混凝土保護(hù)層厚度減小，在某些情況下，還能減少水泥用量，同樣能達(dá)到28 d的強(qiáng)度。

同時(shí)，英國水泥和混凝土協(xié)會(huì)的研究表明，鋼筋混凝土在運(yùn)用約6個(gè)月后，表面裂縫寬度和鋼筋腐蝕幾乎沒有關(guān)聯(lián)。腐蝕是混凝土基體內(nèi)以及埋入鋼筋不同部分之間的離子交換的電解過程。延長工程使用壽命的最佳方法是，通過盡可能增加鋼筋混凝土保護(hù)層厚度和采用高黏性低水灰比拌和物，來降低水泥基體的滲透性。然而，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法使這一切都朝著相反的方向發(fā)展。

現(xiàn)在對(duì)工程使用壽命有了更好的理解，但是未來50a，有可能需要采用環(huán)氧防腐系統(tǒng)或黏鋼板對(duì)許多構(gòu)筑物都進(jìn)行更換或維修。這就有可能增厚保護(hù)層，增加防腐鋼筋的使用，并一開始就使用防水系統(tǒng)。

4 混凝土壩和砌石壩

過去50a間，堿骨料反應(yīng)(AAR)對(duì)大壩混凝土工程的影響最顯著。一般而言，堿骨料反應(yīng)并不嚴(yán)重，僅造成混凝土緩慢漸進(jìn)膨脹。但是一旦膨脹過大，大壩產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫或超過一定偏差限度，使閘門等機(jī)械部分出現(xiàn)卡頓甚至失靈，問題就變得嚴(yán)重。如卡里巴大壩和卡博拉巴薩大壩就出現(xiàn)了類似問題。英國北威爾士的邁恩圖羅格(Maentwrog)大壩就因堿骨料反應(yīng)而停運(yùn)。未來50a，世界各國的某些大壩也會(huì)因此而停運(yùn)。但是大多數(shù)情況下，會(huì)通過周密監(jiān)測(cè)和管理，對(duì)這些大壩進(jìn)行維護(hù)。

過去50a，混凝土壩的最大“革命”就是混凝土壩的澆筑。碾壓工藝的使用大大降低了混凝土壩施工成本。目前，對(duì)于新建大壩工程，一般的首選方案是碾壓混凝土壩?，F(xiàn)在全球竣工的碾壓混凝土壩已超過700座，雖然方法上存在高黏和干貧混凝土的差異，但是這些差異也在逐漸縮小。

近期還采用碾壓技術(shù)開發(fā)出帶面板的對(duì)稱干硬填筑壩(FSHD)。這種施工形式采用水泥穩(wěn)固的現(xiàn)挖材料構(gòu)建成梯形斷面，迎水面防水。技術(shù)簡單可靠，具有良好的抗震性能，而且建筑物可以安全溢流。除適用于巖石基礎(chǔ)以外，該方法還用于硬土基礎(chǔ)。作者曾設(shè)計(jì)了菲律賓的坎阿蘇延(Can-Asujan)大壩，該壩是率先使用該技術(shù)的大壩之一。目前，日本和中國的工程師們都分別對(duì)這一技術(shù)實(shí)行了標(biāo)準(zhǔn)化，國際大壩委員會(huì)也正在編制關(guān)于這些技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)大壩是在上游密封，采用滑膜鋼筋混凝土板建造，而最近希臘費(fèi)里亞特林諾斯(Filiatrinos)在建的對(duì)稱干硬填筑壩，則只采用土工膜在上游密封防水，并于近期竣工。

目前，采用這種技術(shù)的已竣工或在建的大壩約有80座。這種結(jié)構(gòu)具有良好的熱傳遞性能，由于水泥漿的水化熱被吸收到填石中，水化熱的凈溫升僅為5℃～8℃。各層之間的聯(lián)動(dòng)和剪力傳遞性能極佳。

以后的技術(shù)可能盡量追求簡單性，以降低成本并擴(kuò)大使用范圍。例如一座高50 m的混凝土重力壩的基礎(chǔ)應(yīng)力約1 MPa，而類似的FSHD壩則只有0.5 MPa。這兩座大壩的混凝土立方塊試件強(qiáng)度僅為5 MPa，而且如果是FSHD壩，在地震情況下該強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生很大變化。很明顯，這種低應(yīng)力不要求采用傳統(tǒng)混凝土或更硬的巖石基礎(chǔ)。盡管這看起來有悖常理，但是未來可能會(huì)采用低強(qiáng)度混凝土和配料更簡單的混凝土，因?yàn)檫@就是實(shí)際所需，而且符合相關(guān)質(zhì)量保證/質(zhì)量控制要求。如果考慮工程到達(dá)壽命退役這一點(diǎn)，則該方法可能更具優(yōu)勢(shì)。

5 土石壩

多年來，各方面技術(shù)的發(fā)展為土石壩施工提供了便利，其中包括將土力學(xué)作為一門科學(xué)進(jìn)行研究和發(fā)展、計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用、復(fù)雜分析軟件的出現(xiàn)以及大型重型堆土設(shè)備的開發(fā)。技術(shù)的進(jìn)步讓土石壩的設(shè)計(jì)更精巧，壩高更高。例如巴基斯坦的曼格拉(Mangla)大壩壩高147 m，是英國人第一次用圓弧滑動(dòng)法設(shè)計(jì)的大壩，目前該法已經(jīng)成為常規(guī)分析方法。該壩也是首座考量了黏土內(nèi)部抗剪切性進(jìn)行設(shè)計(jì)的大壩。1997～2007年，作者參加了該大壩10 m加高工程的施工。

曼格拉大壩和附近的塔貝拉大壩都是典型的土石壩，其中有些筑壩材料都具有高度腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。長期以來，這類大壩心墻和壩殼之間的反濾帶都按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。雖然通常情況下，可以計(jì)算出這些大壩土體滑動(dòng)面失穩(wěn)安全系數(shù)和機(jī)械性能安全系數(shù)，但是卻無法得到內(nèi)部腐蝕的安全系數(shù)，而內(nèi)部腐蝕只是導(dǎo)致土石壩失穩(wěn)的多種因素之一。近年來，采用事件樹和單個(gè)事件統(tǒng)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法來解決這一問題。目前，已有大壩內(nèi)部腐蝕工具箱系統(tǒng)，且國際大壩委員會(huì)也給出了相關(guān)指南，在技術(shù)上取得較大進(jìn)步。目前，大壩個(gè)體失穩(wěn)概率的估算基本靠猜測(cè)，盡管這些猜測(cè)建立在精心編制的指導(dǎo)文件之上。雖然結(jié)果可以采用2個(gè)小數(shù)位表示，但實(shí)際上只能得出大概的數(shù)量級(jí)。如今，大壩工程很多方面越來越多地使用到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估?！白畹秃侠砜尚?ALARP)”圖表上的小數(shù)點(diǎn)，還需要更貼近實(shí)際，而不僅僅是模糊的陰影區(qū)域。

過去50a來，土石壩的最重要發(fā)展是混凝土面板堆石壩(CFRD)。早期堆石壩存在嚴(yán)重沉降的問題。美國一座堆石壩施工期間遭遇強(qiáng)降雨，導(dǎo)致大壩下塌幾米，就是典型案例之一。通過水力沖填法將堆石充填到位成為一種通行做法，直到后來采用重型設(shè)備將填料層層壓實(shí)。這些大壩采用上游膜密封，最后采用薄鋼筋混凝土板鋪面。1971年，塔斯馬尼亞高110 m的塞沙那(Cethana)大壩竣工后，關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的信心倍增，該大壩壩高是之前CFRD高度的2倍。作者于1990年對(duì)塔斯馬尼亞的一些大壩進(jìn)行了檢查，其中包括塞沙那大壩，檢查發(fā)現(xiàn)該壩運(yùn)行狀況良好。

在當(dāng)前堆石壩數(shù)量多而心墻材料缺乏的情況下，混凝土面板堆石壩是較為理想的選擇，許多這類大壩的壩高都達(dá)到了200 m左右。然而，也存在對(duì)該技術(shù)自信過度的問題。基座結(jié)合處滲漏是一個(gè)普遍的問題，萊索托的莫哈萊(Mohale)大壩、巴西的巴拉-格蘭德(Barra Grande)和坎普斯諾武斯(Campos Novos)大壩均采用玄武巖石料建造，這些大壩都存在嚴(yán)重的面板失穩(wěn)問題。這一問題由大壩高度、河谷形狀、巖石類型以及面板變形接縫數(shù)量減少等多重因素導(dǎo)致。獲得經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，現(xiàn)在面板中加入了更多的變形接縫并內(nèi)外密封。帶混凝土心墻的堆石壩的安全記錄要好于混凝土面板堆石壩及其他類型的大壩，盡管這種壩型不再“流行”。

過去50a來，地球科學(xué)發(fā)展迅猛，其中E.霍克等人的研究使巖土力學(xué)取得重大進(jìn)展，這些進(jìn)展還包括有限邊界法、非線性分析以及FLAC和RockLab等程序的使用。大壩基礎(chǔ)處理也取得進(jìn)展，如GIN灌漿技術(shù)、膠質(zhì)漿體混合料的出現(xiàn)以及穩(wěn)定、改進(jìn)的灌漿混合料等新方案。

就土石壩而言，未來還將根據(jù)多年來發(fā)展起來的一整套經(jīng)驗(yàn)指數(shù)和測(cè)試研究其土力學(xué)性能。未來某個(gè)時(shí)期，可能只從土壤化學(xué)和一些基本的幾何參數(shù)，就能對(duì)大多數(shù)土壤的性能重新定義和推論。就施工而言，現(xiàn)場(chǎng)土壤壓實(shí)可以通過反饋系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，在碾壓達(dá)到所需要求時(shí)，直接反饋給碾壓機(jī)駕駛室內(nèi)的操作員，沒有必要再規(guī)定碾壓次數(shù)。事實(shí)上，操作員都不需要在駕駛室內(nèi)。目前已采用無操作員遠(yuǎn)程控制的施工機(jī)械，且正致力于對(duì)土石壩的全部施工都進(jìn)行預(yù)先編程，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，屆時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員只需要監(jiān)測(cè)維護(hù)組合車間即可。目前，監(jiān)控甚至可以跨國實(shí)施。這種操作雖然還沒有成為常規(guī)，但是50a后則有可能普及應(yīng)用。

6 大壩安全

大壩安全涉及眾多因素，但關(guān)鍵部分包括：維護(hù)、監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和立法。監(jiān)測(cè)的重要方面之一是對(duì)任何發(fā)生的事件結(jié)果進(jìn)行解釋，以及了解這些結(jié)果對(duì)大壩存在的影響。因此，這種解釋的重要性首當(dāng)其沖。大壩業(yè)主通常對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和歸檔，但不作他用。事實(shí)上，一旦大壩發(fā)生問題，這些數(shù)據(jù)可以在公共調(diào)查時(shí)作為證據(jù)。采集儀表讀數(shù)可以讓工程師了解大壩的運(yùn)行方式。

例如斯里蘭卡的維多利亞(Victoria)大壩在水庫初次蓄水達(dá)到一定高程時(shí)，滲漏率迅速增加。這在雙曲拱壩中很常見，大壩撓曲變形會(huì)造成上游壩踵基礎(chǔ)局部開裂。所以拱壩的帷幕往往位于中間而不是上游。隨著泥沙淤積開始密封住大壩基礎(chǔ)，維多利亞大壩的滲漏逐漸減少。

英國的溫布利博(Wimbleball)支墩壩的滲漏率和水庫水位在一開始成正比，但是當(dāng)將滲漏率按時(shí)間進(jìn)行繪圖時(shí)發(fā)現(xiàn)，每次水庫水位增加或降低時(shí)，滲漏率的變化存在滯后效應(yīng)。這說明有材料破損問題，基礎(chǔ)材料不穩(wěn)定，必須進(jìn)行補(bǔ)救性灌漿。

威爾士的迪納斯(Dinas)混凝土拱壩壩頂長度變化存在類似的滯后效應(yīng)。由于受到堿骨料反應(yīng)的影響，壩體正在膨脹。但是氣溫變化造成的長度變化需要通過繪圖并與潛在的堿骨料反應(yīng)的膨脹變化對(duì)比。上述研究表明，潛在的總體膨脹率比大壩完工后早年的膨脹率要低得多。

如前所述，風(fēng)險(xiǎn)分析對(duì)大壩安全評(píng)估起著越來越重要的作用。雖然風(fēng)險(xiǎn)分析是目前可以采用的最佳方法，但未來在這方面將有可能發(fā)生更多的變化。對(duì)某一失事事件樹中的所有事件都要進(jìn)行評(píng)估，并得出可能發(fā)生失事的概率，最后再評(píng)估是否能夠進(jìn)行干預(yù)或預(yù)防的概率。很明顯，如果能夠保證干預(yù)或預(yù)防失事風(fēng)險(xiǎn)，則事件樹的其他事件就變得多余，其失事的風(fēng)險(xiǎn)就很小。

全球有很多重要的大壩都對(duì)關(guān)鍵失事指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并與報(bào)警系統(tǒng)和電話保持24h連接。未來50a，對(duì)于重要大壩，即一旦失事就會(huì)造成重大生命和經(jīng)濟(jì)損失的大壩，這種監(jiān)控手段可能會(huì)成為常態(tài)。應(yīng)該像現(xiàn)在的公共網(wǎng)絡(luò)攝像頭一樣，讓公眾通過互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合獲得大壩實(shí)時(shí)結(jié)果。

通過預(yù)埋監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)溫度、壓力和應(yīng)力單元，并結(jié)合無人機(jī)和監(jiān)測(cè)攝像頭，對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)大壩實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的日常定期檢查。

大壩監(jiān)測(cè)在于關(guān)注重要的失事機(jī)制。因此，大壩安全工程師應(yīng)有充分的時(shí)間審核和評(píng)估監(jiān)測(cè)結(jié)果。理想的情況是大壩安全立法中要引入甚至鼓勵(lì)這種理念。可以對(duì)水庫工程的許多方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，但是必須與工程師的經(jīng)驗(yàn)和判斷有機(jī)結(jié)合。在對(duì)具體大壩安全進(jìn)行評(píng)估時(shí)，工程師們?cè)谄涠嗄旯こ虒?shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)顯得尤為重要。 一般來說經(jīng)驗(yàn)判斷比較主觀，但是在對(duì)大壩和水庫進(jìn)行審查時(shí)，這種判斷可以基于回答以下3個(gè)問題而得出。

(1) 工程師應(yīng)該問：“如果我家就在這座大壩下游，我會(huì)不會(huì)擔(dān)心？”

(2) 如果出現(xiàn)難以判斷的兩難情況，工程師可以問：“如果是我的前輩，在類似情況下會(huì)怎么做？”

(3) 最后一個(gè)問題是：“如果5 a后水庫發(fā)生嚴(yán)重事故，我在出庭作證時(shí)是否能為自己當(dāng)時(shí)做出的決定以及提出的建議進(jìn)行辯護(hù)？”

對(duì)于大壩安全的未來發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化的增加是大勢(shì)所趨，至少基本原則要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。50a后，國際上應(yīng)該就水庫安全控制包含的內(nèi)容達(dá)成一致。在這方面，國際大壩委員會(huì)、世界銀行及主要融資機(jī)構(gòu)、知名學(xué)術(shù)期刊和行業(yè)組織正發(fā)揮著重要作用。

7 泥沙淤積

水庫泥沙淤積是大壩工程的關(guān)鍵問題，卻又常常被忽視。目前，全球每年投入數(shù)以億計(jì)的資金修建新的大壩和水庫，但是庫容增速卻還低于庫容損失速率。全球水庫每年蓄水量減少0.8%。根據(jù)在巴西利亞召開的第23屆國際大壩委員會(huì)會(huì)議估計(jì)，截至2010年，全球水庫蓄水量已經(jīng)減少1/3，預(yù)計(jì)到2050年將減少2/3，即將在這次所展望的未來50 a內(nèi)發(fā)生，全球各國均會(huì)受到影響。目前，全球水庫蓄水量已經(jīng)回到1985年的水平，而且?guī)烊葸€在不斷減少。

建壩后，一般只有細(xì)粒泥沙才能抵達(dá)壩體，較粗的泥沙會(huì)在壩上游區(qū)域沉積，從而影響到水庫的蓄洪和行洪能力。水庫下泄水流中的泥沙含量減小，會(huì)造成下游河道沖刷以及各種營養(yǎng)物質(zhì)的流失。壩下游河道持續(xù)沖刷的問題，會(huì)對(duì)下游河勢(shì)產(chǎn)生較大影響，例如在埃及尼羅河，導(dǎo)致河口三角洲海岸線消失。

人口增長和流域管理不善等因素使水庫泥沙問題更加嚴(yán)重，全球很多地區(qū)都出現(xiàn)了水庫庫容減少的問題。因此，必須對(duì)這一問題進(jìn)行更深入的研究，并通過結(jié)合有效的沖沙設(shè)施，科學(xué)合理地對(duì)水庫進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)。

隨著水庫庫容的持續(xù)減小，由此產(chǎn)生的各方面影響必將引起政府和公眾的關(guān)注，因此，未來一定會(huì)越來越重視水庫泥沙淤積問題。許多水庫都需要對(duì)沖沙設(shè)施進(jìn)行改造。改造后的水庫能確保足夠的防洪庫容，應(yīng)對(duì)大洪水。水庫沖沙需要環(huán)境保護(hù)監(jiān)管者更多的參與和宣教。對(duì)于小型水庫來說，會(huì)更多地采取疏浚措施，目前正在研究下游泄流持續(xù)疏浚的措施，并可能采用阿基米德螺旋泵渦輪機(jī)進(jìn)行疏浚，這種設(shè)備的輸出功率較大。

8 展 望

上文總結(jié)了大壩工程未來的發(fā)展方向。希望在將來，水文預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能有更大的發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件能夠進(jìn)一步指導(dǎo)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。軟件和智能詢問方法能夠?qū)Υ髩螌?shí)時(shí)性態(tài)進(jìn)行更加詳盡全面的監(jiān)測(cè)和解譯。只有所有學(xué)科的共同發(fā)展，才能有效降低大壩工程發(fā)生事故的概率。雖然，50a前大壩工程設(shè)計(jì)所采用的實(shí)體模型模擬法已逐漸被數(shù)字化建模所取代，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，卻可以利用影像技術(shù)回歸之前的實(shí)體模型建模模擬方法。而且，基于基本工程原理的數(shù)字化分析技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)上述方法。這當(dāng)然是最理想的方法，而且必將不斷普及。

大壩工程設(shè)計(jì)的本質(zhì)是針對(duì)具體工程實(shí)例，在無數(shù)可能的工程方案中，選出最佳方案。在該方案中，一定綜合考慮、權(quán)衡了水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖土力學(xué)、水文學(xué)和地質(zhì)地貌學(xué)等各方面因素，而且可以同時(shí)滿足成本和風(fēng)險(xiǎn)控制要求。然而，現(xiàn)在有些大壩設(shè)計(jì)者會(huì)首先選定壩型，然后讓其他方面達(dá)到這種特定壩型的要求；或是按標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)和布置，有時(shí)也會(huì)得到更好的設(shè)計(jì)方案。有些公司也可能采用標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，再請(qǐng)專門的巖土工程部門來進(jìn)行大壩設(shè)計(jì)，而不進(jìn)行全局性考慮。還有的大壩設(shè)計(jì)者傾向于將土石壩和混凝土壩方面的專家分開，并不考慮所有可能的設(shè)計(jì)方案，也沒有一個(gè)整體方案。

事實(shí)上，大壩工程設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)獨(dú)立的專業(yè)，設(shè)計(jì)者需要有跨專業(yè)的設(shè)計(jì)能力。大壩設(shè)計(jì)專家固然重要，但必須有更廣闊的視野來指導(dǎo)總體設(shè)計(jì)。這需要充分了解和研究各種方案，并根據(jù)具體情況做出最佳選擇。未來，還需要對(duì)大壩運(yùn)行壽命和大壩拆除有更深入的研究，這方面可能涉及更多的新材料和新技術(shù)的運(yùn)用。

經(jīng)濟(jì)學(xué)家J.K.加爾布雷斯曾說過：“每一代人都有責(zé)任為子孫后代留下紀(jì)念碑”。大壩工程就是這種紀(jì)念碑。50a前，英國所有的重要大壩項(xiàng)目都配有建筑師參與壩型設(shè)計(jì)，但如今這一做法似乎已經(jīng)消失。

阿曼的瓦迪代蓋大壩一開始采用直線結(jié)構(gòu)，后改成曲線結(jié)構(gòu)。當(dāng)然這種改動(dòng)并非很必要，只是從結(jié)構(gòu)冗余、水力性能以及審美角度出發(fā)的，而且這種改造并未增加成本，改造后的大壩還成為了當(dāng)?shù)氐穆糜尉包c(diǎn)。

古往今來的大壩工程在各方面發(fā)揮著重要作用，從最早1650年伊朗的卡度(Khadjoo)橋壩到最近美國的萊內(nèi)沙(Lake Lanexa)大壩，案例不勝枚舉。從生態(tài)學(xué)上考慮也有不少案例，如德國的艾本斯托(Eibenstock)大壩，出于下游鮭魚的生境考慮，對(duì)大壩下游面混凝土壩體進(jìn)行了噴砂處理。

這是大壩工程發(fā)展創(chuàng)新和改革的100 a。目前，全球都面臨庫容減少和人口增長等挑戰(zhàn)，創(chuàng)新和改革一定會(huì)延續(xù)下去。下一代大壩工程師一定要富有想象力，并善于抓住創(chuàng)新機(jī)遇。隨著國際合作的深化，對(duì)大壩工程問題和解決方案的共享交流，將有利于該領(lǐng)域的進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展。

大壩工程師是一項(xiàng)光榮的職業(yè)，他們建造的安全供水和發(fā)電工程，將為人類社會(huì)和子孫后代造福。大壩工程將會(huì)變得越來越重要，所有從業(yè)者也都會(huì)為此感到驕傲和自豪。

鄒 瑜 譯

(編輯：李 慧)

2017-03-20

1006-0081(2017)05-0001-06

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