水工建筑物发展的演变历程

水工结构是研究水工建筑物结构型式、强度和稳定分析以及安全评价的一门综合性的工程学科。它所依据的基础理论是固体力学、土力学和岩石力学,当然作为一种调节、控制水流之用的建筑物,它又必然和水力学及建筑材料科学密切相关。水工建筑物的历史悠久,早在公元前2900年,古埃及就在尼罗河上建造了一座高15m、长240m 的挡水坝。在中国,从春秋时期开始,就在黄河下游沿岸修建堤防,经历代整修加固,形成了长约1500km 的黄河大堤。公元前256～251年兴建并沿用至今的岷江都江堰工程,利用鱼嘴分水,飞沙堰泄洪、排沙,宝瓶口引水,充分发挥了调节与控制水流的作用,工程布置之巧妙、合理,堪称是一件科学与艺术结合的精品。

随着生产的发展和科学技术的进步,社会对水资源(特别是水力资源)的需求渐趋迫切,尤其是进入20世纪以后,在西方发达国家兴起了水工建设的高潮,水工建筑物的型式和规模得以迅速发展。以坝工建设为例,无论在建坝的高度,还是技术难度上都有了一个飞跃。如瑞士在1962年建成了世界上最高的混凝土重力坝——大狄克逊坝,高度达到285m;在混凝土拱坝方面,原苏联在1980年建成了目前世界上最高的拱坝——英古里双曲拱坝,高272m;至于土石坝的建设更是发展迅速,原苏联在1989年建成的世界第一高坝——罗贡心墙土石坝,最大坝高甚至达到了335m。据国际大坝委员会统计,目前世界上已建成的、高度在100m 以上的各类大坝已达670座。建坝高度的增长,一方面反映了筑坝设计理论的逐步改善和提高;另一方面和施工技术水平的提高,尤其是施工机械能力的增强关系极为密切。应当说明的是,自20世纪80年代以后,发达国家大型水利水电工程建设的高潮已基本停息,水电能源的开发已接近饱和,如法国和瑞士水力资源的开发程度(已开发量/可开发量)已近100%,德国、瑞典、挪威、意大利、日本已分别达到80%～90%,美国和加拿大已接近70%～80%,而我国的开发率按电量算至今仍不够20%,远远落后于发达国家的平均水平(60%以上),而且也落后于巴西、埃及、印度等发展中国家。

随着改革开放的不断深入,国家综合实力迅速增强,近年来我国坝工建设水平有了突飞猛进的提高,很多水工建筑物的规模已跃居世界第一位,一些被世界坝工权威、专家定为“难以克服”的技术难题也已被相继征服。总之,可以预见21世纪水利工程建设的高潮将出现在中国。截至2003年底,我国已建和在建的、100m 以上的大坝有108座,高度在200m 以上的有5座,其中最高的小湾拱坝高度达292m。在众多的大型水利水电工程建设中,三峡、二滩、小浪底是极具代表性的。

(1)三峡水利枢纽(图8-1)。位于长江干流湖北省境内,主体工程混凝土重力坝最大坝高181m,坝轴线全长2309m。水库总库容393亿m3,在校核洪水位下的最大泄洪流量达102500m3/s,采用坝身22个表孔(8m 宽)、23个深孔(7m×9m)和电站机组联合泄洪,是目前世界上布置坝身泄洪规模最大的工程;初期电站装机1820万k W(26×70万k W),年发电量847亿k W·h,建成后将成为世界上装机容量最大的水电站;枢纽左岸布置有双线五级船闸(单级尺寸:280m×34m×5m),最大阀门水头45.2m,最大提升高度113m,最大过闸船舶吨位3000t,是目前世界上规模最大的船闸,现已正式投入运行。三峡工程是集防洪、发电、航运综合效益为一体的世界级特大型水利枢纽工程。

三峡工程建设克服了一系列技术难题,通过“七五”、“八五”连续科技攻关,在长江防洪系统研究、泥沙与航运问题、库坝区地质和地震问题、工程施工关键技术、电力系统规划及关键技术、三峡工程对生态环境的影响和对策、工程枢纽建设关键技术等研究课题上取得了大量突破性的成果,为保障工程建设的顺利实施提供了坚实的科学基础。其中所取得的有关水工结构学科的主要成果有:枢纽布置及建筑物的优化、高水头多级船闸的结构型式、深水土石围堰的关键技术、船闸高边坡关键技术等。

图8-1　三峡工程枢纽布置图(www.xing528.com)

(2)二滩水电站(图8-2)。位于四川省雅砻江上,拦河大坝为抛物线形双曲拱坝,坝高240m,坝底厚度55.74m,最大中心角91.49°,坝顶弧长775m,上游面倒悬0.18,是目前我国已建成的最高拱坝,世界第三高双曲拱坝。最大泄洪流量23900m3/s,采用坝体表孔(7—11m×15m)、中孔(6—6m×5m)和右岸两条泄洪洞(2—13m×13.5m)三套泄水建筑物组合方式泄洪,而且三套泄洪设施的泄洪能力均能单独宣泄常年洪水,大大增加了泄洪运行的灵活性和安全性。表、中孔相间布置,表孔采用跌坎出流,中孔体型呈上翘形,孔口的挑坎采用三组不同的挑角,使水舌在横向和纵向拉开,中、表孔水舌以较大角度在空中碰撞进行初步消能,另专设坝后水垫塘进行再次消能,坝身最大泄洪流量高达16300m3/s,下泄流量的总功率达39000MW,居世界第一位。电站厂房布置在左岸山体内,装有6台55万k W 的机组,地下厂房长280.3m、宽30.7m、高65.7m,是目前我国已建成的规模最大的地下厂房水电站。二滩拱坝枢纽的建成,标志着我国拱坝建设已达到一个新的水平,并为今后我国高拱坝的建设提供了宝贵的经验。

(3)小浪底水利枢纽(图8-3)。位于黄河干流河南省境内,该枢纽是以防洪为主,兼有发电、灌溉等综合利用效益。枢纽挡水大坝为壤土斜心墙堆石坝,高154m、顶长1667m,总的坝体方量4900万m3,为我国目前体积最大的高土石坝。坝基为砂砾石覆盖层,一般厚30～40m,最厚处达80m 左右。用一道厚1.2m 的混凝土防渗墙防渗,墙体最大深度为80m,防渗墙插入壤土斜心墙12m。枢纽中泄洪建筑物、电站引水隧洞、排沙洞和导流隧洞等进口建筑物均集中、交错、分层、全部布置在坝址左岸沟口,形成塔群,在砂页岩岩体内形成大孔径洞群,这在其特定的地形、地质条件下是小浪底枢纽最鲜明的布置特色,同时也造成了施工的极大困难,国际咨询专家曾将小浪底工程列为世界最难的水利水电工程的前五名。

小浪底地下电站厂房位于左岸山体内,主厂房尺寸为251.5m×26.2m×61.4m,安装6台30万k W的机组。小浪底枢纽最大泄洪流量17327m3/s,由左岸溢洪道(3-11.5m)、三条明流洞(2-8m×9m,1-8m×10m)和三条压力孔板洞(2-4.8m×4.8m,1-4.8m×5.4m)共同承担,左岸岸边专设消力塘底流消能。压力孔板洞采用洞内消能,是由导流洞改建而成的,直径14.5m,最大水头140m,孔板洞消能结构在我国系首次采用,小浪底的孔板洞也是世界上规模(水头、消能功率)最大的孔板洞。小浪底坝址平均年径流量405.5亿m3,年均输沙量13.51亿t,平均含沙量36kg/m3,实测瞬时最大含沙量达到941kg/m3,在左岸电站进水口下另设三条排沙洞(3-φ6.5m)。大流量、高水头的泄洪消能,多泥沙的磨损是小浪底枢纽工程中突出的技术难题。几年来,工程实际运用的情况表明,泄洪、排沙的效果良好。

上述三座水利枢纽工程的技术难度极大,其中小浪底工程是中美联合设计,中外联营体施工;二滩工程是我国设计、国际咨询,中外联营体施工;而三峡工程则完全由我国自己设计,国内联营体施工。因此,这三座大型水利枢纽工程的成功建设,充分显示了我国科技水平的提高,综合国力的增强,同时也标志着我国水利枢纽工程设计和施工的水平已进入世界先进行列。