大古力坝与罗斯福坝：坝工纵谈

大古力（Grand Coulee）坝位于美国华盛顿州斯波坎（Spokane）市西北145km处的哥伦比亚河上，具有发电、防洪、灌溉等综合效益。“大古力”在英语中是大峡谷的意思，该坝就坐落在这里的峡谷地貌处。哥伦比亚河是一条国际河流，发源于加拿大不列颠哥伦比亚省的哥伦比亚湖，向南流入美国华盛顿州，然后向西于俄勒冈州注入太平洋，全长2000km，落差808m。该河的一个重要特点是含沙量低，筑坝蓄水后水库不易淤积。现已在干流上建了14个梯级，在支流上建了39个梯级，是世界上水资源利用最充分的河流之一。大古力坝是干流上的第4个梯级，第1个梯级是加拿大的迈卡（Mica）坝，如图1与图2所示。

图1　大古力坝地理位置图

图2　哥伦比亚河梯级开发图（引自dams.org）

大古力坝坝基为花岗岩。坝体为混凝土重力坝，坝高168m，坝顶长1272m。溢流坝段设在河床中部，共有11个溢流表孔。坝内还在三个不同高程处设有泄水孔，每一高程处均布置有20个直径为2.6m的泄水孔。最低高程处的泄水孔用于施工导流，工程完工后用混凝土封堵了。厂房为坝后式，分设在左右两岸（后来被分别称为第一厂房和第二厂房），总装机容量为197.4万kW。工程于1933年动工，1942年建成，如图3所示。图4和图5分别为当时大坝施工及厂房发电机组安装时的场景。由大坝形成的水库是以当时的美国总统罗斯福（Franklin D.Roosevelt）的名字命名的，称“罗斯福湖”（Lake Roosevelt），水库长240km。大古力工程是罗斯福批准投资6000万美元建造的，被誉为罗斯福总统的“新政”杰作。大古力坝的电力在第二次世界大战时几乎全部用于飞机制造用铝和核弹原料钚的生产。

图3　大古力坝（扩建前；详后）（引自HistoryLink Essay）

图4　大古力坝施工现场（引自HistoryLink Essay）

大古力坝的体积有809万m3，在当时是创纪录的。有意义的是，大古力坝如此庞大的体积，使它成了当时世界上第一座超过埃及最高的金字塔——胡夫（Kufu）金字塔体积的人工建筑物。后者的体积为260万m3。

图5　水电站厂房施工现场

（引自HistoryLink Essay）

为了充分开发哥伦比亚河，1961年美国和加拿大两国政府就签订了共同开发该河水资源条约。在20世纪70年代，加拿大就在本国领土内的哥伦比亚河上建造了3座大型水库，从而提高了大古力水库的调节性能；在美国方面，除了在支流上兴建梯级外，还特别对大古力坝进行了大规模的扩建。扩建工程从1967年开始。扩建工程包括：拆除右岸5个坝段，开挖前池，兴建前池坝和第三厂房。为实现上述工程项目的施工，首先在右岸水库中筑了一道围堰。施工中最艰巨的工作是拆除右岸5个坝段。这5个坝段总长79.2m，混凝土方量2.4万m3，采用爆破法拆除。为了在爆破时确保其左侧保留坝体的安全，特在两者之间开凿了一道“隔离槽”，如图6所示。（在其与右岸连接段之间也开凿有隔离槽）。此外，还挖除了待拆坝体的坝趾处地基，使下游坝脚处于“悬空”状态，以便在爆破坝体时，坝体自然地倒向下游。我国三峡工程三期围堰拆除时，是在围堰堰块拟炸高程处的上游端先炸出一个缺口，然后炸裂该高程以上的堰体，使被炸堰体自然地倒向上游，这与大古力坝的上述爆破坝体方法可谓异曲同工，但三峡围堰的拆除工作更艰巨，被拆除块体的长度是前者的6倍，体积是前者的8倍。(www.xing528.com)

图6　扩建后的大古力坝枢纽平面布置图

整个扩建工程于1980年完成。扩建后的总坝长为1592m，总装机容量为649.4万kW。扩建后的大古力坝如图7所示。

图7　扩建后的大古力坝（引自physics.uiowa.edu）

大古力坝的最大亮点是其浩大的扩建工程，以及对待拆坝段所采取的开凿隔离槽与挖除其坝趾处地基的爆破施工方法。

在美国还有一座称之为“罗斯福坝”的坝（图1）。鉴于“罗斯福湖”与“罗斯福坝”在名称问题上可能引起人们的疑惑，这里有必要顺便介绍一下“罗斯福坝”。

人们不一定都知道在美国历史上有两位总统都叫罗斯福，即第26任总统罗斯福（Theodore Roosevelt，1858～1919年），俗称老罗斯福，和第32任总统罗斯福（Franklin D.Roosevelt，1882～1945年），被称为坐在轮椅上的战时总统。后者是前者的堂弟。已于前述，大古力坝形成的水库——“罗斯福湖”是以后者的名字命名的；而与大古力坝相隔遥远的“罗斯福坝”，则是以前者的名字命名的。

罗斯福坝位于美国亚利桑那州的索尔特（Salt）河上，是一座高85m的砌石拱坝，1905年动工，1911年建成，如图8所示。该坝由美国垦务局建造，同一时期由垦务局建造的还有怀俄明州的两座拱坝——探索者（Pathfinder）坝和野牛岬（Buffalo Bill）坝。这三座坝是世界上首次使用“拱冠梁法”进行设计的拱坝，都是由威斯纳（Wisner）和惠勒（Wheeler）在1904～1905年设计的。不过当时在计算水平拱圈时是按刚性固端拱考虑的。在施工方面，当时正处于由传统的“砌石”工艺向“蛮石混凝土”工艺过渡的阶段，罗斯福坝的石块用量就只有50%，而水泥混凝土用量占了36.2%。20世纪初期蛮石混凝土的出现，是坝工材料与施工方法上的一次大变革。

图8　罗斯福坝（引自C.W.Smith）

（a）施工现场；（b）大坝枢纽全景

罗斯福坝是在罗斯福的倡导下建造的，具有灌溉、发电和防洪等综合效益，对保护自然环境起了积极作用。该坝使亚利桑那州的灌溉农业得以兴起，让沙漠变成良田。该坝形成的水库称“罗斯福水库”，水库长40km，风景秀丽。