伊泰普水电站：坝工纵谈

被誉为20世纪“世纪工程”的伊泰普（Itaipu）水电站，是人类水利工程史上的一大奇观。因其电站装机容量巨大，成了当今世界上已建成水电站中的巨无霸。“世纪工程”的桂冠是在同连接法国与英国的海底隧道争夺“世纪工程”这一称号时获得的。

伊泰普大坝位于巴西与巴拉圭交界处的巴拉那（Parana）河上（图1），由巴西与巴拉圭两国合建，1975年动工，1991年竣工，历时17年。巴拉那河是世界第五大河，有众多的急流和瀑布，年径流量7250亿m3。

伊泰普大坝是当今世界最高的大头坝，最大坝高196m（图2）。基岩为坚硬的玄武岩。枢纽组成建筑物包括有右岸土坝、溢洪道、右岸混凝土翼坝、混凝土大头坝、左岸堆石坝与土坝，全长7760m。枢纽布置图如图3所示。水库面积1350km2，总库容290亿m3。大坝土石方总量为9245万m3，浇筑混凝土方量为1250m3（比英法海底隧道混凝土方量多15倍）。

图1　伊泰普大坝地理位置图

图2　1900年后各类支墩坝最大坝高的发展

1—普雷尔坝；2—迪尔索坝；3—狄克逊坝；4—依斯卡巴坝；5—约翰逊坝；6—伊泰普坝

由于大头坝坝型属于大体积混凝土结构，对于像伊泰普这样高度很高的大头坝，坝断面设计是否合理对其经济性的影响很大。众所周知，大头坝的支墩一般采用三角形或梯形形状，其水平截面为矩形［图4（a）］。这种支墩形状存在两个缺点，一是应力分布不均匀，最大应力集中在坝趾，而坝踵往往又出现拉应力；二是不能充分利用材料强度（当支墩用同一强度等级的混凝土建造时）。鉴于这些缺点，人们就自然会想到设计一种合理的支墩形状，使得在库满时墩体内各点具有同样大小的主应力，并同时满足稳定及体积最小的要求。这一课题早在20世纪30年代就有人做过研究。研究结果指出，支墩的“绝对”最经济形状是支墩的上、下游面均呈一向下游弯曲的曲线形状［图4（b）］。然而，半个多世纪过去了，也不见有实施者。实际上，30年代的上述考虑，就是现在所说的“优化”问题。而在支墩设计中开这种支墩优化设计先河的就是伊泰普大头坝。它与传统的大头坝断面相比，最大的区别在于其上游面采用了向坝体中间凹进去的折线形状，如图4（c）所示。其目标函数是坝体体积，应力约束条件为：坝体水平截面上容许垂直压应力为5.1MPa；坝体水平截面上容许垂直拉应力为0；坝踵容许主拉应力为0.5MPa。

图3　伊泰普水电站枢纽布置图（引自《世界江河与大坝》）

图4　典型的大头坝支墩形状

不过最后确定的坝体断面，不是上述计算出来的形状，而是将上游面修改成了直线形（也许因为直线形施工较方便或由于其他原因），如图5所示。在坝工历史上，类似这样的情况也不乏其例。如世界第一座近代重力坝——法国的富伦斯（Furens）坝，开始时按严格理论设计的坝体上、下游面是折线形，后来为了外形美观的缘故，均修改成了用圆弧组成的光滑的曲线形。这都反映了坝工科学既尊重理论又非常重视实践的特点。

图5　伊泰普工程主坝断面图（单位：m）（引自《世界江河与大坝》）

1—坝中心线；2—拦污栅；3—进水口闸门槽；4—压力钢管；5—厂房中心线；6—伸缩接缝；7—灌浆帷幕；8—排水孔

伊泰普水电站共安装有18台机组，每台机组容量为70万kW（这样大容量的机组，目前在国外总共也只有21台），总装机容量为1260万kW。

图6是伊泰普大坝及水电站夜景，气势恢弘。图7是溢洪道泄洪时的情景，蔚为壮观。图8是伊泰普枢纽全景的卫星照片。(www.xing528.com)

图6　伊泰普大坝及水电站夜景（引自upload.wikimedia.org）

图8　伊泰普枢纽全景的卫星照片（引自tconline.com.cn）

伊泰普大坝在施工工艺上的一大特点是大量使用了混凝土掺和剂。按原拟定水泥用量200万t计算，所用掺和剂（粉煤灰）用量竟达45万t，占水泥用量的22.5%。为了研究其地基的稳定性，伊泰普大坝还采用了当时由意大利开创的先进的地质力学模型试验。

图9　被淹没前的塞特克达斯瀑布

（引自britannica.com）

伊泰普水电站工程在获得技术与经济效益的同时，也带来某些负面影响，如水库淹没了世界著名的塞特克达斯（Sete Quedas）^[1]瀑布［也称瓜伊拉（Guaira）瀑布］^[2]。该瀑布有110多万年的历史，汛期流量超过30000m3／s，是世界上流量最大的瀑布。总落差达114m。水从山壑飞泻而下，隆隆巨响远传30km以外，气势非凡（图9）。对于这一淹没问题，巴西生态学家曾举行了一次全国性的抗议活动。1982年8月下旬，世界上许多生态学家和大自然爱好者曾云集瀑布脚下，模仿当地印第安人为他们的酋长举行葬礼时采用的仪式，为瀑布即将消失哀悼。9月19日，曾有4万多名国内外游客在这里集会，他们迈着沉重的步伐，怀着惋惜的心情，排成长队向大瀑布告别。9月下旬，巴西总统菲格雷特穿上黑色葬礼服，前往瀑布告别，并发表了葬礼悼词。10月13日，随着伊泰普大坝的12扇闸门同时关闭，塞特克达斯大瀑布也就消失了，代之而出现的是一个长70km、宽1.5km、库容290亿m3的庞大水库。

“伊泰普”在印第安语中的意思是“会唱歌的石头”。人们之所以用“伊泰普”为水电站命名，是为了永远缅怀塞特凯达斯大瀑布，赞美她为了人类的利益牺牲自我的伟大而乐观的精神。

然而，伊泰普水库的壮观景色对游人同样具有极大的魅力。迄今，已有来自140多个国家的近700万人参观，其中包括100多位国家元首和政府首脑。1992年6月联合国环境与发展大会在巴西举行，会议前后，前来参观的各国生态学家和环境专家多达15000人。

俱往矣！到2009年，数21世纪世界水电站的巨无霸，还看装机容量更大的我国三峡工程。三峡水电站与伊泰普水电站的对比资料见表1。

表1　三峡水电站与伊泰普水电站对比资料表

①　如果计入三峡工程将增建的地下电站6台机组，其总装机容量将达2240万kW。
②　在2002年扩建了2台机组，现总装机容量为1400万kW。

【注释】

[1]塞特克达斯瀑布的现用英文名称“Sete Quedas”，源于葡萄牙语。巴西曾为葡萄牙的殖民地。其中“Sete”是葡萄牙语“7”的意思，表示该瀑布（群）有7个大瀑布（实际上由18个大小瀑布组成）。

[2]世界上还有一座瀑布也被淹没于库水之中，即乌干达的里庞（Ripon）瀑布。该瀑布位于维多利亚尼罗（Victoria Nile）河上，1947年被淹没于欧文瀑布（Owen Falls）坝水库中。