我國水工技術(shù)發(fā)展與展望

楊澤艷，趙全勝，方光達(dá)

（1.中國水電工程顧問集團(tuán)公司，北京 100120；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120）

1 我國水工發(fā)展及歷程

1.1 水工簡況

我國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，距今已有2 600多年歷史。我國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)報道，至2011年我國約有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級高壩。

我國已建最大的水庫為三峽水庫，總庫容為450.44億m3，在全球各類大型水庫的排名中居第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，開挖跨度達(dá)32.6 m，在建最大的是向家壩地下廠房，開挖跨度達(dá)33.4 m；最長的發(fā)電引水隧洞是2004年完建的福堂水電站引水隧洞，長19.3 km。錦屏二級水電站引水隧洞埋深超過2 500 m，是世界上埋深最大的水工隧洞。

我國三峽雙線五級連續(xù)梯級船閘總水頭113 m，單級最大水頭45.2 m，設(shè)計單向通過能力5 000 t，可通過萬噸級船隊。三峽船閘的總水頭、單級水頭、通航噸位均位居世界第一。

1.2 發(fā)展歷程

從20世紀(jì)初開始，縱觀我國的水工技術(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個階段（見圖 1）。

（1）艱難起步階段。這一階段從20世紀(jì)初到50年代初，時間跨度50多年。1910年大陸開工建設(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)我國東北期間，為掠奪資源、服務(wù)侵略戰(zhàn)爭還修建了豐滿、水豐等百米級混凝土重力壩工程。本階段由于飽受列強(qiáng)欺辱和戰(zhàn)爭創(chuàng)傷，全國水工發(fā)展極其緩慢。特點可歸結(jié)為現(xiàn)代筑壩技術(shù)引入中國、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級高壩，解決了100 m級高壩的關(guān)鍵技術(shù)問題，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工建設(shè)。里程碑工程有第一座庫容超100億m3的新安江水電站，第一座裝機(jī)容量超過1 000 MW的劉家峽水電站。本階段的特點可歸納為自主創(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，時間跨度約20年，經(jīng)歷了改革開放等歷史時期。工程建設(shè)開始制度創(chuàng)新，業(yè)主負(fù)責(zé)、招標(biāo)投標(biāo)、建設(shè)監(jiān)理、合同管理等四項制度基本建立。魯布格、二灘、小浪底、天生橋一級等工程采用國外貸款，由外國公司參與設(shè)計或施工。這期間三峽工程開工建設(shè)，廣州、十三陵等抽水蓄能電站工程也開工建設(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)；國家安排了 “六五”～“九五”科技攻關(guān)，在200 m級高壩、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)開始，國家開始實施 “西電東送”、 “南水北調(diào)”工程，我國水利水電發(fā)展進(jìn)入了一個全新的高速發(fā)展階段，陸續(xù)開工并建成了龍灘、水布埡、小灣等一大批高壩大庫及超大型水電站，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)略的實施，我國水工先進(jìn)技術(shù)已走出國門，國外已建最高的面板堆石壩和擬建最高的拱壩都以我國技術(shù)人員為主施工或設(shè)計。這一階段的特點可歸納為高速發(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)

我國不僅是超高壩大國，也是超高壩強(qiáng)國。我國已建、在建和擬建200 m以上高壩統(tǒng)計見表1。從表1可見，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)問題，是風(fēng)險防范的重點，一般采用多種方法研究論證。壩體應(yīng)力應(yīng)變計算分析，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，外來材料運輸量大，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 我國已建、在建和擬建200 m以上高壩統(tǒng)計

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。拱壩對地質(zhì)條件要求高，勘察工作量較大、周期較長，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，尤其是對于河床覆蓋層深厚、設(shè)計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、儲量勘察與評價，抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定是風(fēng)險防范的重點。心墻土料設(shè)計、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，近年來開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踐中體現(xiàn)出來的安全性高、經(jīng)濟(jì)性好和適應(yīng)性強(qiáng)等特點而深受壩工界的青睞，常成為首選的富有競爭力的壩型。在堆石料設(shè)計和填筑、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，近年來超高壩變形控制備受重視，我國已探索建立變形控制集成技術(shù)，但受到試驗手段的限制，堆石填筑料的力學(xué)性能很難通過室內(nèi)試驗準(zhǔn)確把握，壩體變形預(yù)測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

新中國成立以來，我國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近年高壩大庫工程泄洪消能的顯著特點。泄洪建筑物防空蝕、防沖刷破壞是風(fēng)險防控的重點。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)不同工程特點的挑流、底流、戽流及寬尾墩臺階溢流聯(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)，對高速水流空蝕問題、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)驗或理論數(shù)據(jù)。目前，超高壩高流速泄洪消能設(shè)施運行經(jīng)驗不多，有待實踐檢驗。

2.3 大規(guī)模地下洞室

大跨度、淺埋深或高地應(yīng)力是近年我國地下廠房的主要特點。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、水力過渡過程、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)計吊車梁布置和支護(hù)形式。

近年來水工隧洞向大長度、深埋藏、大斷面等方向發(fā)展，一般采取綜合措施預(yù)報不良地質(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”來處理軟弱圍巖，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及危害。隧洞襯砌采取限裂設(shè)計。圍巖及支護(hù)穩(wěn)定性控制是大規(guī)模地下洞室風(fēng)險防控的重點。

2.4 復(fù)雜地基處理

我國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)險防控的重點。通過高壩建設(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。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，無法避讓時或適當(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

實踐表明，我國水利水電工程從籌建準(zhǔn)備開始，碰到的首要工程技術(shù)問題是邊坡問題，其特殊性和復(fù)雜性在其他行業(yè)鮮有見到，主要特點表現(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)險防控的重點。我國已形成了系統(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)、滑動成因、滑坡機(jī)理和穩(wěn)定模式的判斷經(jīng)驗較豐富。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”時期，我國水資源利用、水電可再生能源開發(fā)將迎來新一輪的快速發(fā)展，熱點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)難度會進(jìn)一步增大。高壩大庫、高水頭大裝機(jī)容量電站、長距離輸水等工程建設(shè)給水工技術(shù)帶來前所未有的機(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、深埋長大地下洞室、環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害等工程技術(shù)問題，技術(shù)難度不斷加大，需要有針對性地開展重大關(guān)鍵技術(shù)問題的研究，通過技術(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級高拱壩、高土心墻堆石壩的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，300 m級高面板堆石壩、250 m級高碾壓混凝土重力壩、深厚覆蓋層上250 m級高土石壩、150 m級高碾壓混凝土拱壩的筑壩技術(shù)，300 m級壩泄洪消能關(guān)鍵技術(shù)，特高邊坡穩(wěn)定分析方法與安全評價體系，復(fù)雜地質(zhì)條件下大型地下洞室群穩(wěn)定性評價與控制標(biāo)準(zhǔn)，深埋長大隧洞圍巖穩(wěn)定性及地質(zhì)超前預(yù)報，超大深厚復(fù)雜地基處理等方向發(fā)展。

4 結(jié) 語

國內(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)計和建設(shè)經(jīng)驗。縱觀我國百年來的水工技術(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”等四個階段。百年水工技術(shù)的發(fā)展表明， “社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和實踐經(jīng)驗積累是工程技術(shù)發(fā)展、變革的強(qiáng)大推動力。”

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價系統(tǒng)，復(fù)雜地質(zhì)條件下大型地下洞室群安全評價與控制標(biāo)準(zhǔn)，深埋長大隧洞圍巖穩(wěn)定分析及超前預(yù)報技術(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，水工專業(yè)在技術(shù)發(fā)展、質(zhì)量狀況和人才隊伍等面方面均是優(yōu)勢與挑戰(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)險辨識與避讓、分析與防范、檢測和控制、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)人才隊伍建設(shè)和人才培養(yǎng)。

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

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