我國水工技術發展與展望

楊澤艷，趙全勝，方光達

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

1 我國水工發展及歷程

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。

據有關報道，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；已建裝機最大的水電站為三峽水電站，總裝機容量22 500 MW，也是目前世界上裝機容量最大的水電站；已建裝機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32.6 m，在建最大的是向家壩地下廠房，開挖跨度達33.4 m；最長的發電引水隧洞是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梯級船閘總水頭113 m，單級最大水頭45.2 m，設計單向通過能力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 發展歷程

從20世紀初開始，縱觀我國的水工技術發展歷程，以筑壩高度的發展為代表，大致可劃分為艱難起步、曲折前進、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世紀初到50年代初，時間跨度50多年。1910年大陸開工建設、1912年建成投產的第一座水電站——石龍壩水電站應為這一階段的里程碑工程。日本占領我國東北期間，為掠奪資源、服務侵略戰爭還修建了豐滿、水豐等百米級混凝土重力壩工程。本階段由于飽受列強欺辱和戰爭創傷，全國水工發展極其緩慢。特點可歸結為現代筑壩技術引入中國、工程屈指可數、技術落后、質量較差。

（2）曲折前進階段。這一階段從20世紀50年代初到70年代末，時間跨度約30年，經歷了蘇聯援建、大躍進、三線建設、文化大革命等歷史時期，水工專業技術得到了初步發展，成功修建了一批100 m級高壩，解決了100 m級高壩的關鍵技術問題，但后期發展速度明顯減慢。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。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業、道路曲折、標準欠缺、體制待善。

圖1 我國水工技術 （壩高）發展階段劃分示意

（3）借鑒提高階段。這一階段從20世紀80年代初至20世紀末，時間跨度約20年，經歷了改革開放等歷史時期。工程建設開始制度創新，業主負責、招標投標、建設監理、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，由外國公司參與設計或施工。這期間三峽工程開工建設，廣州、十三陵等抽水蓄能電站工程也開工建設；建成了烏江渡、龍羊峽、寶珠寺等水電站；引進了碾壓混凝土筑壩、現代混凝土面板堆石壩等技術；國家安排了 “六五”～“九五”科技攻關，在200 m級高壩、泄洪消能、地下工程、碾壓混凝土技術等方面取得了重大進展。二灘水電站最大壩高達240 m、裝機容量達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資金、借鑒學習、穩步發展、技術進步、標準完善、制度建全。

（4）重大突破階段。21世紀開始，國家開始實施 “西電東送”、 “南水北調”工程，我國水利水電發展進入了一個全新的高速發展階段，陸續開工并建成了龍灘、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中，南水北調中線工程相繼開工，白鶴灘、烏東德等巨型水電站和南水北調西線工程前期設計也在穩步推進之中，“藏電東送”規劃提上議事日程。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已很少采用。超高筑壩、高水頭大泄量、復雜地基處理、大容量多級船閘、超高邊坡處理等建設水平均達到世界領先水平，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問題決策可靠，技術標準體系基本建全。隨著中央企業 “走出去”戰略的實施，我國水工先進技術已走出國門，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人員為主施工或設計。這一階段的特點可歸納為高速發展、技術領先、標準更新、體制完善、走向世界。

2 主要技術及發展

2.1 超高壩筑壩技術

我國不僅是超高壩大國，也是超高壩強國。我國已建、在建和擬建200 m以上高壩統計見表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條件的適應性較好，壩身可布置泄水和引水設施，結構受力明確，抗震性能較好，安全可靠性高。復雜地質條件下的壩基深淺層抗滑穩定是重力壩的關鍵技術問題，是風險防范的重點，一般采用多種方法研究論證。壩體應力應變計算分析，壩體混凝土溫控、碾壓混凝土層間結合及壩面防滲等關鍵技術基本成熟。重力壩由于材料強度不能充分發揮，壩體斷面尺寸較大，相應水泥用量多，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模發展。

表1 我國已建、在建和擬建200 m以上高壩統計

拱壩以結構合理和體形優美而著稱，壩身還可泄水，抗震性能好，在狹窄河谷地區修建拱壩既經濟又安全。拱壩設計的關鍵在于查清拱座地質條件，控制拱座穩定。合理地選擇建基面，優化調整大壩體形，壩體應力控制等關鍵技術基本成熟，超高拱壩的抗震安全措施還需深化研究。拱壩對地質條件要求高，勘察工作量較大、周期較長，復雜地質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，施工期壩體應力控制復雜，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于任何壩址，尤其是對于河床覆蓋層深厚、設計地震烈度高等不利自然條件，是一種安全和經濟的選擇。土心墻堆石壩建設的關鍵在于防滲土料的質量、儲量勘察與評價，抗滑穩定和滲透穩定是風險防范的重點。心墻土料設計、改性措施、壩體填筑工藝和質量監控等關鍵技術基本成熟，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出來的安全性高、經濟性好和適應性強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。在堆石料設計和填筑、面板防裂控制以及接縫止水結構等關鍵技術方面均積累了豐富經驗，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，但受到試驗手段的限制，堆石填筑料的力學性能很難通過室內試驗準確把握，壩體變形預測仍是超高堆石壩的技術難題，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行了大量、系統的研究，取得了豐碩的成果并應用于工程實踐。高水頭、大流量、大泄洪功率、大單寬流量、復雜地形地質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、防沖刷破壞是風險防控的重點。泄洪消能建筑物布置多采用分散泄洪、分區消能，并因地制宜地發展了適應不同工程特點的挑流、底流、戽流及寬尾墩臺階溢流聯合等消能方式，在工程中成功采用了各種新型消能工結構，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等也進行了深入的研究，取得了一些經驗或理論數據。目前，超高壩高流速泄洪消能設施運行經驗不多，有待實踐檢驗。

2.3 大規模地下洞室

大跨度、淺埋深或高地應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缺陷，再根據坡地形地質條件、水力過渡過程、進出廠條件等在首部式、中部式或尾部式地下廠房中優選布置形式，結合主要結構面、地應力方向和進出水流條件等選擇軸線方位，結合圍巖穩定性和施工次序優選洞室間距、設計吊車梁布置和支護形式。

近年來水工隧洞向大長度、深埋藏、大斷面等方向發展，一般采取綜合措施預報不良地質條件、高地下水和高地應力，采取 “短進尺、弱爆破、強支護、勤觀測”來處理軟弱圍巖，按 “以堵為主，堵排結合”的原則處理地下水，采用 “導洞開挖、應力解除孔、快速錨桿、掛網噴護、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計。圍巖及支護穩定性控制是大規模地下洞室風險防控的重點。

2.4 復雜地基處理

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220 m。壩基抗滑穩定、滲透穩定及防止沙層地震液化是風險防控的重點。通過高壩建設探索出了能適應較大變形和較高水頭作用的防滲墻與大壩防滲體聯合的防滲結構形式，超深造孔機械和施工工藝的發展為建設超深防滲墻提供了技術保障。

我國在復雜巖石和巖溶地基處理方面也積累了豐富的經驗。軟弱或透水巖石地基的處理主要采取補強和防滲兩方面措施。首先是詳查后盡量避讓，無法避讓時或適當擴大壩基并采取結構措施改善壩體受力條件，或采取跨越及置換等補強措施提高建筑物基礎巖體承載力和抗變形能力，或采取高壓灌漿及增設鋪蓋等方式增強防滲能力，或采取錨固措施提高壩基軟弱結構面抗剪強度等。

2.5 高邊坡處理

實踐表明，我國水利水電工程從籌建準備開始，碰到的首要工程技術問題是邊坡問題，其特殊性和復雜性在其他行業鮮有見到，主要特點表現為 “工程規模大、地質條件復雜、全方位穩定分析、針對性工程治理、信息化建設和管理”。邊坡抗滑穩定和變形控制是風險防控的重點。我國已形成了系統的水工邊坡分類體系及安全控制標準，滑坡邊界條件、巖土指標、滑動成因、滑坡機理和穩定模式的判斷經驗較豐富。邊坡綜合治理措施主要包括優化坡型、減載壓腳、內外排水、淺層支護和深層錨固等。

3 發展展望

“十二五”時期，我國水資源利用、水電可再生能源開發將迎來新一輪的快速發展，熱點向西部高海拔和寒冷地區轉移，發達地區抽水蓄能電站也將進一步發展，工程所處自然條件將更加惡劣，技術難度會進一步增大。高壩大庫、高水頭大裝機容量電站、長距離輸水等工程建設給水工技術帶來前所未有的機遇和嚴峻挑戰。 “十二五”期間，南水北調工程將深化建設，溪洛渡、向家壩、錦屏一二級等一批巨型、大型工程將相繼發電或竣工，烏東德、白鶴灘、兩河口、雙江口等大型水電站也將核準進入建設期，黃登、松塔、古水等一批大型電站將完成可行性研究設計并逐步進入籌建或在建階段，怒江上游、金沙江上游、瀾滄江上游、雅魯藏布江下游水電規劃的主要工作也將完成。上述大部分工程處于高寒、偏遠、深山峽谷地區，將面臨更加復雜的地形地質條件、高地震烈度、深厚覆蓋層、高陡邊坡、深埋長大地下洞室、環境地質災害等工程技術問題，技術難度不斷加大，需要有針對性地開展重大關鍵技術問題的研究，通過技術創新，攻克水電工程關鍵技術難題。

水工技術將向300 m級高拱壩、高土心墻堆石壩的技術標準，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，300 m級壩泄洪消能關鍵技術，特高邊坡穩定分析方法與安全評價體系，復雜地質條件下大型地下洞室群穩定性評價與控制標準，深埋長大隧洞圍巖穩定性及地質超前預報，超大深厚復雜地基處理等方向發展。

4 結 語

國內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。在漫長的歷史進程中，水工技術伴隨著水利工程和水力發電工程的發展而發展，取得了豐富的工程設計和建設經驗。縱觀我國百年來的水工技術發展歷程，大致可劃分為 “艱難起步、曲折前進、借鑒提高、重大突破”等四個階段。百年水工技術的發展表明， “社會經濟發展和實踐經驗積累是工程技術發展、變革的強大推動力。”

水工專業基本形成了完整的技術標準體系，將向超高筑壩技術與安全控制，高水頭大流量泄洪消能關鍵技術，特高邊坡分析與安全評價系統，復雜地質條件下大型地下洞室群安全評價與控制標準，深埋長大隧洞圍巖穩定分析及超前預報技術，超大深厚復雜地基處理技術等方向發展。與此同時，水工專業在技術發展、質量狀況和人才隊伍等面方面均是優勢與挑戰并存。仍需要加強技術交流與標準修制訂和宣貫，加強風險辨識與避讓、分析與防范、檢測和控制、管理及應急等研究，加大科技投入和成果的推廣應用，提高服務質量和管理水平，加強人才隊伍建設和人才培養。

注：根據中國水電工程顧問集團公司水工處技術總結報告 《我國水電工程水工專業發展回顧與近期工作安排》整理。

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