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水坝的前世今生
2018/12/10 6:58:44    新闻来源:鹄说水电
杜效鹄 
 导读

水坝贯穿人类文明发展的全过程。未来,人类社会也离不开水坝。高坝大库是流域防灾减灾的根本举措,应积极有序建设高坝大坝,采用更为严格的安全控制标准,更为科学的工程设计方法,极端事件的应对措施,智能健康诊断、风险链辨识和失事路径分析,实现的流域的数字化进行全生命周期管理,建立服役风险评定和风险防控体系,高坝大库的健康工作性态和永续利用是可以保证的。

一、水坝的前世

水坝有着非常悠久的历史。世界上有古可考证最早的水坝是公元前2900年在尼罗河上建造的一座高15米的砌石坝。目前仍在使用的最古老的水坝现存于伊拉克,它建于公元前1300年。公元前700年─前250年,亚述人、巴比伦人、波斯人修筑了多座供灌溉用的水坝。同一时期,在也门、斯里兰卡、印度、中国也修筑了各种水坝。如中国的都江堰,大约建在公元前240年。

在中国,最早的水活动当属传颂几千年的“大禹治水”了。例如《书经》和《史记》都有“大禹治水”的记载。《吕氏春秋 》、《 尚书 》、《 左传 》、《 水经注 》 等多种古籍中也都有述及。可惜只有记载没有遗物可考证。当然,口口相传的神话故事历经几千年后,再记载到典籍上的东西也未必就是真实的,不免有个人喜好和艺术成分。但是可以说明一点,涉水工程在中国的历史也很悠久。

不仅如此,还有一个确定的事实就是有人类活动就需要修建水坝。

美国独立战争胜利后的建国伊始,就开启了被称为向西运动(Westward Movement)的历史。拓荒者从阿巴拉契亚山与密西西比河之间的旧西部,到落基山以东的中西部,再到落基山以西至太平洋岸边的远西部,如涌浪般不停顿地西进。在早期的西部开发中,新移民在农耕生产和矿业开采中自发地修筑了形形色色的各类堰坝。

例如为了磨玉米,人们造了水磨坝(mill dam)。美国田纳西的约克州立历史公园中至今保留着士沃尔夫河畔的水磨坝。下图是阿尔文·c·约克(1943-1964)经营的一座磨坊。

约克水磨坝曾将水引至照片范围左边约克磨坊(图片来源维基百科)



人们为了灌溉,修建了塘坝(pond dam);为了采矿洗选,修建了矿山坝(mining dam);为了消防、饮水、航运,还分别修建了 fire dam、 fields dam、navigating dam。一座dam,为了实现不同的功能,就成了不同的dam。所以,建坝与造桥修路盖房子没有什么区别,就是为人所用。人类生活离不开桥、路、房子,同样也离不了坝。一些人鼓吹的拆坝,其如同拆桥、毁路、倒房子没有什么区别。

坝离不开水,所以都统称为水坝。高度或者蓄水的方量大于规定的数值了,就成大坝(large dam)了,再高点,也就是高坝(high dam)了。


国际大坝委员会(ICOLD)对大坝有明确定义,将高度15m以上或高度5~15m且库容大于300万立方米的拦河建筑物称为大坝。高坝似乎并无统一定论。ICOLD通常定义60米以上的大坝为高坝。美国垦务局规定高于300英尺(91.44米)的大坝为高坝。中国规定70米及以上的大坝为高坝。电力和水利两个行业的规定还不相同。例如电力行业颁布的混凝土拱坝设计规范(DL/T5346-2006)、碾压式土石坝设计规范(DL/T5395-2007)将100米以上的大坝规定为高坝。在修订的重力坝设计规范(NB/T 35026-2014)中,也沿用了大于100米的规定。可以看出,所谓高坝不仅仅是高度,还是相对高技术难度。可以预见,随着坝工理论发展与技术进步,实践经验的积累,对不确定性因素有了更进一步的掌握,高坝定义还会改变。业界普遍将高度200m及以上的高坝又称特高坝(super-high dam)。水坝、大坝、高坝、特高坝,与房子、大楼、高楼、摩天大楼在称呼上有相似之处。它们都是社会需求、技术发展到一定程度必然的产物。城市土地如果不短缺,没有建高楼的必要,如果没有高强度的建筑材料和电梯,也没有建摩天大楼的可能。同样,如果中国的江河安澜、风调雨顺,也没有必要耗资费力建设什么高坝、特高坝。如果没有工程和技术能力,也只能望江兴叹,空伤古今。

激流险滩行船难(图片来源三峡老照片)


二、现代高坝发展历程

现代历史上曾经的高坝强国当属美国。1936年5月1日就建成了甩其他国家好几条街的胡佛坝,最大坝高222米。要知道,当时100米级的大坝在全世界上仅有4座,最高的是法国的索特拱坝,坝高130米。不要小看增加的92米,水推力可是索特的5倍多。设计、建设难度有本质的变化。

美国建成了胡佛坝,胡佛的继任者富兰克林·罗斯福总统在胡佛坝上讲了一句“来了看了服了(I came,I saw,and I was conquered)”。这位推新行政的帝国总统其实是借了凯撒大帝的话,“I come,I see,and I  conquere”。翻译过来就是我所来过的,我所看到的,都是我征服的。从这一个方面也说明,美国政要是多么看重大坝建设,尤其是特高坝的建设。1996年,亚特兰大奥运会火炬传递经过胡佛坝顶时,在坝面上挂出一面高160米、宽70米重一吨半的巨幅美国国旗。这说明美国社会公众对他们的大坝成就也是非常自豪的,而不是我们一家非常高端的智库翻译的一本叫《大坝经济学》的书,把大坝描述成罪恶之源。

直至上世纪50年代,全球唯一超过200米也只有胡佛坝了。胡佛水坝的成功拉开了世界高坝和特高坝建设的序幕。

50年代至80年代,一批高坝和特高坝在欧洲和北美发达国家相继建成投入运行,如美国的奥罗维尔土石坝、瑞士的大迪克森重力坝坝、前苏联的英古力拱坝和萨扬.舒圣斯克拱坝。2000年之前,世界各地已建特高坝32座,中国仅有1座,就是二滩拱坝(240米)。此后全球新建特高坝33座,中国有17座。特高坝的建设中心转移到中国。以三峡、小浪底、龙滩、小湾、溪洛渡、向家坝、糯扎渡、锦屏一级、黄登等一批高坝的成功建设为标志,可以说中国成为世界坝工技术创新和高坝建设的引领者。

世界特高坝发展历史

数据、图片来源于周建平先生的“高坝研究及其未来发展趋势

中国虽然是坝工技术创新和高坝建设的引领者,对于这一事实也要有客观的认识。首先,不是欧美发达国家没有建设高坝的技术和能力了,而是他们没有这样的资源。发达国家的河流开发程度已经很高,很难再找到这样的坝址。高坝优质坝址真实是“一址难求”。第二是没有需求。即使有这样的资源,开发的经济性面临很大的挑战。需求没有了,行业技术自然也就萎缩了。我们的创新,客观上是集成创新和应用创新,基础研究创新很少。此外,我们并没有在产业链关键环节有不可替代的优势。

我这样说并没有贬低中国坝工技术的半点意思。土木工程本来就是实践性佷强的学科,捅破了窗户纸大家都懂,关键是谁能既好又快地干成。


数据图片来源

周建平先生的《高坝大库研究及未来趋势专题报告》

从世界各国横向对比分析,剔除资源禀赋的影响,单位国土面积拥有自主建坝数量排名靠前的国家,往往是技术不断创新的国家,也是工程能力较强的国家。例如日本、瑞士和韩国,尽管水能资源拥有量有限,但单位国土面积自主建坝数量排名三甲,是世界公认的工程能力强国。

三、水坝的尴尬

当前,国内对水坝建设有着非常不好的舆论环境,在一定程度上影响了政策走向。水坝面临非常尴尬的境遇:一是有好的资源不能开发,甚至优质的水能基地连规划都难以审批;二是中小水电被强制关闭,竟然无人说实话;三是建成的大型水电还弃水。

对于第一个尴尬,我们看看舆论“美国人荒野观与荒野保护的历史演变”(光明日报, 2016年09月15日 08版)。这可是顶顶有名的报刊。再看看自然保护代表性观点,下图是某高等学府的研究生论文。

还有一些自媒体引用约翰.缪尔(John Muir)的名言“后代的权利比当代的贪欲更重要”来批评新安江水库建设,鼓吹怒江、雅江不能开发。凡事得有度。真理过一步就是谬误。自然保护与资源利用并不矛盾。这在100年前美国就辩论过了,吉福德.平肖(Gifford Pinchot)和缪尔孰是孰非实践都证明了。别人不玩了,我们现在拿出来炒剩饭。

第二个尴尬,我们看看国内环保人士振辞诘问:“发达国家都在拆坝了,你们怎么还在不断建坝呢?这不是逆世界潮流而动吗?”此问好比说“独轮车、板车、牛车那么多车都淘汰了,你们怎么还在造汽车、火车这车那车的呀”一样的逻辑(潘家铮、林初学)。美国建设的水坝超过200万座,符合ICOLD标准的有9万多座,每年的水坝拆除,就像棚户区老旧危房改造一样,年年几百座,但在旧址或者附近又新建了几百座。拆了老旧坝大书特书,新建加高改造的闭口不言。难道危房拆了就是不能建设新房的借口。美国拆的老坝、危坝,基本上都是小坝,连中坝都很少,更别说大坝。而且拆坝程序比建坝程序都复杂,如果不信,请看下图。没有像我们随意而任性地强拆。


第三是弃水的尴尬。没有哪个国家的水电,建成后白白地流走不发电。水电调峰、调频、调相,维护电网安全功不可磨,竟然得不到容量电价,弃水规模之大令人咂舌。不用说瑞士、英美法等欧美发达国家,就连巴基斯坦等发展中国家对水电都是以容量电价为主。

四、水坝的未来

只要人类社会存在,就离不开水坝。有两种情况可以不要:一是退回到荒蛮时代,还要能够坦然接受洪旱灾害的困苦。这个已经领教几千年了,好像人们都不愿意遭受那个困苦,否则大家也不会传颂大禹的治水功绩。二是科技高度发达,人类可以呼风唤雨,用意念发电。比如随意把太平洋的台风携雨云均匀而温柔地撒到意向地,端起杯子就有无根水,脑子一想灯就亮。具有神仙般的能力估计时间会很长吧。在这过渡时期,诗情画意也要有吴山越水才能浪漫。荒野只是极少数有钱有闲的文明人在大自然短暂平静时的特权享受。

未来,仍然需要建设水坝,尤其是高坝大库。因为高坝大库更能够防灾避祸。地震、滑坡是地球演化的自然现象。尤其西部地质灾害分布广、规模大、预测难,全面治理根本不可能。

图中右岸白色部分是雅砻江中游河段的唐古栋滑坡


1967年6月8日,雅砻江右岸唐古栋滑坡约7000万方下滑形成的堰塞坝,断流10日后形成蓄水达6.8亿立方米的堰塞湖。 6月17日08:00,库水翻坝流出,14:00溃坝洪水,在坝下游10km处水位上涨达48m,流量达62100立方米每秒,盐源县金河水位上涨 30m,米易县小得石上涨16. 6m,会理县上涨12.4m。洪峰所向披靡,摧古拉朽、刮地三尺,这一影响到1300km以外的宜宾市还可看到。

唐古栋滑坡至今稳定性还是极差。试问,如果再发生同等规模的地质灾害,我们有健全的应急体制,完善的应急机制,如何避免灾害损失?下图:锦屏一级高坝大库,至少可以将风险控制在库内不向下游传导。锦屏一级库区在天然状况下就有不少规模不小的的滑坡体、崩塌体,蓄水后也有不少塌滑,风险完全控制在库内。流域梯级滚动开发是我国水电开发既定的方针,高坝大库工程是提升流域防灾减灾能力的根本举措。



高坝大库不仅是满足发电工程,更是集国土整治、江河治理、改善生态环境、促进经济社会可持续发展的重要基础设施。当然,中国水能资源开发逐渐向西部纵深、偏远地区推进。借用潘家铮院士的描述:“穷山、恶水、地震、滑坡、大断裂、深覆盖,……,没有一块是好啃的骨头。”足以可见中国大坝建设将面临怎样复杂、恶劣的自然条件和环境地质条件。

条件复杂不是停止开发,避而不建,而是更为深入的研究,把工程做的更扎实、更牢靠。比如采用更为严格的安全控制标准,更为科学的工程设计方法,极端事件的应对措施,智能健康诊断、风险链辨识和失事路径分析,实现数字流域的全生命周期管理,建立服役风险评定和风险防控体系,这些工作是可以保证高坝大库的健康工作状态和永续利用的。

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