大壩工程百年縱覽

[英國]

P.J.曼森

戰(zhàn)略與規(guī)劃

大壩工程百年縱覽

[英國]

P.J.曼森

為了紀念著名工程師杰弗里·賓尼1967年主持設計巴基斯坦曼格拉大壩，在英國大壩協(xié)會研討會(2 a一次)召開時，都會邀請嘉賓發(fā)表“杰弗里·賓尼演講”。2016年，P.J曼森受邀演講，回顧了大壩工程過去50 a取得的重大進展，內容涵蓋水文學、水力學、水工建筑物、混凝土壩、砌石壩和土石壩，以及大壩安全和泥沙淤積等，并對其未來50 a的發(fā)展進行了展望。

大壩；壩工程；縱覽

50 a前，大壩的設計施工和現(xiàn)在大相徑庭，當時都是采用計算尺、設計用表和7位數(shù)對數(shù)表進行人工計算。圖紙均為手繪，還沒有便攜型科學計算器。當時也有計算機，不過所占空間有幾間房屋那么大，還需要人工插入打孔卡。英國當時還是采用英制單位，通訊采用信函和電報，沒有傳真和電子郵件，當然更沒有手機。一些設計上的處理和決定一般需要在現(xiàn)場做出。50a來，大壩設計施工方法發(fā)生了很大變化。本文對大壩工程設計各個學科發(fā)生的變化和進展進行了探討，并基于此，對今后50a大壩工程的發(fā)展進行了展望。

1 水文學

20世紀中期，水文學家普遍贊成采用降雨統(tǒng)計數(shù)據(jù)結合降雨徑流建模的方法來推演極端洪水。由于當時已經(jīng)出現(xiàn)第一代電子計算技術，而且理論假設降雨本質上具有隨機性，所以可以按照這種方法對極端洪水事件進行推演。也就是說，如果統(tǒng)計數(shù)據(jù)足夠多，可以概率論為基礎進行預測，例如，預測1 000a或10 000a一遇洪水的風險。

但是，即使在技術發(fā)達的英國，當時所獲取的數(shù)據(jù)也不足以實現(xiàn)這種極端概率洪水預測。1960年以前，英國全境只有600個水文站點，各站點的數(shù)據(jù)記錄年限約50 a，總數(shù)據(jù)量僅約30 000(站·a)。1961年，又增加了6 000個站點。這意味著20世紀70年代提出的英國1975年“洪水研究報告”分析可以提供的數(shù)據(jù)庫總量達96 000(站·a)。但是約有2/3的數(shù)據(jù)(約60 000(站·a))涵蓋的時間范圍僅為10 a。

此后，收集的數(shù)據(jù)越來越多。英國1999年“洪水估算手冊”的研究數(shù)據(jù)為151 245(站·a)，最近的“長期降雨”研究數(shù)據(jù)多達171 904 (站·a)。但是所用記錄仍然集中于1960～2000年這段時間內，即這些數(shù)據(jù)只具有更廣泛的空間覆蓋度而沒有較長的時間跨度。因此，在探討1 000a一遇事件時，實際上只是根據(jù)最近幾年的記錄，計算第1 000年發(fā)生一次事件的概率。當然，如果降雨本質上具有隨機性，而且也無法獲取長時間序列數(shù)據(jù)，這樣計算就沒有問題，但事實并沒有這么簡單。

20世紀90年代，維多利亞湖(Lake Victoria)的水位及其流入整個白尼羅河水系的流量呈有規(guī)律的周期性變化，與太陽輻射變化密切相關。通過分析奈瓦沙湖(Naivasha)和坦噶尼喀湖(Tanganyika)的水位記錄以及其他長期記錄，可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)水系也存在類似相關關系。

非洲南部贊比西(Zambezi)河的長系列水文數(shù)據(jù)的周期性已經(jīng)對莫桑比克的卡博拉巴薩(Cabora Bassa)大壩以及上游的卡里巴(Kariba)大壩的洪水和產(chǎn)流造成了影響。20世紀50年代，這種周期性對卡里巴大壩產(chǎn)生了較大影響，因當時對施工期洪水的估算值偏低，使得施工期洪水漫過圍堰頂溢流。后來重新評估了水文條件，將施工期主泄洪工程的設計流量從6 000 m3/s提高到9 000 m3/s。

最近，采用200a樹的年輪記錄對贊比西流域進行了分析，并在美國進行校準以得出200 a的年降雨記錄。這些數(shù)值與流域水文站的記錄吻合，可以表明數(shù)據(jù)在200 a的時間內存在周期性，相關系數(shù)接近90%。

整個非洲1945～2000年的流域水文站點觀測數(shù)據(jù)都出現(xiàn)“擺動”。同時，在整個20世紀，南美洲巴拉那(Rio Parana)河年均徑流與太陽活動相關。英國氣象局研究人員也發(fā)現(xiàn)英國降雨數(shù)據(jù)在某些方面具有周期性。

然而，傳統(tǒng)的水文學家好像對此并不感興趣。一般來說，對洪災和饑荒的預測會引起相關機構的重視(如救援機構或經(jīng)濟規(guī)劃機構)。無論如何，都不應該忽視或者低估這些常理和常識。

未來50a，人類將會得到越來越多的氣象數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)也已經(jīng)讓信息流通和交換更順暢，所以氣候和降雨模式中的關系和周期性將會越來越突顯。就現(xiàn)在而言，周期性厄爾尼諾現(xiàn)象對英國氣候的影響已經(jīng)越來越明顯。今后，這類研究會幫助我們更容易地分離并區(qū)分大自然的周期性變化和人為全球變暖造成的變化。簡而言之，希望在未來50a，我們不僅可以預測極端降雨事件的災害程度，而且還能明確預測出降雨事件可能發(fā)生的時間和地點。

2 水力學

確定了洪水規(guī)模后，則應在洪水傳播到河流下游之前，削減其破壞力。20世紀60年代，消力池是對洪水進行消能最簡單直接的方法。各國也有自己的標準，很多國家遵循美國墾務局的做法，其出版的《小壩設計手冊》等介紹了相關具體措施。 然而，一些問題也相繼出現(xiàn)。美國皮特(Pit)河上的一些大壩出現(xiàn)消力墩遭氣蝕破壞現(xiàn)象。巴基斯坦塔貝拉(Tarbela)大壩重量超過800 t的混凝土板因壓差而發(fā)生位移。墨西哥內薩瓦爾科約特爾(Nezahualcoyotl)大壩也出現(xiàn)類似情況。美國的力比(Libby)、德沃夏克(Dvorsak)和卡查(Kinzua)等電站也出現(xiàn)因泥沙和雜質的球磨作用而磨損消力池表面的情況。蘇丹的羅賽雷斯(Roseires)大壩下泄挾沙水流40 a后，底部閘門發(fā)生腐蝕，不銹鋼襯里侵蝕厚度達40 mm。巴基斯坦塔貝拉大壩溢洪道泄槽下游的消力池發(fā)生侵蝕，因此產(chǎn)生的維修費用高達2億美元。

大多數(shù)情況下，問題在于工程規(guī)模過大。有些設計，在小尺度模型上運行良好，但由此推算得到的設計水頭、流速和沖擊力卻超過了施工材料和系統(tǒng)可以承受的范圍。1982年，對不同國家總共300多個消能工的原型記錄進行了研究。研究成果以論文的形式發(fā)表在英國土木工程師協(xié)會論文集中，其中還包括一份設計圖紙，描述了不同類型消力池的推薦用法。很多教科書也都采用了這份圖紙。

同時研究發(fā)現(xiàn)，很多高水頭泄槽和大型泄洪洞存在氣蝕破壞的問題，這也與工程規(guī)模有關。高速水流因存在非常規(guī)蒸發(fā)現(xiàn)象，高強度氣泡潰滅，對混凝土的沖擊很大，其作用相當于對混凝土進行開挖。其解決方案著重于對混凝土表面進行處理，許多設計人員也經(jīng)常采用氣槽，甚至出現(xiàn)過度使用的現(xiàn)象。

但是，仍需應對挑戰(zhàn)，創(chuàng)新工藝。采用折頂堰降低高水位的老方法再一次出現(xiàn)，如琴鍵式溢流堰或PK式溢流堰。英國環(huán)保局對某兩個(Ulley和Boltby)階梯式溢洪道的垮塌進行了調查，深入了解了其水力性能，特別是墻縫處密封不良是其最大的薄弱環(huán)節(jié)。

埃塞俄比亞高185 m的特克茲(Tekezi)大壩采用大量的導流板將閘門出水導入下游狹谷，本文作者為巴基斯坦達蘇(Dasu)壩設計的多水射流布置也有類似的效果。在某些情況下，壩頂溢流的不穩(wěn)定性會造成壩頂振動，引起溢流層及其下部被摻入的氣窩產(chǎn)生共振。對于這個問題，無法通過前期設計來解決，更多的還是通過工程試錯法來處理。1994年，位于阿根廷和巴拉圭邊界的亞西雷塔(Yacyreta)大壩初期泄洪時，水流過度飽和，消力池較深，溶解的氣體造成下游數(shù)千條魚死亡。近年來，作者和加拿大BC公司合作，為C點大壩提供咨詢，以避免出現(xiàn)類似情況。可以將低水流導入到下游消力池的上層水中，不會出現(xiàn)向下的沖水射流，從而避免了類似亞西雷塔大壩的問題。同時，在可能的最大流量出現(xiàn)時，C點大壩水流的水力性能反而更好，所以，這種設計值得在所有簡單的消力池設計中推廣運用。

近年來，控制大型隧道水流的渦流豎井、水力閘和孔口等水力創(chuàng)新設計不斷涌現(xiàn)，水力工程師的選擇越來越多。另一個值得關注的創(chuàng)新設計是“羅伯茨壩頂分離技術”(Roberts Crest Splitter)。這項設計由南非的C.羅伯茨研發(fā)，目前還沒有成為高水頭溢流消能的標準解決方案。不過，目前越來越多的人已經(jīng)認識到這項設計的優(yōu)點，其應用也越來越廣泛。南非和斯里蘭卡幾個重要大壩和阿曼瓦迪代蓋(Wadi Dayqah)大壩均采用了這項設計，其運用效果顯著。

今后，水力學的發(fā)展和相關的工程解決方案很大程度上取決于計算流體動力學(CFD)建模的使用。在許多情況下，CFD模型最好是和物理模型聯(lián)合使用，但是CFD建模能力變化速度快，可以模擬原型水動力學特征(包括摻氣等現(xiàn)象)，使其逐漸成為水利工程主要設計的基礎。作者希望CFD能夠進一步發(fā)展，并在將來使用CFD設計出經(jīng)濟、安全的水利工程。

3 水工建筑物

50a來，從某種程度上看，水工建筑物的混凝土結構分析基本未發(fā)生變化。極限狀態(tài)分析法可能已經(jīng)取代了彈性力學分析法，但是基礎分析仍然采用彎矩圖和剪力圖，而且在簡支附近允許出現(xiàn)扭矩和增大的剪力。以后相關專業(yè)的畢業(yè)生在入職以前就會學習CFD建模、Mathcad、AutoCAD以及有限元建模。這是因為，即使是一根簡支梁結構，也可以對其進行建模、加載和分析，并根據(jù)主應力大小、位置和方向配入鋼筋。對于復雜的結構也是如此，只需根據(jù)主應力(而非剪力、扭矩或者彎矩)對原有的程序代碼進行重新編寫即可。

此外，作者認為在將來有可能對20世紀70～80年代的水工建筑物進行更新和加固。20世紀70年代初引入了極限狀態(tài)規(guī)范，采用設計裂縫寬度來控制工程使用年限。結果導致密集鋼筋比以前承受的應力高得多。隨著低碳鋼普遍被高強度鋼取代，這種方法還將導致混凝土保護層厚度減小，在某些情況下，還能減少水泥用量，同樣能達到28 d的強度。

同時，英國水泥和混凝土協(xié)會的研究表明，鋼筋混凝土在運用約6個月后，表面裂縫寬度和鋼筋腐蝕幾乎沒有關聯(lián)。腐蝕是混凝土基體內以及埋入鋼筋不同部分之間的離子交換的電解過程。延長工程使用壽命的最佳方法是，通過盡可能增加鋼筋混凝土保護層厚度和采用高黏性低水灰比拌和物，來降低水泥基體的滲透性。然而，極限狀態(tài)設計法使這一切都朝著相反的方向發(fā)展。

現(xiàn)在對工程使用壽命有了更好的理解，但是未來50a，有可能需要采用環(huán)氧防腐系統(tǒng)或黏鋼板對許多構筑物都進行更換或維修。這就有可能增厚保護層，增加防腐鋼筋的使用，并一開始就使用防水系統(tǒng)。

4 混凝土壩和砌石壩

過去50a間，堿骨料反應(AAR)對大壩混凝土工程的影響最顯著。一般而言，堿骨料反應并不嚴重，僅造成混凝土緩慢漸進膨脹。但是一旦膨脹過大，大壩產(chǎn)生結構性裂縫或超過一定偏差限度，使閘門等機械部分出現(xiàn)卡頓甚至失靈，問題就變得嚴重。如卡里巴大壩和卡博拉巴薩大壩就出現(xiàn)了類似問題。英國北威爾士的邁恩圖羅格(Maentwrog)大壩就因堿骨料反應而停運。未來50a，世界各國的某些大壩也會因此而停運。但是大多數(shù)情況下，會通過周密監(jiān)測和管理，對這些大壩進行維護。

過去50a，混凝土壩的最大“革命”就是混凝土壩的澆筑。碾壓工藝的使用大大降低了混凝土壩施工成本。目前，對于新建大壩工程，一般的首選方案是碾壓混凝土壩。現(xiàn)在全球竣工的碾壓混凝土壩已超過700座，雖然方法上存在高黏和干貧混凝土的差異，但是這些差異也在逐漸縮小。

近期還采用碾壓技術開發(fā)出帶面板的對稱干硬填筑壩(FSHD)。這種施工形式采用水泥穩(wěn)固的現(xiàn)挖材料構建成梯形斷面，迎水面防水。技術簡單可靠，具有良好的抗震性能，而且建筑物可以安全溢流。除適用于巖石基礎以外，該方法還用于硬土基礎。作者曾設計了菲律賓的坎阿蘇延(Can-Asujan)大壩，該壩是率先使用該技術的大壩之一。目前，日本和中國的工程師們都分別對這一技術實行了標準化，國際大壩委員會也正在編制關于這些技術的標準。大多數(shù)大壩是在上游密封，采用滑膜鋼筋混凝土板建造，而最近希臘費里亞特林諾斯(Filiatrinos)在建的對稱干硬填筑壩，則只采用土工膜在上游密封防水，并于近期竣工。

目前，采用這種技術的已竣工或在建的大壩約有80座。這種結構具有良好的熱傳遞性能，由于水泥漿的水化熱被吸收到填石中，水化熱的凈溫升僅為5℃～8℃。各層之間的聯(lián)動和剪力傳遞性能極佳。

以后的技術可能盡量追求簡單性，以降低成本并擴大使用范圍。例如一座高50 m的混凝土重力壩的基礎應力約1 MPa，而類似的FSHD壩則只有0.5 MPa。這兩座大壩的混凝土立方塊試件強度僅為5 MPa，而且如果是FSHD壩，在地震情況下該強度不會發(fā)生很大變化。很明顯，這種低應力不要求采用傳統(tǒng)混凝土或更硬的巖石基礎。盡管這看起來有悖常理，但是未來可能會采用低強度混凝土和配料更簡單的混凝土，因為這就是實際所需，而且符合相關質量保證/質量控制要求。如果考慮工程到達壽命退役這一點，則該方法可能更具優(yōu)勢。

5 土石壩

多年來，各方面技術的發(fā)展為土石壩施工提供了便利，其中包括將土力學作為一門科學進行研究和發(fā)展、計算機的廣泛應用、復雜分析軟件的出現(xiàn)以及大型重型堆土設備的開發(fā)。技術的進步讓土石壩的設計更精巧，壩高更高。例如巴基斯坦的曼格拉(Mangla)大壩壩高147 m，是英國人第一次用圓弧滑動法設計的大壩，目前該法已經(jīng)成為常規(guī)分析方法。該壩也是首座考量了黏土內部抗剪切性進行設計的大壩。1997～2007年，作者參加了該大壩10 m加高工程的施工。

曼格拉大壩和附近的塔貝拉大壩都是典型的土石壩，其中有些筑壩材料都具有高度腐蝕的風險。長期以來，這類大壩心墻和壩殼之間的反濾帶都按經(jīng)驗設計。雖然通常情況下，可以計算出這些大壩土體滑動面失穩(wěn)安全系數(shù)和機械性能安全系數(shù)，但是卻無法得到內部腐蝕的安全系數(shù)，而內部腐蝕只是導致土石壩失穩(wěn)的多種因素之一。近年來，采用事件樹和單個事件統(tǒng)計風險評估的方法來解決這一問題。目前，已有大壩內部腐蝕工具箱系統(tǒng)，且國際大壩委員會也給出了相關指南，在技術上取得較大進步。目前，大壩個體失穩(wěn)概率的估算基本靠猜測，盡管這些猜測建立在精心編制的指導文件之上。雖然結果可以采用2個小數(shù)位表示，但實際上只能得出大概的數(shù)量級。如今，大壩工程很多方面越來越多地使用到風險評估。“最低合理可行(ALARP)”圖表上的小數(shù)點，還需要更貼近實際，而不僅僅是模糊的陰影區(qū)域。

過去50a來，土石壩的最重要發(fā)展是混凝土面板堆石壩(CFRD)。早期堆石壩存在嚴重沉降的問題。美國一座堆石壩施工期間遭遇強降雨，導致大壩下塌幾米，就是典型案例之一。通過水力沖填法將堆石充填到位成為一種通行做法，直到后來采用重型設備將填料層層壓實。這些大壩采用上游膜密封，最后采用薄鋼筋混凝土板鋪面。1971年，塔斯馬尼亞高110 m的塞沙那(Cethana)大壩竣工后，關于這項技術的信心倍增，該大壩壩高是之前CFRD高度的2倍。作者于1990年對塔斯馬尼亞的一些大壩進行了檢查，其中包括塞沙那大壩，檢查發(fā)現(xiàn)該壩運行狀況良好。

在當前堆石壩數(shù)量多而心墻材料缺乏的情況下，混凝土面板堆石壩是較為理想的選擇，許多這類大壩的壩高都達到了200 m左右。然而，也存在對該技術自信過度的問題。基座結合處滲漏是一個普遍的問題，萊索托的莫哈萊(Mohale)大壩、巴西的巴拉-格蘭德(Barra Grande)和坎普斯諾武斯(Campos Novos)大壩均采用玄武巖石料建造，這些大壩都存在嚴重的面板失穩(wěn)問題。這一問題由大壩高度、河谷形狀、巖石類型以及面板變形接縫數(shù)量減少等多重因素導致。獲得經(jīng)驗教訓后，現(xiàn)在面板中加入了更多的變形接縫并內外密封。帶混凝土心墻的堆石壩的安全記錄要好于混凝土面板堆石壩及其他類型的大壩，盡管這種壩型不再“流行”。

過去50a來，地球科學發(fā)展迅猛，其中E.霍克等人的研究使巖土力學取得重大進展，這些進展還包括有限邊界法、非線性分析以及FLAC和RockLab等程序的使用。大壩基礎處理也取得進展，如GIN灌漿技術、膠質漿體混合料的出現(xiàn)以及穩(wěn)定、改進的灌漿混合料等新方案。

就土石壩而言，未來還將根據(jù)多年來發(fā)展起來的一整套經(jīng)驗指數(shù)和測試研究其土力學性能。未來某個時期，可能只從土壤化學和一些基本的幾何參數(shù)，就能對大多數(shù)土壤的性能重新定義和推論。就施工而言，現(xiàn)場土壤壓實可以通過反饋系統(tǒng)監(jiān)測，在碾壓達到所需要求時，直接反饋給碾壓機駕駛室內的操作員，沒有必要再規(guī)定碾壓次數(shù)。事實上，操作員都不需要在駕駛室內。目前已采用無操作員遠程控制的施工機械，且正致力于對土石壩的全部施工都進行預先編程，實現(xiàn)全自動化，屆時現(xiàn)場人員只需要監(jiān)測維護組合車間即可。目前，監(jiān)控甚至可以跨國實施。這種操作雖然還沒有成為常規(guī)，但是50a后則有可能普及應用。

6 大壩安全

大壩安全涉及眾多因素，但關鍵部分包括：維護、監(jiān)測、風險評估和立法。監(jiān)測的重要方面之一是對任何發(fā)生的事件結果進行解釋，以及了解這些結果對大壩存在的影響。因此，這種解釋的重要性首當其沖。大壩業(yè)主通常對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和歸檔，但不作他用。事實上，一旦大壩發(fā)生問題，這些數(shù)據(jù)可以在公共調查時作為證據(jù)。采集儀表讀數(shù)可以讓工程師了解大壩的運行方式。

例如斯里蘭卡的維多利亞(Victoria)大壩在水庫初次蓄水達到一定高程時，滲漏率迅速增加。這在雙曲拱壩中很常見，大壩撓曲變形會造成上游壩踵基礎局部開裂。所以拱壩的帷幕往往位于中間而不是上游。隨著泥沙淤積開始密封住大壩基礎，維多利亞大壩的滲漏逐漸減少。

英國的溫布利博(Wimbleball)支墩壩的滲漏率和水庫水位在一開始成正比，但是當將滲漏率按時間進行繪圖時發(fā)現(xiàn)，每次水庫水位增加或降低時，滲漏率的變化存在滯后效應。這說明有材料破損問題，基礎材料不穩(wěn)定，必須進行補救性灌漿。

威爾士的迪納斯(Dinas)混凝土拱壩壩頂長度變化存在類似的滯后效應。由于受到堿骨料反應的影響，壩體正在膨脹。但是氣溫變化造成的長度變化需要通過繪圖并與潛在的堿骨料反應的膨脹變化對比。上述研究表明，潛在的總體膨脹率比大壩完工后早年的膨脹率要低得多。

如前所述，風險分析對大壩安全評估起著越來越重要的作用。雖然風險分析是目前可以采用的最佳方法，但未來在這方面將有可能發(fā)生更多的變化。對某一失事事件樹中的所有事件都要進行評估，并得出可能發(fā)生失事的概率，最后再評估是否能夠進行干預或預防的概率。很明顯，如果能夠保證干預或預防失事風險，則事件樹的其他事件就變得多余，其失事的風險就很小。

全球有很多重要的大壩都對關鍵失事指標進行連續(xù)實時監(jiān)控，并與報警系統(tǒng)和電話保持24h連接。未來50a，對于重要大壩，即一旦失事就會造成重大生命和經(jīng)濟損失的大壩，這種監(jiān)控手段可能會成為常態(tài)。應該像現(xiàn)在的公共網(wǎng)絡攝像頭一樣，讓公眾通過互聯(lián)網(wǎng)結合獲得大壩實時結果。

通過預埋監(jiān)測點連續(xù)監(jiān)測溫度、壓力和應力單元，并結合無人機和監(jiān)測攝像頭，對偏遠地區(qū)大壩實現(xiàn)遠程的日常定期檢查。

大壩監(jiān)測在于關注重要的失事機制。因此，大壩安全工程師應有充分的時間審核和評估監(jiān)測結果。理想的情況是大壩安全立法中要引入甚至鼓勵這種理念。可以對水庫工程的許多方面進行標準化，但是必須與工程師的經(jīng)驗和判斷有機結合。在對具體大壩安全進行評估時，工程師們在其多年工程實踐中積累的經(jīng)驗和知識顯得尤為重要。 一般來說經(jīng)驗判斷比較主觀，但是在對大壩和水庫進行審查時，這種判斷可以基于回答以下3個問題而得出。

(1) 工程師應該問：“如果我家就在這座大壩下游，我會不會擔心？”

(2) 如果出現(xiàn)難以判斷的兩難情況，工程師可以問：“如果是我的前輩，在類似情況下會怎么做？”

(3) 最后一個問題是：“如果5 a后水庫發(fā)生嚴重事故，我在出庭作證時是否能為自己當時做出的決定以及提出的建議進行辯護？”

對于大壩安全的未來發(fā)展，標準化的增加是大勢所趨，至少基本原則要實現(xiàn)標準化。50a后，國際上應該就水庫安全控制包含的內容達成一致。在這方面，國際大壩委員會、世界銀行及主要融資機構、知名學術期刊和行業(yè)組織正發(fā)揮著重要作用。

7 泥沙淤積

水庫泥沙淤積是大壩工程的關鍵問題，卻又常常被忽視。目前，全球每年投入數(shù)以億計的資金修建新的大壩和水庫，但是庫容增速卻還低于庫容損失速率。全球水庫每年蓄水量減少0.8%。根據(jù)在巴西利亞召開的第23屆國際大壩委員會會議估計，截至2010年，全球水庫蓄水量已經(jīng)減少1/3，預計到2050年將減少2/3，即將在這次所展望的未來50 a內發(fā)生，全球各國均會受到影響。目前，全球水庫蓄水量已經(jīng)回到1985年的水平，而且?guī)烊葸€在不斷減少。

建壩后，一般只有細粒泥沙才能抵達壩體，較粗的泥沙會在壩上游區(qū)域沉積，從而影響到水庫的蓄洪和行洪能力。水庫下泄水流中的泥沙含量減小，會造成下游河道沖刷以及各種營養(yǎng)物質的流失。壩下游河道持續(xù)沖刷的問題，會對下游河勢產(chǎn)生較大影響，例如在埃及尼羅河，導致河口三角洲海岸線消失。

人口增長和流域管理不善等因素使水庫泥沙問題更加嚴重，全球很多地區(qū)都出現(xiàn)了水庫庫容減少的問題。因此，必須對這一問題進行更深入的研究，并通過結合有效的沖沙設施，科學合理地對水庫進行運行維護。

隨著水庫庫容的持續(xù)減小，由此產(chǎn)生的各方面影響必將引起政府和公眾的關注，因此，未來一定會越來越重視水庫泥沙淤積問題。許多水庫都需要對沖沙設施進行改造。改造后的水庫能確保足夠的防洪庫容，應對大洪水。水庫沖沙需要環(huán)境保護監(jiān)管者更多的參與和宣教。對于小型水庫來說，會更多地采取疏浚措施，目前正在研究下游泄流持續(xù)疏浚的措施，并可能采用阿基米德螺旋泵渦輪機進行疏浚，這種設備的輸出功率較大。

8 展 望

上文總結了大壩工程未來的發(fā)展方向。希望在將來，水文預報預測能有更大的發(fā)展，計算機軟件能夠進一步指導水工結構設計與分析。軟件和智能詢問方法能夠對大壩實時性態(tài)進行更加詳盡全面的監(jiān)測和解譯。只有所有學科的共同發(fā)展，才能有效降低大壩工程發(fā)生事故的概率。雖然，50a前大壩工程設計所采用的實體模型模擬法已逐漸被數(shù)字化建模所取代，但隨著計算機技術的進一步發(fā)展，卻可以利用影像技術回歸之前的實體模型建模模擬方法。而且，基于基本工程原理的數(shù)字化分析技術有助于實現(xiàn)上述方法。這當然是最理想的方法，而且必將不斷普及。

大壩工程設計的本質是針對具體工程實例，在無數(shù)可能的工程方案中，選出最佳方案。在該方案中，一定綜合考慮、權衡了水力學、結構力學、巖土力學、水文學和地質地貌學等各方面因素，而且可以同時滿足成本和風險控制要求。然而，現(xiàn)在有些大壩設計者會首先選定壩型，然后讓其他方面達到這種特定壩型的要求；或是按標準化的設計和布置，有時也會得到更好的設計方案。有些公司也可能采用標準化的結構，再請專門的巖土工程部門來進行大壩設計，而不進行全局性考慮。還有的大壩設計者傾向于將土石壩和混凝土壩方面的專家分開，并不考慮所有可能的設計方案，也沒有一個整體方案。

事實上，大壩工程設計本身就是一個獨立的專業(yè)，設計者需要有跨專業(yè)的設計能力。大壩設計專家固然重要，但必須有更廣闊的視野來指導總體設計。這需要充分了解和研究各種方案，并根據(jù)具體情況做出最佳選擇。未來，還需要對大壩運行壽命和大壩拆除有更深入的研究，這方面可能涉及更多的新材料和新技術的運用。

經(jīng)濟學家J.K.加爾布雷斯曾說過：“每一代人都有責任為子孫后代留下紀念碑”。大壩工程就是這種紀念碑。50a前，英國所有的重要大壩項目都配有建筑師參與壩型設計，但如今這一做法似乎已經(jīng)消失。

阿曼的瓦迪代蓋大壩一開始采用直線結構，后改成曲線結構。當然這種改動并非很必要，只是從結構冗余、水力性能以及審美角度出發(fā)的，而且這種改造并未增加成本，改造后的大壩還成為了當?shù)氐穆糜尉包c。

古往今來的大壩工程在各方面發(fā)揮著重要作用，從最早1650年伊朗的卡度(Khadjoo)橋壩到最近美國的萊內沙(Lake Lanexa)大壩，案例不勝枚舉。從生態(tài)學上考慮也有不少案例，如德國的艾本斯托(Eibenstock)大壩，出于下游鮭魚的生境考慮，對大壩下游面混凝土壩體進行了噴砂處理。

這是大壩工程發(fā)展創(chuàng)新和改革的100 a。目前，全球都面臨庫容減少和人口增長等挑戰(zhàn)，創(chuàng)新和改革一定會延續(xù)下去。下一代大壩工程師一定要富有想象力，并善于抓住創(chuàng)新機遇。隨著國際合作的深化，對大壩工程問題和解決方案的共享交流，將有利于該領域的進一步創(chuàng)新發(fā)展。

大壩工程師是一項光榮的職業(yè)，他們建造的安全供水和發(fā)電工程，將為人類社會和子孫后代造福。大壩工程將會變得越來越重要，所有從業(yè)者也都會為此感到驕傲和自豪。

鄒 瑜 譯

(編輯：李 慧)

2017-03-20

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