我国水工技术发展与展望

杨泽艳，赵全胜，方光达

（1.中国水电工程顾问集团公司，北京 100120；2.水电水利规划设计总院，北京 100120）

1 我国水工发展及历程

1.1 水工简况

我国筑坝可追述到公元前598年～公元前591年在安徽寿县修筑堤坝形成的芍陂灌溉水库，距今已有2 600多年历史。我国大陆第一座水电站云南石龙坝水电站始建于1910年7月；最早的抽水蓄能电站为1963年建成的河北岗南小型混合式抽水蓄能电站。

据有关报道，至2011年我国约有87 000多座大坝，约占世界大坝总量的1/2。高度在200 m以上的超高坝多在2000年以后建成。目前，我国已建最高的常态混凝土重力坝是2008年完建的三峡大坝，高181 m；已建最高的碾压混凝土重力坝是2009年完建的光照大坝，高200.5 m，拟建最高的是黄登坝，高203 m；已建最高的拱坝是2009年完建的小湾双曲拱坝，高294.5 m，在建最高的是锦屏一级拱坝，高305 m；已建最高的碾压混凝土拱坝是2009年完建的大花水坝，高135 m，在建最高的是万家口子坝，高167.5 m；已建最高的土心墙堆石坝是2010年完建的瀑布沟砾石土心墙堆石坝，高186 m，在建最高的是糯扎渡大坝，高261.5 m，拟建最高的是双江口大坝，高314 m；已建最高的面板堆石坝是2008年完建的水布垭坝，高233 m，拟建最高的是茨哈峡、大石峡等250 m级高坝。

我国已建最大的水库为三峡水库，总库容为450.44亿m3，在全球各类大型水库的排名中居第22位；已建装机最大的水电站为三峡水电站，总装机容量22 500 MW，也是目前世界上装机容量最大的水电站；已建装机最大的抽水蓄能电站是2000年完建的广州抽水蓄能电站和2008年完建的惠州抽水蓄能电站，装机容量均是2 400 MW。

我国已建泄量最大的工程是1988年完建的葛洲坝枢纽工程，最大泄量达11万m3/s；三峡工程的泄洪流量和功率均是世界上最大的，泄洪功率约98 GW。已建水头最高的水电站是2011年完建的苏巴姑水电站，水头1 175 m。已建跨度最大的地下厂房是三峡地下厂房，开挖跨度达32.6 m，在建最大的是向家坝地下厂房，开挖跨度达33.4 m；最长的发电引水隧洞是2004年完建的福堂水电站引水隧洞，长19.3 km。锦屏二级水电站引水隧洞埋深超过2 500 m，是世界上埋深最大的水工隧洞。

我国三峡双线五级连续梯级船闸总水头113 m，单级最大水头45.2 m，设计单向通过能力5 000 t，可通过万吨级船队。三峡船闸的总水头、单级水头、通航吨位均位居世界第一。

1.2 发展历程

从20世纪初开始，纵观我国的水工技术发展历程，以筑坝高度的发展为代表，大致可划分为艰难起步、曲折前进、借鉴提高、重大突破等4个阶段（见图 1）。

（1）艰难起步阶段。这一阶段从20世纪初到50年代初，时间跨度50多年。1910年大陆开工建设、1912年建成投产的第一座水电站——石龙坝水电站应为这一阶段的里程碑工程。日本占领我国东北期间，为掠夺资源、服务侵略战争还修建了丰满、水丰等百米级混凝土重力坝工程。本阶段由于饱受列强欺辱和战争创伤，全国水工发展极其缓慢。特点可归结为现代筑坝技术引入中国、工程屈指可数、技术落后、质量较差。

（2）曲折前进阶段。这一阶段从20世纪50年代初到70年代末，时间跨度约30年，经历了苏联援建、大跃进、三线建设、文化大革命等历史时期，水工专业技术得到了初步发展，成功修建了一批100 m级高坝，解决了100 m级高坝的关键技术问题，但后期发展速度明显减慢。期间基本建成了三门峡水利枢纽，建成了两座小型抽水蓄能电站，坝高150 m以上的乌江渡和龙羊峡等水电站开工建设。里程碑工程有第一座库容超100亿m3的新安江水电站，第一座装机容量超过1 000 MW的刘家峡水电站。本阶段的特点可归纳为自主创业、道路曲折、标准欠缺、体制待善。

图1 我国水工技术 （坝高）发展阶段划分示意

（3）借鉴提高阶段。这一阶段从20世纪80年代初至20世纪末，时间跨度约20年，经历了改革开放等历史时期。工程建设开始制度创新，业主负责、招标投标、建设监理、合同管理等四项制度基本建立。鲁布格、二滩、小浪底、天生桥一级等工程采用国外贷款，由外国公司参与设计或施工。这期间三峡工程开工建设，广州、十三陵等抽水蓄能电站工程也开工建设；建成了乌江渡、龙羊峡、宝珠寺等水电站；引进了碾压混凝土筑坝、现代混凝土面板堆石坝等技术；国家安排了 “六五”～“九五”科技攻关，在200 m级高坝、泄洪消能、地下工程、碾压混凝土技术等方面取得了重大进展。二滩水电站最大坝高达240 m、装机容量达3 300 MW，为这一阶段的里程碑工程。这一阶段的特点可归纳为引进资金、借鉴学习、稳步发展、技术进步、标准完善、制度建全。

（4）重大突破阶段。21世纪开始，国家开始实施 “西电东送”、 “南水北调”工程，我国水利水电发展进入了一个全新的高速发展阶段，陆续开工并建成了龙滩、水布垭、小湾等一大批高坝大库及超大型水电站，南水北调西线工程基本完工，溪洛渡、向家坝等巨型水电站正在紧张建设中，南水北调中线工程相继开工，白鹤滩、乌东德等巨型水电站和南水北调西线工程前期设计也在稳步推进之中，“藏电东送”规划提上议事日程。新建了泰安、惠州等1 000 MW抽水蓄能电站10余座。三峡工程装机容量为世界上最大的水电站，为这一阶段的里程碑工程。水力冲填、抛填和爆破堆石类土石坝，支墩、空腹和宽缝类混凝土坝，狭窄河谷坝后式厂房类枢纽布置等水工技术已很少采用。超高筑坝、高水头大泄量、复杂地基处理、大容量多级船闸、超高边坡处理等建设水平均达到世界领先水平，高拱坝、高碾压混凝土坝、高土心墙堆石坝、高面板堆石坝等成为主力坝型。坝址坝型及枢纽布置选择等重大技术问题决策可靠，技术标准体系基本建全。随着中央企业 “走出去”战略的实施，我国水工先进技术已走出国门，国外已建最高的面板堆石坝和拟建最高的拱坝都以我国技术人员为主施工或设计。这一阶段的特点可归纳为高速发展、技术领先、标准更新、体制完善、走向世界。

2 主要技术及发展

2.1 超高坝筑坝技术

我国不仅是超高坝大国，也是超高坝强国。我国已建、在建和拟建200 m以上高坝统计见表1。从表1可见，超高坝主要以混凝土拱坝和重力坝、土心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝等四类坝型为主。

混凝土重力坝对地质条件的适应性较好，坝身可布置泄水和引水设施，结构受力明确，抗震性能较好，安全可靠性高。复杂地质条件下的坝基深浅层抗滑稳定是重力坝的关键技术问题，是风险防范的重点，一般采用多种方法研究论证。坝体应力应变计算分析，坝体混凝土温控、碾压混凝土层间结合及坝面防渗等关键技术基本成熟。重力坝由于材料强度不能充分发挥，坝体断面尺寸较大，相应水泥用量多，外来材料运输量大，且温度控制难度大，工程投资较高，制约了超高重力坝的大规模发展。

表1 我国已建、在建和拟建200 m以上高坝统计

拱坝以结构合理和体形优美而著称，坝身还可泄水，抗震性能好，在狭窄河谷地区修建拱坝既经济又安全。拱坝设计的关键在于查清拱座地质条件，控制拱座稳定。合理地选择建基面，优化调整大坝体形，坝体应力控制等关键技术基本成熟，超高拱坝的抗震安全措施还需深化研究。拱坝对地质条件要求高，勘察工作量较大、周期较长，复杂地质条件下的拱座和边坡处理工程量大，高拱坝温控与防裂要求高，施工期坝体应力控制复杂，这些问题在一定程度上限制了高拱坝的选型。

土心墙堆石坝几乎适应于任何坝址，尤其是对于河床覆盖层深厚、设计地震烈度高等不利自然条件，是一种安全和经济的选择。土心墙堆石坝建设的关键在于防渗土料的质量、储量勘察与评价，抗滑稳定和渗透稳定是风险防范的重点。心墙土料设计、改性措施、坝体填筑工艺和质量监控等关键技术基本成熟，近年来开始重视高坝变形及裂缝控制。土心墙堆石坝的体积较大，心墙料开采占地较多，土料施工受气候影响较大。

面板堆石坝以其在实践中体现出来的安全性高、经济性好和适应性强等特点而深受坝工界的青睐，常成为首选的富有竞争力的坝型。在堆石料设计和填筑、面板防裂控制以及接缝止水结构等关键技术方面均积累了丰富经验，近年来超高坝变形控制备受重视，我国已探索建立变形控制集成技术，但受到试验手段的限制，堆石填筑料的力学性能很难通过室内试验准确把握，坝体变形预测仍是超高堆石坝的技术难题，尚待深入研究。

2.2 高坝泄洪消能

新中国成立以来，我国在高水头大流量泄洪消能方面进行了大量、系统的研究，取得了丰硕的成果并应用于工程实践。高水头、大流量、大泄洪功率、大单宽流量、复杂地形地质条件下的消能防冲是我国近年高坝大库工程泄洪消能的显著特点。泄洪建筑物防空蚀、防冲刷破坏是风险防控的重点。泄洪消能建筑物布置多采用分散泄洪、分区消能，并因地制宜地发展了适应不同工程特点的挑流、底流、戽流及宽尾墩台阶溢流联合等消能方式，在工程中成功采用了各种新型消能工结构，对高速水流空蚀问题、掺气减蚀方法、抗冲耐磨材料和底板抗冲指标等也进行了深入的研究，取得了一些经验或理论数据。目前，超高坝高流速泄洪消能设施运行经验不多，有待实践检验。

2.3 大规模地下洞室

大跨度、浅埋深或高地应力是近年我国地下厂房的主要特点。一般厂址选择中首先考虑避让重大地质缺陷，再根据坡地形地质条件、水力过渡过程、进出厂条件等在首部式、中部式或尾部式地下厂房中优选布置形式，结合主要结构面、地应力方向和进出水流条件等选择轴线方位，结合围岩稳定性和施工次序优选洞室间距、设计吊车梁布置和支护形式。

近年来水工隧洞向大长度、深埋藏、大断面等方向发展，一般采取综合措施预报不良地质条件、高地下水和高地应力，采取 “短进尺、弱爆破、强支护、勤观测”来处理软弱围岩，按 “以堵为主，堵排结合”的原则处理地下水，采用 “导洞开挖、应力解除孔、快速锚杆、挂网喷护、辅以格栅拱”等综合措施降低岩爆等级及危害。隧洞衬砌采取限裂设计。围岩及支护稳定性控制是大规模地下洞室风险防控的重点。

2.4 复杂地基处理

我国已有多座高堆石坝建在深厚覆盖层地基上，已建一次造孔最深的防渗墙深110 m，在建最深的防渗墙为150 m，试验最大深度达220 m。坝基抗滑稳定、渗透稳定及防止沙层地震液化是风险防控的重点。通过高坝建设探索出了能适应较大变形和较高水头作用的防渗墙与大坝防渗体联合的防渗结构形式，超深造孔机械和施工工艺的发展为建设超深防渗墙提供了技术保障。

我国在复杂岩石和岩溶地基处理方面也积累了丰富的经验。软弱或透水岩石地基的处理主要采取补强和防渗两方面措施。首先是详查后尽量避让，无法避让时或适当扩大坝基并采取结构措施改善坝体受力条件，或采取跨越及置换等补强措施提高建筑物基础岩体承载力和抗变形能力，或采取高压灌浆及增设铺盖等方式增强防渗能力，或采取锚固措施提高坝基软弱结构面抗剪强度等。

2.5 高边坡处理

实践表明，我国水利水电工程从筹建准备开始，碰到的首要工程技术问题是边坡问题，其特殊性和复杂性在其他行业鲜有见到，主要特点表现为 “工程规模大、地质条件复杂、全方位稳定分析、针对性工程治理、信息化建设和管理”。边坡抗滑稳定和变形控制是风险防控的重点。我国已形成了系统的水工边坡分类体系及安全控制标准，滑坡边界条件、岩土指标、滑动成因、滑坡机理和稳定模式的判断经验较丰富。边坡综合治理措施主要包括优化坡型、减载压脚、内外排水、浅层支护和深层锚固等。

3 发展展望

“十二五”时期，我国水资源利用、水电可再生能源开发将迎来新一轮的快速发展，热点向西部高海拔和寒冷地区转移，发达地区抽水蓄能电站也将进一步发展，工程所处自然条件将更加恶劣，技术难度会进一步增大。高坝大库、高水头大装机容量电站、长距离输水等工程建设给水工技术带来前所未有的机遇和严峻挑战。 “十二五”期间，南水北调工程将深化建设，溪洛渡、向家坝、锦屏一二级等一批巨型、大型工程将相继发电或竣工，乌东德、白鹤滩、两河口、双江口等大型水电站也将核准进入建设期，黄登、松塔、古水等一批大型电站将完成可行性研究设计并逐步进入筹建或在建阶段，怒江上游、金沙江上游、澜沧江上游、雅鲁藏布江下游水电规划的主要工作也将完成。上述大部分工程处于高寒、偏远、深山峡谷地区，将面临更加复杂的地形地质条件、高地震烈度、深厚覆盖层、高陡边坡、深埋长大地下洞室、环境地质灾害等工程技术问题，技术难度不断加大，需要有针对性地开展重大关键技术问题的研究，通过技术创新，攻克水电工程关键技术难题。

水工技术将向300 m级高拱坝、高土心墙堆石坝的技术标准，300 m级高面板堆石坝、250 m级高碾压混凝土重力坝、深厚覆盖层上250 m级高土石坝、150 m级高碾压混凝土拱坝的筑坝技术，300 m级坝泄洪消能关键技术，特高边坡稳定分析方法与安全评价体系，复杂地质条件下大型地下洞室群稳定性评价与控制标准，深埋长大隧洞围岩稳定性及地质超前预报，超大深厚复杂地基处理等方向发展。

4 结 语

国内外水利工程已有几千年的历史，水电工程也有上百年的历史。在漫长的历史进程中，水工技术伴随着水利工程和水力发电工程的发展而发展，取得了丰富的工程设计和建设经验。纵观我国百年来的水工技术发展历程，大致可划分为 “艰难起步、曲折前进、借鉴提高、重大突破”等四个阶段。百年水工技术的发展表明， “社会经济发展和实践经验积累是工程技术发展、变革的强大推动力。”

水工专业基本形成了完整的技术标准体系，将向超高筑坝技术与安全控制，高水头大流量泄洪消能关键技术，特高边坡分析与安全评价系统，复杂地质条件下大型地下洞室群安全评价与控制标准，深埋长大隧洞围岩稳定分析及超前预报技术，超大深厚复杂地基处理技术等方向发展。与此同时，水工专业在技术发展、质量状况和人才队伍等面方面均是优势与挑战并存。仍需要加强技术交流与标准修制订和宣贯，加强风险辨识与避让、分析与防范、检测和控制、管理及应急等研究，加大科技投入和成果的推广应用，提高服务质量和管理水平，加强人才队伍建设和人才培养。

注：根据中国水电工程顾问集团公司水工处技术总结报告 《我国水电工程水工专业发展回顾与近期工作安排》整理。

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