海拔3000米之上修大壩？這一超級工程震撼世界

導語

土石壩是一個複雜的結構體，大壩中心位置的心牆是由防滲性極強的黏土填充而成，其施工難度隨壩體高度增加而升高。而起保護作用的外殼則是由抗壓性極高的砂石填築，這些砂石都經過嚴格篩選，本身的強度要非常高，還要大小搭配均勻、級配良好。

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學土木工程博士

在中國的西部，由於山勢險峻，水量充沛，這裡大大小小的江河中一直蘊含著巨大的水電資源。

近年來，隨著中國經濟的發展，國家對電力的需求越來越大，對西部地區的水電開發也越玩越「高端」：從長江中游海拔185米的三峽，到上游金沙江海拔834米的白鶴灘水電站，再到海拔2010米高的虎跳峽水電站……海拔越高，山勢越險峻，落差越大，蘊藏的水能資源越豐富，開發起來收益也越大。

可是再往上，到了海拔3000米，連人都會有高原反應的地方，這水電站該怎麼修呢？位於四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江兩河口水電站，正是在這樣的海拔上修建起來的土石壩。

它不僅海拔高，自身也高。通常70米以上的土石壩就被稱為高壩，而兩河口水電站則高達295米，比美國的胡佛大壩還要高出15層樓那樣的高度。

這樣一座水電站是怎麼修建起來的呢？

（一）海拔高自身也高，土石壩是如何修建的？

顧名思義，土石壩就是利用當地土料、石料或混合料築成的擋水壩，與混凝土修建的拱壩和重力壩很不相同。

一座混凝土大壩的澆築量少說也要幾百萬噸，如三峽大壩這樣的巨型大壩，混凝土的澆築量甚至超過7000萬噸。每噸混凝土的造價要一百多元，因此光是混凝土的造價就高達數億元。

要是在平原地帶或者公路運輸通暢的地方，這個混凝土價格尚且可以接受；但兩河口水電站位於高山深谷之中，交通極不便利，不僅使得混凝土的運費大幅上漲，一旦因為惡劣天氣和路況阻礙了交通，混凝土在供應量上也很難跟得上，會嚴重影響工程的進度。

因此，建設者們只好就地取材，利用當地最常見的碎石進行建設。

雖然名為土石壩，但大壩不可能完全由土石建成。土石的簡單堆積體透水性極強，起不到擋水作用，在長期水流衝擊下也很容易被水沖潰。因此，現實中的土石壩是一個複雜的結構體。

大壩中心位置的心牆是由防滲性極強的黏土填充而成，而起保護作用的外殼則是由抗壓性極高的砂石填築。這些砂石都經過嚴格篩選，不僅本身的強度要非常高，而且還要大小搭配均勻，級配良好，這樣才可以在堆積過程中將砂石之間的縫隙填充得儘可能密實，提高大壩整體的強度。

（土石壩所用砂石）

土石壩中心的心牆，向來是土石壩的核心技術，其施工難度隨壩體高度的增加而升高。它不僅要起到重要的防滲作用，而且還兼具著維持壩體穩定的重要作用。其施工難度大，對材料要求高，因此常常成為決定工期和工程質量的重要指標。

經過多方勘察、比選上下游的14個土料場發現，兩河口大壩周邊土料的抗滲性能雖然可以滿足超高壩防滲要求，但總體顆粒偏細，壓縮模量、力學指標偏低，協調變形性能不能滿足超高壩的要求，需要摻加礫石改性。

（土石壩心牆示意圖）

在心牆中摻加礫石會提高心牆的強度，但同時也會降低抗滲性能。此外，摻加礫石的種類也會對心牆的性能造成影響。

經過反覆實驗，工程師們最終找到了最佳的填充方式，使得心牆的強度和抗滲性能都能達到要求。

（二）砂石填築量達一億噸，砂石中的學問可不小

鬆散的砂石本身並不具有強度，土石壩需要依靠砂石層層向上傾斜的堆積維持強度，因此土石壩的厚度往往很大，相同規模的土石壩所用砂石量遠遠大於混凝土壩的材料用量。

兩河口水電站的砂石填築量就達到了一億噸，比三峽大壩還多。為了維持如此巨大的砂石供應，兩河口水電站建設項目專門開闢了幾座山做為採石場。為了修建整座土石壩，需要消耗兩萬噸炸藥，這相當於一顆廣島原子彈的當量。

然而，由於土石壩對於砂石的質量要求很高，能夠為大壩提供堆料的山並不多。

傳統的平行起爆方法爆破方法比較差，產生的碎石最大尺寸太大，級配不合格。因此，工程改用了較為少見的斜線起爆的方式。

經過艱苦的跟蹤試驗，反覆調整爆孔和炸藥的技術參數，爆破工程師們找到了最佳的解決方案，將碎石的最大粒徑降低到了0.8米以下。

（石料開採爆破現場）

每次爆破可以炸出5萬立方米、十萬噸左右的砂石，這些砂石攪拌均勻後會被運到山下的填築場。

光有質量合格的砂石還不夠，在填築過後，這些砂石料還要經過反覆的碾軋才能達到足夠的緻密程度，這樣才足以抵擋相當於三萬台推土機的江水壓力，並起到保護大壩心牆的作用。

如果碾軋不緊實，大壩就會在使用的過程中發生不均勻沉降，嚴重影響大壩的質量，甚至容易被水沖潰。在碾軋的過程中，工程中的每台碾壓機都要碾過相當於繞地球六圈的路程才能將大壩夯實成合格的狀態。這會將整座大壩壓低30米，相當於10層樓的高度。

但是，施工現場有那麼多台碾壓機，應當如何控制碾壓機的軌跡和工作程度，以使得壩體得到充分碾軋呢？

工程師們研發了一種能夠通過衛星定位系統來追蹤碾壓機軌跡的方法，能夠直接監控每一台碾壓機的工作情況，精確指導碾壓機的每個動作。

在碾軋完成後，現場工程師還要對每一處碾壓成果進行精密的檢測。設計圖紙上的坐標信號被傳送到RTK基站，信號和太空中的北斗衛星進行比對，再反饋到現場的質檢工程師手中。如此一來，填築的平整度和密實度誤差就能被控制在厘米級以內，大壩的質量得到保障。

（三）維持邊坡穩定的近5萬噸鋼材，全靠人拉肩扛

橫斷山脈的高聳山峰和狹隘崖壁形成1000多公里長的雅礱峽谷，這樣的地形很適合修建攔河大壩。

勘探人員們用了半個多世紀的時間找到了兩河口這個建設大壩的最佳地點，兩河口之間的花崗岩強度極高，可以作為基岩支撐這座世界最高的土石壩。

儘管兩岸岩土堅實，然而一座上億噸重的土石壩憑空出現在河谷當中，還是會打破原有的岩體結構和受力平衡，對區域內的地質條件造成巨大改變。

兩河口水電站位處橫斷山脈中央，是印度洋板塊和亞歐板塊碰撞的交匯處，正處於地震帶上。因此，在這六百多米高的尺度上，陡峭的邊坡穩定性仍然無法保障，需要進行人為的支護。

對整座山進行支護，需要將鋼錨索插入山體中，將山體岩石牢牢拉住，這原本是一項十分成熟的技術。但這項工程總共要消耗一萬五千根錨索，鋼材總重近5萬噸，相當於一座「鳥巢」的用鋼量。將這些鋼材運送到海拔3000米、交通不便的山上，很大程度上並不依賴什麼高科技，而是依賴最原始的人拉肩扛。

靠這種最原始的建設手段，兩河口水電站的工人們建成了世界上最高的邊坡支護，並能抵禦8級地震，創下了世界紀錄。

（四）土石壩的發電布置，不僅僅是一座大壩那麼簡單

不同於整體性的混凝土壩可以將發電設備直接嵌入壩體內，土石壩的內部是實心堆積的砂土，因此水壩只是將水攔住，再通過一條引水洞將水引出，在下游布置電站。這樣，相當於將整條河流裝進了一條密閉通道中，最大限度地利用河水的動能。

（土石壩的水壩與電站布置示意圖）

在兩河口水壩的側面，人們挖掘了一個長276米，寬29米，高76米的地下電站。這條足以停放6架波音747的渦輪機主廠房將來會安裝6座3400噸重的巨型發電機組。江水通過壓力引水洞被引入水輪機中，驅動水輪機組轉動發電。消耗掉動能的水再從輪機下方的排水道排出電站，進入下遊河道。

土石壩儘管可以利用全部的河水能量，但卻絕不能將河流全部堵死。

為了雅礱江內的魚類和其它水生動物能夠不受影響地生存和繁殖，水電站還專門規划出了一條魚類的生存通道，讓它們可以沿著這條通道自由地遷徙到雅礱江的上游，而大壩攔河形成的114平方公里的水庫本身也將成為魚類的重要棲息地。

可以說，兩河口水電站不僅提供了清潔的電力，在其他的方方面面也是一樣環境友好。

結語

兩河口水電站預計將在2021年底首台機組發電，2023年底完全竣工。屆時，它的年發電量高達110億千瓦時，相當於535萬噸原煤的發電量，可供上海市一個夏季高峰期的用電所需。

此外，作為雅礱江的最上游電站，它還具有蓄水蓄能、分擔長江中下游防洪任務、改善長江航道枯水期航運條件的功能和作用，經濟效益十分顯著。

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編輯| 史文慧

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