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关于胡佛水坝的报告
导言
科罗拉多河发源于科罗拉多的落矶山脉，河流长2233km，流域面积为63万km2，跨7个州，经墨西哥流入加利福利亚湾。千百年来，科罗拉多河每年春季及夏初，由于大量融雪径流汇入，致使河流两岸低洼地区泛滥成灾，公众生命财产遭受严重损失，但到了夏末秋初，河流又干涸得像一条细流，无法引水灌溉农田。为了保障不遭受淹没和保证全年稳定的供水量，必须控制这条多灾多难的河流。长期以来，该河流的水权，在美国与墨西哥之间，在以河流为边界的7个州之间，均存在着激烈的争议。到了1922年，各州派1位代表与联邦政府开会讨论了水权问题，并于该年7月签署了利益共享和义务共担的科罗拉多河协议。1928年，国会通过了顽石峡谷工程法案，授权建设胡佛大坝。
胡佛大坝简介
胡佛大坝是美国线代土木工程七大建筑之一，位于科罗拉多河的内华达州与亚利桑那州之间的黑色峡谷之中。它是美国西南地区最大的水利枢纽工程。它以防洪灌溉为主，兼有供水、发电等综合效应。始建于1931年，并于1935年9月30日完成（提前2年），是一座混凝土浇筑量为260万m3的拱形混凝土大坝，其坝高221.3m，坝顶长379.2m，坝顶宽13.7m，坝底宽201.2m。
胡佛水力发电站的规模。水力发电厂房位于坝后，右岸厂房安装8台商业机组，左岸厂房安装9台商业机组，此外还有2台自用机组。1936年10月第1台商业机组发电，1961年第17台商业机组投入运行。该电站有30年代的装机容量134.48kw,发电量34.20亿kw-h，发展到现在的装机容量208万kw、发电量40亿kw-h.4座进水塔建在坝前水库中，4条直径为9.14m的总输水管和19条直径为3.99m的压力钢管均安装在两岸的隧道中。胡佛水利枢纽的效益。其效益有以下几个方面：
① 灌溉。美国境内有上百万亩土地、墨西哥境内约有50万亩土地受到灌溉，为当地的经济发展，提供有力的保障。
② 供水。为拉斯维加斯、洛杉矶、圣地亚哥、凤凰城、吐桑和其他西南部地区的城镇的居民与商业供水，以及为亚利桑那州、内华达州和加利福利亚州内的印第安人社区的居民与商业提供用水。
③ 电力。为内华达、亚利桑那和加利福利亚等州提供电力。单是胡佛水电厂，每年发电量为40亿kw-h，可供150万居民用电。该电站是世界上最大的水力发电站之一，其装机容量至今人居美国之首。
④ 休闲。胡佛大坝形成的水库米德湖是美国最受欢迎的休闲地之一。
建造设计过程
胡佛水坝在1931年3月11日动工，首席工程师是法兰克·高尔（Frank Crowe），水坝经费由政府资助，因此他必须在政府限定时间之内完工，否则他的公司将会面临每天3000美元的巨额罚款。在他们建造水坝前，必须先开辟一条通往峡谷的道路，以运送物资。由于当时正处于经济大萧条时期，失业人数大增，因此为水坝的建造提供了一群数量可观的廉价劳工。
在建造水坝之前，必须先把科罗拉多河分流，但河流两旁满布悬崖，因此惟一方法是在峡谷两边钻挖爆破，开辟四条分流隧道。然而开辟分流隧道的工人生活和工作环境每况愈下，令许多工人对高尔越来越不满，甚至策划罢工。8月7日，工人正式罢工，当时仍有大量有资格取代他们的失业人士，因此工人是冒一个很大的风险，甚至有机会失去工作。高尔选择镇压罢工的工人，开除他们，然后重新招聘。1932年，河内首次流入隧道，分流工程成功，能够正式建造水坝。余下的工程只是利用混凝土去建设水坝，政府给予的限期为4年半，时间虽多，但高尔欲提早完工，以获得大笔奖金。1933年，总共倾注了一百万立方码的混凝土，1935年，水坝提早了两年完工，而高尔亦获得一笔奖金。胡佛水坝令112名工人失去性命。
大坝建造于一个较平直的U 形谷河段, 谷底宽85m, 两岸在1 000～1 100f t 高程以下十分陡峻, 左岸约80°,右岸约70°,该高程以上岸坡逐渐变缓,左、右岸分别为45°和55°,谷顶宽约250m。河床坝基及两岸坝肩主要由熔岩组成, 岩石坚硬, 除极浅的表部(仅数m)风化松弛外, 节理裂隙不发育, 岩体完整性高, 坝基范围内无较大的不连续面, 大坝基坑以
外上、下游各有一条横河断层, 相距270m。1000～1 100f t 高程处岸坡相对变缓, 主要是岩性相对较差, 抗风化力弱, 为角砾岩。但不论熔岩还是角砾岩,单轴湿抗压强度平均值均在100MPa 以上。河床覆盖层最深处38m。地震烈度8°～9°。
设计思路
第一基本点—— 坝要厚大
恳务局负责人米德(E·Mead), 总工程师瓦尔特(R ·F·Walter), 助理总工程师哈帕(S ·O ·Happer)和设计总工程师萨凡奇(J·L·Savag e)等技术决策人, 在设计之初提出了大坝设计需要遵循的3 条基本原则:（1）大坝要搞大体积拱形重力结构;（2）大坝要布置在前后相距约270m 的2 条横河断层之间;（3）库满条件下, 坝体混凝土应力不得超过2.87 MPa(也即是30t / f t 2)。对于第2 条原则比较容易地就做到了, 主要是第1、3 条原则要认真研究。就体积大小这个具体问题而言, 第3 原则如能满足, 则第1 原则基本自然满足, 必然是大体积的。后者具控制性。由于大坝高度太大, 经过长时期多方案的比选探索工作, 第3 基本设计原则无法满足, 以致于最后不得不修改该原则, 放松对大坝的应力控制要求, 库满最大压应力的规定值, 不再坚持原来许可的2.87MPa, 认可了最大压应力为3.79MPa(40t / f t 2)。作拱坝设计和建设的坝工专家很容易得出一个
直觉印象, 对于200m 以上的特高拱坝, 2.87MPa 的设计控制值不仅太苛刻, 也许可以说有些不可思议了。以米德为首的一批专家, 20 世纪初叶是世界混凝土坝的最高权威, 虽然时代不同, 他们不可能不知道“2.87MPa”限制的苛刻性。事实上先于胡佛拱坝,其它许多中、低拱坝的最大压应力已经超过了这个数值, 而且这些坝亦仍是由恳务局设计的。但是, 为何
他们却又恰恰在胡佛拱坝的“设计原则”中, 提出这个“2.87MPa”的控制要求呢? 并非他们忘掉了, 也并不是不清楚, 而是他们除考虑了当时的水工混凝土水平还很低的现实外, 主要是充分体现了技术决策集团无论如何想要建造的, 是一座要有相当厚度大坝的这种可以说是最根本的设计指导思想。笔者注意到美国恳务局在胡佛拱坝的最终(技术)报告中, 对该坝设计的第一条原则是这样写的:“⋯, first , that the dam should be of the maive arched-gravity type;second, ⋯”。据笔者了解, 这个提法不仅现在国际上看不到, 就是在美国的同期出版物中也看不到。如果说该坝决策集团要的仅只是一般意义下的重力拱坝的话, 那么完全可以不加这个“maive”字样。有理由相信, 恰恰这个字一语道破了他们对大坝体形设计的基本考虑: “坝要厚大”。应该说, 恳务局为胡佛水坝的定位和定名:“maive arched-g ravity ty pe”,是明确和恰当的。当然前文谈到过, 这条坝身混凝土最大压应力不得超过2.87MPa 的原则, 最终还是被打破了, 他们不得不认同了3.79MPa 的数值。但也许正是这个苛刻的原则发挥了它潜在的控制作用, 才达到最终贯彻他们真正意图“坝要厚大”的最终目的。这是大坝设计的第1 个基本点。第二基本点——垂直重力作用为主, 是大坝结构安全的主要依托
胡佛坝坝址基本是一个U 形河谷, 谷底宽约85m, 谷顶宽307m, 按全坝高222m 衡量, 宽高比为1.38。高程1 000～1 100ft 处, 河谷岸坡变缓, 以该高程计, 谷宽为165～180m, 该高程以下的河谷宽高比仅为1.0～1.09。就我国情况看, 它与黄河上游、东风等一批坝址情况相同, 是理想的建造拱坝、薄拱坝的地形条件;而且胡佛坝址的地质条件很好。但是, 当时恳务局专家们采用的完全是另一套思路。如果不看平面图只看剖面图, 给人的印象这座坝是重力坝, 这当然与贯彻第一基本点有关。就大坝厚高比言,胡佛坝(用之代表同大体积重力拱坝断面情况下设想中的胡佛重力坝, 全文同)的厚高比0.9, 较之所有直线重力坝者均大。是否可以说, 即便胡佛拱坝的拱作用不存在了, 单靠重力拱坝的断面作为重力坝挡水, 其应力条件比一般重力坝都好, 回答是肯定的。由于胡佛坝最大应力的控制部位是坝踵(该处应力大于坝址), 那么自然大坝断面向上游外伸解决这个控制性问题最为有效。这虽然出自应力要求, 但可巧对胡佛重力坝的抗滑稳定有利。在进行胡佛抗滑稳定评价中有2 点值得重视:（1）两岸900f t 高程以下岸坡极陡, 其间的坝段应该被看成是一个“塞子”;（2）胡佛坝的地质条件很好, 岩石强度很高。根据这两个基本特点, 设想中胡佛重力坝抗滑稳定性, 不宜按单片、更应该按基础高程900f t 以下的坝段作一个统一抗滑塞体考虑。综上所述, 有理由相信, 胡佛大体积重力拱坝即便万一丧失或大部分丧失拱作用, 大坝仍可按重力坝形式正常或基本正常地工作。
第三基本点——拱作用为辅, 但尽量发挥其作用, 是大坝结构安全的重要环节
对于一座特定的具拱形的混凝土或浆砌石大坝, 其拱作用的发挥程度主要有赖于两个重要因素,即用大坝的中心角(或弦高比), 和坝体的相对厚度即拱厚与拱中心曲率半径的比值(即T / R0)体现。需要说明上述关于拱作用发挥总体较弱的特点, 是针对大坝常年工作情况下论说的。无疑这很重要, 但并不唯一;当工作条件恶化, 需要更多的水平向支撑时, 大坝中、下部可以发挥已故柯恩所说“自紧式塞子”的作用。或者相当于超载试验时, 提高安全系数的作用。第四基本点—— 少挖多浇
坝址河谷窄狭又陡峻, 特别在900～1 000f t 高程以下的中、低部河谷, 谷坡近似垂直, 加之这些部位岩体完整性好石质坚硬耐风化,根据勘探和试验, 地表以内1.5m(5ft)处的岩石强度已经几乎与深部岩体没有什么不同了。这种条件下较大面积地向岸坡内开挖, 姑且不论恰当与否, 单就当时的施工来说也将是十分困难, 难以接受的。设计工作中在两岸坝肩开挖问题上, 恳务局共作了30 个不同方案, 从中选出下面的开挖方式。大致在900ft 高程以下(左岸较高, 右岸较低),一直到河床高程的坝肩岸坡, 不考虑径向问题, 基本上不作多少开挖, 只是顺坡清除表层风化破碎岩体,仅考虑等高线在下游不大的部分与中心线形成5°夹角, 保证拱圈的楔块作用。1 100～1 150ft 高程以上岸坡较缓, 按照全径向开挖以保证完全的拱作用。900～1 100f t(或1 150f t)范围是由顺坡开挖向全径向开挖的过渡段。这样设计出来的两岸开挖量31 万m3 , 该31 万m3 开挖量不仅是基坑范围内的, 还包括了整个坝址两坝肩范围内的危石清理和大面积刷坡在内的开挖量, 用这个显然放大了的开挖量求算坝肩范围内的平均水平开挖深度也仅为7.7m, 由之可以看出坝肩开挖是很少很少的。实际上本坝的坝肩开挖量主要反映在坝肩上半部(900f t 高程以上), 下半部开挖极少, 甚至于从开挖后岸坡实际地形上看,几乎看不到“坝肩基坑”,仍象一个自然陡峻谷坡的连续地形。原具体开挖设计中曾有一个原则, 只需挖除约1.5m, 当然实际上比该值大一些。或者从实际上说, 坝肩开挖量已压缩到最少量,才保证了这座222m 窄峻峡谷中的特高拱坝的开挖工期仅仅用了9.5 个月, 历时290d。用恳务局胡佛坝最终报告的说法, 坝肩开挖是整个建设过程中最壮观和最危险的工程。必需指出的是, 这种放宽两岸建基要求并不盲目, 除坝肩岩体条件好, 两肩岸坡坡面地形完整的有利条件和“2.2”的存在外, 十分重要的一条是, 大坝作用到坝肩上的压应力可以说已被降低到了最小程度。比恳务局早期建造的很低的拱坝还低, 例如前文提到过37m 高并于1932 年建成的Cat Creek 拱坝, 最大拱应力1.9MPa;又如前文也提到过50m 高并于1931 年建成的Dead Woo d拱坝, 最大拱应力2.48MPa。有理由相信, 900f t 高程以下陡峻峡谷段的最大拱应力只相当于30m 以下的低拱坝横向应力。这个事实是重要的。笔者认为, 尽量减少坝肩, 特别900ft 高程以下坝肩的开挖, 或者说“少挖多填”是恳务局当时对胡佛拱坝体形设计的第4 个基本点。
胡佛大体积重力拱坝体形设计的现实意义
胡佛大体积重力拱坝的建成无疑是一个划时代的巨大成功, 对美国人和世界均如此;而且大坝的设计非常有针对性、原则性, 绝不盲目, 后人不要也不应随便否定。但是它的现实意义怎么样? 我们应如何看待?胡佛大体积重力拱坝建成至今半个多世纪过去了, 这多半个世纪中坝工设计、计算、科研建设和运行管理水平得到飞速发展。现在200m 以上的特高拱坝已经建成了20 余座, 水库库容在250 亿m3 的巨型水库数10 座, 不仅就美国还是世界范畴, 坝工技术在认识理论和经验方面都与20 世纪3、40 年代完全不同了。胡佛工程当时最具控制性的定量指标最大压应力2.87MPa(或者实际上的3.79MPa), 已经被世界各国包括美国自己在内的数百座, 坝高≥70m 的高拱坝的实践所远远超过。例如美国土木工程学会近期编《水电工程规划设计土木工程导则》一书中, 关于拱坝准则中最大许可压应力定为1 000～1200lb/ m2 , 相当于6.9～8.3MPa。这个数值是胡佛工程所用限压2.87MPa 的2.4～2.9 倍。当然即使是在美国, 假定现今条件下仍由他们重新设计胡佛这座大坝, 相信一定景况全非了。
在超载的情况下, 这种坝型仍可起到一定楔卡作用, 虽然这也仍属可贵, 但一定要岩石条件好;但在现今条件下, 岩石好就不一定再作这种坝型了。不过可以从模型试验中看到, 拱坝总体弯曲程度大一些(厚度适中)的拱坝破坏时, 连同大坝一块破坏的岩体范围要大。
就世界范畴看, 这种坝型已经很少出现并不是偶然的。当然在某些情况下由于地质条件不宜修拱坝, 泄洪流量大, 浆砌石砌筑坝体而应力水平控制预计不可能高和施工简单等因素的影响, 我国从50 年代后期开始到现在虽很罕见但还有少数这种拱坝出现。但在这种情况下应该充分研究这种坝型的受力机制并在设计中做出相应判断与处理。近期有一座坝, 在对两岸没有勘探洞而又发育着顺河向结构面的情况下采用这种坝型并付诸施工, 特别麻烦的是
坝后岩体又远不象胡佛重力拱坝一样完整和厚实,坝肩很令人担心。而且事实上在施工中已经又临时增加了基础处理量, 在工期和造价控制上也都很不利。
结语
(1)胡佛大体积重力拱坝在世界水坝建设中特别是拱坝建设中有着重大意义。其体形设计看似保守, 但确有一套完整的设计思想, 充分理解它们有利于正确吸取正、反两方面的经验。(2)该坝的基本思路有4 个基本点, 该4 点的有机结合形成了一套完整的设计思想。其中有的至今还对拱坝设计有指导意义。
(3)必需从历史条件的高度去评价、认识胡佛坝的设计思想。对它的评价不宜带随意和轻率性。(4)胡佛坝设计中最值得学习的是它的求实精神, 它的设计并不主要从所谓的“一般理念, 一般书本”中来, 它的根本的出发点是工程的实际。从设计逻辑上讲, 首先要解决的是矛盾的特殊性, 在科学技术领域内同样是没有特殊性就不存在一般性。对重要性大的水坝, 这是最为重要的。(5)大坝坝基的力学工作机制不好, 工程投入大, 这种坝在现今已被美国人自己放弃。世界范围内，这种坝也不多。在一定条件下某些(地质条件不好, 泄洪, 实际强度达不到一定要求, 施工简单)要采用这种坝型时, 需要明确掌握这种坝型的力学等工作机制, 不能盲目。
