较真丨三峡大坝为什么不设计成拱形?

较真要点:

  • 1有人说三峡水坝应该修成拱形,应用鸡蛋壳原理,这样才能抵挡水的压力。实际上大坝修建成哪种类型要考虑多方面因素,拱形坝利用拱形结构把大坝受到的水压传递到两侧,适合狭窄的峡谷,经济实用。而类似三峡拦河大坝的重力坝是依靠大坝自身重量来阻挡水库的水,坝体厚重,需要大量建筑材料。重力坝比拱形坝更结实。
  • 2大坝水库水位“超过防洪限制水位x米”不必过于担心。在汛期,水库会提前把水放到防洪限制水位,以留出库容迎接洪峰。比如三峡的正常蓄水位为175米,防洪限制水位是145米,那么“三峡库区水位超防洪限制水位近2米”就是147米,距正常蓄水位都还有一段距离。
  • 3“百年一遇”是一个统计出来的数据,不是真的间隔100年才来一次,也有可能连着两年来的洪水都达到百年一遇的水平。

查证者:杨碧旺丨德国勃兰登堡州工业大学(BTU)物理硕士

今年长江流域的防汛形势比较严峻,部分地区遭受了不小的损失,这期间也有各种消息充斥网络,有关于三峡的,也有关于洪水的。拱形坝一定比重力坝更坚固吗?“百年一遇”的洪水真的是一百年遇到一次?我们一一来看。

一、大坝修建成哪种类型要考虑多方面因素,拱形坝并不比重力坝更结实

三峡的拦河大坝是混凝土重力坝,坝轴线全长2309.5米,主要由泄洪坝段、左右岸厂房坝段和非溢流坝段等组成。重力坝是依靠大坝自身的重量来阻挡水库的水,坝体厚重,需要大量建筑材料。

图注:三峡大坝示意图,图片来源:中国长江三峡集团公司《长江三峡工程运行实录(2018)》

有人说,“三峡水坝应该修成拱形,应用鸡蛋壳原理,这样才能抵挡水的压力”。拱形建筑可以抗压,这个很好理解。但是大坝修建成哪种类型,要考虑多方面的因素。

拱形坝是利用拱形的结构把大坝受到的水压传递到两侧。所以拱形坝更适合狭窄的峡谷,因为两岸陡峭的石壁可以支撑结构和应力。拱形坝比任何其他大坝类型都薄,因此它们所需的建筑材料要少得多,更经济实用。比如下图位于四川省雅砻江(“砻”读音同“龙”)干流下游河段的锦屏一级水电站大坝就是拱形坝。拱坝最大中心角约为93度,顶拱中心线弧长约为552米,计算可得拱坝跨度约为340米。这个跨度相对于三峡大坝的2300米,就显得很小了。

图注:锦屏一级水电站全景图 图片来源:中国国家能源局大坝安全监察中心

重力坝要比拱形坝更结实,破坏拱形坝要比破坏厚重的重力坝容易得多。还是用鸡蛋来举例,虽然鸡蛋可以承受很大的均匀的握力,但是集中力量打击一点,很容易就能把整个鸡蛋壳破坏掉。所以从战略上讲,重力坝更安全。

二、“超过防洪限制水位”不必过于担心

新闻报道中常出现各种水位信息,比如防洪限制水位。有的人看到“超过防洪限制水位”的时候就担心得不得了。这里就简单解释一下三峡水库各个水位的含义。

图注:三峡水库水位示意图,图片来源:新华网

首先要解释一下这些水位是怎么测量的。水利水电工程中的水位均为海拔高度,所以在书写时都不再注明“海拔高度”四个字。三峡水库的水位采用的是以上海吴淞口海平面为零点的“吴淞高程”。比如防洪限制水位145米,就是说这个水位比上海吴淞口海平面高出145米,而不是水深145米。

正常蓄水位175米,是指三峡水库在正常运用情况下,为满足兴利除害的要求而可以蓄到的最高水位,是一个正常工作时的上限,实际的水位一般会比这个水位低。

防洪限制水位145米,是说在汛期的时候,水库要提前把水放掉,让水平面降低到145米,这样就留出来库容,以迎接将来的洪峰。这个水位可以这么理解:为了防洪需要,把水库提前限制在145米的水位。比如前段时间的新闻报道说:“三峡库区水位超防洪限制水位近2米”,意思就是当时三峡库区水位大约是147米,这是一个很正常的水位,不用担心。如果“三峡库区水位超正常蓄水位近2米”,这才需要担心。

也许有人会问,为什么不多放点水,甚至完全放空?首先,如果多放点水,三峡上游的水面过度下降,会影响电站基本运行,也会影响到上游船只航行,譬如船只搁浅,这些也是安全隐患。其次,如果对上游洪峰预测失败,水库已经放光水了,但是没有洪峰到来,到时候下游需要水的时候,水库却没有水,这也是风险。还有长江沿岸居民的用水,农作物的耕种用水,都是要考虑的因素。所以说,下降到哪个高度,不是简单说说而已,要综合考虑。

三、“百年一遇”不是“一百年才来一次”

“百年一遇”,“千年一遇”这些名称其实是基于概率给出的。“百年一遇的洪水” 是说,平均100年可以发生1次不小于这一量级的洪水,注意这里是平均100年出现1次,并非每100年出现一次。

我们举例说明:一个水文站,记录了100年的洪峰流量,把它们列在一个表格里,就可以看到洪峰流量和出现次数的关系。通过公式可以计算出某一个流量出现的概率。在我们描述洪水的时候,用流量(每秒多少多少立方米)表述的话,不直观不形象,所以用几年一遇来代替。1%的概率对应的就是百年一遇,0.1%对应的也就是千年一遇。

抗洪这件事既要空间上配合,也要在时间上配合。比如有人会问,为什么下游压力大,三峡还泄洪?三峡不能完全关闸不放水,它也要考虑未来几天的情况,应对未来要到达的洪峰。而且三峡放出来的水,也不是马上就能流到下游的某个城市,它也需要时间。水流速度、泄洪时间都需要计算,实际情况要复杂得多,需要考虑的情况也很多。

本文编辑:ambergchen

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