火甲拱坝传奇
                                                                             ——兼谈拉希拱坝 
                                    

                                     朱诗鳌 

1. 引子

       在一本坝工专著中有这样一幅极富想像力的图画（图1）[1]  ——画中人从受狂风袭击的树木联想到了水坝设计, 并引发出建“组合坝”的奇想。
 

                                     
                                                     图1   有趣的“树～坝”联想

      这本坝工专著出版于1997年, 该书作者旨在借这幅图画介绍在之前70年即1927年就有人提出的一种很有创意的设计理念：将一个拱坝坝体沿纵向分成几个“薄”拱坝, 彼此隔开, 其间充水；由这几个“薄”拱坝构成的组合拱坝, 要比原来的那个单一的整体拱坝更安全、更经济（见图2）。后来, 国外不少坝工专家对组合坝进行过更深入的研究与改进。遗憾的是, 这种设计理念自开始提出迄至今天已经82年过去了, 在国外却从未建造过这样的坝。
       堪称奇迹的是, 在该理念开始提出之后半个世纪即在1979年, 在我国却“默默地”建成了一座组合坝, 这就是在广西博白县合江支流马田河上的火甲拱坝。[2]  也许由于该坝坝高仅21m, 在我国众多高拱坝中并不十分引人注目。然而实际上, 它是当之无愧的世界第一座组合拱坝, 它的建成不仅在中国乃至在世界的坝工历史上都是不同凡响的创举, 应该浓墨重彩地大书特书。
       火甲拱坝是一座由两个“薄”拱坝构成的组合拱坝。
       为了揭示组合坝在坝工设计理念上的创意, 让我们回顾一下历史。

2. 历史的回顾

       无论拱坝还是重力坝, 人们通常都力图将它们的坝体断面设计成为一个坚实的整体, 以保证坝体的安全——这可以说是理所当然的事。然而, 在坝工历史上却戏剧性的出现了令人难以置信的另一种坝工设计理念：
     （1） 1927年, 法国工程师梅斯纳杰（A.Mesnager）别具匠心地建议：[3] 将整体拱坝沿纵向一分为几, 成几个完全分离的、更薄的拱坝, 各拱坝的高度自上游向下游方向依次递减,彼此之间充水, 水位与下游
    

                       
                                                   图2   组合拱坝设计理念示意图
 
                                          

                                                   图3   组合拱坝水压力分布图

侧的断面顶部齐平, 如图2所示。于是, 每级坝所受的最大水压力都大为减小, 只与该级坝同下一级坝坝顶的高差有关, 且坝体受力均匀（见图3）。这样, 每一级坝在相应于下一级坝高的范围内可以设计成等厚的。梅斯纳杰把他建议的这种坝取名为“梯级坝”（step dam）①。他认为, 这一组彼此分离的“薄”拱坝其工作性能优越于一个同等厚度的“厚”拱坝, 还可大大地节省建坝材料。此外, 我们还可进一步看出：由于坝体等厚, 因而计算简单, 应力计算结果足够精确, 可以采用高得多的容许应力而不降低建筑物的安全性；且可用滑动模板快速施工。由于坝体薄, 就有柔性且质量小, 因而有较大的抗震性；坝体施工时也易散热。
       梅斯纳杰提出的梯级坝建议, 受到世界坝工界的广泛关注。
    （2）1928年, 美纳尔特（R.Maillart）也建议过类似的梯级坝。[4]
    （3）1931年, 诺兹利（Fred A.Noetzli）② 还对这种坝型作了更为完善的研究。[5]
    （4）1952年, 康蒙丹特（A.E.Komendant）③ 在其著作《预应力混凝土结构》 （Prestressed

① 对这种由一分为几所构成的坝, 国内外各家所取的名称不尽相同, 有“梯级坝”（step dam）、“组合坝”（composite dam）、“簧片坝”（leaf-spring type shell dam）、“成层坝”、“分水头坝”等等, 火甲拱坝也称火甲双层拱坝。作者认为“组合坝”一词的意思较明确。
② 诺兹利（大约生于1888～？年）, 世界知名坝工专家。1915年从瑞士移居到美国。
③ 康蒙丹特（1906～1992年）, 美国结构工程师, 1959～1974年任宾夕法尼亚大学建筑学教授。

 

   
                                                          图4  康蒙丹特建议的簧片坝

Concrete Structures）[6]  中提出了与梯级坝相似的“簧片坝”（leaf-spring type shell dam）, 坝
断面形状像汽车车轴上的叠层弹性钢板, 如图4所示。到1956年, 康蒙丹特又对簧片坝作了全面的阐释。[7]、[8]
       康蒙丹特所建议的簧片坝, 实际上是把梯级坝各坝之间的距离缩为“零”, 好像又变成了一个单一的整体拱坝了；但实际上各坝之间还是隔开的, 仍然是组合坝。同时他还建议采用预应力支座, 以及坝与基础采用铰连接（即周边缝作用）, 从而相对地加强了拱梁系统中拱的作用。
       康蒙丹特认为梅斯纳杰的彼此隔开的梯级坝, 需要较多的模板, 同时, 各坝的地基处理费用要贵。此外, 如果其中任何一个坝体发生破坏, 则整个组合坝必将随之破坏。而簧片坝可以消除这些缺点同时又保留了梯级坝的优点。康蒙丹特还特别提到：
      ● 簧片坝有较大的抗弯稳定性；
      ● 在各坝之间填以沥青, 既可消除坝面间的摩擦力, 还可增加坝体的抗渗性；
      ● 如果组合坝是由5个坝体构成, 则可先浇筑第1、第3、和第5个坝, 然后浇第2和第4个坝, 这样可以节省模板；
      ● 簧片坝有较高的抗震性。地震惯性力会因坝体的柔性和各坝之间的沥青填料而减小。
   （5）1953年出版的波尔金（A.Bourgin）著《坝工设计》（The Design of Dams）[9]、[10] ①一书, 还开宗明义地将梅斯纳杰所建议的梯级坝正式作为一种独立的坝型, 与传统的土坝、重力坝等坝型等量齐观。
   （6）1957年, 戈尔剑科（П.И.Гордиенко）②  在其著作 [11] 中, 也介绍了组合坝, 他称之为“分水头坝”。该书特别提到, 组合坝除了应用于拱坝外, 还可应用于支墩坝, 如图5所示。

① 波尔金为法国工程师, 此书原为法文版, 书名为《堤坝计算教程》 （Cours de calcul de Barrages）, 1953年由弗格逊（Frank F. Fergusson）译成英文版, 书名改为《坝工设计》（The Design of Dams）。1957年, 由张振邦将英文版译成中文版。
② 前苏联坝工专家, 上世纪50年代曾在清华大学讲课。
 
                      

                               

                                                    图5  组合坝用于支墩坝

       戈尔剑科还指出, 理论上, 组合坝是经济的, 但对地处寒冷的地区来说, 冬季施工较困难；当上游水位涨落幅度很大时, 各坝间的水位调节也有困难。他认为这是组合坝实际上还未被采用的原因。
      （7）1977年, 康蒙丹特对簧片坝作了全面的总结并提出了新的创意。他在《园筒薄壳拱坝》（Cylindrical Shelled Arch Dams）[12] 论文的“摘要”中重申了组合坝在施工上的优越性与筑坝材料上的经济性。该论文是康蒙丹特在1952年发表有关论文之后, 时隔25年之久再次发表的, 足见他研究这种坝型的锲而不舍精神。在这篇论文中, 康蒙丹特提出了若干新理念与建议, 其中有：
       ● 各坝体间可以充水, 也可填卵石或砾石, 或填其他合适的介质；
       ● 各坝体间还可采用肋形结构传力；
       ● 组合坝的理念还可用于坝的加高工程, 即在原坝的上游临近处另建一座比原坝高的坝, 两坝之间充水, 构成组合坝, 达到加高的目的, 如图6所示。图中①为原坝；②为原坝所受水压力；③为薄壳拱坝（康蒙丹特所建议的一种坝体结构）； ④为薄壳拱坝所受水压力；△h为坝体加高值。
       ● 建议常规连拱坝的每个拱体也采用组合坝结构。
 

                                   
                                                      图6  组合坝用于坝体加高
 
     （8）1997年出版的《岩石地基上非常规混凝土坝》（Non-conventional Concrete Dams on Rock Foundations）[1] ①一书, 在“拱坝”一章中还特意介绍了组合坝内容。此时虽距梅斯纳杰梯级坝的提出整整70年, 但该内容在书中仍使人耳目一新。而且还进一步的阐释了组合坝的坝间填充介质和传力结构等问题。本文中的图1就出自该书。

① 本书原文为俄文, 作者为马卡洛别罗夫（Yu.B.Mgalobelov）和兰道（Yu.A.Landau）, 1997年由文克塔拉姆（G.Venkatachalam）译成英文。

3. 世界最牛拱坝——火甲拱坝

       从上述我们了解到, 组合坝在国外整整讨论了大半个世纪, 研究得那么深入、细致, 给坝工设计者开拓了可贵的思维空间。可惜的是, 在这漫长的时间里, 在国外只是想到、说到, 未能实践。而组合坝究竟有没有优越性, 只能用实践来检验；组合坝的优越性能否为人们所接受, 也只能靠实践。
       然而奇迹出现了：自梯级坝理念问世之后52年, 即1979年在中国竟成功地建造了一座组合坝——火甲拱坝。该坝由广西博白县水利电力局设计并施工。
       作者出于对这座神奇拱坝的好奇, 因而对建坝的历史背景, 对坝的设计与上述国外对组合拱坝的研究有无联系等问题极为关注。要了解这些问题, 最好的办法是向坝的设计者请教。经过几番周折, 才知道坝的设计者是林荣惠高级工程师；再经过几番周折, 才有幸与他联系上, 可喜可贺！承他热情, 为作者提供了许多宝贵资料, 作者从中受益良多, 不胜感激。
       下面介绍的是在30年前的事。
       1978年秋, 广西水电厅召开了一次自治区水利会议, 总工程师程瑞琮向玉林地区水电局副局长沈逸轩、庞为星介绍了上文提到的康蒙丹特的《园筒薄壳拱坝》论文, 并要物色一个坝址试建论文中所讲的坝, 即组合坝。经研究, 决定在广西玉林地区博白县火甲水库的一座副坝坝址上试建。接着, 博白县火甲水库指挥长李培刚在工地召开会议, 传达水电厅与地区水电局关于在火甲水库建组合拱坝的决定。林工参加了这次会议, 并被指定设计这座组合坝。林工只是在这次传达会上大概了解到组合坝的一些简单情况, 以前对组合坝连听都未听说过, 会上也未看到康蒙丹特的那篇论文。他在接受这一重要设计任务的那天晚上, 彻夜未眠, 一直静静地在床上思考着这种坝型是个什么样子。在工地, 他一人在他所住的茅草棚里日夜冥思苦想。他手头既没有设计规范, 也没有已建工程的先例可借鉴, 唯一的一份参考资料是《拱坝简捷计算》一书。计算工具也就是一把精度不高的普通计算尺——坝的设计者就是在如此艰苦的条件下, 凭着他深厚的坝工知识功底和丰富的坝工设计经验, 以及他对事业的执着精神, 日以继夜, 在六七天时间内完成了设计任务。
       设计开始时, 拟用了3个拱坝进行组合。由于当时施工条件有限, 只能用人力施工, 每层拱坝应有一定厚度, 三层拱坝合起来总工程量较大。因坝不高, 最后决定按2个拱坝进行组合。
由于坝址处曾开挖成明渠用作主坝导流, 下部地形比较狭窄, 河谷成“V”形, 于是决定下坝（指靠下游侧的拱坝, 下同）采用较小半径（24m）, 最大中心角90⁰, 坝高11m, 坝身厚1.0m。上坝（指靠上游侧的拱坝, 下同）河谷上部较宽, 采用较大半径（37m）, 最大中心角130⁰, 坝高21m, 坝身厚1.2m。两拱坝在拱冠处相距1.0m, 见图7。[2]
       为了调节两坝间充水量, 设有一条充水管和一条放水管, 管径均为15cm左右。充水管的进口位于上坝上游面, 与水库连通；管道穿过两坝坝体并伸至下坝下游面外, 然后弯转180⁰, 再穿过下坝坝体, 与两坝间水体连通；在管道转弯处设有控制闸阀。放水管直接设在下坝坝体中, 进水口与两坝间水体连通, 出水口设在下坝坝体下游面外, 在管末端设有控制闸阀。
       在坝基中埋设有钢筋混凝土放水涵管, 管内径为2.2m, 用于引水发电。电站位于坝下游40多米处, 总装机容量为600kW。电站尾水入灌溉总干渠。
       坝址岩层破碎, 风化较深, 岩性脆弱, 节理裂隙发育, 岩石的容许抗压强度低。为保证坝体安全, 对基础和拱端作了以下处理：    
     

              

                                 图7  火甲双层拱坝平面布置图、下游立视图与断面图
                                             （长度单位：cm； 高程单位：m）

       （1）将两层拱坝的拱座连成一体, 加1.5m厚埋石混凝土垫层。在84.00m高程以下拱推
力较大部位放置一层钢筋网。火甲拱坝将两层拱坝的拱座连成一体的设计, 与康蒙丹特的设想是很有趣的巧合（在火甲坝竣工之前, 设计者始终都未见过康蒙丹特的那篇论文）, 见图4和图7。
       （2）上坝采用大头拱, 上游扩大0.4m, 下游扩大0.9m, 用曲线连接, 变厚段长度为半拱弧长的1/4。这种非等量扩大, 增加了拱端的曲率, 既减小了基岩单位面积上所承受的荷载, 又满足了坝肩稳定要求, 还改善了拱端的应力条件。
       （3）在组合坝的上下游两侧和两坝之间进行回填和固结灌浆, 以减少地基绕坝渗漏和保证拱座岩体稳定。
       坝体应力计算仅考虑水压力和温度变化两种荷载, 采用纯拱法计算。
       火甲双层拱坝设计开始时, 曾做过与浆砌石双曲拱坝的方案比较。双层拱坝方案的混凝土工程量为1340m³；浆砌石双曲拱坝方案的混凝土工程量为410m³, 浆砌石工程量为3280m³。经核算, 双层拱坝方案要经济得多。
 

             图8  火甲双层拱坝下游俯瞰图（引自《中国拱坝》）

       火甲拱坝于1978年1月动工兴建, 1979年冬竣工, 迄今已安全运行了30年, 并发挥了灌溉与发电等综合效益。图8是该坝下游俯瞰图。它别具一格的造型, 给人们留下的是美好而难忘的印象——

                                                        “秀其外绝无奢华,
                                                           慧其中内蕴悠远。”

       火甲拱坝的建成, 在坝工历史上是一次难能可贵的尝试, 堪称“前无古人”的功绩；但愿不是“后无来者”。

4. 奇缘在广西

       在广西诞生了世界首座组合坝火甲拱坝, 值得我们高兴；还值得高兴的是有“奇缘”：在广西还建有另一座组合坝——拉希双层拱坝。这两座双层拱坝, 一在广西的东南, 一在广西的西北, 相距仅400km。它们有缘在一起, 相映成趣。
       拉希双层拱坝位于广西南丹县, 是一项属于坝体加高性质的工程。
       关于坝体加高, 传统的方法是在原坝上加高, 土石坝、重力坝和拱坝都是如此, 如我国湖北省丹江口大坝加高工程。采用组合拱坝的理念进行坝体加高, 在坝体加高工程中绝对是一种创新, 康蒙丹特曾建议过这种加高方法, 如上述。拉希双层拱坝就是采用这种组合坝原理进行加高的。拉希双层拱坝的原坝为一座高37.75m的砌石拱坝, 1974年建成。用作加高的新坝为埋石混凝土拱坝, 是在原坝上游另建的一座薄拱坝, 1988年12月动工, 1990年6月竣工, 最大坝高54.4m。拉希拱坝采用组合坝型式加高方案取得了很好的技术与经济效益。[13] 图9为拉希双层拱坝下游俯瞰图。
 

图9  拉希双层拱坝下游俯瞰图（引自《广西水利水电》, 1994年增刊）

       拉希双层拱坝既是继火甲拱坝之后的世界第二座组合拱坝, 也是世界第一座采用组合坝原理进行坝体加高的工程, 在世界坝工历史上同样是不同凡响的创举。
       有诗一首[14], 赞扬了拉希拱坝“双层坝”的美——

                                                        “ 纵使双层无二心,
                                                             洪涛共挽载同分。
                                                             高低前后何须论,
                                                             惟愿湖山总是春。”

                                                         

                                                                             

                                                                        参 考 文 献
1  Yu. B. Mgalobelov, Yu. A. Landau.  Non-conventional Concrete Dams on Rock Foundations.  A.A.Balkema, Rotterdam 1997
2  博白县水利电力局.  火甲水库双层拱坝.  广西水利水电, 1981年4期
3  A. Mesnager.  Sur les barrage-reservoirs a voutes et a charge fractionnee.  Revue Generale de ’lElectricite, October 29, 1927
4  R. Maillart.  Gewoelbe-Staumauern mit abgestuften Druckhoehen. Schweizerische Bauzeitung, April 14, 1928
5  Fred A. Noetzli. Laminated Arch Dam with Forked Abutments.  Transactions, ASCE, vol. 95, 1931, p.533
6  A. E. Komendent.  Prestressed Concrete Structures. McGraw-Hill Book Co., Inc., N.Y., New York, 1952
7  康蒙丹特（A. E. Komendent）. 混凝土坝的经济性和安全性 （Economy and Safety of Concrete Dams）. 水利译丛, 1957年8、9期。 王一平译自  美国土木工程师学会学报, Vol.121, 1956
8  A. E. Komendent.  Economy and Safety of Concrete Dams. Transactions, ASCE, vol. 121, 1956
9  埃.波尔金著, 张振邦译. 坝工设计. 水利出版社, 1957.5
10  A. Bourgin.  The Design of Dams, London, Sir, Isaac Pitman and Sons, LTD, 1953
11  戈尔剑科 （П.И.Гордиенко） 著,  清华大学水工结构教研组译.  水 工 结 构    
 （Гидротехническе  сооружения）. 高等教育出版社, 1957
12  A. E. Komendent.  Cylindrical Shelled Arch Dams. Water Power & Dam Construction, May 1977
13  廖世洁. 拱坝加固扩建的新型式——广西南丹县拉希双层拱坝设计与施工.  人民珠江, 1993年第3期
14  廖世洁. 咏拉希双层拱坝.  广西水利水电, 1994年增刊     

 

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