从遵义市区沿川黔公路向南驱车约五十分钟,在乌江镇附近,公路从一个隧道穿出后猛然进入峡谷上空。脚下是乌江在石灰岩山体中切出的 V 形河谷,两岸山高 300 多米,河面最窄处仅 70 米宽。一座灰白色的混凝土大坝横在谷底,把江水拦腰截断。这座大坝高 165 米,从谷底到坝顶相当于五十多层楼。乌江是贵州的母亲河,也是长江上游右岸最大的支流,水能蕴藏量巨大。乌江渡水电站正是这条江干流上建成的第一座大型水电站,也是中国在喀斯特地貌上建起的第一座高坝。

大坝看起来像一堵巨大的梯形混凝土墙,但在顶端有一道轻微的拱形弯曲。这个弧度不是装饰:设计者有意为之,把一部分水平推力传到两岸岩壁上,弥补坝基在石灰岩溶洞地带抓力不足的缺陷。这种"拱形重力坝"在 1970 年代的中国是一种创新,因为苏联专家曾经断言:岩溶地区的石灰岩裂隙发育,不适合建高坝。中国工程师没有接受这个判断,自己攻克了这道技术难题,直接服务于贵州三线建设时期的能源需求。乌江渡水电站被多份学术文献列为三线建设的能源配套项目:它为遵义和贵阳的军工企业提供电力,支撑着那个时代特殊战略布局的运转。

乌江渡水电站全景
从下游侧看到的乌江渡大坝整体外观,呈拱形弯曲的坝顶和中部溢流表孔清晰可见。坝高 165 米,坝顶长 395 米,是中国在喀斯特地区兴建的第一座高坝。图源:中国日报

它为什么是拱形的

一般重力坝靠自重压住水推力,坝体越重越好。但乌江渡坝址的河床和两岸都是玉龙山石灰岩,岩溶极为发育,溶洞、裂隙、暗河遍布。苏联专家据此判定这里不适合建高坝。勘测数据表明,右岸断裂密集,岩体完整性差,仅右岸就探明溶洞体积 77843 立方米。单纯靠重力坝的自重,坝基可能沿裂隙滑动。

设计方中南水电勘测设计院做了一个关键调整:把普通重力坝改成拱形重力坝。坝体在 700 米高程以下做成整体结构,像一座微弯的拱桥,把约 20% 到 30% 的水平推力传到两岸岩壁上,降低了坝基底部的滑移风险。这个改动让河谷的地质劣势转化为结构优势,用山体分担了一部分水压力。计算显示,河床坝基和左坝肩的深部抗滑安全系数分别达到 4.67 和 4.69,满足要求。

喀斯特高坝的第一课

乌江渡的建设过程,本质上是中国人自己学习在喀斯特山区修高坝的过程。项目 1970 年 4 月开工,由水电八局承建,总投资 5.88 亿元。面对的问题简单直白:石灰岩里全是裂缝,水库蓄水后水会从缝隙漏光。苏联专家见到这种地质条件后直接说:这个位置没法建高坝。

中国工程师的解决方案是高压水泥帷幕灌浆。方法是在坝基和两岸钻入岩层,用高达 60 公斤/平方厘米的压力把水泥浆灌进裂隙,像打补丁一样把渗漏通道堵死。灌浆钻孔总深度达 19 万米,相当于钻穿了二十多座珠穆朗玛峰。帷幕总长约 1000 米,与上游的砂页岩隔水层连接,形成一道完整的地下防水幕。处理后,在 120 米工作水头下,每 24 小时渗漏量仅 20 立方米,几乎滴水不漏。此外,针对右岸坝肩的软弱结构面,工程做了专门的基础处理,包括将原设计的普通重力坝改为拱形重力坝,这项调整在施工前就已经完成。

施工中的另一项创新是人工砂石料。乌江渡周边没有足够的天然河砂,工程自行建成年产 200 万吨的人工砂石加工系统,把石灰岩破碎筛分后替代河砂,多年平均生产成本为每立方米 9.13 元,远低于从外地运砂。施工还采用了大型钢木模板及混凝土预制坝面、廊道模板,在不同性能的外加剂配合下,单位体积混凝土平均水泥耗量仅为 195 公斤,低于同期同类工程的平均水平。全工程共产生 791 项技术革新,9 项达到国内先进水平。主体工程混凝土优良率达 85%,工程总造价控制在概算以内,还节约了 8000 多万元资金、1 万多立方米木材和 11 万多吨水泥。

发电优先,其他让步

乌江渡水库总库容 23 亿立方米,属于大(一)型水库。它的设计思路透露出那个时代的优先次序:发电排第一,防洪排第二,航运排第三。三台单机 21 万千瓦的高水头水轮发电机组,总装机 63 万千瓦,年发电量 33.4 亿千瓦时,一度占贵州省水火电总装机容量的约 40%。电力并入西南电网后,还向重庆输电。

但这座大坝有一个致命短板:没有同步建成可靠的防洪和应急设施。1980 年 6 月 22 日,乌江上游暴雨,入库流量达到 14600 立方米/秒,超出当时施工未完的泄洪能力。当时水工建筑物尚未完工,溢流面上还有若干缺口,右岸泄洪洞还需浇灌 1 万立方米混凝土,右岸坝肩帷幕灌浆也未完成。洪水从尚未封堵的 2 号电缆洞涌入厂房,3 台机组全部被淹。这次事故的直接原因是工程尚未完工,深层原因则是设计时对施工期防洪没有留足余地。因为工期紧、缺资金、缺技术储备,很多保护性设施只能边建边补。事后水电八局花了大量精力清理修复,直到次年才全面恢复发电。这次事故后来成为西南水电建设施工期防洪的一个教训式案例。

乌江渡水电站泄洪设施和峡谷地貌
大坝采用坝后式厂房布局,四个溢流表孔在坝顶中部均布。这种紧凑型布局是 1970 年代中国水电工程的典型特征。图源:人民网

大坝也会变老、变大

2000 年以后,乌江渡经历了两次扩机增容。2000 年 11 月,扩机工程作为贵州"西电东送"首批开工项目之一正式启动,新增两台 25 万千瓦机组,新建地下式厂房布置在左岸山体内。2003 年底,扩机工程完工,总装机达到 113 万千瓦。随后原有三台 21 万千瓦机组也被改造增容至 25 万千瓦,总装机最终提高到 125 万千瓦。这座已经运行二十多年的大坝,通过技术改造把自己的发电能力翻了一番。

扩机工程把厂房从坝后式改为地下式,这个选择本身就说明了一个变化:2000 年代的工程技术储备比 1970 年代充足得多,有能力选择更安全的布置方式,而不是像 1980 年水淹厂房时那样只能边建边补。

2023 年 1 月,乌江渡水电站入选水利部"人民治水·百年功绩"治水工程项目名单。这个名录收录的是中国近代以来在治水领域具有里程碑意义的工程。乌江渡入选不是因为最大或最新,而是因为它代表了一个起点:中国工程师第一次在喀斯特地区独立建成高坝,这条技术路线后来催生了构皮滩、东风、索风营、思林、沙沱等九座乌江干流梯级电站。乌江是中国十三大水电基地之一,从乌江渡上游的普定到下游的白马,十一座梯级电站沿 1000 多公里河道铺开,乌江渡作为其中最年长的一座,见证了乌江从一条桀骜不驯的山地河流变成一条梯级渠化的能源通道的全过程。

顺流而下 137 公里的对照

从乌江渡大坝顺流而下 137 公里,在余庆县境内的构皮滩水电站,是一座完全不一样的大坝。它建于 2003 至 2021 年,坝高 232.5 米,是双曲拱坝(水平和垂直方向都带弧线),装机 300 万千瓦,相当于五个乌江渡。但两者之间最根本的差异不在体量,而在设计哲学。

乌江渡的设计逻辑是"供给优先":尽可能多地发电,用最省的方式完成建设,其他功能尽量压缩。构皮滩的逻辑是"综合优先":发电、防洪、通航、生态补偿全部写进设计前提。构皮滩的三级垂直升船机最大通航水头 199 米,能把 500 吨级货船像坐电梯一样翻过大坝,是世界水头最高的通航建筑物。乌江渡的升船机规模小得多,且在多数时间处于闲置状态,因为 1970 年代的设计根本就没把通航当作一个重要需求来考虑。

构皮滩水电站双曲拱坝全景
构皮滩大坝高 232.5 米,为混凝土双曲拱坝,总装机 300 万千瓦,是贵州"西电东送"的标志性工程。图源:中国土木工程学会

把这两座坝放在一起看,它们各自说了一段时代的水利哲学。乌江渡是 1970 年代全国技术自立的物质成果,构皮滩是 2000 年代综合工程能力的集中体现。1970 年代的中国,电力是瓶颈,建大坝的核心任务是先有电。至于船能不能过、鱼能不能游、水库周边的人怎么安置,这些问题被压缩到了最低限度。2000 年代的中国,电力不再是首要矛盾,大坝开始承担综合功能,通航工程、生态环境评估都成了硬性要求。同一段乌江、同一个流域,两座大坝浓缩了两代国家的山水治理思路。

再往深一层看,两座大坝采用了不同的坝型。乌江渡是拱形重力坝,主要靠坝体自重结合少量拱形作用来抵抗水压;它需要更多混凝土,对坝基的要求更高。构皮滩是双曲拱坝,水平和垂直方向都带弧线,能把大部分水压力通过拱的作用传到两岸岩壁,坝体可以更薄、用料更省。技术上说,双曲拱坝是更先进的坝型,但它需要更精密的地质勘测和施工控制。两座大坝的坝型差异,本身就是三十年坝工技术进步的缩影。

乌江渡水电站的"供给优先"模式并不是唯一。同时期建设的刘家峡、八盘峡等水电站都采用了类似的设计权重。构皮滩在设计上充分吸取了乌江渡的经验。乌江渡的地质难题教会了工程师如何在高岩溶地区进行帷幕灌浆和基础处理,这些经验直接应用到了构皮滩的岩溶分级处理技术中。乌江渡扩机工程把厂房改为地下式的做法,后来构皮滩也采用了地下厂房方案。构皮滩的"综合优先"模式同样代表了 2000 年代中国大型水利工程的普遍转向。两座大坝的差异,本质上是中国从"缺电时代"进入"后缺电时代"的空间见证。它们之间 137 公里的河道,装了水,也浓缩了三十年国家发展逻辑的变迁。

如果去现场,带四个问题去看

乌江渡水电站属于运营中的电力设施,不设常规参观通道。但可以在乌江镇周边抵达多个观看位置,距遵义市区仅 55 公里,适合半日自驾往返。沿老的川黔公路驶过乌江大桥,桥上是远眺大坝和峡谷全景的最佳位置。这条铁路桥也是川黔铁路翻越大娄山后的关键工程,本身就是一道工业风景。

第一,从乌江大桥上看大坝轮廓:它的形状像什么? 注意坝顶的轻微弧形。这条弧线不是为了好看,它是专门为喀斯特地质条件设计的结构解决方案。弧线把 20% 到 30% 的水平推力转移到两岸山体上,让原本被认为不适合建坝的石灰岩峡谷变成了一个可行的选址。

第二,数一数坝顶有几个溢流孔:它们为什么都在同一个高度? 四个溢流表孔在同一高程均布,说明设计者预设了洪水从坝顶翻越的情况。这和构皮滩的泄洪技术形成了时代差异。乌江渡的泄洪思路简单直接,构皮滩的"表孔不对称扩散"技术精密度要高一个数量级。

第三,站在坝下河谷感受大坝的体量:165 米对 1970 年代意味着什么? 这是当时中国喀斯特地区建成最高的坝。它的建设没有国外技术援助,全部靠中国工程师自己攻关。坝基的帷幕灌浆钻孔总深度 19 万米,相当于钻穿了二十多座珠穆朗玛峰。

第四,对比构皮滩的升船机:两座大坝对待航运的态度为什么不同? 乌江渡的升船机多年闲置,因为 1970 年代设计时航运不是硬需求。构皮滩的升船机是 500 吨级、世界水头最高,因为 2000 年代通航成了国家战略。同样拦一条江、同样在贵州的石灰岩峡谷里,两座大坝说出了完全不同的时代优先级和治理思路。