全球水坝工程演化简史

张志会

上：溪洛渡工程。 摄影/廖望阶

作为水利工程的主要工程类型之一，水坝工程自古以来就一直存在，为推动人类社会的发展进步发挥着不可替代的重要作用。水坝工程经历了一个与自然、经济、社会协同演化的过程。

一、原始的水坝工程

水坝工程的历史最早可追溯至8000年前。美索不达米亚东边扎哥罗斯（Zagros）山脉丘陵地带的农民也许是世界上第一批建造水坝的人，考古人员在该地区发现了公元前6000年左右的灌渠。公元前3000年前建造的古城加瓦（Jawa，现在约旦境内）供水系统的一部分，是迄今为止现存的建造时间最早的水坝。此后400年，埃及的石匠在开罗附近的季节性溢流堰上建造起所谓的异教之坝（Sadd el-Kafra）。这座水坝在完工之前被洪水冲垮而功亏一篑。公元前14世纪末，叙利亚境内建成了一座高6米、长200米的填筑坝，至今尚存。

中国自古以来洪涝灾害频发。最初，各部落为求得生存，往往逐水草而居。由于古代社会生产力水平极其低下，人们只能被动地逃避洪水侵袭。传说中共工“壅防百川，堕高堙库”和“鲧作城”可以称之为我国古代最早的关于先民被动应付洪水，以“壅”、“障”为法的治水实践。《国语•周语》云：共工“壅防百川”。《尚书》曰：“鲧障洪水”。共工及鲧的治水工程都因方法不当，只知一味垒坝筑堰来堵塞洪水，结果导致水害反而更加肆虐。鲧还因治水不利而被尧帝处死于羽山。

大禹治水的传说在原始社会末期，公元前2000年前后。当时正值农耕文明开始兴起，人们从山区丘陵地带转移到土地肥美的黄河中下游平原。由于人类居住区域的扩大和农业生产的发展，洪水灾害的威胁也开始增加。相传黄河流域发生了一场空前的大洪灾，《孟子•滕文公下》记载“水逆行，泛滥于中国”，久治难息。大禹吸取了前人治水失败的教训，改变治水思路，联合共工氏、伯益、后稷等部落，以疏导为上策，将黄河下游入海通道“分播为九”，疏通河道、宣泄洪水，历经13年“劳神焦思，择行路宿”的奋斗，甚至“三过家门而不入”，终于换得水患大治。治水的成功，为原始农业的发展和人民的定居生活创造了良好的条件。

二、古代时期的水坝工程

1、农业发展与水利进步

公元前最后1000年里，世界许多地方都建设了水坝。公元前1000年末，石头和泥土修建的水坝在地中海地区、中东、中国和中美洲等地出现了。公元前700年～前250年，亚述人、巴比伦人、波斯人修筑了多座灌溉用的水坝。同一时期，也门、斯里兰卡、印度也修筑了一些著名的水坝。古罗马工程师的天才在水利工程上也同样显而易见，但直到公元前1世纪中叶他们才接触到水坝工程，这大概是由于公元前150年他们吞并希腊时，迈锡尼人修建的坝已完全淤塞。从公元前4世纪开始，斯里兰卡各城市便开始修建较长的土堤来蓄水。这些早期的土石坝中的一个——在公元460年被加高至34米，是当时世界上最高的水坝，这个记录保持了1000多年。古代时期的水坝工程表现出了以下特征：

铁制工具催生了大型水坝工程。公元前4000～公元前3000年，人类进入了青铜时代，但由于青铜工具的缺陷，那时还看不到大型水坝。后来铁质工具的出现使大型水坝工程的出现成为可能。正如恩格斯在《家庭、私有制和国家起源》中所言：“铁使更大面积的农田耕作，开垦广阔的森林地区成为可能；它给手工业工人提供了一种其坚固和锐利非石头或当时所制的其他金属所能抵挡的工具”。

土石坝

水坝的功能日渐丰富。早期水坝的功能从供水、防洪、水土保持逐步发展到农业灌溉。亚洲西南部和非洲东北部在公元前2000年～公元前2500年建造的水坝工程主要用于供水、防洪以及水土保持，以便为人类居住提供基本的生活环境。仅在以后的1000年里，随着早期农业文明的兴起，人类才将水坝与灌溉联系起来。公元前1世纪，欧洲和中国几乎同时发明了水车，主要用来碾谷。

水坝多为凭工匠经验建成的“半人工物”。在农业文明初期，人类只是在自然堤的启示下，建造一些低矮的堰坝。铁质工具的出现，使得建造大型水坝成为可能。尽管人们很早就发现了水文学及水力学的许多现象，出现了像阿基米德那样的科学家，但科学与技艺之间尚存在明显的界限，筑坝工匠与科学家互不交往。以至于古罗马时期阿基米德虽已意识到水坝的最佳断面是三角形，这种形状符合大坝所承受的库水压力由顶至底增加的规律，然而恰恰是这位科学家认为，用一定数量的低级坝工以及不太完善的工艺就可以满足需要，这种没有把科学与技术结合起来的态度，当时很有代表性，一直持续到中世纪以后。这些水坝要么是填筑坝，要么是重力坝，也就是说，只以建筑自身的重量去抵御水压，而不考虑其强度作用。

到了罗马时期出现了拱坝和支墩坝。除前面提到的异教之坝外，其他所有的填筑坝都是匀质坝，即均未设防渗心墙。在施工中，古罗马人采用了一些量具，并首次大量使用了由砂和卵石、熟石灰、水和火山灰或磨细了的砖粉而成的三合土。

水车是水能利用的主要形式。水能利用的历史与灌溉一样久远，不过当时只是将流水的势能转化为机械功。古埃及和苏美尔当时使用一种叫做戽水车（Noria）的水轮，在轮的四周的边缘挂着水桶从河中或渠道戽水。到了公元前1世纪，罗马人已用上了水车来磨谷物。我国特有的龙骨水车首创于东汉灵帝时期，当时被称为“翻车”。

自春秋战国时期，中国水利工程在科技、防洪、灌溉、航运等方面均有显著进展。此后的2000年里，中国水利科技与欧洲交相辉映，并逐步位居世界水利科技的高端。都江堰是全世界迄今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的一项伟大的“生态工程”。

中国古代各个王朝都重视水利工程。隋代建成了北接北京、南抵杭州的大运河，全长2400公里，是世界上最长的运河。荆江大堤始建于东晋永和元年至兴宁二年间（公元345年～公元364年）。相传荆州刺史桓温令陈遵沿江陵城筑金堤，是大堤最早的记载。大堤沙市以上堤段建成于唐代中期，北宋中期后堤围逐渐向下游发展，大致在元代初期形成规模。公元1542年，北岸最后一个分流口——郝穴堵塞，大堤联成一线，全长124公里，被人称作万城大堤，又名万安大堤。清代乾隆五十三年（公元1788年）长江发生水灾，万城大堤溃决，淹江陵城。

2、水坝工程在欧洲中世纪的停滞与文艺复兴时期的发展

中世纪时期，欧洲建坝处于低潮，而东方则出现了许多大坝。17世纪末日本15米高以上的大坝有30座，截至19世纪中期日本共建成了500多座。印度、巴基斯坦在中世纪曾出现过数万座水坝，到11世纪达到高峰。欧洲中世纪的坝型有比较明显的南北差异，即罗马化的南欧国家修建的大多是圬工坝，其中的灌溉用坝又多为支墩坝，也出现了少量的拱坝。而北欧国家则更流行填筑坝，这一偏好可能沿袭了罗马时代将填筑坝用作支撑构件的传统。

文艺复兴时期工程实践变得日益系统化，但筑坝技术并未取得革命性的进展。文艺复兴之后，欧洲坝工重新兴起。这个时期水坝工程的发展主要包括：

水利基础科学初步建立，防渗心墙技术出现。文艺复兴运动为科学发展开辟了道路，技术发展的意义和价值重新获得社会肯定。这一时期诞生了水利基础科学的雏形。一些对水利有重大贡献的科学家，将数学、物理学、力学、水文学、水力学、岩土力学等不同门类的科学以及水工试验技术与水坝工程相结合，使水利基础科学有了较快进展。文艺复兴以后，欧洲筑坝技术走在世界前列，水坝防渗心墙技术成为那一时期重大的技术突破。1558年，这一技术应用于德国的厄尔山区的矿业用坝上，后来又在英国再度创新，用于园林中的艺术坝。此后，在筑坝技术上出现了拱坝这一经典坝型，且一直沿用到现在。

社会需求带动水坝工程的发展。随着欧洲从封建社会逐步过渡到资本主义社会，欧洲商业、手工业和交通运输的发达推动城市的繁荣，也为不断扩展的工程领域提供更为强大的动力。14～16世纪中期，欧洲的水坝工程又发展起来。那时欧洲的意大利、奥地利均有水坝，而11世纪才兴起水坝工程建设的西班牙却最为活跃。西班牙16世纪末修建的蒂比（Tibi）拱坝高达46米，这一记录保持了将近3个世纪。

蒂比拱坝近景

蒂比拱坝远景

水坝工程成为最重要的动力源，筑坝用途呈现多元化趋势。“文艺复兴时期，工程师成为新的更加通用的动力源的建造者和使用者”，他们在水车的启发下将水坝用作动力来源，这样既能保证水车的给水，又增大了水车的动能，由此一来，水能成为当时人类社会最重要的动力源。中世纪后期，欧洲开始将水坝用于为采矿提供动能，瑞典、罗马尼亚、俄罗斯都陆续建造了不少的矿业用坝，后来还出现了磨坊水池和漂白池。水磨坊等之所以得到广泛应用，或许是奴隶劳动力日益短缺的结果。

13世纪的英国，毛纺业开始使用水力来驱动漂洗工人的重锤，乡村生产由此迅速发展起来，这一变化被卡鲁斯-威尔逊（Carus-Wilson）描述为“13世纪的工业革命”。除灌溉、供水外，水坝的多种用途被逐渐发掘出来。那时的动力坝水库还兼做养鱼。从13世纪开始，公共供水业的复兴，导致供水用坝的数量增加。此外，为统治者在宫廷园林中修建娱乐用的人工湖和喷水池成为水坝的新兴用途。在17世纪建造运河的热潮席卷北欧之时，人们开始用水库蓄水来补偿因船闸运行所造成的水量损失，来保障航运。

中世纪后期欧洲筑坝技术向殖民地的传播。16世纪欧洲的征服者在向海外扩张的同时，也将筑坝与利用水力的新技术传播到其殖民地。在拉丁美洲，西班牙人意外地发现，那里某些文明国家早已出现了传统的水利工程。这些国家又利用欧洲新型筑坝技术对其原有水坝工程进行改进与创新，例如，他们学会了建造圬工坝，修建磨坊水车等。尽管北美东部气候寒冷，人口稀少，人们并不需要灌溉设施和供水工程，却有条件引入水力技术来开发河流水力资源。

在此时期，东方国家并未享受到文艺复兴的思想与科技成果，筑坝技术发展缓慢。中国元明清时期的大型水坝工程虽不及宋前为多，但仍有不少地方性小型农田水坝工程，且兴建的数量越来越多。各种形式的水坝工程在全国几乎到处可见，发挥着显著的效益。

三、工业文明时期的水坝工程

工业文明时期出现了史无前例的建坝热潮，水能开发迅猛发展，水资源利用趋于综合化。

1、第一次工业革命后水坝工程的发展状况

第一个工业革命促使人类第一次从农业、手工业生产方式过渡到工业和机器大生产占支配地位的生产方式，由此大幅度提高了社会生产力。不过总体来看，第一次工业革命并未对筑坝技术产生多少实质性的影响。与其他领域一样，坝工建设相关的许多技术发明都来自工匠在工程实践中的经验，科学和技术并未真正结合。直到18世纪末叶，人们对于坝承受的荷载、坝内应力分布，以及对建筑材料和地基的要求尚缺乏清晰的理论认识，也几乎没有水流量或降水量的数据及其相关的统计和分析工具，水坝工程依然缺乏系统理论的指导。

在这种情况下，水坝坍塌事故频繁发生。例如，西班牙洛尔卡（Lorca）附近的蓬特斯（Puentes）重力坝，曾于1648年和1802年两次被洪水冲垮，1884年又2次重建。马德里以西瓜达拉马（Guadarrama）河上的加斯科（Guasco）重力坝于1789年被洪水冲垮，重建后坝高被迫从93m降至57m。美国的安全记录显示：该国1930年以前建成的土石坝有1/10是失败的。1889年，宾夕法尼亚州约翰斯敦（Johnstown）上游的一座水坝坍塌，造成2200余人死于非命。惨痛的教训使人们深刻意识到，单靠数量上的增长，没有筑坝技术的根本变革，就不可能为人们的生命财产安全提供坚实的保障。

垮塌的蓬特斯重力坝

伴随城市和工业用水迅速增长，对水资源的需求量也剧增。英国成为近代欧洲筑坝活动最活跃的国家。19世纪，正在工业化的英国建成了200座左右的15米高的蓄水坝，以满足不断扩大的城市用水需求。1900年，英国大型水坝的数量几乎是全世界大坝的总和。在第一次工业革命期间，土耳其、德国、法国也建设了许多水坝。

水力仍是重要的工业动力源。18世纪和19世纪的第一个10年内，英国工业能源的大部分仍由水车供应，尽管其比例在不断缩小。英国的水力资源相对有限，而煤炭资源并不缺乏，否则，水车的统治地位将延续更长的时间。而美国的情况正好相反，美国的煤矿均分布在相对人迹罕至的阿巴拉契亚山脉西部地区，而山脉东麓的陡坡则提供了建造水磨坊的良好环境，水力在这些地区为经济发展提供了长时间不可替代的动力。同样条件和情况也存在于欧洲许多地区。

工业革命时期筑坝蓄水对当时社会上占主导的纺织业产生了重要影响。早期蒸汽机对于需要平缓和均匀运动的工作并不适合，再加上纯粹经济方面的考虑，要扩大蒸汽机在纺织业中所占比重也并不容易。在水坝用作动力的推动下，在纺织业出现了珍妮机和水力纺纱机，一台珍妮机能顶手纺车6～24台，而水力纺纱机一台则顶手纺车数百台。至迟到1850年，英格兰和威尔士的毛纺织业中还有超过1/3的动力供应来自水力。

珍妮纺纱机

2、第二次工业革命后，人类历史上出现第二次建坝高潮

1870年以后，世界范围内爆发了第二次工业革命。此间科技发展突飞猛进的代表性成果就是电力被广泛应用于工业生产，人类跨入了电气时代。水轮机的出现，真正开启了水坝工程的新篇章。这一时期最重要的发明之一非水轮机的出现莫属。法国工程师福内戎（Benoit Fourneyron）于1832年完善了首台水轮机。水轮机将落水的势能转变为机械功，效率远高于水车。1849年，美国的J.B.弗朗西斯发明了混流式水轮机。世界上第一座水电站，建在威斯康星州阿普尔顿（Appleton）的一座拦河坝内，于1882年开始发电。翌年，在意大利和挪威也相继建成了水电大坝。此后，人们又对水电站不断完善：1889年，美国的L.A.佩尔顿发明了水斗式水轮机；1920年，奥地利的V.卡普兰发明了轴流转桨式水轮机；1956年，瑞士的P.德里亚发明了斜流式水轮机。随着电力工程的发展，水电开始造福人类。

福内戎发明的水轮机

弗朗西斯水轮机

卡普兰发明的轴流转桨式水轮机

培尔顿所建议的冲击式水轮机

筑坝理论和材料亦取得突破性进展。水利基础科学尽管起源很早，但相对其他领域，一直发展缓慢。随着水力学、结构力学、土力学等学科的创立与发展，水利科学取得显著进展。19世纪50年代，格拉斯科大学土木工程教授W.J.M.朗肯研究了疏松土质的稳定性问题，此后德萨斯里和德娄克等研究了重力坝设计中砌石和基础的应力问题。同时，理论指导下的坝工结构设计开始出现。19世纪50年代，以技术科学为基础的土石坝和拱坝的设计理论和分析方法开始出现，这些理论和方法直到1922年才开始正式应用于拱坝设计，土坝的合理设计还要更迟一些。1861年～1866年建造的古夫尔•登伐重力坝是世界上第一座用现代技术理论建造的大坝。不仅如此，筑坝材料也出现重大创新，新型建筑材料陆续面世。1824年，英国人J.阿斯普丁发明了硅酸盐水泥，带动了混凝土结构的发展，使土木工程建筑进入新的发展阶段。19世纪下半叶，出现了钢筋混凝土，进一步推动了重力坝和拱坝的采用和推广。

20世纪科学技术的突破也带来了水坝工程的长足进展。20世纪初，人们还只能根据经验和简单的准则及粗糙的试验，修建些不高的填筑坝或土石坝，且效果并不理想，建成几十米高的水坝已是空前盛举。到20世纪末，不仅全球有了几万甚至十万多座上规模的水坝，其中有些大坝的高度和规模更非世纪之初所能想像。至1998年，全世界已经建成200米以上的高坝就有28座，在建中的还有8座。

大坝安全检测系统施工监理规范

南水北调中线一期工程总干渠。

20世纪初至第二次世界大战前，主要资本主义国家开始进入工业化的起飞阶段。大坝工程因能满足工业发展对能源、电力和水资源的多重需求而获得了迅速发展的空间。以美国和西欧为例，19世纪初有190座高于15米的大坝，19世纪末发展到930座，到了20世纪50年代末则发展到2850座。在此期间，坝的高度和质量也都在不断增长。水资源利用也从主要为农业服务发展到为工业等更多领域服务，水资源综合开发利用的观念逐渐形成。

美国经济在开发西部的推动下迅速起飞，并引导了世界大坝建设的潮流。无论在高坝大库的数量还是规模上，美国都独领风骚，并带动了世界其他国家出现了第二次建坝热潮。

1931至1935年间建成的胡佛大坝在世界水坝工程演化进程中占据重要地位，隆重开启了西方“大坝时代”。该坝为混凝土浇灌的拱形重力坝，坝高221.3m，坝顶长379m，坝底最大宽度201m，水电站总装机容量为136.7万kw，具有防洪、灌溉、发电、航运、供水等综合效益。工程的首席工程师是法兰克•高尔（Frank Crowe），他在工程规划和管理中显示了卓越的才能。胡佛水坝建成后使拉斯维加斯从一个沙漠小村发展成为了世界闻名的城市。胡佛大坝在技术上的领先性仍延续了相当长的时间，很多水坝的筑坝技术都是参照胡佛大坝而建造的。自胡佛大坝起大坝被视作社会文明进步的标志。而田纳西流域管理局的水电工程实践，则开创了以水电开发带动落后地区经济发展的典范，被世界各国纷纷效仿。

南水北调中线干线沙河渡槽工程。

四、向生态文明转型时期的水坝工程

20世纪八九十年代以来，世界各国进入了从工业文明向生态文明的转型时期。这一时期出现了谋求人与自然和谐发展的强烈呼唤。最近10多年来国内水利界也提出了新的治水思路，强调要从传统水利向现代水利转变，做到人与水、人与自然和谐相处。这是治水在工程理念上的一个突破，单以人与洪水的关系的认识转变为例，以往人们主要倚重工程措施，来控制洪水泛滥。现在人们逐渐认识到，单纯依靠修建防洪工程，人为控制洪水灾害的发生，其作用是有限的。防洪不仅要提高工程能力，还必须发展综合减灾的能力。与此同时，随着人们的社会需求的转变，水坝工程被赋予更多的社会责任。进入21世纪以来，人类共同面临着全球气候变化和水资源危机，除了延续水坝工程以往的防洪、发电、灌溉等传统功能外，水电作为“清洁能源”，在应对全球气候变化、改善局部气候，以及推动水资源利用的可持续发展方面的作用日益凸显。同时，人们对水坝工程生态环境保护的需求不断加强。例如，为了治理太湖蓝藻，人们实施了引江济太工程，使得太湖水质污染问题明显减轻。

自20世纪末开始，中国当之无愧地成为世界发展水坝工程的中心。以三峡工程、南水北调工程等综合性的大型现代水利工程为代表，中国进入了现代水利工程阶段。三峡工程是中国有史以来建设的最大型的工程项目，也是当今世界上最大的水利枢纽工程。南水北调则是我国新时期另一项重大战略工程，兼具经济效益、社会效益和生态价值。南水北调工程通过跨流域的水资源合理配置，大大缓解中国北方水资源严重短缺问题，促进南北方经济、社会与人口、资源、环境的协调发展。