工程造价过程中国是水旱灾害频繁的国家，化害为利历来是治国安邦的重要大事。新中国成立以来，我国修建了众多的大坝、跨流域调水工程、抽水蓄能电站等，成为世界上拥有水坝数量最多的国家，是名副其实的水利水电大国。

　　中国水利水电研究院教授级高级工程师贾金生在《Engineering》2016年第3期中撰文，总结了中国水利水电工程的发展，以及与国外的情况进行比较，对高坝建设安全保障、江河治理与非均匀不平衡输沙理论、跨流域调水工程、巨型水电机组、抽水蓄能电站、地下洞室以及生态保护等方面的重大技术进展进行了阐述。

　　▲中国水利水电工程发展以及与国外比较

　　中国为了确保防洪安全、供水安全，提升非化石能源占比，1949年以来中国修建了许多的大坝、跨流域调水工程、抽水蓄能电站等。目前中国每年的水灾损失通常低于国民经济总量的2%。

　　大坝是水利水电发展最重要的标志。历史没有明确记载第一座大坝何时产生，不过公认中国、印度、伊朗、埃及是最早建设大坝的国家。根据记载，公元1000年以前坝高超过30m的大坝只有3座，最高的是中国浮山堰土坝(坝高48m)；1900年以前坝高超过30m的大坝只有31座，最高的是法国Gouffred’Enfer砌石重力拱坝(坝高60m)。

　　1900年之后，世界各国大力发展水利水电。与国际比较，中国水利水电发展可以分为4个阶段。

　　1900-1949年为第一阶段，中国高于30m以上的大坝只有21座，总库容约2.8×1010！m³，水电总装机容量为5.4×105！kW。那时候的中国，水灾是心腹大患，基本是大雨大灾、小雨小灾、无雨旱灾，技术落后。

　　第二阶段是从1949年新中国成立至1978年改革开放开始，这个时期中国是国际上修建水库大坝最活跃的国家，30m以上的大坝由21座增加到3651座，总库容增加到约2.989×1011m³，水电总装机容量增加到1.867×107！kW，大坝建设的主要目的是防洪、灌溉等。鉴于受到技术、投资等因素制约，尽管取得了很大的成就，然而总体上跟发达国家对比还是较为落后。修缮工程造价

　　第三阶段从改革开放开始至2000年，以二滩等特大型大坝建成为标志，中国水利水电建设实现了质的突破，由追赶世界水平，到不少方面居于国际先进与领先水平，许多工程经受了1998年大洪水、2008年汶川大地震的严峻考验。这个阶段工程的突出特点是设计质量高、施工速度快、安全性好，普遍达到了预期目标。

　　在21世纪以来，以三峡、南水北调工程投入运行为标志，中国进入了自主创新、引领发展的第四阶段，先后竣工的小湾、龙滩、水布垭、锦屏一级等工程，建设技术不断刷新世界纪录。这个阶段的中国更为关注巨型工程与超高坝的安全，重视环境保护，在众多的领域居于国际引领地位，并且亦全面参与国际水利水电建设市场，拥有一半以上的国际市场份额。

　　截至2014年，中国建成各类水库9.8万多座，总库容为8.166×1011m³，达到全国河川年径流量的29%；农田有效灌溉面积达6.9×107hm²，占世界的23%；已建、在建坝高超过30m的大坝6539座，占世界的43%；已建水电总装机容量超过3×108kW，占世界的27%；已建抽水蓄能电站总装机容量达到2.211×107kW，占世界的12%；输水干渠长度超过1.38×104km，水工隧洞长度超过1×104km。中国已经成为世界上水库大坝数量最多、农田灌溉面积最大、水电总装机容量最大、调水工程里程最长的国家，与国际情况的比较见图1、图2及表1至表3。

　　世界主要国家坝高30m以上大坝的数量

　　世界主要国家的抽水蓄能装机容量

　　中国建设了世界上最多的水利水电工程，亦采取了最严格的水资源管理制度，要求以水定城、以水定产，不过因为人口众多、水资源时空分布不均，跟发达国家比，依然需要继续推进工程建设。基于约100个国家的数据，比较了水资源开发度和人类发展指数(HDI)的相关关系(图3、图4)，HDI是衡量一个国家综合国力的重要指标。由此可见，发达国家人类发展指数高(预期寿命、教育水平、人均GDP)，对应的水资源开发度通常也高。2014年中国人类发展指数为0.727，水电开发度为52％，人均库容约600m³，基本符合较发达的发展中国家的指标，说明中国的水库与水电建设跟国民经济社会发展的水平总体是协调的。工程造价含量

　　水电开发度与人类发展指数的关系

　　人均库容与人类发展指数的关系

　　▲坝建设安全保障技术

　　中国土石坝、重力坝、拱坝、胶结颗粒料坝发展在文献中已有详述，在高坝建设中，中国尤其关注安全，发展了许多的新理念、新技术。

　　【1】高混凝土坝的真实性态仿真、抗高压水劈裂和材料配制

　　混凝土坝是世界高坝建设的主要坝型之一，在200m以上的高坝中，其占比超过60%，在中国占比达56%。为开发水资源，全球还将会修建一系列高混凝土坝，所以保障高坝安全意义重大。

　　20世纪高混凝土坝的发展取得了巨大的成功，并且也有惨痛教训。胡佛、英古力、大迪克逊、伊泰普等高混凝土坝建设成绩卓著，引领了高混凝土坝的发展。奥地利科恩布莱恩(图5)、美国德沃夏克、前苏联萨扬舒申斯克等高坝都发生过严重开裂漏水，修补加固费用巨大；法国马尔帕塞拱坝由于坝肩失稳发生溃决，为生命、财产带来巨大损失；中国也有高混凝土坝发生严重裂缝、高压水劈裂等影响安全的实例。

　　众多事故说明，传统计算方法与建设技术难以满足高混凝土坝安全建设的需要，主要表现为：

　　（1）传统方法算出的应力、变形、稳定与真实情况差别大，大坝性态预测误差大。

　　（2）大坝材料的高强度和高抗裂之间矛盾突出，采用传统方法配制难以兼顾。

　　（3）高混凝土坝高压水劈裂风险高、劈裂后危害严重。

　　图5科恩布莱恩拱坝事故与加固

　　为了实现大坝“性态可预测、安全可控制”，基于对国内外已建15座典型拱坝应力、开裂范围的分析，提出了适用于300m级特高坝的有限元等效应力方法与应力控制标准，提出了变形体时程动态稳定分析方法，采用改进的动接触力模型模拟坝基岩体各滑裂面在静力与地震作用下张开、黏着、滑移的非线性力学行为，提出了局部变形累积达到临界状态、控制性位移出现拐点这一新的定量评价准则，建立了大坝稳定与大坝极限抗震能力评价新体系。工程造价价格

　　传统方法预测大坝性态时误差大，位移预测值和观测结果相差普遍大于30%，坝踵应力状态有时跟观测值相反，很难准确评估大坝的安全性态。提出了高混凝土坝后期温升模型，创立了多缝大坝高效迭代模型与排水孔幕模拟的夹层代孔列模型，实现了混凝土坝浇筑、灌浆、蓄水运行，到老化、劣化的建设运行全过程模拟，明显提高了大坝性态预测精度。小湾、锦屏一级、大岗山等特高拱坝初期蓄水至正常蓄水位时最大变形预测值(3个月)与监测值的误差分别为0.9%、0.1%和2.2%，远小于传统方法计算值和监测值的误差(分别为36.6%、76.1%、36.4%)。

　　为了实现抗高压水劈裂，发明了全级配混凝土高压水劈裂模拟试验方法与装置，论证得出根据无拉应力准则和按有压应力准则设计200m以上特高重力坝时，均存在高压水劈裂风险，提出了抗高压水劈裂的设计方法和准则。发明了高混凝土坝面柔性防渗与坝前自反滤防渗结构，发明了仿真试验装置，证明了在300m水头作用下坝踵混凝土裂缝张开不超过8mm时，能够避免高压水劈裂。提出的柔性防渗与坝前自反滤结构跟加设护坦对比更可靠。

　　美国胡佛大坝采用低热硅酸盐水泥，每立方米混凝土成本较三峡高30%以上，难以仿用。为了保障“千年大计”的三峡工程及200m以上高混凝土坝的安全建设，发现了多元胶凝粉体的紧密堆积与复合胶凝效应，提出配制高坝混凝土的新方法，解决了传统方法配制混凝土时高强度和高抗裂难以兼顾的难题，开启了高坝工程大规模使用I级粉煤灰、石灰石粉掺合料的先例。应用于三峡三期的4×106m³混凝土，抗裂系数提升13.1%~50.0%。从图6可见当超细粉(MF)含量达到胶凝粉体20%~40%时，能够减少浆体用水量12%，进而可大幅度降低混凝土用水量与胶凝材料用量。

　　【2】面板堆石坝变形协调控制与动态稳定止水设计

　　现代面板堆石坝建设自1965年开始，以Cooke为代表，强调依据经验设计、小吨位振动薄层碾压施工。中国在20世纪80年代开始引进现代面板堆石坝技术，并且在之后的发展中结合控制面板结构性裂缝，中国与巴西专家提出大坝变形控制的理念，以及把其应用于水布垭、洪家渡等工程。中国提出了孔隙率控制的严格指标，采用更大激振力的碾压设备，把堆石料的孔隙率控制在19%~20%，大坝最大沉降变形控制在1%坝高，具体见表4。Pinto认为提高堆石体压缩模量E对减小面板压应变是最有效的，以及建立了堆石坝体变形模量E/(γH)与河谷形状因数A/H2的关系(图7)。上述认识和实践促进了面板堆石坝的发展。

　　标准稠度相对用水量试验结果

　　图7堆石坝体变形模量与河谷形状因数关系

　　在Pinto的原图基础上，补充了水布垭等10座面板堆石坝工程，可见水布垭、巴贡等面板堆石坝并不符合Pinto结论，即单独控制堆石体变形也不尽科学，需要既控制堆石体变形总量，又控制各部位变形的协调才是合理的办法。结合巴贡面板堆石坝等工程建设，提出了变形协调设计新理念，建立了变形协调的准则、判别标准和变形安全设计计算方法，根据新老理念设计的典型工程的运行情况见表4。甲方工程造价

　　表4国内外典型高面板堆石坝的统计数据

　　高面板堆石坝在早期发展过程中一直存在周边缝破坏漏水问题，结合水布垭面板堆石坝建设，研究提出了新的止水结构，后来归纳提出了动态稳定止水设计理念。其基本要求是在300m高水压下，止水结构能够承受三向大变位作用，通过动态自调整形成稳定止水体系，即新的止水结构，既能够在正常设计工况下实现动态稳定止水，又能够在非常情况下依靠具有流动止水功能的新材料弥补止水系统的缺陷。新止水设计和国外常规止水设计工程的运行效果见表5。运用面板综合渗透系数法建立了面板堆石坝渗漏评价方法，基于国内外67座面板堆石坝工程监测结果得到图8，水布垭、洪家渡等工程都是居于优质区。

　　图8面板综合渗透系数的累积概率曲线

　　【3】高坝抗震安全

　　在胡佛拱坝论证中，美国垦务局开发了试载法，根据拟静力法考虑0.1g的地震加速度进行抗震设防。后续的进展包括了以试载法为基础的拱坝动力特性与动力反应分析等。中国在强震区建设200m以上高坝，设计地震加速度值普遍比较大，如小湾拱坝为0.308g、溪洛渡拱坝为0.357g、大岗山拱坝为0.5575g(目前世界混凝土坝中最高设计值)。以陈厚群、张楚汉、林皋院士为代表的团队，开发建立了系统的混凝土大坝抗震安全分析方法，主要包括地震动输入、结构地震响应、结构抗力分析。

　　采用随机有限断层法以面源破裂过程来考虑近场大震的地震动输入特性，采用与地震动加速度反应谱对应的“有效峰值加速度”(EPA)作为表征地震作用强度的主要抗震设计参数，概率法和确定性方法相结合，由设定地震确定设计地震反应谱。

　　提出了坝体和地基耦合的变形体时程动态稳定分析方法，提出了局部变形累积达到临界状态、控制点位移出现突变这一新的定量评价准则，建立了大坝整体稳定与大坝极限抗震能力评价体系，创建了高坝并行计算技术、开发了并行计算软件，建立了大型三向六自由度地震模拟振动台。

　　提出了同时考虑残余变形和刚度降低的混凝土损伤模型，引入“视弹性模量”(图9)和“视损伤因子”建立混凝土动态损伤本构关系，以及应用于对经受汶川地震考验的沙牌拱坝进行震情检验。单方工程造价

　　在2008年的汶川地震中，沙牌拱坝、紫平铺面板堆石坝等4座100m以上高坝经历了强震考验，大坝整体稳定。

　　视弹性模量E–的应力–应变关系

　　【4】高坝泄洪消能

　　中国的小湾、二滩、小浪底等大型工程，水头高、流量大、河谷狭窄、地形地质条件复杂，其泄洪水力学指标如水头、泄量、泄洪功率等达到了世界之最，泄洪消能难度很大。

　　针对高拱坝泄洪消能防冲难题，提出了“多种设施，分散泄洪；双层多孔，水流撞击；分区消能，按需防护”的原则和思路，最初在二滩水电站成功应用。此后，随着中国建坝技术的进一步发展，大坝的泄洪消能技术参数进一步突破，见表6。这些工程都是采用“坝身孔口+泄洪洞泄洪+水垫塘消能的二滩模式”，比较好的解决了高坝泄洪消能问题，已完建工程都运行良好。

　　基于“纵向扩散，空中摩擦掺气消能”理念，发展了窄缝消能技术，成功解决了一批“窄河谷、高坝、大泄量”大型工程的泄洪消能难题。对窄缝消能工进行了系统研究，提出了窄缝消能工的应用条件、设计步骤与消能特性，在龙羊峡、拉西瓦等大型工程上得到成功应用。

　　为了解决高水头、大单宽流量、低佛氏数泄洪消能难题，发明了宽尾墩消力池联合消能工，应用在景洪、五强溪等多个工程。景洪最大坝高108m，最大单宽流量为331m³·s–1，是目前为止宽尾墩消力池联合消能工应用的最高水平。除此之外，发展了孔板消能工、旋流消能工等多种形式的内消能工技术，解决了导流洞改建泄洪洞的水流衔接问题，同时无挑流雾化对环境的不利影响，成功应用于小浪底、公伯峡等工程。

　　深山峡谷区的地形地质条件常常给水电站泄洪洞的布置带来困难，研究提出的“龙落尾”泄洪洞布置思路与泄洪洞掺气减蚀技术能够把高速水流空蚀破坏的风险明显降低，已经在溪洛渡、锦屏一级等工程中得到成功运用。自贡工程造价