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中国
是世界上河流最多的国家之一
4.5万余条江河
纵横交错
遍布960万平方千米的大地
（上述河流数量仅包括流域面积50平方千米及以上的河流，下图为中国主要河流分布，制图@郑艺/星球研究所）
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中国
还是世界上水旱灾害最多的国家之一
有文献记载以来
1092次水灾、1056次旱灾
让数千年的中华文明发展史
成为一部人与水旱灾害的抗争史
（上述数据仅统计至1949年，下图为洪流中的钱塘江，摄影师@肖奕叁）
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一边江河奔流、哺育众生
一边灾害频发、民不聊生
两种截然相反的特征
也促使中国发展成为
全球大型水利设施最发达的国家
没有之一
其中最为突出的
便是遍布中国大地
拦蓄近9000亿立方米库容的
近10万座水坝
（根据《水利水电工程等级划分 SL252-2017》的规定：库容10万立方米以上称为水库（对坝高无要求）。下图为中国高度100m以上大坝分布，制图@郑艺/星球研究所）
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它们可以挡水
拦截滔滔洪流
（请横屏观看，2020年7月，新安江水库九孔泄洪，摄影师@吕杰琛）
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可以蓄水
保障供水、灌溉
（请横屏观看，新丰江水库是香港、深圳等诸多城市的重要饮用水源之一，摄影师@剑胆琴心）
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也可以抬高水位
发展水电、改善航道
（灯火通明的白鹤滩水电站，建成之后将成为仅次于三峡水电站的世界第二大水电站，摄影师@柴峻峰）
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中国也因此成为了
世界上拥有水库大坝最多的国家
（根据《碾压式土石坝设计规范（2001）》，坝体按照高度可以分为：＜30m为低坝，30-70m为中坝，＞70m为高坝；下图为世界主要国家坝高30m以上的大坝数量分布，制图@郑艺/星球研究所）
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我们究竟是如何建造出
数量如此众多的大坝的？
01
水来土掩
人们就近取土、层层夯实
筑起上窄下宽的高墙
拦住上游来水
最古老的
土坝
便诞生了
（土坝的建造
型式
众多，下图为均质土坝示意，制图@罗梓涵/星球研究所）
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经过压实的土料颗粒
依靠彼此间紧密咬合
大大增强了坝体的稳定
颗粒间明显减小的孔隙
又能阻碍水的流动
令其具备较强的防渗功能
从而实现
“兵来将挡，水来土掩”
（土料压实前后防渗对比，制图@罗梓涵/星球研究所）
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甚至在条件足够理想时
无需机械夯实
凭借土料自身的重量
就能层层压实、筑起大坝
（上述筑坝方式称为水中填土法，黄土高原上的汾河水库大坝，是全球首个使用水中填土施工的大坝，位于山西太原，摄影师@王蒙）
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当然
除了土料
卵石、砂石以及人工开采的块石等
均可用来
堆筑
大坝
人称
堆石坝
但与细密的土料不同
石料颗粒粗、硬度大
极易发生渗水
即便机械压实
也收效甚微
（堆石坝渗水示意，制图@罗梓涵/星球研究所）
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于是工程师们
利用石料、土料“双管齐下”
或在堆石坝中央
增设一道直立的土质防渗墙
成为
心墙堆石坝
（心墙堆石坝结构示意，制图@罗梓涵/星球研究所）
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（碧口水库大坝便是一座心墙堆石坝，位于甘肃文县，画面前方是经电站流出的水体，图片来源@视觉中国）
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或是将防渗墙倾斜布置
则为
斜墙堆石坝
（斜墙堆石坝结构示意，制图@罗梓涵/星球研究所）
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家喻户晓的
小浪底大坝
高达160米
是中国最高的斜墙堆石坝
（请横屏观看，气势如虹的小浪底大坝，坝顶长1667米、宽15米，位于黄河中游，摄影师@林治坤）
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正是这样一座大坝
让小浪底水库的蓄水量
达到126.5亿立方米
超过2个太湖
也正因如此
黄河下游的防洪标准
得以提升至1000年一遇
让近1亿人口免于水患
（太湖的蓄水量约为56亿立方米，下图为小浪底大坝泄洪场景，摄影师@张子玉）
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然而
能够防渗的并非只有土料
混凝土
甚至拥有
更小的孔隙、更强的防渗
只不过
相对于颗粒松散
且在水体挤压下
易发生轻微变形的堆石坝
混凝土还是太过“坚硬”
二者截然不同的变形程度
令它们无法“齐心协力”
共同抵抗奔腾的江河
直到20世纪80年代
我国开始引入一种新型设备
振动碾
它如同一台超强力“压路机”
经其碾压后的石料
颗粒密实、硬度增大
抗变形能力大幅加强
足以与混凝土旗鼓相当
（堆石坝的建造场景，图片来源@视觉中国）
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自此以后
堆石坝终于能获得混凝土的加持
只要在坝体的上游一侧
铺设一层混凝土面板
便能完成防渗
这便是
面板堆石坝
（面板堆石坝结构示意，制图@罗梓涵/星球研究所）
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由于这种坝型施工快、造价低
一经问世便迅速风靡全国
其中位于湖北恩施的
水布垭大坝
高度达到233米
一举成为当时世界最高的面板堆石坝
（清江上的水布垭大坝，坝体上可见Z字型马道，用于排水、检修、交通等，摄影师@李云飞）
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以上种种
由土料和石料堆筑的大坝
统称为
土石坝
由于它的
材料易得、结构简洁、施工简便
因此应用极为广泛
据相关数据统计
在我国近10万座水坝中
各种土石坝的数量
占到95%以上
几乎是大江南北、遍地开花
（东圳水库大坝
，一座设有心墙的土石坝，位于福建莆田，摄影师@DJY俊逸）
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可即便数量如此庞大
但是泥土、碎石等筑坝材料
本身属于松散颗粒
这便注定了土石坝
并非十全十美
一方面
无论如何压实
颗粒间的孔隙依然存在
经年累月下
发生渗流在所难免
另一方面
松散的土石料表面
难以抵抗猛烈的水流冲刷
因此土石坝不允许洪水漫顶
必须在远离坝体的位置
增设专门的泄洪通道
（水布垭大坝和右边的溢洪道：泄洪场景，摄影师分别为@李顺武@谭江弘）
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那么
我们如何才能建起
更加坚固的大坝呢？
02
一夫当关
不妨想象
将一块巨石置于水中
只要其重量足够
就能与地基间产生
足够强大的摩擦力
令其在汹涌的水流中岿然不动
类似地
如果能够人工打造一块这样的巨石
便能以其“一己之力”
抵挡奔腾而来的江河之水
堪称
“一夫当关，万夫莫开”
这便是
重力坝
（重力坝示意，制图@罗梓涵/星球研究所）
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为此
坚硬、致密的混凝土
再次进入人们的视线
以其浇筑的
混凝土重力坝
不仅能够拦水截流
而且其本身足够坚固
因此可以在坝身上设置泄水孔
甚至建造可直接溢流的坝段
（正在泄水的丹江口大坝，位于湖北丹江口，摄影师@白䒕帆。
另
：在混凝土重力坝出现之前，早期的重力坝多由石灰浆黏结石块而成）
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尤其在大江大河之上
每逢汛期水位暴涨
一座座混凝土重力坝
便如“定水神针”一般
成为防洪的中坚力量
例如
坐镇金沙江的
向家坝水库大坝
（向家坝水库大坝，位于云南水富，
点击图片
查看各部分结构，摄影师@柴峻峰）
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驻守黄河的
三门峡大坝
（三门峡大坝，位于河南三门峡，
点击图片
查看各部分结构，
摄影师@黄雪峰）
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以及
横亘于长江的
三峡大坝
这座高181米
全长2309米的庞然大物
以超过1600万立方米的混凝土打造而成
能拦蓄221.5亿立方米的洪水
与4个太湖的蓄水量相当
（拦截长江的三峡大坝，位于湖北宜昌，
点击图片
查看各部分结构，
摄影师@李心宽）
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自大坝竣工以来
曾在2010年、2012年和2020年
三次长江大洪水中
削减洪峰40%左右
极大地减轻了
长江中下游地区的防洪压力
（2020年夏季三峡大坝泄洪的场景，摄影师@李心宽）
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然而
稳立于洪涛的重力坝
却也并非无懈可击
它还必须战胜一个
“看不见的敌人”
人称
扬压力
这种特殊的作用力
由两部分共同组成
其一是地基渗水和坝体渗水
所产生的渗透压力
其二则是淹没于水下的坝体
所承受的上浮力
在扬压力的作用下
坝体相当于被向上“托举”一般
极不利于坝体稳定
（重力坝扬压力示意，制图@
罗梓涵/星球研究所
）
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为此
工程师们千方百计
试图在保证坝体稳定的同时
尽可能减小坝体与地基间的接触面
从而避免产生过大的扬压力
比如
将坝体内部分段收缩
形成一节节空腔
成为
宽缝重力坝
（宽缝重力坝结构示意，制图@罗梓涵/星球研究所）
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（新安江大坝，中国第一座宽缝重力坝，摄影师@方建飞）
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甚至直接将坝体的下部掏空
形成一座“空腹”的
空腹重力坝
（空腹重力坝结构示意，制图@罗梓涵/星球研究所）
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（中国第一座空腹重力坝是上犹江水库大坝，位于江西赣州。下图的牛路岭水电站大坝也是一座空腹重力坝，位于海南琼海，图片来源@视觉中国）
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可是到这里
人们就能高枕无忧了吗？
可惜
答案是否定的
因为宽缝也好，空腹也罢
重力坝的体型依然过于庞大
混凝土浇筑时的
温度条件、施工步骤
更是复杂
（三峡大坝施工的场景，图片来源@视觉中国）
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但工程师们
并没有知难而退
而是转而改用
掺杂粉煤灰的
特殊混凝土
结合与土石坝相同的
碾压
方式
建成取长补短、优势互补的
碾压混凝土重力坝
这种新型筑坝技术
既能减少混凝土用量
又能简化施工步骤
还能便于大型机械施工
从而缩短工期、降低造价
可谓一举多得
（1986年我国建成了第一座碾压混凝土大坝，坑口水库大坝，位于福建三明，图片来源@三明市大田县融媒体中心）
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也正因如此
众多愈发宏伟的大坝拔地而起
从101米高的
水口大坝
（闽江上的水口大坝，位于福建福州，图片来源@视觉中国）
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到200.5米高的
光照大坝
（光照大坝、沪昆高铁、北盘江特大桥，三大超级工程同框，位于贵州黔西南，摄影师@王璐）
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再到目前世界上最高的
碾压混凝土重力坝
龙滩大坝
它高216.5米
已经远远超过
我国最高的常规混凝土重力坝
三峡大坝
（红水河上的龙滩大坝，位于广西河池，摄影师@姚王度）
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而若要进一步
实现坝高的突破
同时还能进一步
控制用料和成本
那么是否
存在更加精巧的结构呢？
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