伟大建筑巡礼 三峡大坝

1、全球最大的混凝土结构从中国的长江傲然升起三峡大坝长度超过2公里60层楼高 动用4万名工人 耗时17年兴建当大坝完全启用将产生200亿瓦特的电力相当于英国核能发电厂的总和是大坝工程的巅峰之作三峡大坝的成功归功于五座地标水坝每座水坝骨子里都是一次重大的技术创新让工程师把水坝越盖越大规模逐一向上攀升本节目将揭露这些建筑物背后的精彩故事 以及哪些发明让水坝提升发电量6次巧妙地大跃进让水坝奠定规模继续扩大最终打造出世界第一大坝超大建筑狂想曲：三峡大坝中国是全球 成长最快的经济体中国工业不断加速成长 为了刺激需求 国家需要更多电力华中一座横跨浩瀚长江的大桥是电力的一大来源称为三峡大坝我们摄制组特别获准进入

2、捕捉这个登峰造极的工程学奇迹在三峡大坝动工兴建之前中国必须先把河宽近两公里的长江改道动迁100万人民离开预定的泛滥区三峡大坝是全世界最大的水利工程这座大坝使用了 2千8百万立方公尺的混凝土 或许我们不妨这么说等于用直径1公尺的.混凝土实心管绕地球一圈这可是不少的混凝土 但中国当局认为很值得因为三峡大坝将产生干净与廉价的电力供数以百万计的人使用要了解三峡大坝如何能生产这么多电力我们必须回到过去回到19世纪的英国和诺森伯阑的一条小溪这是世界上第一座水力发电水坝的动力来源“跃进1：发电”1800年代 英国是工业革命的重镇这栋房子是现代生活的最新产品房子的主人是阿姆斯壮勋爵一位醉心于发明的企业家他为自

3、家住宅安装了尖端科技以及驱动电梯洗衣机和烤肉铁叉的机械装置但可惜家里有一个地方少了现代科技史学家安东尼波顿是这么解释的这是阿姆斯壮真正的骄傲和安慰画廊里挂满了精美的维多利亚时期画作 即使在白天也稍嫌阴暗不过他最大的心愿是晚上带宾客进来赏画 但就着闪烁的烛光什么也看不清楚阿姆斯壮需要的是点灯和一种供电的方法如何发电？发电技术流传了 50年因为麦克法拉第揭晓了这个秘密透过磁铁和线圈的相对运动我这里有个小型装置说明发电的原理就是这个 这片圆盘的末端有两块磁铁这里有个线圈如果让圆盘和线圈产生相对运动应该就能发电没错安培计上有了读数确实正在发电每次圆盘上的磁铁经过线圈会在铜线圈上产生微量的电脉冲要产生大

4、量电力需要更大的装置阿姆斯壮买的就是这个汤姆生涡轮机好大一件装置汤姆生涡轮机需要大量快速水流驱动轮轴阿姆斯壮勋爵有一条小溪从他的庄园涓涓流过他需要的是这个大量的水他如何从小溪取得大量的水？他盖了一座水坝阿姆斯壮盖了一座 将近10公尺高的土坝把他的小溪变成了深水湖大量的水往下挤压增加水底深处的压力阿姆斯壮把这些高压水透过管线往下输送到坝底他在这里把水注入一台汤姆生涡轮机快速水流转动轴轮顺势转动一根连接到发电机的轴 产生4千瓦的电力对阿姆斯壮而言这只是启蒙的第一步现在他必须把电力从坝底的轮机房一路输送到他超过1公里之外的画廊阿姆斯壮把两股粗铜线接到发电机上把电力输送到他的宅邸 他总共用了5吨铜线才

5、点亮一个灯泡但他已创下世界纪录一栋靠水力点灯的房子在地球另一头的华中地带阿姆斯壮勋爵的概念在三峡大坝发挥到极致英国工程师罗实查伍德 从2003年起投入水坝的兴建仍然对大坝的规模叹为观止这里是三峡工程的三大发电厂之一这间厂房长700公尺 看得到14台大型发电机 前面1公里外是第二座发电厂 再下去还有一座发电厂要建在河流对岸的地底岩层中每一台发电机造价约5000万美元大概能推测工程规模有多大戴布顿水坝有一台发电机三峡有32台比起戴布顿水坝 发电量超出500万倍 中国人利用浩瀚长江的能量驱动发电机 在大坝后面的水库水位上升到河床以上60楼高经过巨大的混凝土隧道往下把水轮往发电机轮机在激流的河水冲击下

6、转动这个运动 随后转移到发电机的轴轮 这里装上了大块磁铁磁铁经过外壳上的铜线圈发电 光是一台机器的发电量相当于一座小型核能发电厂32台发电机的总发电量 足以供6千万中国人使用 这项工程在国际水力发电工业立下全新的基准点比起第二大水力工程巴西的伊泰普水坝规模大了近一倍当然中国后续还有一系列超大水坝正在兴建回到1878年戴布顿水坝证明了即使最小的水流也能用来发电不过要大规模发电工程师必须对付更大的河川为了盖一座发电量高达1亿2千8百万瓦特的水坝法国工程师必须把汹涌湍急的多敦河改道“跃进2：河川改道”1914年法国第一次世界大战爆发 使法国陷入严重能源危机 煤田遭德军占领 法国人被迫从国外进口煤炭

7、供应发电厂所需 维持国家的运作 后来他们决定 用水力发电水坝造就电力 提高国家的电力供应 不过在湍急的多敦河兴建一座混凝土水坝可一点也不简单在海滩这里就是我们的多敦大河没办法直接把混凝土往河中央浇灌他们的水坝要盖在这里为了盖好一座水坝 他们要盖三座首先在这里盖一座临时水坝叫做围堰用来挡住河水光挡水是不够的河水会从顶上漫过去 除非另辟蹊径 在这里盖一条引水道 然后为了阻止河水回流 在这里盖第二座围堰围堰之间的水可以排出就在这里盖主坝 多敦河工程师在岩层上炸出两条隧道输送改道的河水 把装满岩石的钢笼投入河中打造临时围堰接着用混凝土强化 这时水坝后面的河水开始上涨经过引水隧道排出为了阻挡河水回流 工

8、程师兴建第二座围堰 一旦围堰之间的河床抽干 就出现一块干燥的地方兴建主坝这批工程师运气好他们走进围堰中间的这一段 发现河床其实是坚硬的岩石 他们可以直接在上面建坝巨大的混凝土建筑 从河床一层层上升到30层楼高随后工程师关闭引水隧道让水库的水上涨 淹没围堰他们的任务就完成了最后把轮机的闸门打开开始发电马维日水坝完工后发电量达1亿2千8百万瓦特有助于发动一班开往里昂的列车并为400公里外的巴黎市供电长江全长6千多公里有时河宽好几公里是中国的第一大河水坝工程师要应付许多后勤上的严峻挑战当长江水在三峡大坝背后上涨将会淹没沿岸15万亩的土地因此中国必须动迁100多万人离开水坝背后的土地还得盖好几千栋房子

9、收容被动迁的移民然后工程师才能建坝拦河这里是兴建围堰需要的一些岩石和预铸混凝土砌块在三峡工程施工期间借此控制河水如何控制河水让这项巨大工程得以兴建显然是一件大工程 长江是全世界数一数二的大河水流快河床深因此兴建围堰让大坝安全施工是一项重大工程中国宣称在水利发电工程史上这是最大也是最难的引水工程看看这个规模他们说的一点也没错 真是非同小可工程师着手兴建一系列石围堰挡住一部分长江河道他们在干河床上兴建前两段主坝接着往河中抛下数以吨计的泥土在泥土上再盖一座围堰 这回盖的是混凝土围堰 阻挡了背后的河水这时终于能兴建最后一段水坝 接着他们必须拆除围堰好让河水流过主坝的轮机围堰建筑盖得这么扎实拆除围堰可是

10、一大挑战因此在前两个阶段围堰是用这种大石块打造就能用相当传统的大型挖掘设备处理不过在最后阶段要拆除一道实心混凝土墙就得想想新点子了 不同于马维日的围堰中国这里的围堰太高无法弃置原地因此中国工程师建围堰时预留放置炸药的孔洞2006年6月6日 他们在洞里填满190吨炸药 屏息以待5 4 3 2 1施放耗时几个月的功夫几秒钟便烟消云散随着围堰崩塌释放背后蓄积的河水这是对三峡大坝的最后测试水坝屹立不摇回到1935年马维日水坝证明工程师可以将河川改道建造发电能力强大的水坝但要突破10亿瓦特的目标 兴建胡佛水坝的美国工程师必须充分利用他们的建材“跃进3：混凝土”1930年美国决定处理一项重大的经济问题美国

11、西部各大城市 因为缺乏水电而阻碍发展 为了打破僵局工程师着手兴建世界第一大坝胡佛水坝 参与兴建的人都是真正的冒险家他们是所谓的攀岩者他们敢坐在一块从崖顶上用绳索吊下来的木板上他们也敢用液压锤把悬崖表面敲平这样在上面浇灌混凝土时才会充分密合这座水坝浇灌的混凝土超过以前的任何工程但处理这么多混凝土水坝工程师可伤透脑筋了浇灌大量的混凝土会碰上一个很特殊的问题这个问题就是热气首先必须了解混凝土包含的三种基本成分首先是这个玩意儿水泥水泥是活性成分 会产生反应和变化 还有水 会跟水泥产生反应下面这玩意叫做骨料 基本上是石块 这里用的是砂石是整个拌合料的强度所在现在把水泥放进去稍后会产生化学反应其实是一种放

12、热的水合反应表示这堆拌合料的温度会上升测试一下我们说的对不对看得出温度逐渐升高 已经升高到摄氏15度如果我们再等一会儿还会继续上升我们看到温度果然上升了虽然幅度不大不过要是在大量浇灌的混凝土中心这股热气无处可去因此这一堆混凝土内部越来越热向外膨胀一旦膨胀会使外部的混凝土裂开如果水坝正在进行大规模混凝土浇灌裂缝就成了严重问题如果胡佛水坝把混凝土一口气浇灌完毕外部的混凝土会先冷却硬化而水坝核心的混凝土依然闷热极力向外扩张可能让混凝土承受压力因而破裂因此工程师把胡佛水坝的混凝土铸成一个个小砌块每个砌块的混凝土冷却时会收缩但不会裂开砌块之间因收缩而产生小缝隙工程师必须用水泥填满但这个精巧的设计不是解决

13、问题的灵丹胡佛水坝巨大无比总共动用了 600万吨混凝土如果能把硬化的混凝土产生的热气集中在一个火炉里可以连续3年 每天烤50万个面包如果把水坝放着不管这个速度实在太慢了水坝的负责人叫法兰克科洛人家叫他“快快科洛”因为他老是赶时间“我打算用科罗拉多河冷却我的水坝”科洛把950几公里的钢水管嵌入胡佛水坝的混凝土他盖了一座庞大的水冷工厂在这里把河水冷却到4度再灌入火热混凝土内部的水管把冷却的时间从125年缩短到仅仅22个月这确实是高招他们只要盖完水坝 阉口喙暧胨口?就可以两手一拍走人太了不起了这项工程动用了 5000人 短短21个月就完工不但如此他们还提早两年竣工也节省了不少预算 胡佛水坝的蓄水量高

14、达350亿立方米位居当时的发电量全球之冠 有这座雄伟的水坝做后盾美国西岸各大城市终于能开始繁荣发展三峡大坝让混凝土建筑更上一层楼瞧瞧不难想像坝底的混凝土有多厚实足足有180公尺高2公里长 混凝土的用量极其惊人三峡大坝动用的混凝土比胡佛水坝多了 10倍 因此工程师必须想尽办法让水坝保持冷却 基本上他们想尽了一切办法他们先冷却骨料建材砂石然后才放进拌合料里加入冰块 他们趁混凝土自行升温之前 绞尽脑汁把温度降到最低因为这里的夏天 一到7 8月就特别热 他们甚至还用了喷雾系统 等于在坝顶上喷一层水雾目的是阻挡太阳辐射堆积在混凝土里 增加内部产生的热气回到1936年 胡佛水坝证明工程师 盖得出无比巨大的

15、混凝土水坝 只要能维持冷却即可不过水坝越大阻挡的水越多随之产生强大的破坏力为了兴建大深谷水坝美国工程师必须保护它不被漫溢的河水毁灭“跃进4：洪水”1889年5月30日宾州 詹斯镇 这个小镇遭遇史上最大的豪雨 水坝宁静的水库即将瓦解雨下了 24小时水位达到坝顶很快就无处可去只能漫过坝顶水坝瓦解42分钟排出2千万吨的水 一道18公尺高的水墙顺着河谷冲下来淹没詹斯镇全镇家破人亡这场洪水带走了 2200多万人命是美国有史以来最严重的灾难为何水库漫溢水坝就会立刻爆裂工程师艾德麦坎作出解释有个特别的问题水从坝顶流下时会破坏前面这里的地面这里很容易受到所谓堤趾冲刷的破坏我们要做个模拟看看堤趾冲刷是什么情况这

16、是合理聚集而成的洪水在水坝后面越积越高现在累积到水坝顶端了很快就会冲过坝顶往下流沿着这一面往下流把底下冲刷殆尽看得出水坝已经开始移动 当前面的地底被掏空水坝失去了基底就开始往前倾要不了多久就会全面倒塌砰的一声算是很干脆的一次水坝破坏 一旦水坝倒塌一道巨大的水墙冲下河谷万一你刚好待在下面恐怕已经没命了看得出堤趾冲刷 是这种水坝潜在的大问题非得解决不可1933年美国工程师 开始兴建大深谷水坝 横跨美国西北部的哥伦比亚河连胡佛水坝也相形见绌 消耗的混凝土和横跨的距离 都是后者的3倍 工程师完成大深谷水坝时他们必须确保詹斯镇的悲剧不会在这里上演冲过水坝的河水可能很快侵蚀河床酿成灾难因此工程师把坝底盖成

17、一道混凝土斜坡水朝排水口倾泻出去形成翻滚的漩涡耗尽内含的能量 当水从斜坡泻下 破坏力也消融大半斜坡盖好之后工程师就能安全运转美国最大的水力发电水坝大深谷水坝至今仍保有这个头衔三峡大坝的兴建者面临类似的问题他们同样必须确保水坝不被冲过的洪水损坏基本上水坝在汛期挡住了大量河水三峡大坝可以阻挡220亿立方米的水然后以人为控制的方式泄出排水系统有46个排水闸门和下面看到的这些导槽这种排水口的设计必须应付大水的力道这里的水 从100多公尺高处冲下在坝底达到极高的速度为了偏移大水冲下的力道中国采用和大深谷类似的科技当水位上升工程师打开一系列闸门把洪水排出水库但如果大水笔直倾泻而下可能破坏水坝的坝基因此工程

18、师在排水口安装混凝土导槽不同于大深谷的水底斜坡三峡大坝的导槽 把水射向空中射到空中的水裂成小水珠失去不少破坏性能量落在100多公尺外的下游处无法造成任何损害因此现在他们打开排水口闸门中国根本不用担心回到1942年大深谷说明了水坝如何应付洪水的侵蚀力不过为了兴建大坝横跨俄罗斯浩瀚的叶尼塞河工程师必须设法阻挡河水同时保持船只通行“跃进5：航运”1960年代苏联想提升国内的工业力量计划兴建一系列超大水坝克拉斯诺雅斯克水坝正是其中的一批将长达整整1公里的 横跨叶尼塞河发电量高达60亿瓦特但这条河也是前往西伯利亚的主要航运路线会受到水坝的阻碍 为了让船只继续通行工程师设计出一个绝妙计划他们会兴建一条足以

19、容纳船只的钢槽接着把钢槽和船只推上坝顶在这里把整个装置倒转在水坝另一侧下放到河面上为了移动7千吨的荷载 他们将使用液压式唧筒工程师艾德麦坎用一个热水袋说明液压式动力背后的原理好在我的热水袋接一根管子再接上这条橡皮管然后连上这个小水槽看看会发生什么我要把它往上拉1公尺左右 现在拉上1公尺了现在这个系统内部的压力增加 但还不足以使它往上升所以一点动静也没有热水袋还是压的扁扁的我要往后退因为我不想一堆砌块打到我头上现在我把它拉起来现在大约3公尺高看得出混凝土砌块移动的很快我要把它拉到最顶上 大约4公尺高 砌块往上升了现在看到的是水加压后能产生惊人的力道我们就用这个力道举起重物俄国工程师用加压的液体举

20、起船只闸室墙壁里装有强大的唧筒 以巨大的压力把液压油挤压到底部安装的一系列马达马达驱动巨大的钢嵌齿沿着一条导轨推动钢槽马达产生庞大的牵引力短短90分钟就把船舱从河面吊上水库当升船机开启时克拉斯诺雅斯克的百姓蜂拥而至这个机械奇迹是世界第一大坝至高的荣誉在中国的三峡大坝工程师也面临重大的交通问题三峡大坝座落于亚洲最繁忙的河川之一长江是中国很重要的水路从沿岸的上海通往宜昌一路连接到重庆 每年运输 大约1千8百万磅的货物100多公尺高的大坝每天要通过170艘船对工程师可是严峻挑战配合世界第一大坝 中国的解决之道 是建造全球第一大船闸船只在坝底进入船闸 闸门关闭灌入河水把船只抬高到下一段船闸 船只必须通

21、过5段船闸开到坝顶要耗费4个小时 货船还无所谓对往来长江的许多客船而言这个速度实在太慢为了让客运的运输更有效率他们在这里打造了这个升船机系统船只大约36分钟就能通过不同于克拉斯诺雅斯克的升船机三峡的升船机就像电梯让船只笔直往上升成功的秘诀就藏在混凝土墙壁中工程师将安装一系列巨大平衡锤承担大部分的吊举作业16个上千吨的混凝土砌块将用缆索连接到钢槽钢槽承载船只和浮起船只的水当平衡锤落下就会把钢槽往上举起 让船只升上坝顶 这座升船机高113公尺可以处理重达3千吨的船只 成为世界第一大升船机比克拉斯诺雅斯克那一座大了一倍当然现在看这些建筑离完工还早得很到2015年才会大功告成但显然是个庞然大物是此地兴

22、建工程中另一项了不起的成就经过130年的创新发明水坝的发电量越来越大如今几乎没有一种能源像水力发电这么干净但随着大坝越盖越大对环境的冲击也日益严重设计三峡大坝时中国工程师必须保证他们的建筑物不会完全阻碍大自然对土地的滋养“跃进6：沉淀”三峡大坝的发电量是举世之冠但这不是兴建大坝的主要原因长江的严重水患人人皆知两千年来大约每十年就有一次大水灾1931年的灾情惨重造成13万5千人死亡 摧毁了将近200万户民宅因此兴建三峡大坝的主要原因是为了防治严重水患大坝挡住了致命的洪水水蓄积在水库里以人为控制的方式泄出但管理洪水对环境也会造成严重的副作用近年的历史均可考证1970 年埃及工程师兴建横跨尼罗河的亚斯文水坝以便管制河水泛滥但下游的农夫很快就发现农作物开始歉收土地变得非常