工程反思录 ——细数人类历史上失败的大型工程原创 中科院地质地球所 2020-06-01 10:14:10
我们从未停下探索的脚步
从数百万年前人类学会利用工具
到现如今我们上天、下海、入地
我们不断地发展着工程技术
同时
也不断地失败着
然而
正是一次次的失败
才带来了如今的辉煌
铭记失败，才能走得更远
让我们细数一下
人类历史上失败的大型工程项目
意大利瓦伊昂大坝（Vajont Dam）
二战结束后，意大利逐渐从战争的阴霾中走出，基础建设、民生、经济发展都逐渐进入高速发展时期。
当时电力是制约生产能力的一大障碍，意大利北部城市用电需求与日俱增，建立一座大容量的水力发电站成为北部城市首要任务。后经工程师多方考察，瓦伊昂峡谷凭借其狭长的地形，并且位于阿尔卑斯山区，冰川融水十分丰富等得天独厚的优势成为了兴建水坝的绝佳选择。略有瑕疵的是：
①选定坝址左岸存在一古滑坡。
②瓦伊昂此处的地层岩性是石灰岩与粘土岩互层，粘土层遇水后易膨胀变成软弱夹层，导致滑坡。
但是勘察人员提出的上述安全隐患并未得到重视。1956年大坝开始施工，但在施工还不到一年时，意大利决策者决定将大坝用途改为核电站配套服务的抽水蓄能电站，将原定230m的设计高度增至262m，库容也达到初始设计的3倍，约1.65亿立方米。
直到1960年完工，开始注水实验，水位上升时，大坝左岸出现了长达2km的拉张裂缝。
一月后，大坝左岸发生岩质滑坡，约70万m3的滑坡体滑入水库，涌起10m高浪。工程师研究后得出，是由于水位上升，导致山体层间滑动，水位上升速度与滑坡发展显著相关，故工程人员决定通过控制注水速度，控制滑坡缓慢滑入水库。
蓄水初期，减缓注水速度后，似乎成功控制了滑坡位移。
但是！次年8月，位移速度却反常持续增加，甚至增至3.5cm/day，但此时降低水位为时已晚。
9月28日，连续大雨，雨水渗入山体，层间摩擦再度降低，山体位移速度已增至20cm/day，水质也变得浑浊。
1963年10月9号22点39分，灾难，还是发生了!
大约2.6亿立方米滑坡体以110km/h速度冲入水库，填满了接近1800m长的库段。甚至，部分山体上推至对面140m，整个过程仅用了45秒。
山体滑入引起了高达250m的巨浪，肆虐着瓦伊昂上下游的村庄，许多人在睡梦中还来不及反应，就已然被洪水所吞没，这场灾难中2000余人丧生。
作为大坝，仅坝顶轻微受损，整体经受住了巨大的冲击荷载，避免由于泥石流所引起的二次伤亡，其结构稳定性显然是成功的。
（橙色、绿色区域分别为第一、二次滑坡影响区域）
作为电站，瓦伊昂还没来得及给北部城市供电就被滑坡体泥浆填满了，是彻头彻尾的失败。
留给意大利以及世界的，是惨痛的教训以及反思！
北宋三易回河
我国灿烂历史星河有许多浩大的民生工程，例如京杭大运河、都江堰等。但也有一些令人扼腕叹息的失败工程，其中北宋时期三易回河尤为之甚。
《宋史河渠志》中言道：黄河自昔为中国患，故虎牢迤东距海口三二千里，恒被其害，宋为特甚，由不能顺其就下之性以导之故也。
北宋黄河改道的历史背景大致如下：
黄河由于自然地质条件改变以及人为影响，历经千百年的冲刷、泄流，使得黄河故道堆积了大量泥沙，致使原有河道堵塞逐渐发展为地上河，最终导致黄河改道。
北宋初期，恰好历经黄河改道的自然现象，造成了一定程度的水灾。然而宋朝统治者却心生疑虑，黄河故道流经汴梁城北，可以作为宋朝都城天堑，有效阻止契丹人南下进攻，但若黄河一直改道，对于契丹人而言，天堑变通途，朝野危矣！
因此，黄河改道计划就此开始了。
第一次是宋仁宗年间，计划将黄河改道六塔河东流。欧阳修力谏仁宗：“全河东注，必横溃泛滥，齐、博、德、棣、滨五州之民皆为鱼鳖食矣”。但宋仁宗执意改道，其结果是1056年“宋朝塞商胡北流，入六塔河，不能容，是夕复决，溺兵夫、漂刍藁不可胜计”，河北军事重镇损失惨重。
第二次是宋神宗年间，据历史记载，王安石建议继续实施回河工程，其结果如何？黄河夺淮入海，洪灾泛滥，“凡灌郡县四十五，而濮、齐、郓、徐尤甚，坏田逾三十万顷”。苏轼评价此工程为“汝以有限之材，兴必不可成之役；驱无辜之民，置之必死之地。横费之财，犹可力补，而既死之民，不可复生”。二易回河导致在北起海河，南至淮河这个区域，形成了严重的洪泛区。
第三次是宋哲宗年间，他希望能一改前人败绩，直接让黄河回归故道，但结果也十分惨烈。1099年，黄河再度决堤，引起特大洪水，甚至将山上禹庙都冲毁了，宋哲宗哀叹：“元符二年之水，三门开元所建「圣德颂」并大历年重修「禹庙」皆在山顶，悉遭漂没。盖自开元、大历以来，水未有如此之大，非堤之过也”
经过宋朝三位君主的黄河改道工程，致使河北、山东、苏北等地经济遭受重创，最直接的影响就是作为宋朝抵御契丹的军事重镇河北，战斗能力严重不足，后金兵长驱南下，如入无人之境。
某种意义上来说，三易回河工程加速了宋朝的覆灭，发人深思！
基督救世主大教堂
基督救世主大教堂，高103米，教堂端庄而优雅的矗立在莫斯科河畔，内部金碧辉煌，威严壮观，但是她却有着一段曲折的兴建史。
该教堂始建于1812年，为了纪念俄国人民成功抵御拿破仑进攻而建，主体结构于1860年基本完工。内壁巧夺天工的壁画和雕塑的精雕细琢就用了20余年，耗费了巨大的人力财力，其历史价值不可估量，但她接下来的遭遇却令人唏嘘。
1917年，俄国爆发“十月革命”，沙皇统治被推翻，苏联成立了，斯大林决定炸毁基督救世主大教堂。
取而代之建造苏维埃宫殿作为地标性建筑，为了体现世界第一，该宫殿设计高度约415米。
但是天公不作美，计划实施后，先后遭遇了地基缺陷、饥荒、战争等问题，苏联百废待兴，苏维埃宫殿计划只得搁置，经年累月无人维护，变得萧瑟荒颓。
赫鲁晓夫上任以后，决定将废弃建筑利用起来，改建成了一个露天泳池，直径130多米，深6米，可供万人同时游泳，也可谓一“奇景”。
1992年苏联解体后，俄罗斯又决定重建大教堂。在大量社会捐助的基础上，终于在2000年，基督救世主大教堂又重新矗立在了莫斯科河畔，但内饰的精美程度和文化价值都难以与原教堂比肩。
兜兜转转，却又回到了原点，甚至还有所倒退，基督救世主大教堂真是命途多舛。
魁北克大桥&塔科马海峡大桥
（Quebec&Tacoma Bridge）
桥梁在人类历史上的发展代表了生产力的改变，从最原始的独木桥，到石桥，再到钢混结构桥梁，现代桥梁的发展已经达到了十分成熟的阶段，但正所谓失败是成功之母，正是前人一次次摸索，才有了如今的辉煌。
先说魁北克大桥，魁北克大桥是一座铆接钢桁架悬臂梁桥，位于加拿大魁北克市，全长987米，宽29米。
1907年夏，魁北克桥梁公司现场工程师Norman McLure开始注意到了桥梁主结构构件形变量不断增加，多次向该公司顾问工程师Theodore Cooper反映这一问题。最终，Cooper也确认工程存在严重问题，发电报要求施工方不要再往桥面增加荷载。然而就在8月29日下午，两人还未来得及将消息传递给施工方，魁北克大桥南部悬臂和中心部位发生了坍塌，在15秒内全部坠入圣劳伦斯河，造成桥上的86名工人中75人丧生，11人受伤，成为了当时世界上最严重的桥梁工程事故。
1916年，桥梁中段主跨在吊升安装的过程再次垮塌，又造成13名工人丧生，该阴霾很长一段时间笼罩着加拿大工业界，后经研究人员确认，钢结构设计有严重缺陷，高估了结构的承载能力。
1922年，加拿大的七大工程学院决定将桥梁废弃钢材打造成戒指，发给每年从工程系毕业的学生作为警示，为了体现代表桥梁坍塌残骸，戒指被设计成被扭曲的钢条形状。于是，这一枚枚戒指就成为了后来在工程界闻名的工程师之戒(Iron Ring)。
再看塔科马海峡大桥，建成通车于1940年7月，倒塌于1940年11月，仅仅存在了4个月，此次坍塌事件，被列为「20世纪最严重的工程设计错误之一」，直接原因是8级大风导致吊桥吹垮。看上去似乎不可思议，大桥竟然能被区区8级风吹垮。
后来经过研究人员的模拟测试，得出了结论，导致大桥倒塌的元凶是——卡门涡街。
卡门涡街：在一定条件下的定常流动绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的涡街。倘若涡街的交替脱落频率与物体的声学驻波频率相重合，还会出现共振。
因为大桥建造时采用了过轻物料，引发了共振，最终致使大桥坍塌，此次事件在桥梁史上意义非凡，空气动力学成为建造桥梁的一个重要考虑参数。
魁北克大桥&塔科马海峡大桥在建造时期都接近当时的技术极限，但失败的原因分别是因为对结构和风振问题认识不充分，后续修复新建的大桥都安全延用至今。
后记
失败并不可怕，可怕的是不知为何而败，人类工程建造史可以说是充满着失败的例子，但正是这一次次失败后的再尝试，才推动了人类工业技术的不断前进！
图片来源于网络
参考文献：
[1]钟立勋.意大利瓦依昂水库滑坡事件的启示[J].中国地质灾害与防治学报,1994(02):77-84.
[2]李著,王景.西奥多库珀——魁北克大桥失事记[J].工程力学,1997(04):139-144.
[3]廖寅.首都战略下的北宋黄河河道变迁及其与京东社会之关系[J].中国历史地理论丛,2019,34(01):5-14.
美编：黄紫薇
校对：张 崧
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