工程反思錄 ——細(xì)數(shù)人類歷史上失敗的大型工程

我們從未停下探索的腳步

從數(shù)百萬年前人類學(xué)會(huì)利用工具

到現(xiàn)如今我們上天、下海、入地

我們不斷地發(fā)展著工程技術(shù)

同時(shí)

也不斷地失敗著

然而

正是一次次的失敗

才帶來了如今的輝煌

銘記失敗，才能走得更遠(yuǎn)

讓我們細(xì)數(shù)一下

人類歷史上失敗的大型工程項(xiàng)目

意大利瓦伊昂大壩（Vajont Dam）

二戰(zhàn)結(jié)束后，意大利逐漸從戰(zhàn)爭(zhēng)的陰霾中走出，基礎(chǔ)建設(shè)、民生、經(jīng)濟(jì)發(fā)展都逐漸進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。

當(dāng)時(shí)電力是制約生產(chǎn)能力的一大障礙，意大利北部城市用電需求與日俱增，建立一座大容量的水力發(fā)電站成為北部城市首要任務(wù)。后經(jīng)工程師多方考察，瓦伊昂峽谷憑借其狹長(zhǎng)的地形，并且位于阿爾卑斯山區(qū)，冰川融水十分豐富等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)成為了興建水壩的絕佳選擇。略有瑕疵的是：

①選定壩址左岸存在一古滑坡。

②瓦伊昂此處的地層巖性是石灰?guī)r與粘土巖互層，粘土層遇水后易膨脹變成軟弱夾層，導(dǎo)致滑坡。

但是勘察人員提出的上述安全隱患并未得到重視。1956年大壩開始施工，但在施工還不到一年時(shí)，意大利決策者決定將大壩用途改為核電站配套服務(wù)的抽水蓄能電站，將原定230m的設(shè)計(jì)高度增至262m，庫(kù)容也達(dá)到初始設(shè)計(jì)的3倍，約1.65億立方米。

直到1960年完工，開始注水實(shí)驗(yàn)，水位上升時(shí)，大壩左岸出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)2km的拉張裂縫。

一月后，大壩左岸發(fā)生巖質(zhì)滑坡，約70萬m³的滑坡體滑入水庫(kù)，涌起10m高浪。工程師研究后得出，是由于水位上升，導(dǎo)致山體層間滑動(dòng)，水位上升速度與滑坡發(fā)展顯著相關(guān)，故工程人員決定通過控制注水速度，控制滑坡緩慢滑入水庫(kù)。

蓄水初期，減緩注水速度后，似乎成功控制了滑坡位移。

但是！次年8月，位移速度卻反常持續(xù)增加，甚至增至3.5cm/day，但此時(shí)降低水位為時(shí)已晚。

9月28日，連續(xù)大雨，雨水滲入山體，層間摩擦再度降低，山體位移速度已增至20cm/day，水質(zhì)也變得渾濁。

1963年10月9號(hào)22點(diǎn)39分，災(zāi)難，還是發(fā)生了!

大約2.6億立方米滑坡體以110km/h速度沖入水庫(kù)，填滿了接近1800m長(zhǎng)的庫(kù)段。甚至，部分山體上推至對(duì)面140m，整個(gè)過程僅用了45秒。

山體滑入引起了高達(dá)250m的巨浪，肆虐著瓦伊昂上下游的村莊，許多人在睡夢(mèng)中還來不及反應(yīng)，就已然被洪水所吞沒，這場(chǎng)災(zāi)難中2000余人喪生。

作為大壩，僅壩頂輕微受損，整體經(jīng)受住了巨大的沖擊荷載，避免由于泥石流所引起的二次傷亡，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯然是成功的。

（橙色、綠色區(qū)域分別為第一、二次滑坡影響區(qū)域）

作為電站，瓦伊昂還沒來得及給北部城市供電就被滑坡體泥漿填滿了，是徹頭徹尾的失敗。

留給意大利以及世界的，是慘痛的教訓(xùn)以及反思！

北宋三易回河

我國(guó)燦爛歷史星河有許多浩大的民生工程，例如京杭大運(yùn)河、都江堰等。但也有一些令人扼腕嘆息的失敗工程，其中北宋時(shí)期三易回河尤為之甚。

《宋史河渠志》中言道：黃河自昔為中國(guó)患，故虎牢迤東距海口三二千里，恒被其害，宋為特甚，由不能順其就下之性以導(dǎo)之故也。

北宋黃河改道的歷史背景大致如下：

黃河由于自然地質(zhì)條件改變以及人為影響，歷經(jīng)千百年的沖刷、泄流，使得黃河故道堆積了大量泥沙，致使原有河道堵塞逐漸發(fā)展為地上河，最終導(dǎo)致黃河改道。

北宋初期，恰好歷經(jīng)黃河改道的自然現(xiàn)象，造成了一定程度的水災(zāi)。然而宋朝統(tǒng)治者卻心生疑慮，黃河故道流經(jīng)汴梁城北，可以作為宋朝都城天塹，有效阻止契丹人南下進(jìn)攻，但若黃河一直改道，對(duì)于契丹人而言，天塹變通途，朝野危矣！

因此，黃河改道計(jì)劃就此開始了。

第一次是宋仁宗年間，計(jì)劃將黃河改道六塔河?xùn)|流。歐陽修力諫仁宗：“全河?xùn)|注，必橫潰泛濫，齊、博、德、棣、濱五州之民皆為魚鱉食矣”。但宋仁宗執(zhí)意改道，其結(jié)果是1056年“宋朝塞商胡北流，入六塔河，不能容，是夕復(fù)決，溺兵夫、漂芻藁不可勝計(jì)”，河北軍事重鎮(zhèn)損失慘重。

第二次是宋神宗年間，據(jù)歷史記載，王安石建議繼續(xù)實(shí)施回河工程，其結(jié)果如何？黃河奪淮入海，洪災(zāi)泛濫，“凡灌郡縣四十五，而濮、齊、鄆、徐尤甚，壞田逾三十萬頃”。蘇軾評(píng)價(jià)此工程為“汝以有限之材，興必不可成之役；驅(qū)無辜之民，置之必死之地。橫費(fèi)之財(cái)，猶可力補(bǔ)，而既死之民，不可復(fù)生”。二易回河導(dǎo)致在北起海河，南至淮河這個(gè)區(qū)域，形成了嚴(yán)重的洪泛區(qū)。

第三次是宋哲宗年間，他希望能一改前人敗績(jī)，直接讓黃河回歸故道，但結(jié)果也十分慘烈。1099年，黃河再度決堤，引起特大洪水，甚至將山上禹廟都沖毀了，宋哲宗哀嘆：“元符二年之水，三門開元所建「圣德頌」并大歷年重修「禹廟」皆在山頂，悉遭漂沒。蓋自開元、大歷以來，水未有如此之大，非堤之過也”

經(jīng)過宋朝三位君主的黃河改道工程，致使河北、山東、蘇北等地經(jīng)濟(jì)遭受重創(chuàng)，最直接的影響就是作為宋朝抵御契丹的軍事重鎮(zhèn)河北，戰(zhàn)斗能力嚴(yán)重不足，后金兵長(zhǎng)驅(qū)南下，如入無人之境。

某種意義上來說，三易回河工程加速了宋朝的覆滅，發(fā)人深思！

基督救世主大教堂

基督救世主大教堂，高103米，教堂端莊而優(yōu)雅的矗立在莫斯科河畔，內(nèi)部金碧輝煌，威嚴(yán)壯觀，但是她卻有著一段曲折的興建史。

該教堂始建于1812年，為了紀(jì)念俄國(guó)人民成功抵御拿破侖進(jìn)攻而建，主體結(jié)構(gòu)于1860年基本完工。內(nèi)壁巧奪天工的壁畫和雕塑的精雕細(xì)琢就用了20余年，耗費(fèi)了巨大的人力財(cái)力，其歷史價(jià)值不可估量，但她接下來的遭遇卻令人唏噓。

1917年，俄國(guó)爆發(fā)“十月革命”，沙皇統(tǒng)治被推翻，蘇聯(lián)成立了，斯大林決定炸毀基督救世主大教堂。

取而代之建造蘇維埃宮殿作為地標(biāo)性建筑，為了體現(xiàn)世界第一，該宮殿設(shè)計(jì)高度約415米。

但是天公不作美，計(jì)劃實(shí)施后，先后遭遇了地基缺陷、饑荒、戰(zhàn)爭(zhēng)等問題，蘇聯(lián)百?gòu)U待興，蘇維埃宮殿計(jì)劃只得擱置，經(jīng)年累月無人維護(hù)，變得蕭瑟荒頹。

赫魯曉夫上任以后，決定將廢棄建筑利用起來，改建成了一個(gè)露天泳池，直徑130多米，深6米，可供萬人同時(shí)游泳，也可謂一“奇景”。

1992年蘇聯(lián)解體后，俄羅斯又決定重建大教堂。在大量社會(huì)捐助的基礎(chǔ)上，終于在2000年，基督救世主大教堂又重新矗立在了莫斯科河畔，但內(nèi)飾的精美程度和文化價(jià)值都難以與原教堂比肩。

兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，卻又回到了原點(diǎn)，甚至還有所倒退，基督救世主大教堂真是命途多舛。

魁北克大橋&塔科馬海峽大橋

（Quebec&Tacoma Bridge）

橋梁在人類歷史上的發(fā)展代表了生產(chǎn)力的改變，從最原始的獨(dú)木橋，到石橋，再到鋼混結(jié)構(gòu)橋梁，現(xiàn)代橋梁的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了十分成熟的階段，但正所謂失敗是成功之母，正是前人一次次摸索，才有了如今的輝煌。

先說魁北克大橋，魁北克大橋是一座鉚接鋼桁架懸臂梁橋，位于加拿大魁北克市，全長(zhǎng)987米，寬29米。

1907年夏，魁北克橋梁公司現(xiàn)場(chǎng)工程師Norman McLure開始注意到了橋梁主結(jié)構(gòu)構(gòu)件形變量不斷增加，多次向該公司顧問工程師Theodore Cooper反映這一問題。最終，Cooper也確認(rèn)工程存在嚴(yán)重問題，發(fā)電報(bào)要求施工方不要再往橋面增加荷載。然而就在8月29日下午，兩人還未來得及將消息傳遞給施工方，魁北克大橋南部懸臂和中心部位發(fā)生了坍塌，在15秒內(nèi)全部墜入圣勞倫斯河，造成橋上的86名工人中75人喪生，11人受傷，成為了當(dāng)時(shí)世界上最嚴(yán)重的橋梁工程事故。

1916年，橋梁中段主跨在吊升安裝的過程再次垮塌，又造成13名工人喪生，該陰霾很長(zhǎng)一段時(shí)間籠罩著加拿大工業(yè)界，后經(jīng)研究人員確認(rèn)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有嚴(yán)重缺陷，高估了結(jié)構(gòu)的承載能力。

1922年，加拿大的七大工程學(xué)院決定將橋梁廢棄鋼材打造成戒指，發(fā)給每年從工程系畢業(yè)的學(xué)生作為警示，為了體現(xiàn)代表橋梁坍塌殘骸，戒指被設(shè)計(jì)成被扭曲的鋼條形狀。于是，這一枚枚戒指就成為了后來在工程界聞名的工程師之戒(Iron Ring)。

再看塔科馬海峽大橋，建成通車于1940年7月，倒塌于1940年11月，僅僅存在了4個(gè)月，此次坍塌事件，被列為「20世紀(jì)最嚴(yán)重的工程設(shè)計(jì)錯(cuò)誤之一」，直接原因是8級(jí)大風(fēng)導(dǎo)致吊橋吹垮。看上去似乎不可思議，大橋竟然能被區(qū)區(qū)8級(jí)風(fēng)吹垮。

后來經(jīng)過研究人員的模擬測(cè)試，得出了結(jié)論，導(dǎo)致大橋倒塌的元兇是——卡門渦街。

卡門渦街：在一定條件下的定常流動(dòng)繞過某些物體時(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、并排列成有規(guī)則的雙列線渦。開始時(shí)，這兩列線渦分別保持自身的運(yùn)動(dòng)前進(jìn)，接著它們互相干擾，互相吸引，而且干擾越來越大，形成非線性的渦街。倘若渦街的交替脫落頻率與物體的聲學(xué)駐波頻率相重合，還會(huì)出現(xiàn)共振。

因?yàn)榇髽蚪ㄔ鞎r(shí)采用了過輕物料，引發(fā)了共振，最終致使大橋坍塌，此次事件在橋梁史上意義非凡，空氣動(dòng)力學(xué)成為建造橋梁的一個(gè)重要考慮參數(shù)。

魁北克大橋&塔科馬海峽大橋在建造時(shí)期都接近當(dāng)時(shí)的技術(shù)極限，但失敗的原因分別是因?yàn)閷?duì)結(jié)構(gòu)和風(fēng)振問題認(rèn)識(shí)不充分，后續(xù)修復(fù)新建的大橋都安全延用至今。

后記

失敗并不可怕，可怕的是不知為何而敗，人類工程建造史可以說是充滿著失敗的例子，但正是這一次次失敗后的再嘗試，才推動(dòng)了人類工業(yè)技術(shù)的不斷前進(jìn)！

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘立勛.意大利瓦依昂水庫(kù)滑坡事件的啟示[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1994(02):77-84.

[2]李著,王景.西奧多庫(kù)珀——魁北克大橋失事記[J].工程力學(xué),1997(04):139-144.

[3]廖寅.首都戰(zhàn)略下的北宋黃河河道變遷及其與京東社會(huì)之關(guān)系[J].中國(guó)歷史地理論叢,2019,34(01):5-14.

美編：黃紫薇

校對(duì)：張 崧