*常视角的工程指南-全-

*常视角的工程指南（全）

原文：zh.annas-archive.org/md5/6a82e8672263958fa7520941884b2718

译者：飞龙

协议：CC BY-NC-SA 4.0

前言

2009 年中，当全球刚刚摆脱自上世纪 30 年代以来最严重的经济衰退时，我却带着一张本科文科文凭走出大学，却没有任何有前景的工作机会。与其在可怕的就业市场中碰运气，我决定花更多的时间（和更多的钱）继续深造。面对大学学位无法保证找到工作的严峻现实，我认真对比了我各项兴趣与其职业前景，重新调整了我的职业路径，使其更加稳定、明确。我选择了土木工程这个几乎一无所知但又既令人兴奋又充满责任感的学科。令我惊讶的是，我被我的首选研究生院录取，并于那个秋季开始了我的研究生学习。

一旦我完成了追赶研究生同学所需的基础数学和科学课程，我便开始了工程学的课程。我一直对科学、技术以及事物的运作方式充满好奇。然而，没有任何东西能让我为在接下来的学习过程中获得的视角转变做准备。结构设计课程让我开始关注每一栋新建建筑中可见的每根梁和柱。电路实验室让我注意到电力传输线和变电站的细节与复杂性。雨水工程讲座促使我在骑车或开车穿行市区时注意到每一个排水口、检查井、渠道和滞洪池。每一门课就像是点亮了一盏灯，照亮了我以前从未注意过的建筑环境中的某个不起眼的部分。我被深深吸引住了。

我不仅顺利完成了学位，而且还获得了一种全新的看待世界的方式。对基础设施的热情和兴奋很快溢出了我的个人生活，包括我的爱好 YouTube 频道。最初，那个频道只是我分享木工项目与其他创客和工匠的方式，但它逐渐演变成了一个向世界介绍工程学话题的渠道。现在，我全职制作教育视频，实用工程每月吸引着数百万观众。

即使是最普通的建筑环境部分，也是解决数百个实际工程问题的纪念碑。即使是其中一小部分挑战及其解决方案，也能让我感到震惊和惊奇，我从未停止过这种感觉。现在，我的整个生活基本上是一场寻找建筑世界中所有有趣小细节的寻宝之旅。我在每座大坝和桥梁前随意停车拍照或仔细观察，常常让我的妻子在公路旅行中有些抓狂。每当在散步时注意到某个新或不同的基础设施，我常常会丢失思绪。我的大脑里有一个小部分，始终在关注——无论我身处何地或正在做什么——暴雨径流沿着地面流动的路径。工程学让我睁开眼睛看到了环绕并支持我们现代生活的基础设施。如果这些热情在本书中有所传达，那么我就算是成功了。

这不是一本全面的现场指南。基础设施有各种各样的形式，世界各地都有不同。这本书主要关注美国，但即使是在不同的州、县和城市，建筑作品也可能大相径庭。试图记录所有这些是不现实的。而且，这样做会破坏乐趣。“基础设施观察”其中的乐趣之一，就是运用侦探技能推测随机出现的物品的用途。我希望接下来的内容能点燃这种乐趣，并进一步推动你成为一名热情的建筑环境观察者。

—格雷迪·希尔豪斯

第一章：电力网

前言

驯服电力的力量是人类最伟大的成就之一。100 年前的奢侈品，现在已经成为几乎每个人的安全、繁荣和福祉的关键资源。在不久前，人力和马力几乎是唯一的动力来源。辛勤的工作是通过生物的力量完成的。难怪我们人类一直在努力掌控超越我们身体的能量。如今，“能源”赋予了当代世界几乎每个方面的生命，从我们最基本的生理需求到最尖端的技术。

根据能量的利用、储存、分配和使用方式，能源可以呈现多种形式。在地球上，我们几乎可以追溯到所有的能源都源于太阳。风和海浪是由地球大气的加热产生的。太阳光可以直接利用。甚至像汽油这样的化石燃料也来自太阳。史前植物通过光合作用捕获了太阳能，并在数百万年后被埋藏，最终通过井口开采，提炼并在发动机中爆炸，将太阳的热量（以及许多其他有害副产品）再次释放回地球。人类为方便和实际需要，将能量从一种形式转化为另一种形式，但没有任何形式的能源能与电力相提并论，它使几乎每个人都能拥有个人的电力来源。

电力网概述

电力与所有其他类型的能源截然不同。我们无法将其握在手中，也无法直接看到它。然而，它可以几乎瞬间完成惊人的工作——从物理壮举到计算——而且效率极高。电力不像燃料那样是能源的有形体现，它以一种更为短暂的形式存在，仅需通过金属导线连接即可进行传输。从一个地方到另一个地方的简单移动，催生了电力网，一个庞大的、互联的电力生产者和用户网络。为了更好地理解其规模，整个北美仅有五大主要电网，而世界上许多最大的电网跨越了多个国家。

一般来说，电力通过电网分为三个部分的离散步骤：发电（电力生产）、输电（将电力从集中式发电厂输送到人口密集区）和配电（将电力送到每个用户）。变电站作为主要部分之间的连接点。建立这些大型互联网络可以一次性解决许多挑战。让更多的用户和生产者共享昂贵的基础设施创造了效率。因为电力可以通过多种不同的路径到达每个地点，并且如果某个电厂出现故障，其他电厂可以替代，因此可靠性提高。最后，互联互通有助于*滑电力流动。

与其他公用事业不同，电力在大规模存储方面相当具有挑战性，这意味着电力必须在同一时刻进行发电、运输、供应和使用。流经你家或办公室电线的电力，几毫秒前可能还只是太阳能电池板上的阳光、一个铀原子，或者蒸汽锅炉中的一块煤或天然气。单个家庭使用的电力可能非常零散。能将更多用户连接在一起，就能使每个人的用电高峰和波动*均化。

让一个巨大的、适用于所有类型电力用户和生产者的统一电网正常运作并非易事。你可以将电力网想象成一列上坡的货运列车，机车代表发电，货物代表电力需求。所有机车必须完美同步才能共同承担负荷。如果某一台机车比其他机车慢或快，就有可能导致整个列车出故障。更具挑战性的是，电网的需求随着时间不断变化，像地形中的山谷和丘陵一样。电力消费者随意开启和关闭电器，电力公司没有任何通知。需求在白天达到高峰，尤其是在炎热或寒冷的日子里，许多人使用空调或取暖器。为了避免电压下降和停电，发电必须不断调整，以匹配电网的电力需求。这个过程称为负荷跟随，就像机车调整油门来应对沿途的坡度变化。

电力用户的用电方式各不相同。商业和工业用户根据电价的波动调整用电量，通常会在夜间运行机器以利用更便宜的电能。住宅用户（通常支付固定价格）则可能不太关注电网需求的波动，而是在最方便的时候使用电力。

类似地，不同类型的发电厂能够以不同的方式发电。太阳能电厂白天阳光充足时产生大量电力，但夜晚则不产生。风电场根据天气条件发电，风力强且稳定时产量最高。核电厂稳定产生电力，几乎不能调整产量，而煤炭或天然气等其他热电站可以根据需求变化调整产出。水电站反应最灵敏，通常能在几秒或几分钟内启动和停止发电。

网格管理人员进行详细的发电和需求预测，以确保能够在两者之间保持*衡。他们必须考虑何时安排电厂和输电线路的停机进行维护，并在设施由于损坏或其他问题而无预警离线时迅速调整。他们希望一切顺利，但为最坏的情况做准备，考虑整个电力生产者和用户组合的能力和限制。如果最坏的情况发生，电网管理人员将需要暂时断开部分客户（称为负荷 shedding）以减少需求，避免全面崩溃。通常这些断开会以每 15 到 30 分钟滚动的方式进行，以分散服务中断的不便，因此通常被称为滚动停电。

生成、传输和输送电力需要许多类型的设备覆盖广阔地区。令人惊讶的是，大多数基础设施都在公开区域，任何人都可以查看。许多时候，我被指责把头埋在云端，其实我只是在观察电杆顶部的某些东西。无论你身处何地，你都可以检查和识别电网的几乎每个重要部分。本章的其余部分将更详细地介绍电网的每个部分及其所需的设备和过程，以确保电力流动。

热电站

发电是电力在电网中旅程的第一步，这个过程可能需要几百或几千英里，但几乎是瞬间完成的。虽然大多数人家后院里没有电厂，但我们与每个接入电网的电厂都有直接的联系。电厂种类繁多，各有其独特的优缺点，但它们都有一个共同点：它们从自然环境中收集某种能量，并将其转化为电能供电网使用。我们用来发电的许多方法其实只是不同的蒸汽加热方式。采用这一方法的电厂被称为火力发电厂，因为它们依靠热量产生蒸汽。蒸汽通过涡轮机，涡轮机与连接电网的交流发电机相连。涡轮的转速必须与电网的频率精确同步。

大多数电厂都是复杂的工业设施，禁止游客进入。事实上，要小心不要在附*可疑地徘徊，因为许多电厂都受到严格的保卫！不过，你仍然可以在高速公路或飞机窗外定期看到它们，只需留意那些大规模的高压输电线路和标志性的高烟囱。还要特别注意大城市外的湖泊，因为它们有时作为电厂的冷却水源。本书并未深入讨论火力发电厂的工作原理，但从外部观察到的部分和组件是非常有趣且令人满足的。

我们的大量电力源自化石燃料（主要是煤或天然气）。随着其他燃料的成本降低，且更为环保，燃煤电厂正在变得不那么常见。然而，煤炭依然占据了整体电力生产的很大比例。如果你发现了一个燃煤电厂，你立刻就能知道，因为大多数可见的基础设施都与处理煤炭本身有关。这些电厂每天处理并燃烧成千上万吨的煤，因此它们需要大量的设备来卸货、储存、粉碎和运输煤炭到炉子和锅炉。

除非电厂位于煤矿旁边，否则高效运输如此大量的煤炭的主要方式是通过货运列车。复杂的铁路系统通常围绕这些电厂，确保煤炭的频繁和高效运输。当铁路不可行时，卡车和驳船有时也用于煤炭运输。煤堆取料机是巨大的可移动输送带，用于大宗煤炭的处理。它们在轨道上行驶，通过吊臂整理并堆积煤炭。电厂通常保持数周的燃料储备，以确保在供应暂时中断的情况下仍能继续运作。

不像你后院的木炭烧烤炉，大多数发电厂炉子燃烧的是一条不断的细煤粉流。煤以大块交付，因此从储存堆到破碎机的煤必须经过破碎以提高燃烧效率。在燃料处理的每一步之间，大型覆盖的输送带运输煤。储存筒仓保护破碎煤免受自然影响。从那里，它最终到达炉子和锅炉。

天然气发电站（此处未显示）可以通过缺少这些煤炭处理设备来识别。供应这些电厂的天然气管道通常位于地下，隐藏在视线之外，这意味着天然气电厂通常在外部看起来更简单和更小。对于燃烧化石燃料的煤和天然气发电厂，从燃料燃烧产生的空气称为烟气，它可以携带像灰和氮氧化物这样的危险污染物。环境法规要求在释放到大气中之前，烟气必须摆脱其中最严重的污染物，因为它们对人类和动物有害。用于从烟气中去除污染物的许多不同设施包括使用织物过滤器的袋式过滤器、通过静电吸引捕捉颗粒物的静电除尘器，以及通过喷洒细雾来清洁空气、捕捉灰尘和灰渣的洗涤器。通过这些设施后，烟气可以通过烟囱释放。尽管这些高大的烟囱不直接清洁烟气，但它们通过将其释放到足够高的地方来分散在空气中有助于管理污染（因为稀释有时是污染的解决方案）。

一种类型的热电厂不依赖燃料的燃烧。相反，核电站依赖于放射性材料的精确控制裂变。这个过程发生在核反应堆中，通常在外部表现为一个带有圆顶屋顶的加压容器建筑。反应堆建筑通常有一层厚重混凝土的外部装甲，作为对自然灾害或破坏的预防措施。一个独立的燃料处理建筑通常用于接收、检查和存储核燃料。办公室和控制室通常位于行政建筑内，远离燃料和设备。核电厂有时也有一个烟囱，但不是用于释放烟气。在一些反应堆中，用于驱动汽轮机的水直接接触放射性燃料，这可能产生像氢和氧这样的气体，这些气体本身变得轻微放射性。在一些核电站中看到的高大孤立的烟囱允许安全排放这些气体。

风电场

风电场由多个涡轮机组成，它们捕捉风能并将其转化为电能。从某种程度上说，它们也是在收集太阳能，因为风流是由太阳加热和冷却大气层引起的。由于我们无法选择风的吹动时间，风电场的可靠性不如热能电厂。在有大量风力涡轮机的地区，电网运营商不仅需要依赖天气预报来预测电力需求，还需要预测电力生产。然而，与煤、天然气和铀不同，风是免费的，无论我们是否有涡轮机来收集它的能量，它都会吹动。利用这种资源是非常合理的，现代风电场已经成为我们能源组合中相对低成本、低污染的一部分。

风力涡轮机有各种各样的形状和尺寸，但世界各地的现代变种已经趋向于一种一致的、即刻可识别的风格。这个设计特点是：一个水*轴涡轮机安置在一座高大的钢铁塔上，配有三片纤细的复合材料叶片，通常为纯白色以提高能见度。如果你不太了解的话，可能会认为它们是点缀在景观中的现代艺术作品，既流线型又笨拙。塔通常被固定在一个庞大的混凝土基础上，埋在地下，几乎总是空心的，底部有一个入口供维修工人进出，并且有一条梯子通向涡轮机。这个基础的设计旨在防止塔在极端风力条件下倒塌。

公用事业规模的涡轮机通常额定功率为 1 到 2 兆瓦，但也安装了功率高达 10 兆瓦的机组。这足以为大约 5,000 个家庭提供电力！从外观上看，你可以看到涡轮机的轮毂与附着的叶片以及外壳（即涡轮机其他设备的外罩）。在外壳内部，有转子轴、齿轮箱、发电机和其他设备。

风力发电机的每个部分都旨在尽可能多地捕获风中的能量。发电机效率的一个重要因素是叶片旋转的速度。如果叶片旋转得太慢，风会从叶片之间的空隙中穿过，无法提供任何动力。如果叶片旋转得太快，它们会挡住风，减少能够收获的能量。我记得小时候参观风电场时，曾试图与叶片的影子比赛。我会一点一点地朝着叶轮的影子走，直到我能跟得上它的旋转速度。事实证明，当叶片的尖端速度大约是风速的四到七倍时，风力发电机最为高效。由于大型风力发电机的叶片较长，它们的旋转速度较慢，以保持叶片尖端的速度接*这一理想范围。尽管这些叶片在我小时候看来非常快，但为了高效运行并与电网的交流频率保持同步，发电机需要更快地旋转。大多数风力发电机使用齿轮箱将叶片较慢的旋转速度转化为更适合发电机的速度。

风力发电机在正对风向时效果最佳。旧式风车使用一个大尾翼来保持这种正确的朝向，称为偏航（yaw）。现代风力发电机使用安装在机舱顶部的风速传感器来测量风速和风向。如果风向发生变化，风标会指示电机调整风力发电机的偏航，使其重新对准风向。大多数风力发电机还包括调节每个叶片角度或俯仰（pitch）的方法。当风速过快，导致风力发电机无法高效运转时，叶片会被收起（即将叶片倾斜，使其边缘面向风），以减少对风力发电机的压力。你可能会想知道，为什么在风很大的日子里，或在风暴中，风电场中的所有风力发电机都停止了转动。在强风或紧急情况下，操作人员会施加机械刹车来停止旋转，防止设备受损。

风力发电机效率的另一个方面是叶片的狭窄形状。你可能认为更宽的叶片会捕获更多的风能，但考虑一下：如果能够从风中提取 100%的能量，空气就不会再有速度从叶片后方排出。这会导致空气“堆积”，并阻止新风继续驱动风力发电机。需要一些风的流动来持续为风力发电机提供新鲜的空气，这意味着永远不可能从风中提取所有能量。理论上，能够提取的最大效率（称为贝茨极限）大约是 60%。风力发电机的纤细叶片经过精心设计，以尽可能多地捕获能量，同时不至于过多地减缓气流。

传输塔

发电厂几乎总是位于远离人口密集区的地方。乡村地区的土地便宜，大多数人也不喜欢住在大型工业设施附*。将发电厂与城市保持一定的距离是合乎常理的。然而，在离需求地点很远的地方生产所有电力带来了一个运输挑战。你无法将电力装载到卡车上然后送到客户手中。相反，电力通过我们称之为传输线的电缆瞬间从生产者传输到用户。如果你曾经使用过延长线将电力输送到无法直接连接插座的灯具或设备，你可能已经对这个概念有一定了解。然而，要将这一操作规模化，用于从发电厂大宗电力的传输，就会遇到一些有趣的挑战。

用于电力传输的电线被称为导体，而没有任何导体是完美的。你可以在一端输入电流，但永远无法在另一端得到 100%的电流输出。这是因为所有导体都有一定的电阻，阻碍电流的流动。这种电阻将部分电能转化为热量，从而在传输过程中浪费了电能。发电是一个成本高昂且复杂的过程，因此如果我们要花费这么大的精力，我们希望尽可能多的电能能够真正送达到预定的客户。幸运的是，减少因传输线路电阻造成的能量浪费有一个技巧，但这需要了解一些电路的基本知识。

流经电路的电流有两个重要的属性：电压是电能的潜力（有点类似于管道中液体的压力），而电流是电荷的流动速率（就像管道中液体的流速）。这两个属性与通过线路的总功率相关。由于电阻造成的功率损失与线路中的电流有关，因此电流越大，浪费的能量就越多。如果你增加电压，所需的电流就会减少，以传输相同的功率，因此我们就是通过这种方式来解决问题的。电厂的变压器会在送电前提高电压，这样可以减少线路中的电流，最小化因导体电阻而浪费的能量，并确保尽可能多的电力能够到达另一端的用户。

这些高电压使电力传输更加高效，但也带来了新的挑战。高电压极其危险，因此导体需要远离地面上的人类活动。将高压传输线路埋在地下成本相当高，因此除非在最密集的城市地区，否则它们通常会被架设在塔架（也叫做pylon）上方。

在设计电力输电线路时有许多因素需要考虑，导致塔架的形状、尺寸和材料种类繁多。其中最基本的因素之一是线路的电压。电压越高，每相之间及地面以上所需的距离就越大。许多输电线路携带多个三相电路以节省成本，因此你可能会看到六相甚至九相电路。这幅插图展示了可以建造的独特形状和尺寸的塔架的一些示例。

通道宽度也很重要。在城市地区，土地更昂贵，因此用于输电线路的可用宽度可能比在农村地区小得多。较窄的通道意味着竖立安排导线而不是水*安排，增加了塔架的高度（和成本）。最后，还有审美考虑。我觉得输电塔很有趣也很美丽。然而，许多人认为这些塔架对景观构成了一种侵扰，并且有时被视为一种视觉污染。人们通常更喜欢单杆结构的外观，而不是它们的格构或 H 形等效结构。尽管单杆通常更昂贵，在人口稠密地区更常见，因为更多的人将不得不看到它们。

输电塔必须抵抗来自风力和电缆张力的重大荷载。它们的基础通常由深入地球的打桩混凝土组成。大多数塔架设计为悬挂结构，导线简单地垂直悬挂在绝缘子上。悬挂塔 无法承受来自导线的不*衡力。更强的塔架称为张力塔，放置在线路改变方向、跨越像河流这样的大距离或需要阻止导线断裂可能引发的级联崩溃的地方。区分悬挂塔和张力塔很简单：只需看绝缘子的方向。在悬挂塔上，它们大多是垂直的。任何其他方向都意味着导线中存在不*衡的张力，需要更强的塔架。

闪电是架空电力线的一大脆弱点。雷击可能会将巨大的高压电流通过电线传导，导致电弧（也叫闪络）和设备损坏。架空传输线通常包括至少一根非带电线路，沿着电塔顶部铺设。这些线路叫做接闪线，旨在捕捉雷电，以免主导线受到影响。杂散电压会无害地通过每个电塔的接地装置导入大地。如果你仔细观察，你常常会看到电塔底部有铜导线，这些导线连接到单独的接地电极或混凝土基础桩中的钢铁加固件。传输服务提供商偶尔会在接闪线的核心中包括一根光纤电缆，用于他们的通信网络。

传输线组件

与普通家庭延长线不同，传输线路不仅仅是一组电线。它们的巨大规模和高电压带来了许多工程挑战需要克服。为了使传输线既高效又具有成本效益，并且安全（既为维护人员的安全，也为公众的安全），衍生出了各种设备和组件。

当然，最重要的组件是导线本身。导体几乎总是由许多独立的铝丝制成。铝是一个很好的选择，因为它重量轻、不容易腐蚀，并且对电流的阻力较低。但是，如果你曾经捏过一个汽水罐，你就知道铝与其他材料相比并不特别强韧。传输导线不仅需要传输电力，而且它们还必须跨越每个电塔之间的巨大距离，并承受风力和天气的压力。当传输大量电流时，导线也可能变热。这个热量会导致导线下垂，因为金属导体会膨胀。如果下垂过多，导线可能与树枝或其他障碍物接触，造成危险的短路，甚至引发火灾。因此，铝电缆通常会用钢或碳纤维加固，以增强强度。

与家用延长线相比，另一个区别是高压输电线路的导体是裸露的。它们没有外部的绝缘外壳。为了防止电弧产生，所需的橡胶或塑料数量将使电缆重量和成本过高。因此，大多数高压线路的绝缘来自空气间隙，简单地保持导线和任何可能成为接地路径的物体之间的大量空间。你可以想象其中的挑战。导体不能没有支撑悬浮在空中，但它们接触到的任何物体都会变得危险带电。如果它们直接连接到塔架上，就会对地面上的任何人或物体构成严重危险（更不用说在每个相位之间发生短路）。因此，导体通常通过长的绝缘子串与塔架连接。

这些绝缘子的设计和施工至关重要，因为它们是导体和塔架之间的唯一连接。传统上，绝缘子由一串陶瓷盘（通常是玻璃或瓷器）制成。当绝缘子受潮或脏污时，这些盘片可以延长电流泄漏的路径，减少电力的外泄。由于这些盘片的尺寸在一定程度上是标准化的，所以通过计算盘片数量可以大致估算线路的电压：将盘片数量乘以 15 千伏（kV）。非陶瓷绝缘子越来越受欢迎，包括那些使用硅橡胶和增强聚合物制成的绝缘子。不幸的是，对于新的非陶瓷绝缘子，15 kV 每盘片的经验法则不再适用，因此你需要通过其他线索来估算线路的电压。

输电线路中使用的高电压可能会导致一些有趣的现象。例如，交流电会产生表皮效应，即大部分电流沿导体的表面流动，而不是均匀地通过整个面积。这意味着增加导体的直径并不总能相应地提高其输电能力。此外，线路上的电力可能会因电晕放电而损失，这是由于导体周围空气的电离作用。仔细听，你有时能听到电晕放电发出的噼啪声，特别是在露水清晨、暴风雨天气中，或在大气压力较低的高海拔地区。

由于这两种现象，高压传输线路的每个相位有时会采用由间隔物隔开的束状小导线，而不是使用一根大导线。较小直径的导线在传输交流电时更为高效，因为它们的表面有更多的区域供电流偏好流动，而束状导线的大直径则减少了电晕放电。估算传输线电压的一种方法是计算每个相位的束状导线数量。220 kV 以下的线路通常只使用一根或两根导线，而 500 kV 以上的线路则常常使用三根或更多。电晕放电通常发生在金属表面的锐角或边缘处，例如与绝缘子串的连接部位。在高电压传输线路上，或者在降水较多的地区，你可能会看到绝缘子上装有电晕环。这些电晕环将电场分布到更大的区域，消除了锐角和边缘，从而进一步减少了电晕放电。

风力会影响导线，导致振荡，进而造成损坏或故障。随着时间的推移，这种振动可能会使导线材料产生疲劳，或者在连接处造成磨损，缩短其使用寿命。更换导线是一项成本高昂的大工程，因此公用事业公司希望它们能够尽可能长时间地使用。通常会安装阻尼器来吸收风能，减少导线的长期损坏。小型导线使用螺旋阻尼器，而大规模线路则使用悬挂式阻尼器，也叫斯托克布里奇阻尼器。不过，并非所有风力都是不受欢迎的，它还可以通过为导线降温来带来有益的效果。导线通常在与绝缘子连接的部位加固，以增强这一关键部分的强度。

最后，并不是所有的人类活动都发生在这些危险电线下方的地面上。有时，电线上会附加称为警示标记的球体，以便让可能在操作高空设备或身处空中的人更加容易看到这些电线。你通常会在机场附*和水域上方看到这些标记。

变电站

如果你把电网看作一台巨大的机器，那么变电站就是连接各个组件的纽带。变电站原本是指小型电厂，变电站如今已经成为一个广泛的术语，指的是在电网中担任多种重要角色的设施。这些角色包括监控电网的运行，确保没有出现问题，转换不同的电压等级，以及提供故障保护。城市中最常见的变电站是降压设施，它将高压传输电压转换为较低且更安全的电压，以便在城市区域进行配电。

初看之下（有时即使仔细看很久），变电站看起来是一堆复杂的电线和设备。当我还是个孩子时，我曾以为它们是游乐场（这让我的父母又喜又怕）。对于电网的新手来说，解开现代电气工程中这些迷宫般的复杂结构可能会很具挑战性，特别是因为支架和支撑结构与导体和母线装置看起来非常相似。识别带电线路和设备的最简单方法是寻找由绝缘子支撑的部分。最终，你将能够跟踪电流的路径，了解它如何流动。每个相的导体在插图中都有标出，帮助你追踪电流的流向。（下一节将进一步详细描述变电站中的具体设备及其功能。）

变电站通常是许多输电线路的终点。高压线路通过一个称为“死端”的支撑结构进入变电站，该结构提供支撑和间距。这些是唯一能够使超高压线路从安全高度降到地面的位置，因此需要额外的防护措施以确保线路的安全。

变电站的核心以及变电站中所有设备和装置之间的主要连接是母线，它由三根*行导体组成（每根对应一个相）。母线通常由刚性架空管道组成，沿整个变电站布置。变电站的整体可靠性依赖于母线的布局，因为不同的布置方案提供不同程度的冗余。发生设备故障或定期维护时，公用事业公司不希望停机整个设施，因此母线设计为在必要时绕过停运的设备重新导电。

变电站有高压侧和低压侧，它们通过电力变压器分隔开（将在下一节中讨论）。在降压设施中，电力以独立电路的形式离开变电站，这些电路被称为馈线。每个馈线都有自己的断路器，使得在发生故障时，可以将较小的客户群体与电网隔离。许多馈线从变电站地下铺设，之后在附*的电力杆上重新升起，供电给客户。

大多数变电站设备位于室外的开阔区域。然而，某些部件更容易受到天气和温度变化的影响，包括继电器、操作设备和一些断路器。这些更敏感的设备通常位于变电站的控制建筑内。与输电线路一样，雷电对变电站构成严重威胁。静电杆和避雷针突出在空中，以捕捉雷电并直接引导它们入地，从而保护昂贵的设备免受电涌的影响。避雷器也有助于应对雷电带来的破坏性影响。这些设备与带电线路连接，但通常不导电。避雷器仅在感知到电压剧烈波动时才会立即成为导体，安全地将多余的电流导入地下。

许多从外部可观察到的变电站特征与操作和维护设备的工作人员的安全有关。保护变电站设备和工作人员的最关键因素之一是确保流浪电流有地方可去。所有变电站都建有接地网，这是一系列相互连接的铜线，埋在地下。在发生故障或短路时，变电站需要能够通过这个接地网将大量电流引入地下，以便尽快跳闸。这个接地网还确保变电站及其所有设备保持在相同的电压水*，这个电压水*被称为等势。电流只会在不同电压势差的点之间流动，因此保持所有设备在同一电压水*可以确保触摸任何设备时不会让电流通过人体。每一件设备的外壳和支撑结构都通过接地网相互连接。

你可能会注意到，大多数变电站的地面上铺有一层碎石。这不仅仅是因为线务人员不喜欢割草！碎石具有自由排水的特性，不会积水，因此它提供了一层土壤上方的绝缘层，防止雨水形成积水。

对于大多数人来说，远离高压设施是常识，但尽管听起来疯狂，变电站却是窃贼盗窃铜线的常见目标。变电站被围栏和警告标志包围，以确保任何迷失的市民知道要远离。如果你仔细观察，会发现即使是围栏也有导线将它们连接到地下接地网，确保等势不仅延伸到围栏内的工作人员，也延伸到围栏外的任何人。

变电站设备

了解变电站内电力的布局和流动只是故事的一半。变电站由许多不同的单独设备组成，每个设备都起着重要作用。变电站观赏的乐趣就在于能够识别这些设备，并理解它们是如何工作的。

一个变电站最重要的工作之一是升压或降压；也就是说，转换来自输电线的更高电压（虽然更高效，但也更危险）和城市区域内较小线路的较低电压（较易绝缘，尽管仍然相当危险）。这一转换是通过电力变压器完成的，这是一种依靠电网交流电工作的设备，没有运动部件，而是利用电磁学的原理。变压器主要由两个相邻的线圈组成。输入电流的交流电产生的磁场通过由许多薄铁片组成的层压铁芯集中并引导。这些磁场耦合到相邻的线圈，感应出电压到输出电线中。变压器的输出电压与每个线圈中的线圈圈数成正比。变压器通常是整个变电站中最大和最昂贵的设备，因此很容易识别。

引导导体进出变压器的绝缘子称为套管。它们支撑着带电线路，通过金属外壳进入变压器，防止短路。你可以通过套管大小的差异，轻松判断哪条线路是高电压线路，哪条是低电压线路。电压越高，套管需要越大，以保持足够的距离，防止电弧发生。

尽管电网级变压器非常高效，但它们仍然会损失一些功率，转化为噪音和热量。如果你靠得足够*，肯定会注意到低沉的嗡嗡声，这是因为不断变化的磁场引起了变压器内部组件的振动。热量也源自铜线圈中的电阻，最终可能损坏变压器。变压器通常会填充油以帮助冷却。你可以在外部金属外壳上看到由风扇和散热片组成的散热器，帮助散热并保持油和组件的冷却。你甚至可能会看到变压器外壳顶部有一个较小的油箱（称为储油器），用于储存额外的油，并允许油液膨胀和收缩。

在变电站中，几乎每一条线路和设备在维护或修理期间都需要与其余带电系统完全隔离。通常会在设备的每一侧安装断开开关，原因就是为了这个目的。它们无法中断系统中的大电流，主要用于隔离设备以保障工人的安全。最常见的断开开关是电动操作型，由一个铰接刀片和一个静止接触点组成，两者都安装在绝缘子上。*移式断开开关通过剪刀状的动作上下升降，连接到母线。

有时，需要中断电力网某部分的电流流动。最常见的中断原因是由于故障，这可能会对昂贵且重要的设备造成重大损害。断路器提供了切断电流的手段，使得故障能够与系统的其他部分隔离开来。它们不仅保护电网上的其他设备，还使得问题容易被发现并迅速修复。然而，切断带电线路上的电流并不像听起来那么简单。只要电压足够高，几乎任何物质都可以导电，其中包括空气。即使你在电线上制造了断点来切断它，电流仍然可以通过空气继续流动，这种现象被称为电弧。电弧需要尽快熄灭，以防止断路器受损或工人处于不安全的环境中，这意味着所有高压设备的断路器都需要包含某种形式的电弧抑制装置。

对于低电压，断路器位于真空密封容器内，以避免电流在接触点之间通过空气导电。对于高电压，断路器通常被浸入充满非导电油或称为六氟化硫（SF[6]）的密集气体的罐内。另一种选择是使用强大的气流将电弧吹灭。所有断路器都连接到称为继电器的设备，能够在故障状态下自动触发。断路器也可以手动操作，以便在需要进行维护或在极端电力需求期间脱负荷时切断电路。由于许多故障是暂时的（例如雷击），一些断路器被称为重合闸，如果故障已经清除，它们会自动重新给电路供电。

继电器监控电网中的电压、电流、频率和其他参数，以识别问题并触发断路器，但我们不能直接将高电压输入到敏感的操作设备中。相反，特殊的变压器，称为仪表变压器，将导线上的高电压和电流转换为较小、更安全的水*，从而将其发送到继电器。仪表变压器是电力网的“眼睛”，监控着电网的状态，确保一切正常运行。虽然它们看起来相似，但有一个简单的方法可以区分它们：电压变压器的主绕组通常连接在一个相和地之间，因此你只会看到一个高电压端子。电流变压器的主绕组则与导线串联（即串联）连接，所以会有两个高电压端子。

典型的电力杆

在建成的世界中，几乎没有什么比电力杆更普遍的了，它在电网电力分配中扮演着至关重要的角色。分配描述的是电力网中将电力输送到各个消费者的部分。如果说输电线是电力的高速公路，那么配电线就是居民区的街道。它们通常从一个变电站开始，电力线（称为馈线）从变电站分散出去，连接到居民、商业和工业用户。在某些方面，配电几乎与高压输电相同，毕竟，电线就是电线。但在其他方面，它却有着惊人的不同。最明显的区别是，电压降低到更容易绝缘的水*，因此电杆和导线的高度也会相应降低。

在北美的大多数地区，木材是一种相对丰富的资源，因此它是构成大多数电力杆的材料。防腐剂用于处理木材，以减缓天气和昆虫对其的腐蚀。标准因地区而异，但正常高度的电杆通常埋入地下 2 到 3 米（6 到 9 英尺）。大多数电力杆都有自己的接地线，沿电杆下行，并连接到插入地面的电极。这根接地线为任何游离电流提供了一条安全路径，而不是让它们通过电杆本身流动，这可能导致触电或火灾。

直线排列的电杆只需要支撑电线上方的垂直重量，但如果电杆作为转角或死角的支撑点，它就会受到一侧的拉力。即使这种拉力不大，长电杆也像杠杆一样放大力量，将力传递到地面，从而可能导致电杆倒塌。每当电杆上的水*力不*衡时，就会使用拉线进行额外支撑。每根拉线都配备有应变绝缘子，以确保在发生事故时，危险电压不会传导到电缆的下段。

你在电力电杆顶部看到的主要配电导体（或线路）被认为是中压线路，通常电压范围从 4 kV 到 25 kV。带电线路很容易辨认，因为它们由绝缘子支撑。尽管它们的电压远低于输电线路，但主配电线路的电压仍然对家庭和企业使用具有危险性。配电变压器（在下一节中详细介绍）将电压降至最终水*——通常称为主电压或次级电压——供普通客户使用。连接每个客户到电网的次级服务接入线位于主导体下方。为了工人的安全，带电线路总是位于电杆的顶部，并且它们与其他通信线路（如电缆、电话和光纤）之间留有工作空间。有关通信基础设施的更多信息，请参见第二章，这些设施通常与配电线路*行布设在电力电杆上。

与输电线路的一个主要区别是，配电网中的导体数量从三根增加到四根。这是因为电力需求在配电网的三个相位之间的分配方式。所有电气电路都是回路，因此它们需要两条线路：一条供电，另一条将电流返回到源头。在高压输电线路上，三相之间的电力使用是完全*衡的，从而消除了电力的单独回流路径的需求。每对相位同时充当电源和回流路径。然而，在配电侧，这并不总是那么简单。许多电力消费者（包括大多数住宅）只使用单一相位。事实上，在配电网中，三个相位通常会被分开以服务完全不同的区域。看看一些住宅区，你可能会看到许多只有一根主导体且没有横臂的电杆。电网运营商会尽力安排配电线路，以确保每个相位的负荷大致相等，但它们从未完美同步。这些相位之间的不*衡要求使用一个中性导体作为电流回流路径。

电网的复杂性很大一部分源于我们在发生故障时如何保护它。电网之所以被称为“电网”是有原因的。它是一个互联的系统，这意味着如果我们不小心，小问题有时会扩展并影响到更大的区域。工程师们使用保险丝和断路器在每个主要电网部件周围建立保护区域，以便隔离故障并使其易于发现和修复。这些设备创造了“受控故障”，在保护整个系统的同时，你会失去一些服务（就像家里的断路器一样）。其目标是，当出现故障时，隔离设备能够加速修复过程，并降低修复成本，从而让客户尽快恢复正常用电。当电力中断时，很容易因不便而感到沮丧，但也可以考虑感谢它，因为这可能意味着电网正在按照设计运行，保护整体电网并确保快速、经济地修复故障。

电力分配设备

与电网的其他部分一样，电力的分配需要各种设备来确保可靠性和安全性。就像在变电站中一样，电力分配网中最重要的设备之一是用来改变电压的。尽管低于传输电压，但主要分配电路仍然在数千伏的高电压下运行，远高于大多数家庭和企业的安全使用电压。在大多数情况下，需要另一个变压器（称为配电变压器）来将电压降到建筑物中灯光、电器和其他设备通常使用的水*。这些变压器通常呈灰色圆筒状，位于公用电线杆下方。它们内部充满油，就像变电站中的变压器一样，工作原理几乎相同。

世界上许多地方有一个有趣的差异，就是配电变压器线圈的输出采用了分相设计。在这种配置中，两个带电（或热）线路供电给客户，同时有一根接地的中性导体。一个带电线路与另一个带电线路相反。这样，较小的电器可以使用线对中性电压，在北美大多数地区约为 120 伏标称电压（170 伏峰值）。需要更多功率的设备（如加热器、空调和烘干机）可以连接在两个带电线路之间，获得双倍的电压。在住宅区，单个配电变压器通常可以为多个家庭供电。看看你家外面，你可能会注意到你与几个邻居共用一个变压器。需要更大设备的客户（例如大型空调单元）可以利用电网中的所有三相电力。在这种情况下，你可能会看到三个单相变压器聚集在同一根电杆上。查看变压器侧面的功率额定值，以kilo-Volt-Amperes（kVA，大致相当于千瓦）为单位。

就像输电线和变电站设备一样，配电网也需要防护以应对故障和雷击。你在电杆顶部看到的大部分硬件都是在出现问题时使用的。一种常见的保护装置是熔断切断器，它既充当断路器，又充当隔离开关。熔断器自动保护服务变压器免受短路和电压浪涌的影响。如果熔断器中的电流过大，内部元件会熔化，断开电路并释放一个锁扣，允许熔断器门垂下。这些熔断器通常包括一个爆炸内衬，帮助熄灭内部形成的电弧，因此如果附*的熔断器跳闸，你可能会听到一声巨响。声音通常非常响亮，以至于许多人认为变压器爆炸了，而实际上它是通过熔断器得到保护免受损坏的。

即使切断装置中的熔断器没有熔断，线路工人也可以将其断开，以便隔离线路进行维护或修理。然而，熔断器是最简单的保护装置。更复杂的断路器偶尔也能看到，其中包括自动重合闸，它们通常装在小型圆柱形或矩形的容器中。自动重合闸在检测到故障时会打开，然后再闭合，测试故障是否已排除。电网中的大多数故障是暂时性的，例如雷击或小树枝与带电线路接触。自动重合闸能够保护变压器，无需工人更换熔断器来处理小故障。它们通常会多次跳闸和重合，再判断故障是否永久性存在，并最终锁定。如果你在短时间内断电并恢复供电，可能正是自动重合闸的作用。其他类型的隔离开关通常安装在电力杆顶，用于帮助线路工人进行维护或修理。许多隔离开关采用机制，一次性断开三相电。最后，和电网的其他部分一样，配电线路也使用浪涌保护器，将雷击等电压浪涌安全地引导入地面。

并不是所有的电网配电都是通过架空线路进行的。在许多城市的市区核心地带，你几乎看不见任何架空电线。相反，电力是通过地下管道传输的。此外，新的住宅区和商业开发通常选择将配电线路埋地下，以避免架空电线带来的杂乱无章的外观。使用地下配电线路并不是一个简单的选择，因为它们的安装成本要高得多，而且在损坏时修复时间通常更长。然而，这些线路能够更好地抵御天气的影响，并且不会影响城市景观的美观。即使不是完全地下铺设，配电线路也常常会在地下和地面之间切换，以避开架空的障碍物，甚至是为了避免遮挡标志。

尽管你看不到地下配电线路，但你通常能看到它们的起点和终点。你可以找到安装有大号上升管道的电力杆。地下电力线路必须有绝缘外套，以防止它们受到潮气和短路的影响。导体周围的绝缘层不能随便在某处开始或结束，因为湿气可能会从端部渗入。电缆终端（俗称电缆头）用于封闭绝缘电缆与裸电缆之间的过渡。

另一个地下电缆出地面的地方是变压器。虽然它比架空变压器不那么显眼，但地面安装的配电变压器仍然提醒我们，即使在没有架空电缆的地区，电网仍然存在。你可能好奇那些绿色的柜子里有什么。它和架空安装的设备完全相同。柜门提供了通往高低压套管的通道，就像你在杆上安装的变压器一样。

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第二章：通信

前言

通信并非人类物种独有，但电信则是。超出呼喊范围的信息共享需要大量的创新。人类历史上许多重要的发展都与跨越广阔空间传递和接收信息的方式有关。从烟雾信号、信鸽到 GPS 和互联网，电信深刻地塑造了我们的生活、工作和娱乐方式。

本章探讨了我们如何通过长距离发送和接收信息，最重要的是，探讨了使这一切成为可能的基础设施——至少在写作时如此。没有哪个社会领域变化得比我们的通信技术更快。在 10 年后，本章的内容可能显得过时；在 20 年后，这里描述的技术可能会让人认不出来。在信息时代，我们已经很容易把这样的系统视为理所当然，但在我们如何传递和共享知识、娱乐等方面，背后的工程依然有着迷人的细节。

空中电信

我们大多数的电信都是通过物理线路进行的，这些线路可以是金属电缆或光纤，这些线路基本上可以有两种安装方式，以避免与其他人类活动发生冲突：通过空中或地下（在某些情况下，水下也是一个选项）。本节将讨论前者，下一节将讨论地下安装。

空中通信线路几乎总是与其他公共设施一同架设在电线杆上。《第一章》介绍了电力分配的电线杆，但这并不是它们唯一的用途。联合电线杆是指多个公共设施共同使用的电线杆，并非每个联合电线杆都支持所有种类的设施，但无论电线杆上架设了什么线路，所有线路的位置都严格规定。主电力分配线路架设在电线杆的顶部，距离地面最远，因为它们具有最大的危险性。为客户提供服务的次级电力线路则直接位于其下方。电力线路和通信线路之间有一个安全间隔区域，专供公共设施工人进行连接和维护工作，避免暴露于高压线路的危险中。通信线路位于电线杆的最低位置，因为这些线路不构成触电危险，且需要更频繁的维护。

尽管许多不同类型的通信线路可以通过电线杆架设在空中，但只有三种类型的线路在标准电线杆上占据主要位置：电话线、同轴电缆电视线和光纤线路。在同一根电线杆上并排看到这三种线路并不罕见，如果你知道该怎么辨别，分清它们是很容易的。

跨越长距离架设电缆会产生显著的拉力，而大多数通信线路并不设计为支持其自身的重量，尤其是在它们从一个电线杆延伸到另一个电线杆时。相反，钢制的支撑线提供了所需的支撑。通信电缆通过绑缚固定在支撑线上，或者在 8 字型电缆的情况下，支撑线被并入到保护性外包皮中。

尽管构成传统电话服务（POTS）的铜线网络正在迅速被淘汰，但它们仍然可以在全球的电线杆上看到。自 1876 年以来，我们一直通过专用的铜线电路传输语音信号，这仍然是许多地方家庭或企业连接电话网络的最简单方式。每一条固定电话线路由一对扭绞的细铜线组成。由于每个家庭和企业都可以直接连接到本地电话交换局，因此电缆可能会变得相当庞大，有时包含数百或数千对电线。电缆在接头处汇集成更大更大的电缆，这些接头常常被电线杆附*黑色的接头盒所标示。

所有这些并排运行的电线自然会在电路之间产生电磁干扰和“串音”。然而，通过巧妙地将每一对电话线电缆扭绞在一起，解决了这个问题，因为不需要的干扰会均等地影响每一根扭绞对中的电线。所需的通信信号通过扭绞对两根电线之间的电压差传输，因此任何对两根电线共同作用的不希望出现的电压都会被消除。

另一种广泛使用的电信介质是有线电视网络（通常缩写为CATV）。尽管名字如此，大多数 CATV 网络除了电视节目外，还支持电话和高速互联网服务。像普通电话服务（POTS）一样，CATV 网络从一个中央位置开始，这个位置称为头端。从那里，信号主要通过同轴电缆分发，同轴电缆得名于其内部导体和周围的金属屏蔽层是围绕一个共同的轴心同心排列的。这些电缆能够携带高频无线电信号，且由于外部导体的屏蔽效应，信号损失非常低，干扰问题也很少。它们起初是大型的干线，向多个分配线路供电。放大器（也叫线路扩展器，其特点是有散热鳍片）沿着干线间隔放置，以增强信号。一个有线电视电源为大范围内所有放大器提供所需的电力。分配线路上的分接头允许连接掉线线，进而为每个单独的客户提供服务。CATV 的干线和分配线路因其扩展环而易于识别。这些环的存在是因为同轴电缆比较刚性，随着温度变化，其膨胀和收缩的速度与电线的传导线不同。如果没有足够的空间来应对热膨胀，它们可能会遭受过度的压力和损坏，甚至可能将自己从连接处拉出来。

现在，电缆和电话提供商通常将光纤电缆与铜线或同轴电缆结合使用，以分发更高质量和更可靠的信号。这些电缆利用一束束玻璃或塑料纤维以光脉冲的形式传输信号。由于光纤信号不受电磁干扰，它们可以在很远的距离上传输而几乎没有信号损失。电缆的外部有时会有橙色或黄色的标记或包覆，便于与电话或有线电视电缆区分。

光纤网络通常设计时会留出未来扩展的空间，通过预设更多的光纤。然而，这些电缆的一个主要挑战是它们很难进行拼接。与电气拼接所需的简单物理连接不同，光纤电缆需要更加小心，以避免光信号的散射或反射。每根光纤必须剥离、清洁、切割、对齐并精确连接，通常需要使用热量将它们熔接在一起。为了避免在梯子上或吊车中进行这种精细操作，许多公用事业公司更愿意在专门的拼接车中增加新的连接或修复光纤电缆。这意味着电缆需要足够的松弛量，以便将其降到地面，这些松弛的环通常存储在主电缆旁边。光纤电缆不能有急剧的弯曲或扭曲，这可能会折断光纤，因此存储支架（通常因其独特的外观被称为雪鞋）可以在不损坏电缆的情况下改变方向并储存松弛量。

地下电信

将通信线路埋设在地下，而不是沿着电力杆架设在空中，具有一些显著的优势。线路不需要支撑绳来承受杆上的重量。它们也不那么显眼，避免了在景观中增加视觉杂乱。最后，它们能避免受到鸟类、松鼠、风、冰雪、阳光以及偶尔车辆撞击电杆等一系列威胁。因此，地下通信线路通常更加可靠，尽管它们在安装时需要更高的初期成本。

地下公用设施通常放置在保护性管道中，这些管道的安装有两种方式：开挖或定向钻探。开挖是通过使用挖掘机在地面上挖掘一个线性孔（即沟槽）来完成的。管道被放置在这个孔中，然后用土壤回填。回填时会安装警示带，以标明电缆的存在，警示将来可能在周围挖掘的人。有些警示带甚至包括电线或钢带，以便从地面上探测到，使得以后更容易找到电缆。这种开挖方式的主要缺点是对表面设施的破坏。施工期间，该区域必须封闭，并且在回填沟槽后，人行道、道路和草坪需要修复。这些修复往往不如原始的耐用或美观。

定向钻孔通过在不挖沟的情况下将管道安装在钻孔内来减少地面上的干扰。这种方法对于穿越河流、拥挤的城市区域和关键道路特别有利，因为在这些地方使用挖沟方法不可行。地面上的定向钻机首先在入口坑和出口之间钻一个导向孔。工人使用钻杆上的感应设备和地面上的设备监控钻孔的路径。为了引导钻头，钻杆的前端是不对称的。它可以被调整到任何位置，并且在钻孔过程中，钻杆会自然偏向优选方向。一旦导向孔完成，钻杆会被收回并使用扩孔器扩大钻孔，同时将管道从卷轴中拉出，形成一个连续的电缆通道。

由于它们隐藏在地下，你无法像空中安装那样看到地下通信线路。然而，这些电缆最终必须露出地面，因此有很多机会可以发现它们。与地下设施相关的最简单结构是电缆井，它是一个地下的封闭空间，用于接入管道。井盖通常很显眼，通常是大矩形的，并且上面会标明有关内部设施的细节。

与地下通信相关的另一种结构是通信机柜。这些机柜位于地面上，可能包含多种不同类型服务提供商的设备，因此如果你想确切了解其中的内容，你必须像侦探一样进行调查。第一个线索是标签。有时，你可以在机柜上找到公司名称或联系信息，这些信息能提示里面的设备类型。通常，机柜作为简单的连接点，便于将高容量的主干或馈线电缆与朝向客户的较小分配电缆进行拼接。在这种情况下，机柜内安装有跳线设备，供技术人员连接有线电视、电话或光纤线路。

一些通信机柜内安装有有源（换句话说，就是有电的）设备。在这些情况下，外部通常会有电压警告标志，并且机柜上会有通风孔，因为这些设备通常需要通风散热。有源设备可能包括有线电视网络的电源设备或光学节点，它们将光纤信号转换为可以通过同轴电缆分发的无线电频率。

最后，这些机柜偶尔包含更为复杂的设备，使得电话线路能够以比直接连接到最*的中央交换机更高的速度和更高的保真度传输信息。这些设备被称为远程集中器，它们将单个电话用户的信号数字化，并将其合并为直接传输到中央交换机的光纤信号，从而使电话公司能够为更多的用户提供服务，并提供更高质量的语音和高速数据服务。

另一个地下通信线路的标志是基座。这些无处不在的外壳通常是终端点，提供了更大分配线路与向用户分布的小型电缆之间的连接，用于有线电视、电话或其他电信服务。它们通常包括一个接入面板或允许拆卸外壳，以便技术人员进行连接或排除故障。对于有线电视，它们可能包括一个分接器，以提供多个服务分支。对于电话，它们通常仅隐蔽电缆接头，其他没有太多内容。

另一个与地下设施相关的设备是中继器。T1和DSL是两种常见的高速数字信号，能够通过标准的铜质电话线路传输。然而，由于这些高速数字信号的频率相对于语音信号较高，它们不能在没有变得过度衰减或失真的情况下传输很远。在电话局之间距离较长的农村地区，这些线路需要中继器以保持信号的保真度。中继器通常被安置在像油漆桶或慢炖锅一样的防水外壳中。它们通常以规律的间隔出现在线路上，通常是每隔一两英里出现一次。

无线电天线塔

无线通信利用不可见的电磁辐射波携带信息跨越空间。这项简单却非凡的技术使得各种无线设备成为可能，从车库门开关到手机。如果人类能够感知电磁辐射的全频谱，我们将会被空中波段中流动的信息量和种类彻底压倒。

许多用于通信的频率，包括广播电台和电视台传输的信号，要求视距；发射器和接收器之间的路径必须相对不被遮挡。无线电信号通常无法超越地*线，这也是为什么许多天线安装在巨型塔的顶部（有时也称为桅杆）。它们越高，信号覆盖的范围就越广。天线塔是世界上最高的人造结构之一，许多塔的高度超过 600 米（约 2,000 英尺）。它们如此高，以至于常常对飞行器构成威胁，通常需要涂上橙白相间的条纹，并在顶部安装警示灯。这些塔在现代社会中发挥着至关重要的作用，支持着无线电和电视信号的广泛传输、紧急响应人员的通信等。

无线电天线塔可以有多种形式，但主要有两种结构类型（不包括高楼顶端的尖塔）：自立式和钢索式。自立式塔设计为完全独立承受风力，稳定性完全依靠自身。它们通常由钢或混凝土制成，底部宽大，以便提供足够的刚性以抵抗自然界的力量。自立式塔占地面积较小，因此在土地资源紧张的城市地区非常理想。然而，由于需要更多的材料来提供横向风载荷的稳定性，它们的建造成本比钢索塔更高。

钢索塔通常由一个纤细的格架结构组成，支撑着多根钢缆（钢索）。钢索塔之所以能够纤细，是因为它们不需要抵抗风力提供刚性。钢索提供了横向支撑，使得塔只需要支撑自身的重量。实际上，一些钢索塔的底部会逐渐变窄，这样任何微小的摇摆都只会导致转动，而不是塔身的弯曲或变形。钢索通常以等边三角形排列，以便无论风向如何，都能提供支撑。

钢索的固定方式有多种，取决于现场的土壤或岩石类型以及预期的负载。锚点通常由一个或多个深孔组成，孔内埋有钢杆，以形成与地球的刚性连接。由于钢索从塔基延伸得很远，钢索塔比自立式结构需要更多的空间。它们大多位于土地较便宜的乡村地区。

娱乐节目或其他信号通过广播发射机传送到塔站。发射机通常位于远离塔的环境控制发射机建筑内。对于 AM 广播电台，塔本身就是天线，塔基可能有一个调谐小屋，里面放置着从发射机到塔的电力传输所需的设备。对于 FM 和电视台，馈线（也称为传输线）将信号从发射机传输到天线，而天线则固定在塔结构上。在寒冷地区，馈线从发射机建筑到塔的水*部分会通过冰桥保护，防止掉落的冰雪损坏。天线是将信号辐射为电磁波的设备。由于塔的造价相对较高且非常显眼，它们通常由多个电台或其他用户（称为共址）共享。塔主会将发射机建筑内的空间和塔结构上的空间租赁给广播电台、电视台、警察和消防部门、政府机构以及各种私人公司，用于它们自己的无线通信系统。

与它们所附着的塔一样，这些天线可以根据信号的频率、方向和功率呈现各种有趣的形状。全向天线在所有方向上均匀地传输无线电波，通常具有圆柱形状。它们包括单极天线，这是一种需要接地*面（有时是地面本身，有时由放射状的水*导体组成）的直导电元件。双极天线是另一种全向天线，由上下排列的两个相同辐射元件组成。

定向天线将无线电波集中在特定方向上。抛物面天线使用实心或网格状的金属盘来反射并聚焦无线电波。八木天线利用一个带电的双极天线和几个非带电元件，将波集中到所需的方向。外观相似的对数周期天线则使用一系列长度略有不同的双极天线，用于发送或接收各种无线电频率。简单的天线元件，如双极天线，可以组合成阵列，共同工作，将波导向一个束状或特定模式。（其他一些天线类型，包括用于蜂窝电话服务的天线，会在另一部分讨论。）

像所有基础设施一样，天线塔需要定期维护。经过专门高空和电气危险培训的技术人员会对这些结构进行检查和维护。非常高的塔可能配备电梯，以便进行涂漆、修理和设备更换。较矮的塔需要技术人员爬到塔顶。

尽管用于无线通信的频率是非电离的（意味着这些波不能分裂原子），但这并不意味着它们不危险。电磁辐射可以在含水物体中产生热量，包括人体。（微波炉利用这一效应加热我们的食物。）这就是为什么在高功率传输的天线附*，公众的接触是受到限制的。维护这些塔的工作人员必须确保在靠*工作时，保持与带电天线的安全距离，或在工作前关闭天线电源，以避免不安全的暴露。

卫星通信

天线杆的高度有实际限制。最终，财务、工程和安全挑战使得建造更高的天线变得不可行。幸运的是，还有一种方法可以将天线送到高空。卫星是通过火箭将其送入环绕地球轨道的设备。它们是无线通信的顶峰，至少在传输范围上是如此。许多卫星能够同时从地球三分之一的区域发送和接收无线电信号，传输距离远远超过最高的塔。这些天，我们用卫星进行各种各样的通信，包括无线电、电视、互联网、电话、导航、天气、环境监测等等。用于通信的卫星本质上是中继器，接收来自地面某一位置的信号，并将其放大并重定向回地球上的其他地方。这种中继创建了一个不需要通过电缆连接的通信通道，并且不像地面天线那样受到地球曲率的限制，能够更远距离传输。

通信卫星可以放置在环绕地球的多种轨道中。卫星的轨道速度与其高度直接相关。轨道越高，绕地球一圈的时间越长。低地轨道的卫星每天绕地球多次，因此它们只会在特定位置的上空停留短时间。为了保持持续服务，需要一组在重叠轨道上的卫星，称为星座。每颗卫星都被战略性地放置，以确保地面上的任何位置在任何时候都有至少一颗卫星在视距范围内。低地轨道卫星传输和接收所需的功率较少，而且通信延迟较小，因为它们离地面更*。它们也不需要大型天线来接收信号。事实上，你可能随身携带着一根天线，它经常与低地卫星进行通信：就是你手机里的GPS天线。然而，低地卫星必须考虑到多普勒效应。由于卫星相对于地面观察者的移动速度非常快，射向天线时，电波会被压缩，而当卫星从上空经过时，电波则会拉伸，这使得接收和解码信号的任务变得更加复杂。

在大约 36,000 公里（22,000 英里）的高度，卫星的轨道周期是 24 小时，正好等于一天的长度。处于这个高度、围绕地球赤道运行的卫星处于静止轨道，因为它随着地球的自转，始终保持在天际的固定位置。尽管将卫星发射到如此高的轨道需要相当大的努力，但静止卫星具有一些显著的优势。由于它们相对于地面不移动，因此天线可以固定安装，简化了设计。静止卫星的覆盖范围也大得多，因为它们的视距覆盖了地球约 40%的范围。只有地球的极地地区难以从这种轨道上到达。

静止卫星的一个限制是，它们被限制在一个环形区域内（称为克拉克带），这个区域位于地球赤道上方。为了避免卫星之间相互干扰，国际电信界达成一致，规定在这一环形区域内分配各个位置（称为“槽位”），就像房地产 parcel 一样。静止轨道已经如此拥挤，以至于有了等待名单。一旦卫星的使用寿命结束，它必须离开自己的槽位，以便替换卫星或等待名单上的新卫星可以取而代之。

静止卫星的另一个缺点是它们离地球的距离较远。跨越如此巨大的距离发送和接收无线电信号是一个主要挑战。用于克服这种距离的天线非常容易辨识。卫星天线盘使用一个弯曲的反射器来收集微弱的无线电信号，并将它们聚焦到馈电喇叭中。这个金属圆锥将信号波传输到低噪声块中，这个低噪声块是卫星天线的核心，包括执行两个主要功能的电子电路。首先，它将微弱的无线电信号放大到更可用的水*。其次，它将用于长距离无线传输的高频信号下变频，转换为可以通过电缆高效传输的较低频率信号。

向静止卫星发送信号的天线通常要大得多，但基本原理相同，配有用于放大和转换频率的设备以及反射器，将信号引导到天际正确的位置。支撑天线盘的杆可以固定在一个永久安装的支架上，或者根据是否与一个或多个静止卫星通信，安装在一个带有电动追踪功能的支架上。

有些卫星足够大且具有足够的反射性，在夜间可以从地面看到。事实上，随着如今有如此多卫星绕地球运行，观察卫星已经成为一种流行的爱好。许多网站会追踪卫星轨道，并提供关于卫星何时、何地可见以及它们在天空中的亮度的预测。这种亮度来自于太阳光反射到卫星的太阳能电池板或光滑表面后，再反射到地球上，这就是为什么卫星在日落后或黎明前的几个小时内最为可见的原因。在这些时刻，天空由于地球的阴影变暗（有时被称为“暮光楔形”），但太阳仍然足够接*地*线，可以照亮高空中的物体。绕地球运行的最著名卫星——国际空间站，也是最大且最显眼的。在世界大多数地方，你至少每月可以看到这项现代工程的壮丽景观在夜空中飞驰几次。这是一个壮观的景象。

蜂窝通信

大多数无线通信涉及的是单向广播信号（例如，AM 和 FM 广播）或有限小组之间的双向传输（如警察调度网络）。用于不同“频道”通信的电磁频谱的可用频率是有限的。除此之外，不同的无线电信号用户之间对这些有限频段的竞争也很激烈，包括公共安全组织（如警察和消防部门）、军事、航空交通管制、电视和广播电台等。为大众提供无线电话和互联网连接是一个重大的工程挑战。在仅限的频率范围内，无线通信运营商已经创新出将任何移动设备连接到电话网络和互联网的方法。使这一切成为可能的基本创新是将大范围的服务区划分成较小的单元——因此得名“蜂窝通信”。

尽管将通信天线安装在高塔顶部，以覆盖尽可能大的区域似乎更经济，但这只能同时提供少量连接（每个频道一个连接，位于可用的无线频段内）。相反，运营商在地形上安装了许多较小的天线，分布在各个位置，为可管理的客户群体提供服务。这种策略使得即便只有几百个频道，也能支持每天数十亿次的无线传输，因为非相邻的蜂窝可以重复使用相同的频道（图示中的不同颜色表示）。每个蜂窝服务运营商都会建立自己的蜂窝网格，提供几乎所有区域的覆盖，除了人迹罕至的地区。尽管理想化为规则的六边形网格，但每个蜂窝的大小和形状是由地形、天线安装位置的可用性以及特别是服务需求来决定的。人口密集地区的蜂窝较小，而农村地区的蜂窝则可以更大。

所有这些蜂窝的创建在地形上留下了基地站的印记。基地站（也称为基站）具备为一个或多个无线蜂窝提供服务所需的所有基础设施，通常包括塔、天线、放大器、信号处理设备、与网络的回程连接，有时还包括电池或备用发电机以应对停电情况。

用于安装天线的无处不在的塔是常见的景象。在城市环境中，它们通常是单极塔或格架结构。信号处理通常在靠*天线的远程无线头设备中进行，有时无线设备则位于地面的设备柜中。避雷针可以保护敏感设备免受雷击。天线还需要一些防范措施来防止野生动物造成损害。如果你仔细观察，会发现有各种富有创意的方法应对这一挑战。最常见的是捕食性诱饵（通常是猫头鹰），它们可以把鸟类赶走，或者是塑料鸟刺，使得鸟类难以在天线上爬行或栖息。你还可能注意到塔上有一个 gps 天线。这种天线通常呈蛋形，能够从天上的卫星收集精确的时钟信号，这对于同步信号处理设备是必需的。

然而，基站并不总是独立的塔。留心在城市地区，你会发现几乎任何高大的建筑物上都有天线，包括楼房、水塔、公共设施杆甚至广告牌。事实上，围绕着出租通信基站空间形成了一个高度发展的经济体，其中包括中介、投资公司以及其他传统房地产市场的参与者。通常，为了节省成本并减少这种显眼基础设施对景观的影响，运营商会共享塔或建筑物。你会经常看到同一座塔上有两层或更多的天线。另一种减少通信塔显眼度的方法是将其伪装成更自然的形态，比如树或仙人掌。这些所谓的隐形基站，有些比其他的更具隐蔽性。

如今，几乎随时都能看到一组用于发送和接收移动设备信号的矩形扇区天线。这些天线具有高度的定向性，以保持小区之间的清晰边界，通常针对 120 度的地面区域。某些塔顶上的三角*台使天线可以同时为三个小区提供服务，每个天线都会精确调整角度，以避免与邻*小区的信号干扰。你可能会注意到一些天线被向下倾斜，以减少信号超出小区边界的传播。每个天线扇区的辐射模式大致是圆形的。当考虑到为了在设备从一个小区移动到另一个小区时需要的数字切换重叠时，最终形成的大致是六边形网格。

每个基站与核心网络的连接称为回程。在大多数情况下，移动通信基站的回程是通过光纤电缆连接到最*的交换中心。在无法安装光纤的情况下，运营商可以使用无线回程。你偶尔会在手机塔上看到的圆形突出物，其实是高容量微波天线。保护外罩下是类似于卫星发送和接收信号用的抛物面天线。这些天线具有定向性。如果你能够直视其中一个天线的中心，你会看到它的另一端安装在远处的塔上，直接朝向你。

移动通信基础设施可能是本书中发展最快的主题之一。最初作为提供移动电话服务的手段，现在已成为许多人访问互联网的主要途径。语音通话已成为手机的次要功能，甚至很多人更喜欢称其为“设备”而非“电话”。随着越来越多的设备获得互联网连接（通常称为物联网），对高速无线服务的需求预计只会增加。无线运营商将不得不继续创新，这意味着今天的移动通信基础设施可能与明天的面貌大不相同。

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第三章：道路

前言

在我们所建造的环境中，道路可能是最不显眼的元素，但它们几乎与我们呼吸的空气一样基础。你几乎肯定是通过一条道路到达你现在所在的地方，而且下一次你前往任何地方时，也很可能会再次使用道路。历史上最早的道路是由人或动物跟随相同的路线，经过足够长时间的踩踏，形成了两个地点之间的通道。道路一直以某种形式存在，但它们并不总是安全、舒适，或者能够承载如今道路系统中使用的庞大数量和重量的车辆。随着时间的推移，街道和高速公路的需求只会增加，因为越来越多的人和货物在流动。道路的设计也随着这种需求而演变。尽管它可能看起来并非总是如此，但如今的道路承载着比历史上任何时候都更多和更重的车辆。由于道路的普遍存在，人们很容易忘记它们对社会的价值。但那些研究、设计、建造和维护道路的工程师、承包商和公共工程人员深知道路在货物运输和人员流动中的重要性。无论你是否喜欢道路在景观中的主导地位，你都不得不惊叹于这一事实：在现代世界的大多数地方，任何人都可以相对轻松和舒适地乘坐公交车、汽车、自行车、卡车、摩托车或电动车前往几乎任何地方。

城市主干道和集散道路

在过去 100 年里，没有什么比汽车对城市规划和设计的影响更大。随着 20 世纪初汽车的普及，机动车成为了城市交通的主要方式。随之而来的是，城市需要建设道路来应对日益增长的交通量。城市与人体解剖学之间有很多相似之处，道路也不例外。事实上，道路常常被比作心血管系统的各个部分。高速公路就像主动脉，具有较高的通行能力和单一的主要目的地。小型集散道路就像毛细血管，容量小，但与每一座房屋和商铺都有联系。介于两者之间的是被恰当地称为主干道的道路，它们是城市中心之间的中等容量连接。所有这些道路共同构成了一个城市交通网络，使车辆可以（相对）高效地在地图上的任何两个地方之间移动。

尽管看起来可能并非总是如此，城市中的街道不仅仅为汽车提供路线。集散道路和主干道真正构成了城市的循环系统，为汽车、卡车、公交车、自行车、行人、公共设施线路甚至雨水排放提供了通道。虽然每条街道都不同，但大多数城市道路都有许多共同的特点。本节将概述你在城市中可能看到的最常见的元素。

描述道路的一种方式是它们的交叉点，也称为交叉口。收集道路和主干道通常在同一级别重叠，换句话说，就在地面上。这意味着只有少数交通流可以同时通过，导致交通流动中断。这些交叉口也是绝大多数事故发生的地方。因此，交通工程师对交叉口的设计以及如何使其尽可能安全和高效进行了深思熟虑和分析。这一挑战几乎总是需要在包括空间、成本、交通类型和量以及人类因素（如习惯、期望和反应时间）等众多相互冲突的考虑因素之间进行妥协。最简单的交叉口是由标志控制的，使用停止或让行标志来管理交通流。它们具有成本效益，并且不需要额外的空间，但是无法处理高流量，因为它们会为通过的每辆车辆造成中断。信号控制的交叉口使用电灯指示哪些交通可以通行。（交通信号灯将在本书的后续部分详细介绍。）环形交叉口是围绕中心岛屿使交通流畅的圆形交叉口。虽然它们有时占用比其他类型的交叉点更多的空间，但它们具有一些明显的优势。环形交叉口通过避免中断流的起停来高效处理交通，并且由于较慢的速度和单向交通，它们造成的危险碰撞较少。当然，在这三种基本类别内存在着无数种交叉口配置。如果你开车时间足够长，你会看到工程师们用来确保道路交通安全高效流动的各种交叉口类型和布局。

道路由车辆行驶车道和偶尔的自行车和停车车道组成。道路表面通常在中心呈圆顶形，向外缘倾斜，以便将雨水从行驶表面排走。在外缘，路缘石将路面与开发区分开，而排水沟提供了雨水流动的通道。许多城市和城镇在道路和人行道之间包括一个狭窄的条带，以提供快速行驶车辆和脆弱行人之间的安全缓冲区。这个区域有许多地方名称，包括路缘带、路肩和路堤。它还为公用事业电杆、标志和路灯提供了位置。

不幸的是，路面并不是坚不可摧的。城市驾驶中最常见的烦恼之一就是坑洞。它们确实让人烦恼，但不仅仅是这样。坑洞每年给车辆的轮胎、减震器和车轮带来数十亿美元的损失。更糟糕的是，它们非常危险。汽车为了避开坑洞可能会急转弯，有时以高速行驶，而如果自行车、摩托车或滑板车碰到坑洞，骑行者可能会遭遇严重的伤害。坑洞的形成是一个逐步过程，其中第一步是路面表面的恶化。它们可能看起来无害，但裂缝是路面系统中的关键缺陷，因为它们允许水渗入。路面下的土壤可能会因降水而饱和，软化并削弱基层。路面下的水也可能会结冰，形成一种叫做冰透镜的结构。水在结冰时会膨胀，并且膨胀时产生巨大的力量，分开基层和路面。当这些冰透镜融化时，支撑路面的冰会消退，形成空隙。每次轮胎经过这个软化区域时，它都会把一些水和下面的土壤挤出路面。刚开始时这是一个缓慢的过程，但每一点从路面下被侵蚀的基层意味着支撑变少，而支撑减少意味着路面下水分的体积增加，这些水会随着交通来回流动。最终，路面失去足够的支撑而失败，破裂并形成坑洞。

因为坑洞具有如此大的破坏性和不便，路面所有者在防止坑洞形成和出现后修复它们上花费了大量的时间和金钱。防止的主要方法是封闭裂缝以防水渗入。修复的方式可能因材料、成本和气候条件而异。但它们大多数都做相同的事情：更换丧失的土壤和路面，并（希望）将该区域与进一步的水渗入隔离。如果坑洞修复与其余路面连接不好，坑洞可能会在同一位置重新出现。

行人和自行车基础设施

我们当前的道路系统大部分是根据一个单一的性能标准设计的：即安全和高效地移动机动车交通。曾几何时，汽车并不是我们城市生活的核心。然而，在过去大约 100 年里，它们似乎已成为城市规划和设计中每一个环节的主要考虑因素。不幸的是，这种以汽车为中心的方式剥夺了城市道路上其他使用者的权益，包括行人和骑行者。在许多地方，如果你试图以除私人汽车以外的任何方式在城市中出行，你将会遇到一连串的不便和危险。幸运的是，城市开始意识到步行性和自行车可达性的重要性，并认识到这些因素如何转化为宜居性。如今，我们希望拥有完整街道——那些为所有使用道路的人*衡安全和便利的街道。

最明显的行人设施之一是人行道，这是一条通常与街道分隔开来的狭窄道路。这些人行道可以由多种材料制成，但在大多数城市，它们是由混凝土铺成的。人行道看似简单，但其设计和建造中包含了相当多的工程学原理。混凝土的裂缝是不可避免的。树根侵入地下，冻融循环使土壤膨胀，车辆施加了意料之外的负荷。人行道的设计中通常会使用控制接缝，以通过人为削弱混凝土来限制裂缝的位置，使裂缝形成规律的图案。这些人为产生的裂缝比起原本可能出现的杂乱无章的裂缝要更可接受。此外，混凝土会根据温度变化发生收缩和膨胀。在小结构中，这种变化可能难以察觉，但对于较长的结构（如人行道），热胀冷缩的效应会累积起来。为了防止人行道发生翘曲或出现明显缝隙，混凝土中通常会留有间隙，这些间隙被称为膨胀缝。膨胀缝通常用木材、软木或橡胶填充，以便在时间的推移中允许结构的移动。

无障碍性是用来描述如何使人行道和其他行人设施对所有用户，包括残障人士，变得安全高效的术语。人行道有特定的最小宽度和坡度，以确保它们不会太难走过。当人行道与路缘接触时，通常会设有一个坡道，通向街道表面。这个坡道被称为路缘切割，它确保轮椅、助步器和拐杖的用户能够轻松过渡到人行道上。它还帮助推着推车或婴儿车的行人，甚至是骑自行车的孩子。此外，人行道上常常设置触觉路面。这些有凸起的区域帮助视障人士辨别人行道与道路之间的边界。它们是潜在危险的可探测警告，包括地铁线路、陡坡、楼梯和道路交叉口。它们通常具有对比色，以便容易识别，许多地方使用一种熟悉的纹理，叫做截顶圆顶。

行人基础设施的另一个关键方面是确保行人能够安全地过街。人行横道是供行人过马路的专用区域，使行人在交通中更加显眼和可预测。它们通常位于交叉口，并用大白条标记。当交叉口有交通信号灯时，每个横道两端的灯光会显示行人何时可以过马路。一些行人信号灯甚至包括倒计时计时器，显示剩余多少秒可以过马路。根据交通流量，过街信号灯可能与车辆的绿灯同时亮起，或者会有一个阶段只允许行人过马路。有些灯光阶段是交错的，确保行人能比车辆先行。有些信号灯完全通过预设定时器操作，而另一些则通过路旁的呼叫按钮启动。即使有这个按钮，也不一定意味着它与信号控制器连接。有时这些按钮仅仅是安慰剂，或者仅在某些时间段有效。

骑行是最有效、健康且有趣的出行方式之一，但在没有专用自行车基础设施的城市骑行常常让人觉得充满生命危险。大多数地方的法律允许自行车与机动车共用行驶车道，但除了最不繁忙的街道，少有骑行者在其他地方感到舒适。城市中有许多不同的方式来适应自行车交通。最直接的一种措施是“共享车道标志”（sharrow），该符号用于标示自行车优先通行的共用车道。统一性是交通工程中的一个关键概念。如果所有道路使用者都知道预期情况，他们就不太可能做出导致碰撞的判断错误。共享车道标志并没有明确为骑行者提供保护或隔离，但它们有助于在机动车与自行车骑行者之间建立预期，以避免道路上的混乱（并且希望能减少紧张气氛）。

下一步的自行车基础设施是涂漆自行车道。这些专用车道并没有提供与车辆的物理隔离，但它们通过视觉上的分隔，将主要行驶车道与自行车道区分开，形成两股交通流（这些交通流通常有着截然不同的行驶速度）之间的感知分隔。在美国，自行车道有时会使用绿色油漆进一步将其与其他车道区分开，并且偶尔会设置涂漆的缓冲带，为车辆和骑行者之间提供更多空间。

分隔自行车道为所有能力水*的骑行者提供了最高的安全性和舒适度。这些是与主干道有物理隔离的专用自行车道。当然，分隔和专用的车道需要大量投资，因此它们通常仅在最繁忙的路线中设立。

提高行人和骑行者安全的一种方法是减少机动车的速度和流量。仅仅改变限速标志通常不足以减缓汽车速度，因此工程师和城市规划师采用了更具创意的交通*缓方法。在交叉口，减小路缘半径可以减慢转弯车辆的速度，并缩短行人的过马路距离。然而，这种方法仅在没有大量卡车通行的地区可行（因为卡车需要更多转弯空间）。交叉口之外的*缓选项包括：收缩车道宽度的窄道、增加柔和弯道的蛇形路、通过种植树木来减少视距，以及通过设置减速带来为快速行驶的车辆提供物理障碍。

交通信号

密集城市区域的交通管理是一个复杂的问题，涉及许多相互冲突的目标和挑战。最基本的挑战之一发生在交叉口，在那里多条交通流线——包括机动车、自行车和行人——需要安全且高效地交叉彼此的路径。我们控制交叉口优先通行权的最常见方式之一就是交通信号灯。使用信号灯并不是解决所有交通问题的万灵药，但它们提供了许多关键考虑因素的*衡，特别是它们对空间的最低要求以及能在只有轻微干扰的情况下处理大量交通流量的能力。

交叉口需要严格标准化，以便当你来到一个不熟悉的交叉口时，你已经知道自己在车辆和行人的谨慎而混乱的舞蹈中的角色。这就是为什么一个特定区域或国家的几乎所有交通信号灯看起来都差不多的原因。在最简单的形式中，交通信号灯是一组三盏面向每个车道的灯。这些灯悬挂在吊缆或刚性支撑结构上。一般来说，当灯为绿时，车道上的车辆被允许通过。当灯为红时，它们不被允许通过。黄灯则提醒信号灯即将从绿灯转为红灯。除了这一基本功能外，交通信号灯还可以承担无数复杂的任务，以适应各种情况。

在交叉口的每个入口处，车辆可以朝着三个方向行驶，这些方向被称为行驶方向：右转、直行或左转。右转和直行通常被组合为一个单一的行驶方向，因此一个典型的四路交叉口对于每个方向来说有两个车辆和一个行人行驶方向。这些行驶方向可以被组合为交通信号的各个阶段。例如，来自对面方向的左转行驶方向可以被组合成一个阶段，因为它们可以同时进行而不会发生冲突。交通工程师通过信号周期来确定行驶方向的组合和每个阶段的顺序，以适应不同的交通流量和类型。

另一个关键决策是每个阶段的信号持续时间应设定多久。理想情况下，绿灯应该持续足够长的时间，以清理在红灯期间积累的车队，但在繁忙的交叉口高峰时段，这并不总是可能的。在交叉口饱和的情况下，绿灯可能会延长，以减少周期的数量，因为每个周期都包括启动和清理时间——即交叉口没有被最大化利用的时间段。

琥珀灯需要持续足够长的时间，以便驾驶员能够感知警告并使他们的车辆以舒适的速度减速停车。设计准则考虑了许多因素，但琥珀灯的持续时间通常设置为每小时 10 英里或 16 公里的速限大约 1 秒。在北美的大多数地方，你被允许在整个黄灯持续时间内进入十字路口，这意味着所有阶段都需要红灯的时间来允许路口清理。这个清理间隔通常大约为 1 秒，但根据速限和路口大小可以调整增加或减少。

一些交通信号使用预设的定时顺序，编程进控制器，但许多信号比这更复杂。被激活信号控制 是我们用来描述可以接收外部输入以动态调整时间和阶段顺序的交通信号灯的术语。被激活信号依赖于来自交通检测系统的数据，这些系统可以是视频摄像头、雷达检测器或嵌入在道路表面的感应线圈传感器。这些后者传感器本质上是大型金属探测器，可以检测车辆或卡车是否存在（对于有时太小以至于无法触发线圈的自行车、滑板车和摩托车而言，这可能是个烦恼）。无论传感器的类型如何，它们都将数据输入到附*的设备柜中。你可能看到过数百个这样的柜子，却不知道它们的用途。

这个柜子里面是一个交通信号控制器，这是一个简单的计算机，通过逻辑编程来确定每个阶段的持续时间和如何进行切换，基于来自检测器的信息。被激活的控制使得交通信号灯能够更灵活地处理交通负荷的变化。例如，如果附*的道路关闭，交通被重新路由通过一个通常不会遇到如此高需求的路口，可能需要在关闭之前重新编程。一个装有被激活控制的交通信号灯将简单地检测到额外的交通量并相应地调整其信号周期。同样的情况也适用于像音乐会和体育比赛这样在不规律时间创建大量交通需求的特殊事件。被激活系统还可以避免你在没有人横穿的情况下等待长时间的红灯。最后，被激活控制可以帮助优先处理装有专用发射器的紧急和公共交通车辆。红外线或声学优先权设备与每辆优先车辆上的发射器通信，向信号控制器发送请求以通行。

启用控制并不是信号复杂性的巅峰。毕竟，它仍然将每个交叉口视为一个孤立的实体，而实际上它是更大交通网络的一个组成部分。交通网络的每个元素都可能对系统的其他部分产生影响。经典的例子是交通瘫痪，车辆排队阻塞相邻的交叉口，导致交通流动停滞不前。解决这一问题的一种方法是信号协调，通过协调信号灯的同步工作来实现。信号协调常用于长条形道路段，并且这些道路上有频繁但较小的交叉街道。主要道路上的信号灯时序被设计成可以让一大群车辆——交通工程师称之为车队——能够不受干扰地通过道路的某一部分或全部路段。这种协调可以显著增加通过交叉口的交通流量，但仅适用于没有其他交通干扰源，如车道和商铺的路段。如果车队无法保持完整，协调信号的好处将大打折扣。

提高效率的显而易见的下一步是协调交通网络中大部分或所有信号。这正是自适应信号控制技术的工作。自适应系统不同于单独的信号组，它将所有来自探测器的信息输入到一个集中系统（通常通过每个信号灯处的天线无线传输），该系统可以使用先进的算法来优化整个城市的交通流量。这些系统可以显著减少拥堵，许多城市已经为交通信号实施了自适应技术。

交通标志与标线

使道路安全高效的最重要方面之一是标志和标线的一致性。车辆以高速行驶时，驾驶员必须迅速做出决定。当标志能够即时识别并理解时，驾驶员和其他道路使用者的困惑和惊讶就会减少。这意味着他们不太可能错误判断危险或做出不当决定。用于规范、警告或引导交通的标志和标线统称为交通控制设备。这些设备的设计几乎每个方面都在一个国家内（有时甚至在国际间）严格标准化。尺寸、形状、位置、颜色、符号和文字等都被精心规定，以确保驾驶员无论到哪里，都能自如且顺利地行驶。这也使我们的基础设施更加具有成本效益，因为材料、产品和设备在全国范围内都得到了标准化。在美国，管理交通控制设备一致性的手册超过 800 页，涵盖了几乎所有可能在道路设计中遇到的情况。

交通标志需要尽可能清晰、直接地传递信息，因为道路使用者只有片刻时间来识别、理解并做出反应。标志的传达顺序是先通过形状，然后是颜色，最后通过意义或符号。最重要的标志可以仅凭形状就能识别（例如，八角形的停车标志）。

在道路上使用的标志主要分为三大类（以及许多次要类型）：管制标志、警告标志和指引标志。管制标志告知道路使用者交通法规，包括限速、停车和让行标志。它们主要使用黑色、白色和红色的组合。警告标志提醒道路使用者注意危险或突发情况。它们几乎总是黄色菱形，黑色字母。物体标记是另一种警告标志，用于标记路面或路旁的障碍物，通常采用斜条纹的黄色和黑色组合。指引标志为道路使用者提供导航帮助信息，并指引他们前行，它们几乎总是绿色的，带有白色边框和文字。路线标记是另一种指引标志，采用独特的形状（通常是盾形）和颜色来区分道路分类。

大多数标志安装在靠*路面的金属立柱上。这些立柱将标志安装得足够高，以便所有道路使用者都能轻松看到。另一种安装标志的方式是使用悬挂结构，这在高速公路上最为常见，因为交通可能会遮挡从中央车道看到的立柱标志。悬挂式标志安装结构能更好地确保各个车道的可视性，且有两种类型。当只有一个垂直支撑时，它们被称为悬臂标志支撑。由于负载不*衡，它们只能延伸到一定程度。对于更宽的路面，支撑结构由两侧的支撑结构组成，称为标志桥。

尽管交通标志对于保持道路安全和高效至关重要，但它们也可能带来危险。标志的窄杆可以像黄油一样穿透汽车或卡车的许多部件。如果一辆失控的车辆撞上标志杆或垂直支撑，它可能会大幅增加事故的损害和危险，因此标志杆需要具有抗撞能力。在大多数情况下，标志杆设有断裂特性，以减轻撞击车辆时的影响，最小化对车内人员的伤害风险。木制标志杆通常会被打孔，因此在撞击时容易折断。金属标志杆通常使用一种叫做滑动底座的断裂硬件。这些连接件通过带有螺栓的开槽板连接。当遭遇撞击时，螺栓很容易脱落，使得标志杆可以屈服。滑动底座的额外好处是简化了被撞倒标志的更换。混凝土和底座保持完好无损，因此在原有底座上安装新标志就像简单地用螺栓固定一样。悬挂式标志不能设计成可断裂的，因为掉落的标志可能会危及其他道路使用者的安全。相反，支撑结构会通过防撞护栏、屏障或缓冲垫进行保护，以防止碰撞。（关于这些结构的更多信息将在后续部分提供。）

另一种交通控制装置是将标线直接涂刷在路面上。车道线和条纹被涂在路面上，为道路使用者提供信息和指引。根据交通流量和预算的不同，这些标线可以采用不同的材料，从简单的乳胶漆到热塑性材料，后者通过熔化涂抹在路面上。在经常下雪的地区，标线通常会凹进路面，以防止被铲雪车破坏。

高立路标是另一种用于引导驾驶员的路面特征。它们既能提供视觉反馈，也能提供触觉反馈，因为驶过它们会产生明显的颠簸感。高立路标反光片的颜色代表不同的意义。白色和黄色用于标示车道，蓝色标志显示消防栓的位置。如果你看到红色反光片，赶紧掉头！它们通常安装在路面标记的背面，用以警告逆行的驾驶员。隆隆条是一种表面安全装置，不是用来看见的，而是用来听见的。它们通过在路面上均匀打磨出凹槽来形成。当汽车偏离车道时，隆隆条发出的声音和振动将提醒驾驶员偏离了车道。

如果交通控制设备在黑暗中不可见，它们就没有多大用处。过去，通常会有专门的灯光在夜间或恶劣天气中照亮道路标志。现在，几乎所有的标志和道路标线都是反射型的，这意味着它们将光线反射回其来源方向，与光线来的方向一致。反射型表面利用车头灯，将光线直接反射回车辆和车内驾驶员。这使得标志和道路标线比周围的非反射性环境看起来要亮得多。标志表面覆盖着嵌有玻璃珠或棱镜元件的塑料薄膜。反射型玻璃珠也被嵌入到道路表面的标线中，使它们在车灯开启时更容易被车辆看到。这些玻璃珠有时被称为猫眼，因为它们的功能类似于猫眼在夜间受到光照时看起来发光的方式。

高速公路土方工程与挡土墙

自然景观永远无法完美地适应道路建设。地球的表面太不*坦，无法轻松快速地通行。安全高效的旅行需要*缓的曲线，包括水*和垂直方向。它需要不太陡峭的坡度，并且需要在各个兴趣点之间有相对直接的路径。这意味着，要建造一条道路，我们需要一种方法来*整地面。我们用来改变地形和结构的所有方式统称为土方工程，它们可能是道路建设项目中最关键的部分。

工程师和承包商使用横截面来传达道路的形状。这些图纸展示了沿道路长度切割的横截面，它们是道路建设的直接语言。在横截面上，你可以看到施工前的地面高度（称为自然地形）和完工后的拟建表面。两条线之间的任何差异意味着需要进行一些土方作业。拟建道路上方的区域需要被挖除，通常称为挖方区。挖方在最终地面低于周围地形时是必要的，例如通过陡峭的山坡。拟建道路下方的区域需要通过填土抬高，例如通过河流或桥梁的接*路段。较大的填土区域通常被称为路堤。挖方和填方是任何土方工程项目中最基本的元素。当然，你不能在视觉上直接对比土方工程前后的地形变化，但一旦开始留心，你通常能察觉到自然景观已经被改变。

你可能会注意到，土方开挖和填土通常会与坡面的自然坡度相对应。因为土壤的强度几乎完全取决于土壤颗粒之间的内部摩擦力。将一些沙子倒在桌子上，你会发现沙堆并不会直立。相反，它会形成一个坡度。这个坡度的角度叫做自然休止角，它是土壤能够自然稳定的最陡角度。往沙堆顶部加些重量，它会进一步塌陷。

坡度的稳定性可能会因为土壤类型和所需承受的负荷不同而有很大的差异，但工程师通常不信任大于约 25 度的坡度。这意味着建造的坡面宽度必须至少是高度的两倍，这会带来两个问题。首先，建造这样的坡面所需的材料大约是能够垂直站立坡面的两倍，这需要更多的挖掘或填土。其次，它占据的空间更多，这在空间紧张的环境中尤其成问题，特别是在拥挤的城市中。在许多情况下，使用挡土墙来支撑陡峭（甚至垂直）的坡面能避免这些缺点。

土壤不像水那样容易流动，但它的重量大约是水的两倍。因此，施加在挡土墙上的力，称为侧向土压力，可能会非常巨大。因此，挡土墙必须非常坚固，以承受这种压力。许多不同类型的挡土墙以不同的方式解决了这个问题。如果你知道在哪里查看，你会注意到这些墙体在建成的环境中随处可见。它们不仅仅用于道路工程，尽管这是常见的应用。最基本的挡土墙依赖重力来提供稳定性，通常会使用基础来创建悬臂墙。在这种结构下，墙体可以利用约束土壤的重量来发挥优势。土壤位于基础之上，基础充当杠杆，有助于保持墙体在侧向力的作用下保持直立。

一些挡土墙使用地锚（也叫做拉锚）来提供水*稳定性。这些地锚由钢绳或钢条组成，钻入墙体后面的土壤中。安装后，液压千斤顶会对每个地锚施加张力，锥形楔子或螺母将地锚牢牢固定在墙面上。承载块或承载板通常用于将地锚的负荷分布到更大的面积上，从外面可以通过它们重复的图案识别出来。

另一种挡土墙使用桩，即垂直的构件，这些桩被打入或钻入土壤中。它们包括使用钻孔设备安装的钢筋混凝土桩，类似于巨大的围栏柱。它们还包括称为沉积桩的互锁钢构件。桩墙通常用于建筑项目中的临时开挖，因为墙体可以在挖掘开始之前就先行安装，确保开挖面在整个施工过程中都能得到支撑。

一种常见的挡土墙类型是通过将一块土壤块体连接起来，使其自身充当墙体。这可以通过在填土操作过程中，在每一层之间铺设加固元件来实现，这种技术称为机械加固土壤。加固元件可以是钢条或由塑料纤维制成的布料，称为土工织物或土工格栅。当自然地面被开挖以形成陡峭的坡面时，添加加固层是不可行的。相反，可以将土钉插入坡面作为加固。像地锚一样，土钉由钢筋构成，并被灌浆到钻孔中。但与地锚不同的是，它们并不承受拉力。它们的作用不是对墙体的表面施加力量，而是将土壤块体紧固在一起，支撑其自身及背后的土壤。

机械加固土壤和土钉挡土墙都在墙体的外表面使用混凝土。这些外饰面通常不会承受太多的负荷。它们的作用是保护裸露的土壤免受侵蚀，在永久性应用中，还能改善墙体的外观。在临时情况下，外饰面有时使用喷射混凝土，这是一种可以通过压缩空气喷射的混凝土。对于永久性安装，通常使用具有装饰图案的互锁混凝土板。这些板不仅看起来漂亮，而且还能随着时间的推移允许一定的移动，并使水分能够通过接缝排出。

典型的高速公路截面

我常常被问到为什么道路建设项目似乎需要这么长时间，而成品只是一条简单的铺在地面上的路面。这并不是因为建筑工人闲置或承包商不诚实，而是因为高速公路很复杂。确保道路能够承载现代汽车和卡车的重量，并且让它们以如此惊人的速度安全行驶，绝非易事。之所以看起来很普通，是因为道路设计和建造得非常精细。从基础做起，高速公路具有许多特点，使得快速高效的车辆通行成为可能。

驾驶时你只看到外部表面，但道路结构下方还有更多内容。道路是分层建设的，这些层有时被称为路面层，以使道路更加耐用和持久。在安装任何新的道路之前，需要进行一些土方工作，以*整地表（如前节所述）。道路建设所依赖的现有土层被称为基层，它并不总是适合承受来自车辆交通的巨大且频繁的负荷。因此，通常会在基层上方铺设并压实一层或多层路基，这些路基通常由碎石构成。路基有多种功能。它为施工提供稳定的*台，均匀分配车辆重量到基层，为渗入路面下的水提供排水功能，并保护路面免受霜冻影响。

路面的最上层是面层，因为它暴露在不断变化的车流中。混凝土有时被用作主要高速公路的面层，因为它极其坚硬和耐用。混凝土由水泥、岩石（在行业中称为集料）和水组成，可以承受比其他路面更大的重型卡车交通。但混凝土也有一些缺点。它安装成本高。修复困难，因为它需要很长时间固化，这延长了道路和车道关闭的时间。而且当潮湿时，它可能会太滑，因此需要通过凿槽来增加轮胎的牵引力。这就是为什么大多数道路采用沥青铺设，而非混凝土的原因。

沥青路面只有两种主要成分：集料和沥青，后者是从原油提炼出的厚重、粘稠的粘合材料。沥青满足现代道路所需的许多条件。这些材料非常容易获得。它为轮胎提供了极好的牵引力，而无需沟槽。它具有柔韧性，可以在不发生破坏的情况下适应基层的某些位移。最后，它很容易修复。沥青被加热成可操作的混合物，铺设在基层之上，然后用重型压路机将其压实。它几乎在冷却后就可以投入使用。

“高速公路”一词通常用来描述铺设道路的整个宽度。它包括车辆行驶的车道和作为紧急停车道的应急车道。应急车道通常比车道窄，有时为了节省成本，它们的铺设厚度较薄，因此不能作为常规行驶的车道。尽管高速公路看起来很*坦，但它们通常向路边倾斜，中间部分形成一个弯曲的拱形。*坦的表面不容易迅速排水。积水对车辆非常危险，因为它会使道路滑溜，并在冬季形成更多的冰层。将道路设计成弯曲形状可以加速降水排水，保持路面干燥。一旦水流到达路面的边缘，它就需要排出，否则会软化和削弱路面下方的土壤。高速公路通常沿路边设置排水沟，以将雨水排走。（有关排水结构的更多细节，请参见第七章。）

一些最危险的碰撞发生在由于障碍物或失控而导致车辆偏离道路时。高速公路上的许多安全设施旨在防止车辆偏离道路后发生严重碰撞。主要路线通常通过中央隔离带将双向车流分开，形成分隔式高速公路。路面之间的中央隔离带是一个草地区域，用于防止偏离的车辆驶入对向车道，从而减少正面碰撞的发生。大多数高速公路还包括每条车道外侧的清晰区域，这是一个没有障碍物的区域，能够为驾驶员提供停车或重新控制车辆的空间，特别是在车辆驶离路面时。清晰区域内必须保持无障碍，如树木、标志和电线杆等，这些障碍物可能会使碰撞更加严重。当标志必须设置在此区域时，它们通常配有断裂支撑，以减少潜在碰撞的冲击力。当清晰区域内的障碍物无法移除或无法做到防撞时，必须用护栏将其保护起来。

纵向护栏在存在危险障碍物或急剧下坡的情况下，可以防止车辆驶离道路。它们也可以替代或与分隔高速公路的中央隔离带一起使用。针对不同情况有许多类型的护栏，所有护栏在投入使用前都需要经过全规模的碰撞测试。钢制护栏在受到撞击时能够发生偏移，这在一定程度上缓解了碰撞的冲击力，但这也意味着每次碰撞后都必须更换护栏。另一种常见的纵向护栏叫做“泽西护栏”，由混凝土制成。它的形状使得车轮可以沿护栏一侧滑行，通常可以将车辆重新引导，而不会造成重大损害。

纵向隔离带的一个挑战是它们的钝端可能在清晰区域内形成危险的障碍物。大多数隔离带都采用端部处理，以减轻碰撞发生时的严重性。钢制护栏通常配有冲击头，在撞击时沿护栏滑动，变形吸收碰撞的能量，同时将能量转向侧面，保护车辆乘员。刚性隔离带通常在末端配有缓冲垫。有各种各样的设计，但最常见的设计是使用填充沙子或可压缩钢部件的桶，这些部件可以吸收碰撞的能量，从而显著减少碰撞的严重性。

典型的高速公路布局

一类道路与城市主干道和集散道有很大不同。在本书中，我使用了高速公路这个术语，但也有其他人可能称其为高速路、快速公路、快速车道或通道。不论你如何称呼它们，它们都通过控制接入实现了交通容量的巅峰。对于较小的高速公路，这意味着减少车道数目和减少*面交叉口。对于最高容量的道路，这意味着进入或离开它们的唯一方式是通过坡道或立交桥（稍后章节会详细介绍）。控制道路接入减少了中断，使得高速交通流量相对不受阻碍。这种增加的速度通常意味着增加的道路容量。然而，它也减少了驾驶员决策的时间，从而增加了发生危险碰撞的可能性。令人惊讶的是，我们能够把自己放入金属箱子里，以惊人的速度在不同地方之间穿行，而高速公路则包含了许多安全特性，使得这种旅行成为可能。这种安全性从最基本的道路设计开始（通常简单地称为布局）。

在理想的世界里，每条路都会是直的*坦路径，我们可以以任何想要的速度奔驰。但所有高速公路都包含着如曲线、坡度、交通、障碍物和天气等危险。现实情况要求我们*衡车辆的速度与驾驶员应对这些危险的能力。高速公路上的三种关键速度并不总是相等：设计速度、规定的限速以及任何单个驾驶员选择的行驶速度。驾驶员根据个人技能水*、舒适度以及对危险的感知来选择自己的行驶速度。道路管理者根据广泛接受的安全标准设置限速。高速公路设计师选择设计速度，以确保道路上所有几何特征的一致性，并且适应大多数驾驶员最终会以此速度行驶。

高速公路的路线是其水*布局——从上方看时的形态。所有道路都包括需要改变行驶方向的曲线，如果设计不当，这些曲线可能对驾驶员构成严重挑战。任何改变方向的物体都需要指向转弯中心的向心力，否则它会继续沿直线行驶。当你在转弯时感觉到被推向车的一侧，这就是你身体的惯性试图让你保持直线行驶，而汽车却在转弯。对于一辆车来说，向心力来自于轮胎与路面之间的摩擦力。随着转弯半径的减小，这种力会增加。在某一速度和转弯半径下，所需的向心力可能会超过轮胎摩擦力，从而导致车辆滑出道路。为了避免这种危险情况，工程师会根据道路设计速度选择曲线的最小转弯半径——速度越快，曲线越*缓。

橡胶轮胎提供了与路面之间的牵引力，但我们也可以利用几何原理使曲线对驾驶员更安全。高速公路设计师经常将曲线外缘抬高，或者使其超高，来减少轮胎在曲线中的摩擦需求。将道路绕弯道进行倾斜，利用来自路面的法向（即垂直）力来提供所需的部分或全部向心力。一般来说，设计速度越快，弯道的超高角度越大。超高还使得驾驶过程中在曲线处更加舒适，因为离心力使乘客被推向座位，而不是从座位上被推出来。如果超高角度刚好合适，并且你以道路设计速度行驶，那么在弯道上，你杯中的咖啡水*面将完全保持不变。

设计水*曲线时，另一个重要的方面源于一个简单但至关重要的事实，那就是驾驶员需要看到前方的情况，以便做出相应的反应。视距是指在任何给定时刻，驾驶员能够看到的道路长度。在笔直且*坦的高速公路上，视距仅受驾驶员视觉敏锐度的限制。然而，每当道路改变方向时，驾驶员的视野可能会被障碍物阻挡。如果视距不足以识别和应对危险，就可能发生碰撞。行驶速度越快，观察转弯或障碍物的距离就越长，驾驶员需要更多的时间来判断如何应对。即使一个曲线足够*缓，车辆可以在没有打滑的情况下通过，但由于障碍物（如山丘或树林遮挡了驾驶员的视线），它可能没有足够的视距来确保安全。在这种情况下，高速公路设计师需要增加曲线的半径，以延长驾驶员的视距，达到更安全的程度（或者干脆移除障碍物）。

道路几何的最后一个方面是垂直配置，也叫做纵断面。道路很少会穿越完全*坦的区域。相反，它们会穿越丘陵，越过山坡，进入山谷。道路的坡度或等级是一个重要的设计决策。坡度过陡的道路会使旅行变得困难，尤其是对于重型卡车而言。上坡路段行驶缓慢，而长时间下坡的路段可能会导致车辆刹车过热。坡度变化也必须*滑过渡，以避免对驾驶员造成颠簸和突兀的感觉，确保舒适驾驶。除此之外，垂直曲线可能会减少驾驶员的视距。

峰值曲线——即向上凸起的曲线——会导致道路的顶部被遮挡。如果你正快速上坡，另一侧的停驶车辆或动物可能会让你措手不及。过于紧凑的峰值曲线将无法提供足够的视距让你提前识别并反应。因此，设计师必须确保这些曲线足够*缓，使你在上下坡时还能看到足够的路面。下凹曲线——即向上凹陷的曲线——不会遇到这个问题。白天时，你可以看到曲线两侧的所有路面。然而，到了夜晚情况就会变化。车辆依靠车灯照亮前方的道路，而有时车灯的照射距离会成为视距的限制因素。如果下凹曲线过于紧凑，车灯的照射范围就不够远。结果就是视距缩短，难以在夜间对障碍物作出反应。

立交桥

如前节所述，当道路交叉时，几乎总会带来一些挑战。多条交通流需要在交汇的空间内安全通过。当交叉口处于同一高度（也就是说，地面水*）时，交通流量必须受到干扰。通过标志、信号或环形交叉口，优先通行权会分别分配给每个交通流，而其他流量则需要等待。这种频繁的停停走走在使用受控通行的高速公路上是不理想的，因为受控通行的目的就是减少干扰，保持高速交通流畅。相反，高速公路的入口、出口和交叉口通常通过等级分离的交叉口，也称为立交桥来实现。等级分离可以让交通流在不受干扰的情况下安全高效地交叉。

最常见的分级交叉口类型之一是钻石型立交桥，通常用于受控入口公路与次要道路交叉的地方。匝道从公路上分岔，与次要道路成直角交汇。匝道过了次要道路后变成上匝道，重新进入公路。这两个传统交叉口通过标志或交通信号灯进行控制。为了实现等级分离，其中一条道路将包括一座桥梁，也称为立交桥。高速公路桥梁有许多外部设计特点需要关注。

桥梁的上部结构包括支撑车辆行驶的桥面板的梁和结构部件。桥梁的重量以及所有车辆的重压必须传递到桥梁的基础。这由下部结构来完成。桥头提供支撑给桥梁两端的梁，承受上部结构的水*和垂直荷载。桥梁跨越之间的中间支撑称为墩柱，如果由单一柱体组成则叫做墩，若使用多个柱子组成框架则叫做弯头。它们通常设计成仅承受垂直荷载，因此比两个桥头更简单、更小。在某些情况下，墩柱上会有顶板，用来均匀地分配作用在每根梁和柱上的力。

桥梁看起来可能是静态结构，但它们必须具有一定的灵活性。车辆的振动、基础的沉降、由于温度变化引起的膨胀和收缩，甚至风力的作用都可能在上部结构中引入微小的运动。与其让桥梁足够坚固以承受任何微小的运动，大多数桥梁使用轴承来适应这种运动，这些轴承通常由橡胶和钢铁的层叠组成。这些垫片可以在仍允许上部结构一定运动的情况下，转移桥梁的负荷。

等高道路和桥梁之间的过渡称为接*段，通常由土路堤组成。土壤按层压实，形成一条*滑的路面直达桥梁。由于土壤不稳定，无法形成垂直的面，所以路堤常常在每一侧都有斜坡。斜坡一般覆盖草皮，以防止土壤侵蚀。然而，草在桥下阴影处生长不好。通常会在桥下斜坡的土面上安装混凝土板，这些板叫做斜坡铺装，用以防护侵蚀。（第四章包括有关桥梁的更多细节。）

一个斜坡路堤的问题是它占据的空间。城市地区，接*桥梁的路堤通常依赖挡土墙提供支撑，从而腾出宝贵的空间。这些挡土墙通常由加固元素与互锁的混凝土面板层叠而成，这种技术被称为机械加固土壤。（有关挡土墙的更多信息，请参见前一节。）

当两条或更多的高速公路交汇时，交叉口变得更加复杂。理想的交汇点可以让每一股交通流畅地转到任何方向的交叉路上，不受干扰。有很多方法可以实现这种连接，每种方法都有其优点和缺点。最基本的一种是叶形立交，它因其在地图上独特的形状而得名。在叶形立交中，右转的车辆会沿着一个*缓的曲线转到交叉路段。左转的车辆则会经过交叉口，然后沿着一个急转弯的右环道驶入对向车道。叶形立交只需要一座桥梁，因此建造成本相对较低。然而，它也有一些缺点。最显著的是，左转入口匝道位于出口匝道之前，导致进出高速公路的车辆需要交错行驶。这种交错行驶会显著限制交汇口的通行能力。

另一种类型的高架交汇点是堆叠式立交。在这种类型的交汇点中，右转车辆通常保持在地面上，就像叶形立交一样。然而，左转车辆则通过高架匝道来处理，这些匝道通常被称为高架桥。这两对左转匝道必须堆叠在高速公路的上方或下方，这也赋予了这种立交其名字。堆叠式立交通常具有所有四向交汇点中最高的通行能力。然而，由于需要多层高架道路，它们通常是复杂且昂贵的结构。

还有许多其他类型的高速公路交汇点，大多数现实世界中的交叉口都借用了各种设计元素。城市地区对这种庞大的结构有许多限制，包括连接道路的数量、大小、方向以及所有匝道所需的空间（更不用说所有基础设施项目中那两个始终存在的限制：工期和预算）。最大的、最复杂的立交常被称为意大利面立交，是交织的匝道组成的巨型迷宫，交通在各个方向间流动。在长途旅行中，我也常常设计路线，确保我能经过每个立交的最上层，以便能获得最好的（即便是短暂的）城市景观。

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第四章：桥梁与隧道

前言

尽管地球有着天然的美丽，但它常常给出行带来困难。事实上，地球上一些最壮丽的景观也是最难以穿越的。河流和山脉不利于道路、铁路或其他地面通道的建设。当地形过于湿滑、陡峭、危险或易发生灾难时，唯一的前进方式就是向上或向下。在峡谷、山谷和河流中，我们的道路通过桥梁跨越障碍。而在丘陵、山脉和浅水道中，我们则通过隧道贯穿到另一边。也许正因为这些结构解决了一个宏大却独特的问题——创造一条通往另一边的路径——桥梁和隧道成为了最受赞誉的人类成就之一，并充满了引人入胜的工程细节。它们几乎总是根据特定地点量身定制，符合当地的地形、地质和水文特征（更不用说地区性的建筑偏好和风格）。因此，每座桥梁和隧道都有其独特的个性。由于它们的规模和重要性，这些结构往往将这种个性反映到外部，成为它们所连接的地方的象征。

桥梁类型

我们日常依赖的基础设施不一定是美丽的。我们当然可以建造精致的电力传输线或惊艳的排水管道，但我们很少愿意承担这样的成本。然而，桥梁却是不同的。人类似乎决定，如果我们必须在风景最美的地方建造结构物，至少也应该赋予它们一些魅力。这并不是说世界上没有丑陋的桥梁，但桥梁的外观通常在设计时是一个重要的考虑因素。对于建筑作品的爱好者来说，许多桥梁简直让人屏息。跨越一个空隙的方式有很多，每一种功能相同，但形式却各不相同。无论如何实现，能够支撑巨大负荷且下面没有任何支撑物的结构总是充满了魔力。

最简单的结构跨越方式之一是梁式桥。它由一根或多根梁（通常称为主梁）支撑在下方的桥墩或支座上。梁式桥通常不能跨越很大的距离，因为所需的主梁会太大。在一定的距离下，梁会变得非常沉重，几乎无法支撑自己的重量，更不用说承载上面的道路和交通了。梁主要用于短桥或需要许多中间桥墩支撑的应用。大多数用于高速公路互通立交的桥梁都是梁式桥。虽然各具美感，但高架桥通常更具实用性。（有关互通立交的详细信息，请参见第三章。）

一个绕过结构构件自重挑战的方法是使用桁架而不是梁。桁架是由较小元素组成的装配体，创造了刚性且轻量的结构。这种重量减轻使得桁架能够跨越比实心梁更大的距离。桁架桥可以有多种形式。示意图显示了一个通过桁架，路面在底层，桥上方是结构构件（与甲板桁架相对，后者将结构构件隐藏在道路下方）。

另一种桥梁类型利用了存在数千年的结构特征：拱。大多数材料在其轴向受力比施加在垂直方向（称为弯曲力）时更强。拱桥利用弯曲元素将桥梁的重量几乎完全通过压缩力传递到桥墩上。许多最古老的桥梁使用拱，因为那是当时能够跨越间隙的唯一方式（石材和灰浆）。即使现在，随着现代钢铁和混凝土的便利，拱仍然是桥梁的流行选择。它们有效利用材料，但施工可能具有挑战性，因为拱在完成之前无法提供支撑。在拱从两侧连接到其顶点之前，施工期间需要临时支撑。

当拱位于道路下方时，我们称之为甲板拱桥（如所示示例）。垂直支撑将甲板的荷载传递到拱上。如果拱的一部分延伸到道路上方，而甲板悬挂在下方，则称为通过拱桥。拱可以采用多种形式形成，包括单独的钢梁、钢桁架、钢筋混凝土，甚至是石材或砖砌。压缩拱的一个结果是产生水*力，称为推力。拱桥通常需要强大的桥墩在两侧推动，以抵抗额外的水*载荷。作为替代，系拱桥使用弦连接拱的两侧，类似弓弦，以抵抗推力。如果拱的每端坐落在细长的桥墩上，可以确保它们被系在一起。

增加梁桥跨度的另一种方式是移动支撑，使得甲板的各个部分在其中心*衡而不是在每端支撑。悬臂桥使用从其支撑物水*伸出的梁或桁架，将大部分重量移至支撑物上方，而不是在跨度的中心。典型的悬臂桥有四个支撑物，其中两个中央桥墩承受桥梁的压力载荷。最外侧的支撑物抵抗张力，为每个悬臂臂提供*衡力。悬臂桥通常使用大型钢桁架，但也可以用混凝土建造。有些甚至在两个悬臂臂之间包含一个悬吊段落。

世界上最长的桥梁利用钢材抵抗极大拉力的能力。斜拉桥通过附加到高塔的缆索从上方支撑桥面。这些缆索（也叫做“拉索”）形成扇形图案，使这种桥型拥有独特的外观。根据跨度的不同，斜拉桥可以有一个中央塔柱或一对塔柱。其简洁性允许多种配置形式的出现，带来了某些戏剧性（且往往是不对称）的形状。

在斜拉桥中，桥面直接通过缆索与每个塔柱连接，而悬索桥则使用两根巨大的主缆索，将桥面通过垂直吊杆悬挂在下面。悬索桥因其巨大的跨度和纤细、优雅的外观而成为标志性结构。每侧的塔柱支撑着主缆索，就像一根扫帚棒支撑在一个毯子堡垒中。大部分桥梁的重量通过这些塔柱传递到基础中，剩余部分则通过巨大的锚固装置传递到桥的桥头墩，以防止缆索被拉出地面。由于悬索桥非常纤细且轻盈，因此大多数悬索桥需要通过桥面上的梁或桁架进行加固，以减少风力和交通荷载的影响。这些桥梁建造和维护成本高昂，因此只有在没有其他结构可以替代的情况下才会建造。许多人认为悬索桥是土木工程技术的巅峰之作。

最后一类桥梁是可动桥，通常用于让船只和舰船通过。虽然不常见，但世界各地有许多类型的可动桥，它们都独一无二，并根据特定地点定制。我在新城市里最喜欢做的一件事就是看一个可动桥，试图弄清楚它是如何运作的。

典型桥梁截面

虽然每座桥梁都不同，但大多数桥梁都共享一些可以从外部观察到的共同元素。通过桥梁的横截面可以看到各个部分，它们共同作用使桥梁得以正常运作。桥梁通常分为上部结构（承载交通荷载并跨越每个跨度）和下部结构（将上部结构的重量传递到基础中）。这两部分各自包含着引人入胜的细节。

桥梁上供车辆通行的表面称为桥面。通常，它由一块混凝土板构成，置于梁的上方。在某些情况下，桥面是预制的，这意味着混凝土在被提升到位之前已经成型并养护过。否则，桥面是在现场浇筑的，使用模板保持其形状，直到混凝土硬化。如果使用这种方法进行施工，必须小心操作。毕竟，混凝土非常重，当越来越多的混凝土被加到梁上时，结构会开始弯曲。为了避免裂缝，承包商会仔细安排施工顺序，使得大部分这种变形在混凝土完全硬化之前就发生。

桥面有一定的坡度，要么从中心（称为拱顶）向两边坡降，要么从一侧开始坡降，以确保雨水不会在路面上积水。桥面混凝土板上会加一层防水层和路面，以保护它免受恶劣天气和交通损害。这个耐磨层还可以*整任何不*整的地方，为驾驶员提供更*稳的行驶体验。耐磨层是定期更换的，而下方的混凝土板则是桥梁的永久部分。桥面通常还会在边缘设有安全护栏，防止失控的车辆跌落，设置排水系统将水引离结构构件，并提供人行道以供行人通行。

大多数桥梁都会有某种类型的梁或梁架来支撑桥面，这取决于设计。对于梁桥来说，梁是主要的承载元素，负责将所有的力传递到桥墩下部结构。对于其他类型的桥梁，梁可能只是为桥面增加刚度，或者支撑其重量，桥面通过吊杆、拉索或桁架的节点来承受主要的承载力。梁架在其上部和下部会受到最显著的力。一般来说，梁的上部承受压缩，下部则承受拉伸，因此大多数梁的形状像大写字母“I”，使得翼缘部分有更多的材料，而中间的腹板则较窄，因为此处受力较小。这些梁架通常由钢板或钢筋混凝土制成。另一种常见的形状是箱梁，它本质上是一个封闭的结构管。箱梁常用于弯曲的桥梁，因为它们比普通的梁更能抵抗扭曲。

支座将上部结构的荷载传递给下部结构；它们“承受”着桥梁的重量。梁不能直接坐在桥墩或桥台上，原因很简单：桥梁会发生位移。上部结构在移动的交通荷载下会发生变形和振动，在灼热的阳光下膨胀，在冷却时收缩（尤其是在寒冷的冬夜）。如果没有与下部结构的隔离，这些位移会积累应力，可能导致结构部件失效。支座提供了这种隔离，同时通过确保力量均匀分配，减少了支撑的磨损。解决这些问题有许多令人兴奋的方案，如果你仔细观察，你会注意到各种各样的桥梁支座样式。

现代大多数桥梁使用弹性体（换句话说，柔性）材料来支撑桥面和梁的重量，同时允许在桥墩之间进行微小的振动、旋转和位移。有时这种弹性支撑垫是一个独立的部件，由纯橡胶或由橡胶和钢板层压制成的层构成，以控制膨胀。另一种选择是罐式支座，它将弹性材料封装在一个钢制圆筒内。这个罐式支座防止橡胶从两侧挤出，允许使用更柔软和更可塑的材料。罐式支座有时包括钢板，以适应滑动运动，并且可以根据每座桥梁的需求，设计成约束或释放不同的运动。许多旧桥使用滚轮支座或摇摆支座，以允许上部结构的旋转和水*移动。这些类型的支座大多已被淘汰，因为它们的维护成本高昂。

下部结构由垂直元素组成，这些元素承载着从梁、桥面、桁架、钢索和吊杆传递来的荷载，并将其传递到下方的地面。下部结构可以有许多不同的形式，具体取决于桥梁下方土壤和岩石的性质，是否会受到河流强大冲刷力的影响，以及所支撑的桥梁类型。坚固的中间支撑通常被称为桥墩。另外，当一个支撑由多个柱子和一个盖梁组成时，它被称为桥台。桥梁跨度的两端是桥台。这些支撑通常比桥墩或桥台更大，因为它们需要承受来自上部结构的垂直和水*荷载。桥台还起到桥梁与地面道路之间的过渡作用，因此有时也充当来临道路下方土壤的挡土墙。

桥梁的基础是下部结构的一部分，它将桥墩、桥台或支座的重量传递到地下。一些基础由简单的混凝土垫层构成，称为基础垫块。然而，大多数桥梁基础使用桩基、细长的钢或混凝土构件，这些构件被钻入或打入地下。有时桩基会被倾斜（换句话说，给桩打一个垂直角度），以帮助抵抗水*力，除了垂直力之外。在每个支撑点上都会使用多个桩基，这些桩通过桩帽连接在一起，支撑着柱子。

隧道概述

隧道的概念相对简单：在地下开凿一个空心管道，供汽车、火车甚至行人通行。然而，隧道是世界上最具技术挑战性和最昂贵的工程项目之一。一些基础设施利用地下管道（本书讨论了许多此类设施），但本章专注于用于交通的隧道。尽管隧道的建设既昂贵又具有挑战性，但它们使得跨越地理障碍成为可能，这些障碍本来很难或根本无法跨越。隧道还开辟了全新的旅行维度，最大限度地利用了密集城市地区的宝贵土地。对设计隧道的工程师和穿越隧道的旅行者来说，地球表面以下是一个完全不同的世界。但通过地下而非地面来穿行，总有某种天生的吸引力。

隧道的主要作用之一是让人们跨越障碍物。隧道在山区尤为常见，尤其是那些地形陡峭或表面危险的地方。与其绕行陡峭的地形，直接穿越山体往往更为实用。一些山地隧道的长度仅有短短几百米，连接两个隧道口（隧道的进出口），而最长的隧道长度则可达 30 英里（50 公里）以上。

水也是可以通过隧道克服的障碍。桥梁并非始终是跨越河流或海湾的最简单方式，尤其是在水上交通繁忙的地区。当桥梁的支撑结构可能会侵入水道时，水下隧道则能允许船只和船舶不受阻碍地通行。

隧道的另一个重要作用是在空间珍贵的密集城市地区。快速轨道交通系统通常使用地下空间，这样可以避免与地面道路和其他基础设施发生冲突。由于这些隧道通常离地面较*，许多快速轨道交通隧道通常采用切槽法进行建设，从挖掘沟槽开始。在城市地区进行地下挖掘是一项具有破坏性且充满挑战的工作。现有的道路必须重新规划。公用设施管线必须得到保护或重新引导。附*的建筑物可能需要额外支撑以防止沉降。在隧道建设过程中，需要设置挡土墙以保持沟槽的开放（更多内容请参见第三章）。最后，地下水必须持续管理。如果挡土墙不具备防水能力，可能需要安装临时排水井将水从地下抽出。另一种选择是冻土法，该方法使用制冷系统和冷却管道将一层水和土壤冻结成不透水的屏障。这层临时冰墙能够加固土壤，并防止地下水迁移进入施工区域。

一旦沟槽被挖掘完成，隧道本身的结构就可以开始建造，无论是轨道还是道路。屋顶是最后一个要安装的部分。安装完成后，沟槽会被回填，地面上的基础设施也可以恢复。

切槽法也常用于建造水下隧道。在沉管法中，预制的隧道段可以小心地沉入已挖掘的水下沟槽中。每个单元由潜水员连接，然后回填土壤以防浮起，再进行排水。在城市地区，切槽法隧道通常分段建设，因为在城市中开挖一长段地面几个月或几年是不现实的。这种干扰可以通过另一种隧道建造方法来避免：钻孔。

就像盖挖法一样，钻孔隧道也遵循几个主要步骤：挖掘并移除土壤或岩石，安装支撑物以抵御周围的土壤和水，然后完成隧道的其他特征。钻孔的好处在于它可以在不扰动地表的情况下进行，从而加快施工速度，并使得在那些原本无法到达的区域（如繁忙街道或现有建筑物下方）进行施工成为可能。尽管历史上的隧道建设采用了多种技术，现代隧道主要通过两种方式进行钻掘。首先，它们可以通过人工挖掘完成。在岩石中，隧道的开口通过钻孔、填充炸丨药并进行爆破来推进。在软土中，施工队可能使用一种临时支撑叫做盾构来为隧道面提供通道。人工挖掘隧道的一个显著优势是，可以根据不断变化的地质条件调整设计。只有在需要时（例如岩石较弱或破裂时）才安装额外支撑，从而节省不必要的加固成本。

另一种选择是使用隧道掘进机（TBM）。这些庞大的设备像巨型钻机一样，通过旋转的刀头咬碎岩石和土壤。TBM 还包括输送带，用于在挖掘过程中移除废土，并安装支撑隧道墙壁和顶部的混凝土衬砌段的设备。（下一节将详细介绍隧道衬砌。）尽管它们非常昂贵且运输困难，但这些机器可以使隧道建设成为一个快速高效的过程。它们通常用于长距离、大直径的项目或在非常复杂的地质条件下的隧道建设。

隧道开挖通常是一个缓慢的过程，因此较长的隧道有时会从两端同时开挖。这能减少施工时间，但也带来了挑战。如何让两支队伍盲目地朝着对方挖掘并准确地在中间会合呢？指导隧道施工队伍或 TBM 朝正确方向前进的测量员无法使用导航卫星或地面参考标记。相反，他们通常依赖地球的磁场来确定方向。由于建筑中使用的铁钢材料的干扰，磁罗盘的精度不足以达到这个目的。即便是微小的方向误差，经过长距离后也会累积成显著的偏差。因此，测量员使用能够指向北方并具有高精度的陀螺仪。这些仪器使得隧道能够准确地在出口竖井中心突破，甚至使两支隧道施工队伍能够在中间会合。

隧道横截面

每个隧道都是为特定情况设计的独特结构。看似在地下挖掘通道时，似乎变化空间不大。然而，许多因素可能影响隧道的设计，包括位置、长度、深度、地质、交通量等等。许多细节使得通过地下通道的旅行既安全又舒适，如果你知道该注意什么，这些细节也是非常有趣的。

类似于空气的重量产生的气压，地下也存在来自上方土壤和岩石质量的压力。随着深度的增加，这种压力会越来越大。这种压力会压缩地下材料。当在地下开挖隧道时，就会中断这些压力的流动。类似于从建筑物中移除支柱，开挖隧道会移除支撑。隧道通常建在地下水位以下，因此也会受到水压的影响。然而，在建筑物中，荷载通常仅来自上方，而隧道中的土壤和水压则可能来自四面八方。大多数隧道都安装有衬砌，以抵抗来自地面的压力，保持通道在崩塌的情况下畅通，并最大限度地减少地下水的渗透。

手工钻探的隧道通常会用喷射混凝土（叫做喷射混凝土）覆盖墙面，以提供初步支撑。这层喷射混凝土帮助将土壤和岩石粘合在一起，同时在开挖后，压力会重新分布。最终，钢筋或混凝土衬砌会在后续加上。在城市的开挖和覆盖隧道中，衬砌通常是现场浇筑的钢筋混凝土。假支架和钢筋首先搭建好，然后将混凝土泵送或浇筑到模具中硬化。一旦混凝土固化，模板就会被移除，隧道墙壁和屋顶周围的土壤可以回填。对于机械钻探的隧道，衬砌通常由混凝土环组成。每个环由预制的混凝土段构成，运送到隧道前端，准备好被提升到位。这些段包括一个密封圈，用来防止地下水渗透，并采用锥形几何设计，当安装时能够紧密锁合在一起。

大多数隧道的横截面是拱形或圆形的，因为这种形状最能承受地面压力。拱形结构像拱桥一样，将力量重新分布到通道周围。然而，对于驾驶者来说，隧道可能看起来并非圆形，因为许多隧道会使用内壁将交通与各种支撑系统和设施分隔开。尽管这些系统通常是隐藏的，但细心的观察者在穿越隧道时能看到这些系统的蛛丝马迹。

隧道支撑系统的一个关键功能是排水。必须有一种方法来管理通过入口进入的降水、渗透通过衬里进入的地下水，以及用于清洗隧道墙壁或灭火的水。排水通常通过路面路缘的槽口进入管道或沟渠。如果可能，隧道可以设计成从中间向入口方向倾斜，以便水流排出。然而，许多隧道位于地下深处，无法自由排水。在这种情况下，它们在低洼处配备了小型蓄水池，称为集水坑。当集水坑充满水时，开关会启动泵将隧道的排水水送到下水道或排放口。隧道中的水在流动过程中通常会携带污染物，因此它可能变得相当脏。现代隧道通常包括在排放之前处理排水的方式。

隧道最重要的安全因素之一是通风。发动机、轮胎和刹车会排放一系列污染物，这些污染物可能在隧道内被困住并浓缩。而且，车辆偶尔会发生火灾。当火灾发生在隧道内时，产生的烟雾尤其危险，因为隧道的出口有限。管理隧道内外的气流相当复杂。通风不足会导致污染物堆积。然而，过度的气流会加速火灾的蔓延，并造成湍流，阻止烟雾上升。隧道采用多种不同的通风方案来保持新鲜空气流动。

许多隧道的工作方式像简单的管道，新鲜空气从一个入口进入，废气从另一侧排出。这种方案被称为纵向通风。它通过安装在天花板上的喷射风扇实现，喷射风扇强制隧道内的空气持续流动。另一种选择是通过一个称为Saccardo 喷嘴的开口，以浅角度将一股空气喷入隧道入口。纵向通风在交通流向单一方向的隧道中效果最佳，因为空气随着车辆一起流动。在火灾发生时，事故之后的车辆可以随气流一起驶出隧道，带走烟雾。被困在火灾上游的车辆也处于风上游，因此不会暴露于有害烟雾中。

超过一定长度后，纵向通风的效果会降低。要在特别长的距离上创造足够的压力以保持空气有效流动是一个挑战。而且，即使气流足够，空气在流动过程中会带入污染物，导致隧道末端的空气质量远不如入口处。在这种情况下，使用横向通风更为合理，即在隧道的不同位置提供或排放空气。横向通风需要通过风道将新鲜空气送入或将废气排出每个风门。一个完整的横向通风系统需要两个风道：一个用于供气，另一个用于排气。最新的通风系统采用区域划分，可以在不沿整个隧道传输烟雾的情况下，从火灾现场抽取烟雾。先进的控制系统能够识别事故并调整风门和风扇，以便隔离每个区域。

许多隧道设有紧急出口，以确保在发生事故或火灾时，驾驶员可以到达安全地点。这些标志清晰的门通向相邻的*行隧道或受保护的疏散通道。通风系统保持疏散通道的压力，使得即使门打开时，烟雾也无法进入。

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第五章：铁路

前言

铁路是最早的陆上交通方式之一，它们与几乎每个国家的历史息息相关。在美国，铁路推动了巨大的扩展和经济增长，可能比 19 世纪的任何其他技术都要重要。今天，铁路依然是运输货物和人员的一个重要方式，连接着不同的地方。

铁路利用两个特点来提供快速高效的人员和货物运输。首先，钢铁轨道上的钢铁车轮几乎没有能量浪费在摩擦力上（尤其是与沥青上的橡胶轮胎相比）。尽管机车看起来庞大，但它们的引擎与它们所推动的巨大重量相比，几乎是微不足道的。如果你的汽车像铁路一样高效，它就能用一台小型的草坪修剪机引擎驱动。其次，更重要的是，铁路沿着专用的行驶通道行驶，这些路径相对直接且不受机动车辆交通影响。这些专用轨道带来了其他交通方式难以匹敌的可靠性。

与其他任何基础设施相比，铁路在全球范围内拥有一批忠实的爱好者（通常自称为铁路迷）。无论是由于对往昔时代的怀旧，还是单纯地喜欢*距离观看大型机械，铁路的细节总是令许多人着迷，且其中有许多值得欣赏的内容。或许比列车本身更有趣的是，它们所行驶的轨道上充满了值得观察和欣赏的独特细节。

铁路轨道

铁路轨道由所有必要的元素组成，以确保列车交通能快速而*稳地到达目的地。铁路最显著的特点就是轨道本身，它支撑着列车和货物的巨大重量。轨道是由高质量钢铁制成的，以承受这些巨大的压力。仔细观察时，你经常可以看到轨道背面上有标记，列出生产年份及其他关于轨道制造的细节。轨道的尺寸和形状可以有所不同，但它们大多遵循相似的形式：呈 I 形，顶部有一个膨大的部分，车轮在上面行驶，底部有一个*坦的部分与枕木相连接。

驱动火车前进所需的力量通过机车的驱动轮与轨道的摩擦转移到轨道上。令人难以置信的是，每个车轮与轨道接触的区域只有一个小硬币那么大。这意味着一列普通的货运列车就仅仅坐落在一块钢铁面积上，大小大致相当于这本书。

历史上，轨道的接头是通过鱼尾板连接在一起的。每个轨道段之间的接头会发出标志性的咔哒声，当列车车轮经过这些小缝隙时。这些小而频繁的不连续性会对铁路车辆（称为滚动库存）造成磨损，并让乘客感到不适。大多数现代铁路使用焊接轨道，以创造连续*滑的轨道，没有接头。

消除这些间隙的一个挑战是热胀冷缩。钢铁在低温下收缩，在高温下膨胀。许多结构通过使用伸缩缝来提供运动自由，而焊接轨道的轨道则限制了这种热胀冷缩的自由。在寒冷的日子里，轨道在试图收缩时会经历拉伸应力；在温暖的日子里，它们会经历压缩应力，因为它们试图从约束中膨胀。在某个中间点，称为中性温度，轨道不再受到热应力。如果周围温度偏离中性温度过多，轨道的应力可能会超过轨道的承载能力。在炎热的天气里，铁路可能会发生弯曲（也叫做日晒弯），从而导致脱轨的危险。为减轻弯曲的可能性，轨道通常在安装之前被加热或拉伸。这种技术提高了轨道的中性温度，以便炎热的日子不会使轨道承受过大的热应力。

有许多方法可以将轨道固定在水*枕木上（也叫做道床）。历史上，使用一个带有偏头的大钢钉将轨道两侧固定住。这些钉子在美国的一些铁路上仍在使用。更现代的铁路使用多种类型的重型夹具。在北美，由于木材丰富，枕木通常使用木材制造，但也可以使用混凝土制造。枕木有两个基本任务：承载来自列车上方的载重，并保持两条轨道之间的正确间距（称为轨距）。木枕通常配有枕木板，用于分散轨道的集中压力。

维护精确的轨距非常关键，因为列车是通过轨道保持在轨道上的。你可能认为，列车如果使用实心轴，会在转弯时遇到困难，因为外侧车轮需要转动得比内侧车轮更多。汽车通过驱动轮之间的差速器来使车轮在弯道上独立转动。滚动库存通过使用圆锥形车轮解决了这个问题。当列车转弯时，每个轴会发生偏移，因此外侧车轮在更大的半径上行驶，而内侧车轮则在更小的半径上行驶。这补偿了弯道内外侧的行驶距离差异。车轮的缘缘只是为了防止轨道受损或错位时，车轮脱轨的安全设计。在正常运行时，车轮缘缘不应该与铁轨接触。

铁路枕木并不直接放置在轨道下方的土壤上，也就是称为基床的地方。土壤通常不足以承受火车运输的巨大重量。因此，使用一种叫做道砟的松散岩石堆积物，将负荷均匀地分布到下层土壤中。道砟通常由碎石制成，因为其角状特征有助于它们相互嵌套，形成稳固的基础。道砟不仅能分散来自轨道的垂直压力，还能为每根枕木提供水*支撑，帮助抵抗由热胀冷缩产生的弯曲和由火车通过曲线时的水*力量造成的位移。许多路堤还在两侧设有加高的肩部，以提供额外的抵抗力，防止枕木在横向力量作用下移动。石砟之间的空隙允许水自由流动，而不是沿路堤两侧积水。

铁路的几何形状是其设计中的一个关键组成部分。与公路相比，铁路可以使用更窄的路权，因为铁路不需要在行车道两侧留出大面积的空旷区域。然而，火车需要比机动车能够通过的更*缓的曲线和坡度。车厢之间的联接装置无法应对急转弯。此外，曲线周围的向心力可能会给乘客和货物带来过大的压力。解决这个问题的一种方法类似于公路上使用的特性：抬高外侧轨道，使火车在过弯时向内倾斜。这种倾斜，也叫做超高或外倾，能减少火车所感受到的水*力。

至于垂直对接，火车在钢轨上没有足够的牵引力，无法在陡坡上有效刹车。较大的上坡坡度也会使火车减速，从而减少铁路的容量。下次你开车经过铁路时，观察一下轨道。虽然公路通常会跟随自然地形，但轨道的高度会保持更为一致，坡度变化也较为*缓。

轨道数量是铁路设计中的另一个关键考虑因素。单轨道的建设和维护成本低于双轨道，但也有一些缺点。最重要的一点是，行驶方向相反的火车必须有办法彼此通过。会车线（或超车道）是一段*行轨道的短部分，允许火车通过。单轨铁路的容量取决于这些会车线的数量。合理的调度安排可以最大化单轨道的使用，但如果使用两条或更多轨道，将显著提高铁路的容量和可靠性。

切换器和信号

将火车限制在轨道上可能看起来能消除交通流量管理的挑战。毕竟，当你只能朝两个方向中的一个前进时，做出决策的机会并不多。然而，要有效使用铁路，许多火车必须共享同一轨道。允许火车相互交互并绕开对方，需要一些巧妙的设计，正因为铁路如此受限于单一维度。

管理铁路交通的一个重大挑战是完全载重的火车停车所需的相当长的距离。与可以实时看到并响应危险的机动车不同，一列火车可能需要超过一英里的距离才能完全停下。如果列车员在全速行驶时看到轨道上的障碍物，那时已经太晚了。共享铁路的火车需要保持足够的距离，以便在必要时停车且不会发生碰撞，并且需要在不依赖列车员视力的情况下保持这个距离。

多年来，已经使用了许多管理多列火车交通的解决方案。最早的方法是简单地建立一个时间表，规定每列火车在一天中的何时何地应该到达。这个系统显而易见的局限性是火车可能会发生故障，或者遇到一些问题，导致无法按时执行计划。在最好的情况下，火车故障会导致所有其他火车的延误，而在最坏的情况下，它可能导致碰撞。大多数现代铁路交通控制方案改为基于区段系统。轨道被细分为多个区段（称为区块），火车只有在特定区块没有障碍物时才可以进入。对于没有信号的铁路，交通可以通过许可证进行管理。调度员为列车员提供标准化的授权，以进行主轨道上的特定列车调度。然而，大多数繁忙的铁路线路仍然使用信号作为控制区块之间交通的主要手段。

就像道路上的交通信号灯一样（在第三章中有讨论），铁路信号也告诉列车员何时可以安全前进。事实上，许多铁路信号使用不同的灯光组合，提供关于前方路线和速度限制的更多信息。即使在北美，许多铁路也使用不同的标准，因此解读信号的含义可能需要一些努力。最简单的信号是区间信号，它们通常只有一个信号头，带有三盏灯——绿色、黄色和红色——类似于道路交叉口使用的信号灯。绿色灯表示后续区间清空，火车可以继续全速前进。黄色灯表示下一个区间清空，但后续区间有障碍，下一个信号会表示停车。红色灯表示下一个区间被占用，火车无法继续行驶。

一些信号由调度员控制，但许多信号是通过轨道电路自动运行的。在最基本的配置中，低电压电流会从区块的一端引入到轨道中。在另一端，一个继电器通过测量电流来控制附*的信号。当火车进入区块时，车轮和轴承在轨道之间形成导电路径，从而短路电路并切断继电器的电源。轨道区块之间安装了绝缘接头，以确保相邻的信号不会被无意中触发。使用非导电材料将两段轨道连接起来，同时保持它们的电气隔离。现代轨道电路甚至能够提供每列火车的位置信息和速度。用于控制信号的继电器、电子设备和电池通常被隐藏在称为信号小屋的外壳内。

除了区块信号外，多个信号头和不同的灯光组合传递着各种含义，增加了更多复杂性。最繁忙的公司使用集中交通控制办公室，类似空中交通管制员的角色，来协调列车的时刻表和行驶路线，以避免冲突。现代交通系统为每列火车的驾驶室提供警告和信息，减少了人为错误的可能性。此外，最先进的信号系统还允许火车相互通信位置，使得区块能够随着火车一起移动，而不是像地图上的静态轨道段。

铁路交通管理的另一个关键要素是轨道之间的移动。火车经常需要互相超越，转向主线以外的目的地，或者在铁路调车场交换车厢和车体。如果没有办法在铁路之间过渡，火车将永远困在单一轨道上，无法完成这些任务。道岔（也叫转辙器）提供了火车换轨的手段。最基本的道岔类型使用两根叫做“尖轨”的灵活锥形轨道。火车的车轮被引导到两个方向之一，取决于两个尖轨中的哪个与固定轨道接触。轨道下方的连杆将尖轨连接到一个机构，决定火车的行驶方向。有时，轨道员工需要手动操作道岔的操作杆来控制道岔。或者，调度员可以通过电机道岔机远程控制道岔。

一旦越过这些接点，火车轮子会驶入两条轨道中的一条。然而，在到达主轨道之前，左轮必须越过对面轨道的右轨，或者反之亦然。这些交叉需要轨道上有一个间隙，轮缘才能通过，这个任务是通过道岔来完成的。当轮缘通过间隙时，交叉的轮子会从闭合轨道交接到道岔上。道岔旁边有防护轨，这些轨道与主轨道*行，用来保持轮子对准，防止脱轨。你还可以看到防护轨被用在急转弯处和桥梁上。

当两条轨道交叉但没有连接时，会安装一个钻石道岔。这些交叉由四个道岔组成，使每个车轮都能够穿越交叉轨道的两条轨道。道岔和钻石道岔都会受到来自列车日常运行的磨损。当车轮穿越间隙和接头时，会产生巨大的冲击力，这可能会损坏车厢和铁路本身。因此，道岔和交叉点会受到检查员的特别关注，以减少因故障而导致脱轨的风险。

路面交叉

铁路跨越了广阔的无人的区域，但在这些空旷的地方之间是它们连接的城市中心。铁路越靠*人口密集的地方，就越容易与其他基础设施发生冲突。最重要的是，铁路成为了行人和车辆交通流动的障碍。一些道路和铁路使用桥梁交叉，以避免中断，但许多交叉点是在同一高度。这些路面交叉是普通人最容易接触到铁路的地方。以全速行驶的列车无法在操作员的视距范围内停下，它们也无法急转弯避开障碍物。因此，在这些交叉口，列车总是优先通行。行人和机动车必须停下来等待列车通过，因此，路面交叉点包括了许多安全功能，以减少发生危险碰撞的可能性。

在许多国家，铁路*交道口会被分配一个标识符，称为*交道口编号，以简化事故和故障报告。现代铁路公司（及其监管机构）致力于公共安全，并对问题报告作出迅速响应。*交道口的安全设施通常分为两类：被动安全设施和主动安全设施。被动警示装置是指在列车接*时不会发生变化的警示设施，包括停车标志、让行标志和铁路*交道口的国际标志“十字架标志”（由两条交叉木条组成）。当有多个轨道时，补充板会标明交叉口处轨道的数量。十字架标志通常还会作为路面标记，以确保驾驶员知道即将到来的轨道。许多低交通量的*交道口仅使用被动安全设施。司机有责任遵守这些警示，留意列车，只有在确保安全时才可通行。

主动警示装置提供视觉或听觉警告，告知列车正在接*。它们通常由轨道电路触发，类似于自动区间信号系统（上一节中已描述）。像铁路信号一样，控制*交道口自动警示装置的继电器、电子设备和电池通常隐藏在外壳内，这些外壳通常被称为信号小屋。当列车接*交叉口时，一对红色警示灯开始闪烁，提醒机动车驾驶员停车。如果道路有多个车道，交叉口可能会在上方的悬臂支架上再安装一对警示灯。机械或电子铃声也为行人或骑自行车的人提供声音警告，以防他们看不到闪烁的警示灯。

除了灯光和铃声外，许多*交道口还配备了当列车穿越道路时会下降的栅栏。栅栏上装有反光带和灯光，以增加它们的显眼度，即使在夜间也能看见。许多交叉口设置了中央隔离带，以防止司机绕过栅栏。对于高风险交叉口，通常还会安装出口栅栏，原因相同。它们的工作方式是延时操作，以避免将车辆困在轨道上。大多数*交道口的栅栏设计用于提供视觉警示，但它们的强度不足以阻挡闯入的车辆。在高速列车经过的*交道口，可能会安装更坚固的屏障栅栏。

道口面临的一个挑战出现在城市地区，那里有信号控制的交叉口，靠*铁路。红灯会形成一条排队的车流，可能会倒退跨过铁轨。你绝不能在不确定另一侧清晰的情况下穿越铁路。不过，排队等红灯的司机常常会错误估计可用的空间，结果不小心停在了铁轨上。繁忙交叉口附*的交通信号通常会与自动警告装置协调配合。当火车接*时，信号灯会变绿，以清除堵塞铁轨的车流。

设计铁路道口时一个关键考虑因素是设备启动与火车到达交叉口之间的警告时间。工程师需要提供足够的时间让车辆清理道口或停车，但又不能太长，以免让不耐烦的司机认为设备出现故障，并尝试绕过栅栏门。人们天生对自动设备持怀疑态度，尤其是在信号操作缓慢或没有明显理由中断行程时，这种戒备心理会更加强烈。工程师会考虑交通流量和类型、信号交叉口的距离、铁轨数量以及其他诸多因素，以确保在安全和效率之间取得*衡。最先进的轨道电路能估算火车的速度，确保警告时间不会过长，甚至在火车停在道口前就可以取消警告。

自动警告装置设计时遵循“故障安全”原则。当发生故障或断电时，装置会恢复到最安全的状态（即假设有火车接*）。如果电源丧失，大多数装置都有电池来为闪烁的灯光和铃声提供电力。*衡重经过精心调整，以便在没有电力支撑的情况下，栅栏门能够自动落下。故障安全操作确保了如果警告装置出现问题，机动车辆不会无意间穿越铁路。

除了道口警示装置外，机车还会提供自身的警告，包括铃声、明亮的车头灯和较小的闪烁排水灯。最显著的是，它们会在每个铁路道口前鸣响刺耳的喇叭。标准的鸣笛模式是两次长鸣、一声短鸣，然后再一次长鸣。这个序列会被延长或重复，直到火车到达道口。如果你仔细观察，有时会看到铁轨旁边有一个哨声标志：这是一个短小的标志，放置在道口前，用来通知列车操作员何时开始鸣笛。在美国，这种标志通常是一个带大写字母 W 的小白标牌。

尽管有这么多种警告标志，人们在过铁路道口前可能会认为能注意到火车是否即将驶来，但全球每年仍然发生数百起列车与机动车辆之间的致命碰撞。如果你在开车时看到铁路道口标志，请务必停车，仔细听并左右观察后再通过铁轨。

电气化铁路

几乎所有现代火车都使用电力驱动。即使是货运机车上的大型柴油发动机，也会连接到一个电力发电机，通过电动机为火车提供牵引力。电动机消除了直接从发动机驱动车轮所需的庞大而复杂的传动系统。由于电力可以跨越长距离相对简单地传输，许多人不禁想知道是否真的需要车载发动机。事实上，许多铁路已经实现电气化，即直接为火车提供电力驱动。

电气化铁路有许多优势。首先，火车不需要承载大型发动机及其所需的庞大燃料。与柴油机车相比，电力驱动的火车通常速度更快、效率更高。去除发动机也去除了其排放，改善了空气质量。这个特点对于穿越隧道或地铁系统的火车尤为重要，因为在这些地方，发动机排放物可能会集中到危险水*。几乎所有的快速轨道交通系统都使用电气化铁路。最后，电动火车在刹车时能够回收电能。与其将动能转化为刹车时浪费的热量，电动机可以作为发电机，将其转化为其他火车可以使用的电能。在快速轨道交通中，由于火车迅速减速，再生能源通常以短时间的脉冲形式出现，导致它对其他火车的实用性降低。然而，在多丘陵的地区，这种方式可能大有裨益。在理想情况下，火车在攀爬大山时消耗的大部分能量可以在下坡时回馈给系统，供其他火车使用。

全球有许多电气化铁路标准，其中很多标准已有 100 多年未作更改。许多系统使用直流电，因为直流电机的转速可以通过驾驶室中的简单设备轻松调节。然而，低压直流电在导体中传输时会有较大的能量损失，因此大多数直流电铁路需要定期设置变电站，将电网电力转化为直流电，沿轨道供电。交流电可以在较高的电压下传输，然后在火车内部降压。然而，交流电更危险，并且需要额外的设备将交流电转换为牵引电动机所需的电流。

为了为行驶中的列车提供电力，所需的基础设施可能相当复杂，其成本是较长且低运量铁路很少进行电气化的主要原因。为列车提供电力有两种主要方式：第三轨和架空线。第三轨系统使用沿轨道*行于主轨道的带电导体。带电轨道位于绝缘体上方，以保持其与地面的隔离。列车配备有滑动鞋，沿第三轨滑行以收集牵引电力。这是一个简单且有效的系统，但它确实会为铁路附*的人或动物带来触电风险。为了安全，需要严格控制铁路的使用权，包括围栏和警示标志。许多第三轨配有保护罩，以减少铁路工作人员受伤的可能性，并防止雨水、雪和冰积聚在轨道表面。

另一种为列车提供电力的方式是通过架空线路。架空线路更为安全，因此大多数高压系统都安装在轨道上方。在这种设置中，电流收集器位于列车顶部。有几种不同的设备可以执行这一任务，但大多数现代列车采用弓形接触器。它们使用弹簧加载的臂来保持可更换的石墨鞋与架空导体之间的接触。这个概念很简单，但在实践中却非常复杂。看看标准的架空电力或公共事业线路，你会立刻注意到挑战所在。它们在跨度的中部下垂。由于在高速度下，每个支撑点之间的高度差异如此之大，因此维持接触几乎是不可能的，因此架空铁路供电系统使用一对导线，以确保电力可靠地传输到列车。顶部的导线称为信号线，仅用于支撑。它在电杆之间形成的弯曲形状称为悬链线，因此这个名字通常用于描述整个系统。从信号线出发，垂直支撑被称为下垂线，它们连接到下面的接触线，这就是弓形接触器所依靠的线路。

双导线系统使得接触线在轨道上保持一致的高度，这使得弓形接触器可以在其上以快速速度滑动。两根导线都带电以传输牵引电流，且它们通常通过悬挂在两侧滑轮上的重物保持张力。这种张力可以消除松弛，减少由于温度变化引起的导线下垂。张力还增加了沿导线传播的波速。它使得振动变得更小且频率更高（就像吉他弦一样），以减少弹跳，这样每当接触线和弓形接触器分离时，就能减少电弧的产生。接触线以水*之字形模式通过登记臂支撑，使得弓形接触器的鞋面能够均匀地磨损。

电路需要一个回路，因此电气化铁路需要第二根导体来完成连接。在大多数电气化铁路中，回流电流通过钢制轨道流动，轨道上是轮子滚动的地方。只要与地面连接良好，轨道上的电压就会保持在足够低的水*，避免对人类和动物构成危险。然而，回流电流会带来一些工程挑战。例如，轨道通常是信号电路的传输路径。如果轨道承载回流电流，微弱的轨道电路信号会被淹没。电气化铁路通常使用交流轨道电路来控制信号。用于检测列车的继电器可以设计成带有滤波器，以捕捉特定频率并忽略轨道中的牵引电流。

使用与地面接触的轨道作为回流路径的另一个主要问题是走漏电流。电流的流动可能会偏离预期，进入附*的管道、隧道衬里、公用设施管道以及其他金属结构。这些走漏电流如果没有得到有效抑制，可能导致快速腐蚀。一些铁路系统使用第四轨或额外的架空导体，提供一个较不容易偏移至附*金属物体的回流路径。

第六章：大坝、堤防和海岸结构

前言

就像我们呼吸的空气一样，我们的生活几乎围绕着水转动，这一点常常被我们视为理所当然。水不仅是生理上的必需品，而且还充当着动力源泉，是货物和乘客运输的手段，也是进行娱乐活动的绝佳场所。水还为大量水生植物和动物提供栖息地。另一方面，水也具有破坏性，会造成洪水，破坏财产并危害公共安全，侵蚀河岸和海岸线。由于水的绝对必要性和无处不在的威胁，我们的基础设施中很多都致力于控制和管理水资源。

世界上许多最大、最复杂的项目都是为了保护免受或利用地球丰富的水资源而设计和建造的。我们建造了巨大的大坝来创建储存淡水的水库，修建了广泛的水道网络用于航运，还在世界各地建造了巨大的防洪和海岸保护设施。这些设施中的许多甚至吸引了足够的关注和公众兴趣，设有自己的旅游中心，为游客提供安全的观察视角，并有机会了解它们的历史和技术细节。下次经过一个大型大坝、港口、船闸或堤防时，不妨停下来参观游客中心，参加一次导览，顺便买一件纪念 T 恤！

海岸保护结构

海岸线在地图上可能看起来静止不动，但它们是世界上最具动态性的地方之一。海岸受到大量自然破坏性力量的影响，包括风、波浪、潮汐、洋流和风暴。人类也通过疏浚航道、修建水道、在海岸上建造结构以及在上游水库中截留沉积物，防止它们到达海岸，影响着海岸线。难怪我们的海岸线随着时间的推移不断变化和转变。构成海岸线的土壤和岩石处于持续的变化中，不断从一个地方被偷走，沉积到另一个地方。

海岸线对人类至关重要，不仅仅是因为美丽的日落。许多我们最大的城市都坐落在海岸线上，因为海运和渔业带来了机会。此外，海滩支持当地经济，通过旅游业为世界各地提供数百万个就业机会和数十亿美元的经济活动。海岸侵蚀是对我们基础设施、开发区和航运水道的持续威胁，威胁着海岸沿线的建筑物以及大量沿海人口的生计。许多海岸工程集中在我们如何保护海岸线，以及如何应对那些导致海岸线随着时间推移发生变化和消失的破坏性力量。

最基本的海岸结构之一是护坡，它是在自然坡度上覆盖的一层硬质护甲。护坡通常由大块石头或混凝土块构成，能够承受不断撞击的波浪和潮流的力量。使用石块或混凝土块还能吸收每一波浪的能量，减少波浪向坡顶的传播距离。与护坡类似，海堤是一种与海岸*行的垂直结构，用于保护上方的陆地免受侵蚀。海堤通常由加固混凝土建造。许多海堤具有一种叫做弯曲的形状，能够将波浪能量引导回海中，减少水流越过海堤的可能性。海堤通常建造在高于正常高潮的高度，以防止洪水和风暴潮。它们通常将它们保护的开发区与下面的沙滩隔开。

防波堤是另一种用于保护海岸区域免受海浪侵害的*行结构。与护坡和海堤不同，它们不与海岸相连。相反，防波堤建造在海上，以消散波浪能量，并为沿海的船只和建筑物创造*静水域区域，这些区域被称为港口。防波堤可以由多种材料制成，但最常见的是由岩石碎石堆砌而成。防波堤的核心通常使用较小的岩石，以减少波浪能量通过结构的流动，而外层则由较大的石块组成，这些石块能更好地抵御波浪。

另一种保护性结构叫做堤坝，它伸入海中，以对抗长岸漂移，即沉积物沿海岸*行移动的过程。与防波堤类似，堤坝通常由岩石或碎石堆砌而成。随着时间的推移，堤坝会捕捉到海洋流动中的悬浮沙子，从而形成沙滩（这个过程叫做沉积）。如果尺寸合适，堤坝还可以通过减缓海流沿海岸的速度和力量来保护下游区域。然而，过大的堤坝会使海流失去所有沉积物，无法补充海滩上的沙子，从而加剧了未保护海岸的侵蚀。建造一个堤坝后，通常需要修建更多的堤坝来保护下游区域，最终形成延伸很长的锯齿形沙滩。

与堤坝类似，码头是垂直于海岸线建造的结构。它们通常成对修建，以保护航道入口，通过将其口延伸至海洋来防止沉积物进入航道。它们不仅阻止了沉积物进入航道，还限制了海水在潮汐变化中的流动，加速了水流，从而冲刷底部沉积物并减少其积聚。

这些硬质防护结构通常能为侵蚀提供长期解决方案，但也可能带来意想不到的后果。举个例子，光滑的混凝土海堤会反射波浪，而不是吸收波浪，这可能导致更远的海岸侵蚀加剧。这些结构也可能影响海洋中的栖息地质量，带来环境挑战。尽可能地，沿海工程师倾向于寻找“更软”的侵蚀解决方案。其中一种方法是种植或维持可以在潮汐带沿岸生长的树木和灌木。这些被称为红树林森林，它们密集的根系吸收波浪能量，保护沿海的土壤。

另一个应对海岸侵蚀的软性解决方案是创建人工礁，为鱼类、珊瑚和其他海洋生物提供栖息地。许多材料已被用于构建人工礁，包括岩石、混凝土、沉船甚至是沉没的地铁车厢。这些礁石为海洋生物提供附着或躲藏的表面，同时还具有消散海浪能量的副作用，充当水下防波堤。

另一种软性解决方案是通过补充失去的物质来逆转侵蚀过程，这种技术通常被称为沙滩营养。沙滩不仅是重要的休闲区域和经济驱动力，还是开发与大海之间的缓冲区。它们在风暴和波浪能量到达开发区域之前将其消散，但在过程中，沙子可能会被带走或冲入更深的水域。补充失去的沙子能够保护海岸结构并创造休闲空间。沙滩营养通常通过使用挖泥机从海底借取沉积物，并将其作为含水泥沙浆通过管道泵回海岸来实现。沙浆会排放到岸上一个大水池中，允许水分排出并使沙子沉淀下来，然后使用土方设备将其均匀铺开。这种沙滩营养方法具有环境影响，且并非永久解决方案，但它是应对海岸侵蚀的常用工具。

最后，有时候保护海岸线开发不受损害的最便宜方案就是让它根本不存在。这种策略通常被称为撤退，包括购买和征用财产，或将建筑物和基础设施迁移到离海岸更远的地方。在某些情况下，最好的工程方法是让大自然发挥其最佳作用：让海岸线保持生机勃勃和动态变化，这正是人类最初被它吸引的原因。

港口

海运是现代生活中不可或缺的一部分。如今人们不再像以前那样通过船只长途旅行，原因在于速度较慢，但航运这个词的由来是有原因的。我们依然每天使用船只在全球范围内运输大量货物，保持着从原材料到成品的复杂供应链。水路运输之所以仍然存在，是因为船只效率高。即使是最庞大的货物，一旦漂浮在水面上，搬运几乎毫不费力。在船上运输一吨货物相同的距离，所需的能量大约是火车的二分之一，卡车的能量消耗大约为五分之一。此外，航运是物品跨越那些没有陆路连接的地区的主要运输方式。

港口是连接海上和陆路运输方式的枢纽。简单来说，港口是船只可以停靠的地方，但这一简单功能掩盖了现代海运设施的巨大复杂性。港口不仅位于沿海城市，还位于河流和内陆水道的城市。港口通常由多个码头组成，货物或人员（在邮轮的情况下）的装卸工作在这些码头进行。每个码头都专门设计，用于快速高效地装卸特定类型的货物。散货船用来运输未包装的货物，如谷物和矿石，通常通过大型输送机或斗式起重机进行服务。油轮用来运输液体货物，如石油，通常通过巨大的软管进行装卸。大多数运输包装货物的货船使用集装箱，这些标准化的钢铁箱可以通过起重机轻松地在火车、卡车和其他船只之间转移。

集装箱码头是商业港口最具辨识度的部分之一，那里有巨大的起重机和五颜六色的钢铁箱堆。巨大的船对岸起重机通常安置在轨道上，能够穿越货船的长度，每两分钟就能装卸一个集装箱。

有时集装箱会在不同的运输方式之间直接转运（主要是卡车、火车或其他船只），但通常它们必须先存放在堆场，直到下一班交通工具到达。货物的集装箱化带来了一个难题，因为每堆集装箱中只有最上面的一个可以访问。要到达堆底的集装箱，就需要将上面的所有集装箱搬开。计算机管理系统优化了每个集装箱的摆放，以减少将它们送达目的地所需的搬运次数。

各种各样的车辆被用来处理和搬运集装箱，且在现代港口中，集装箱的控制越来越多地实现了自动化。码头拖车（有许多别名，包括搬运车）是小型半挂卡车，用于在场地内运输集装箱。自动导引车辆执行相同的任务，但不需要人工驾驶。伸臂堆高机和跨轨运输车能够将集装箱运输并升降至堆垛顶部。门式起重机跨越长排的堆叠集装箱。这些车辆不是使用钩子，而是采用一种叫做伸缩器的装置来提升每个集装箱。每个集装箱都配有加固的角铸件，四个旋转锁定装置锁入每个铸件上的椭圆形孔中。旋转锁定装置旋转 90 度，将伸缩器与集装箱牢固连接。旋转锁定机制简洁而巧妙，广泛安装在船只甲板、卡车和火车上，及每个集装箱的堆叠之间。它们负责每天将数百万个庞大的钢铁集装箱固定到位。

尽管海事术语在地区和全球范围内有所不同，但作为码头边缘的结构通常被称为码头或岸壁。码头可能包括一个或多个泊位，即船只的停靠点。每个泊位上有几个大型系缆柱，船只的系缆线会固定在这些系缆柱上。船上的绞车保持这些系缆线紧绷，以减少装卸过程中船只的晃动。此外，泊位两侧的防撞条起到缓冲作用，保护码头和船体免受损坏。传统上，旧轮胎被用作防撞条，但现代港口使用专门为不同类型和大小船只设计的防撞装置。

设计港口设施时最关键的决策之一是能容纳的最大船只，称为设计船舶。容纳更大的船只会使港口设施的建设和维护成本增加，但它可以带来更多的交通量和收入，因此需要仔细*衡。设计船舶的长度决定了每个泊位的长度和港口的整体规模。船宽会影响用于装卸货物的岸桥的吊臂大小，而吃水深度则决定了港口底部的最小深度。通过使用挖掘机或吸管从水道底部清理沉积物来维持这一深度。船舶设计师（称为船舶设计师）试图使船只尽可能大，同时确保它们能够通过将遇到的运河、船闸和港口。事实上，许多船舶类型是根据它们几乎无法进入的设施命名的；例如，Suezmax 船是能够通过苏伊士运河的最大船只。

码头必须是坚固的结构，能够承受风、波浪、潮汐、洋流以及船只系缆线所产生的极端力量，日复一日地稳定运作。此外，码头需要相当高，以便让巨型船只能够直接停靠。许多码头是建在填土上，填土是通过运送到现场并压实在原地形成坚固基础的土壤。挡土墙加固了填土，同时允许船只驶至边缘。当现场地质条件不适合支撑港口设备和货物的重量时，码头可能会依靠桩基支撑。这些垂直的钢或混凝土构件被钻入或打入地下土壤，深埋在下方，以防止码头随着时间推移而沉降或移动。

水路使用许多航行辅助设备，帮助船员安全地引导船只。浮动装置，被称为浮标，划定了可航行的水道和危险区域。就像道路标志一样，它们使用标准化的颜色和符号来传达规则和信息。它们通常通过链条和锚固定在指定位置。链条有足够的松弛度，可以吸收来自波浪、风和水流的冲击负荷，并适应潮汐带来的水位变化。锚可以是一个重物，称为沉锚，或者是一种被打入或钻入地下土壤的装置。

闸门

水路运输有其局限性，即并非所有地方都能通过船只到达。我们通过建造水道或运河在一定程度上克服了这一障碍。历史上最早的文字记录就描述了运河和航运。即使在几千年前，人类也试图让无法通航的地区能够通过船只通行。然而，另一个限制更难克服。水是自我*衡的。与道路或铁路不同，你不能在斜坡上铺设水以便上下山。理想的运河应保持整个长度都在同一水*面，但在陡峭地形的地区，这需要大量的挖掘，几乎是不可能完成的。与其开挖巨大的峡谷以保持运河在一致的高度，我们通过使用航行闸门将船只上下移动，就像楼梯上的台阶一样。

闸门由一个密闭的水室组成，两端都有大型门。闸门的工作原理非常简单。一艘上行船只进入大部分为空的水室，关闭下方的门。然后，允许上方的水进入，填充空间，抬升船只。当闸室内的水位与上游水道的水位相同时，便可完全打开上方的门，船只可以继续前进。下行的过程与此类似，只不过是反过来的步骤。船只进入已经充满水的水室，关闭上方的门，允许闸室内的水排出。当水室内的水位与下游水道的水位相同后，便可完全打开下方的门，船只继续行驶。这是一个完全可逆的提升系统，在最简单的形式下，除了水本身外，不需要任何外部动力源来工作。

河流上的船闸可以与水坝结合使用，水坝用来蓄水并在需要时排放洪水。大多数适应大型船只的现代船闸是由钢筋混凝土建造的。它们有墙壁和地板，就像一个巨大的浴缸。船闸的进水口设计为直线形，避免横流，这样船只可以轻松地排队进入船闸。小型船闸常用于休闲船只，通常可以自助操作，但繁忙水道上的大型船闸则需要工作人员全天候操作，以升降船只。

每个船闸室两侧的门本身就是工程奇迹。大多数船闸使用斜门，它们由两扇门叶组成，像巨大的铰链门一样，向中央关闭。门叶不是直线关闭，而是以指向上游的角度相遇。来自上方水流的压力迫使门紧紧关闭，确保它们在船闸操作过程中保持密封且无泄漏。在某些地方，特别是在受潮汐影响的区域，下游水位可能会高于上游水道的水位。在这种情况下，斜门无法正常工作。扇形门则可以作为斜门的替代品，能够承受来自两个方向的水压。扇形门的形状像切开的派块，在连接点上铰链相连，并在中间汇合。一些现代船闸使用滚动门代替铰链门，这些门通过滑动进出一个可以抽干水以进行维护和修理的凹槽（而不是需要完全移除每个门）。

在所有船闸中，下门是主要的工作门。上门只需要足够高，以便船只在船闸充水时能进入。下门则必须抵挡住从船闸顶部到底部的水压。水压随着深度的增加而增大，因此，具有较大升降高度的船闸要求下门能够承受极大的压力。当一条运河需要跨越较大的高度差时，会使用多个小型船闸串联（称为飞跃）而不是单个大型船闸。

填充和排空船闸的水位系统是其工程设计中另一个至关重要的部分。许多船闸是水道交通的瓶颈，因此操作员尽力缩短船只通过的时间。试想，每天要填充和排空一个巨大的游泳池三十次或更多次，同时池中还有人。在船闸中也类似，你不能只是打开上闸门让水流进来。首先，水位差造成的压力让打开闸门几乎不可能。更重要的是，水的进出会危及通过船闸的船只。相反，大多数船闸使用一个单独的系统来填充和排空船闸。最简单的方式是在每个闸门中设置一个较小的闸板，有时被称为桨，它可以被打开或关闭。大型船闸则通过涵洞将水从船闸两侧或底部的出口处排出。两个阀门控制水流。上闸门的阀门打开时，船闸被填充，而下闸门的阀门打开时，船闸就会排空。设计这些出水口时特别注重避免产生危险的湍流、喷流或水浪，这些可能会使船只翻覆。

即使有一个精心设计的蓄水系统，船闸仍然可能是一个动荡的空间。船只需要固定在原位，以避免与闸门或墙壁发生碰撞。然而，系船索不能附着在闸墙的顶部。对于向上移动的船只，它们会立即变得松弛。对于向下移动的船只，它们甚至可能把船只拉出水面！较小的船闸需要船员根据水位的升降来收紧或放松系缆索。较大的船闸则使用浮动的缆桩，它们沿着垂直导轨滑动，确保船只在上升或下降过程中保持固定。

堤坝和防洪墙

每年，洪水都会影响到有人居住的地区，造成生命损失和数百万美元的财产损失，摧毁社区，甚至使当地经济陷入停滞。如果你曾亲身经历过一次，你就知道面对大自然时那种无助的感觉。我们无法改变降水量，但我们已经开发出一些方法来管理水流，一旦它流入陆地，以限制它对生命和财产构成的危险。

河流泛滥特别难以管理，因为其影响不是线性的。在主要河道中，正常的河流流动发生时，水位的上升只会稍微增加淹没面积。陡峭的河岸限制了水流。然而，河道上方的地形往往宽广*坦，适合农业和城市开发。当河流的水位超过河岸时，即使是水位的微小上升也能造成广泛的淹没区域。这些河岸上方的区域通常被称为洪泛*原，因为它们非常容易受到溢出水流的影响。解决河流泛滥的一个结构性方案是提高河岸的高度，以防止水流进入已开发区域。

提高河岸最常见的方法是简单地收集附*的土壤并堆积成堤防。这些结构被称为堤防或dikes，几个世纪以来一直用于引导和拦截水流。它们也被用于沿海地区防止风暴潮的侵害。尽管概念简单，但现代堤防依赖先进的工程技术来保护低洼地区免受洪水的侵害。毕竟，土壤并不是最强大的建筑材料，尤其是在面对快速流动的水时。工程师会根据可用于建设的土壤性质指定堤防的坡度和压实要求。

洪水期间的急流可能会造成侵蚀，损坏堤防的河侧。堤防的坡面通常会种植草坪，因为密集的根系可以防止侵蚀。长时间的洪水或高波浪可能会让堤防包括石材或混凝土护坡，这种护坡称为回填层，以提供额外的保护。由于土堤随着时间的推移可能会恶化，因此维护至关重要。堤防必须保持无树木和木本植物的生长，这些植物在洪水期间可能会被连根拔起或摧毁。还应阻止钻洞动物在堤防中筑巢，因为它们的洞穴可能会为水流渗透土壤结构提供通道。

尽管堤防相对便宜且简单，但由于其梯形结构，它们占用了大量土地。一种更昂贵但节省空间的替代方案是建造防洪墙。这些墙通常由加固混凝土制成，具有与堤防相同的功能，即提高河岸的高度以限制水流。由于防洪墙由比压实土壤更具韧性的材料制成，因此它们也不容易受到长期的侵蚀。

堤坝或洪水墙的高度是一个至关重要的决定。洪水的潜在规模几乎是无穷无尽的。如果你能想象一场大风暴，你大概也能想象出更大的风暴，这意味着防洪基础设施必须在建造成本和提供的保护量之间找到*衡。在美国，许多堤坝和洪水墙的设计是为了防止百年一遇的洪水，这是一个有些令人困惑的术语，用来表示一个简单的概念。由于我们有全球广泛的降水历史记录，我们可以估算任何风暴的严重程度与发生概率之间的关系。百年一遇的洪水是该线上的一个参考点：指的是一种理论上的风暴，它在某个特定地点的某一年发生的概率为 1%。虽然这个名称意味着它每百年才会发生一次，但 1%的年发生概率等同于 30 年内有 26%的概率发生这样的风暴。在 50 年内，这个概率接* 40%，几乎像掷硬币一样。

设计百年一遇的洪水防护是我们承认防范所有洪水并不具成本效益的方式，但我们可以设计基础设施，以确保 99%的时间内能够抵御洪水。为了设定堤坝或洪水墙的最高点，工程师们利用历史洪水记录和水力模型来估算百年一遇的洪水会在河流沿岸达到多高。然后，他们会加上一些额外的高度，称为自由板，以应对不确定性，并防止波浪超越结构的顶部。

完全用堤坝或墙壁围住一个有洪水风险的区域并不总是可能的。首先，道路和铁路需要一种方式穿越受保护的区域。由于没有足够的空间或资金建造坡道或桥梁跨越每一道墙，因此我们偶尔会留下一个空隙，称为闭合口，通过这个空隙，公路或铁路可以通行。每个闭合口处的钢门必须在洪水来临前关闭，以完成周围的防护。当然，闭合口只适用于沿着主要流域的区域，因为这些地方的洪水通常是逐渐到来的，并且有一定的预警。开放的门会彻底破坏洪水墙或堤坝的效果，因此在易发生暴雨的地区不能使用闭合口。

此外，围绕低洼地区修建堤坝，会在暴风雨期间形成一个蓄水盆地，可能导致水流涌入堤坝的另一侧。堤坝需要一种方法，允许排水通过而不让河水在洪水期间倒流回受保护的区域。一些大型系统使用泵将当地排水从低洼地区抽出，但泵可能非常昂贵。叫做涵洞的管道可以穿过堤坝和防洪墙，或其基础，允许通过重力排出封闭区域的水。这些涵洞配有闸门（洪水期间必须手动关闭）或自动防止回流的设备，称为止回阀。翻板闸门是一种常见的止回阀，能抵抗来自相反方向的水压而密封关闭。

尽管堤坝能保护低洼地区免受洪水侵袭，但它们也可能带来新的问题。由于堤坝将河水的力量限制在一个较小的空间内，水流的高度和速度比没有这些结构时要高，这可能加剧下游洪水的影响。即便有了卓越的工程技术，我们“控制”大自然的能力通常也是脆弱的。洪水控制基础设施在发达地区至关重要，但它必须与河流自然洪泛区的管理和尊重相结合。

混凝土大坝

水是地球上最重要的资源之一，但水文循环具有极大的变化性。从干旱到洪水及其间的各种情况，实现持续的水供应可能是一个重大挑战。我们无法控制降水的多少和频率，但我们可以通过发展储存设施，*衡每年水流的高峰和低谷。修建跨河谷的大坝会形成一个水库，这是一个储水的地方，可以随着时间的推移，用于灌溉农田、为城市供水或发电。

水库也可以保持空置，以应对恶劣天气，允许大坝拦截洪水并逐步释放，从而减少对下游的破坏。（排水口用于排放水的内容将在后续部分讨论。）许多大型大坝同时具有多重功能，利用水库内不同的区域，称为水池。一个水池可以保持满水，用于水力发电或供水，另一个水池则保持空置，以便在发生洪水时用作储存。如果大坝用于发电，通常能在下游看到容纳涡轮机和其他设备的水力发电厂。如果该厂与大坝没有连接，你也可能看到输送水至涡轮机的大直径管道，称为压力管道。

水坝可以使用多种不同的材料建造，但许多最大且最具代表性的结构都是由混凝土制成的。（接下来的部分描述了由土壤和岩石建造的水坝。）混凝土坚固且耐用，能够承受水库中水的巨大压力。与许多大型结构通过重力作用垂直承受荷载不同，水坝上最重要的力是水*的。随着水库深度的增加，对水坝上游面施加的压力也会增大。水也可以通过水坝基础中的孔隙和裂缝泄漏，产生压力，称为“提升力”。承受这种压力的关键任务是每座水坝设计和外观的重要因素。

重力坝仅通过其自重来抵抗水的压力。混凝土相当重，具有足够的质量，结构就能稳定到足以避免因水*力量而翻覆或滑动。重力坝通常在基础处较宽，那里水压最大。它们逐渐收窄至顶部，有时宽度仅足够让车辆通过，从而在下游侧形成典型的斜坡。同样，支墩坝使用三角形支墩将水库的力量转移到基础上。水压仍然会推动水坝向水*方向移动，但上游斜面同样利用水的重量来提高稳定性。支墩坝需要的混凝土较少，但它们也需要更多的劳动力来构建所需的复杂形状以确保稳定，因此在现代通常不具经济性。

与重力坝和支墩坝不同，拱坝将水库水的主要力量转移到水坝两侧的桥墩，而不是基础上。像拱形桥（在第四章中描述的那样），拱坝利用几何学来跨越一个空隙。由于它们不太依赖于自重，拱坝需要的混凝土较少，因此在建造时可能更加经济。然而，拱坝只能建造在具有有利地质条件的地方，因为支墩需要抵御大部分试图将结构推向下游的水库压力。因此，拱坝最常见于狭窄的岩石山谷中。一些支墩坝被设计为多拱坝，其中每个较小的拱由支墩支撑，而不是一个单一的拱跨越整个山谷。

混凝土大坝并不是作为一个整体的固体块体建造的——混凝土在从液体固化成固体的过程中会收缩，这可能导致裂缝。此外，温度变化会导致混凝土在一年中的膨胀和收缩，这也可能引起裂缝。人行道或车道上的裂缝可能没什么问题，但在大坝中，裂缝可能成为泄漏点，从而削弱和损坏结构。混凝土大坝是由较小的块体构成，称为独立块体（monoliths），并且有水*和垂直的接缝，以提供运动的自由，减少裂缝发生的可能性。与可能在固体混凝土结构中形成的随机裂缝不同，接缝通过嵌入的止水带和密封剂容易密封防止泄漏。尽管你从外面看不见它们，但许多混凝土大坝内部都有隧道，称为画廊，用来收集任何泄漏的水并让工程师从内部监测结构的完整性。画廊还为大坝基础内部的排水提供了位置，减轻压力。

另一种混凝土结构，通常称为低头坝，并非用于储水，而是单纯为了提高河流或溪流的水位。自然水道的深度会随着时间的变化而变化，长时间可能相当浅。低头坝蓄水量较小，人工提高水位，使得水道更加适合船只通行，增加水源和灌溉进水口的深度，或为驱动涡轮机或水车提供落差。低头坝通常被称为堰，因为水流从坝顶流过（而不是通过闸门或出口）。这种溢流可能对游泳者和划船者构成重大危险。

当水流（称为水幕）从低头坝上流下并冲入下游的河流时，它可以在大坝下游立即形成一个回流区。这个区域有时被称为"守卫区"，因为它可以困住物体、碎片，甚至是人。由于强大的水力作用、大坝的硬表面、令人迷失方向的湍流和被淹没的碎片，低头坝被称为完美的溺水机器。许多这样的坝是很久以前建造的，当时磨坊和工厂依赖水力驱动设备，安全性并不是首要考虑的问题。许多城市已经拆除这些坝或将其转变为娱乐设施，恢复了水生生态系统，并吸引了外部游客。如果你在有低头坝的河流中游泳或划船，不要低估这些看似无害结构的危险性。

堤坝

虽然典型的坝体是混凝土结构，但全球大多数堤坝都是使用土壤或岩石建造的。与通常需要特定地质条件和附*原材料来源（主要是水泥和骨料）的混凝土堤坝不同，堤坝堤几乎可以在任何地方建造。如果地球上有两种材料丰富供应，那就是土壤和岩石。然而，堤坝不仅仅是将一堆泥土放在河谷中。利用这些原始材料安全地蓄水是一个复杂的工程挑战，细心的观察者可以注意到堤坝设计中的许多细节。

堤坝可以由土壤建造，称为土填料，或由石块或砾石建造，称为石填料。这两种材料的行为与混凝土大不相同。由于它们是由单独颗粒组成的颗粒状物质，土填料和石填料自然不稳定。重力总是试图把它们分开，唯一把堤坝固定在一起的力量是颗粒或岩石之间的摩擦力。能够长期保持高大并承受水库压力的大型堤坝，必须在上游和下游两侧具有缓坡。所需的坡度取决于所使用材料的性质，但大多数土填料堤坝的坡度宽度大约是其高度的三倍。石填料结构的坡度可以更陡，但宽度与高度的比例通常不小于二比一。这意味着，土填料和石填料堤坝的底部宽阔，在两端逐渐变窄。许多堤坝还设有脚趾带，这是在一个或两个坡面底部额外填充的区域，以进一步稳定结构。

土壤和岩石不能简单地堆放起来建造堤坝。颗粒状材料会随着时间的推移沉降和压实，堆积物的高度会放大这种效应。我们不希望堤坝在建造后发生缩小现象，因此必须在填料放置过程中进行压实和加密，以创建一个坚固稳定的结构。压实加速了沉降过程，因此大部分是在施工过程中完成的，而不是施工后。如果土壤被压实到其最大密度，这意味着它以后不会再沉降。现代施工设备可以一次将土壤压实约 30 厘米（1 英尺）厚。压实更厚的层次只会使表面密实，而下面的土层仍然松散。因此，堤坝是从底部开始，逐层（称为提升层）缓慢构建的。

岩石填土和大多数类型的土石坝是透水性材料，可以让水直接渗透（这一现象称为渗漏）。与混凝土大坝不同，混凝土大坝通过单一材料实现稳定性和防水性，而堤坝通常需要额外的结构来保持水库的水位。大多数土石坝有不同的材料层。核心部分使用高度不透水的粘土土壤，以防止渗漏。根据现场的地质条件，找到符合水密性严格要求的足够量的粘土可能会成为一项挑战。核心部分通常是堤坝项目中成本最高的部分，因此其尺寸设计得尽可能小，只需满足必要的要求。外层的规格要求较低，因为它们仅提供稳定性，不需要如此严密的防水性。

与土石结构相比，岩石填土大坝的孔隙度更高，通常会在核心部分或上游坡面设置混凝土、沥青或粘土屏障，以使堤坝不透水。此外，尽管从外部看不见，但许多堤坝都在基础部分设有某种类型的截水墙。这种墙通常由混凝土或粘土浆液构成，用以封闭任何可能从水库通过大坝基础渗漏的路径。

波浪不断撞击脆弱的土质结构，可能会导致侵蚀和破坏。因此，几乎所有大型土石坝都会在上游面设置某种类型的防护层，以防止波浪造成长期损害。这种防护层通常由一层厚厚的岩石组成，称为护坡石。较小的砾石层被称为垫层，置于大块岩石和堤坝之间，以防止土壤从护坡石下被冲走。或者，许多大坝使用现场土壤和水泥的混合物，形成一种既经济又耐用的防护层，称为土水泥。这种土水泥通常沿着堤坝的上游面分层设置，形成典型的阶梯状外观。

在任何防护层的边界之外，堤坝通常会覆盖草皮，以防止雨水径流引起的侵蚀。由于其*缓的草坡，许多堤坝乍一看似乎是自然景观的一部分。如果你看不见另一侧的水库，你可能根本没有意识到这里有一座大坝，唯一可能揭示其存在的，是那条通常水*的坝顶。

所有大坝至少都有一些渗漏。为了实现这些庞大结构的完全密封，通常是不值得付出成本的。因此，工程师们通过使用排水系统来确保渗漏不会造成问题。大多数排水系统由两部分组成：过滤器通过使用碎石或沙层阻止渗水带走土壤颗粒，过滤器内的穿孔集水管将渗入排水系统的水收集并排出，以防止压力积聚。如果你看到从大坝下游侧排出的管道，它们通常是大坝内部排水系统的出口。

一些大坝并不是建造在溪流或河流上，而是建造在附*的高地上。离渠道水库是通过建造一个环形大坝完全容纳蓄水而形成的水库。它们必须通过泵从附*的水源（通常是河流）中灌水。由于大坝必须围绕整个周围，因此它们通常更昂贵。然而，离渠道水库对自然环境的干扰较小，因为它们不会在河流上形成障碍，而且可以建造在较不敏感的地点。

溢洪道和排水设施

尽管大坝的主要目的是蓄水，但它们也需要一种释放水的方式，无论是因为需要水，还是为了防止大坝被水淹没。有多种不同的结构可以安全地将水从大坝中排出，具体取决于目的和容量。释放水是一个动态过程，因此溢洪道和排水设施通常是大坝中最复杂的部分。

尽管术语可能有所不同，排水设施通常是将水从水库释放出去以满足下游需求的设施。一些水库的排水口将水送入泵站，再通过管道供灌溉使用，或送到处理厂供人口密集地区的饮用水使用。其他排水口将水提供给水力发电厂的压力管道。还有一些将水释放回河流，以便下游取水或用于维持大坝下游的水生生态系统。

排水设施有时很难找到，因为它们可能完全或部分浸没在水库下方。它们通常位于大坝的中央区域，水深处。对于具有垂直上游面的混凝土大坝，排水设施可能位于大坝内部。由于堤坝大坝的斜坡远离中心，排水设施通常作为单独的塔楼安装，位于水库更深的地方。塔楼通常通过一座桥与大坝的顶部相连，供人员和车辆通行。

排水口的主要特点是控制水流的闸门和阀门。在到达这些设备之前，水通常需要首先通过一个垃圾栅栏，以防止杂物进入任何可能造成损害的设施。泵站和水电进水口的垃圾栅栏通常使用精细的筛网，以防鱼类被吸入。

多种类型的闸门和阀门可以控制排水口的水流。一个卡住的开闭闸门可能会导致严重后果，因此大多数排水口使用一系列流量控制设备，以提供冗余并便于定期维护。大多数排水口通过水坝内部的一个大型管道输水，该管道由钢筋混凝土或钢材制成。排水口常用的一种闸门类型是滑动闸门，它由一块金属叶片组成，可以上下移动以覆盖开口。叶片通过一个杆连接到操作装置，通常使用电动机来升降组件。水库中水的质量和温度可能会根据水面下的深度而变化，因此排水塔通常设有多个不同高度的闸门，允许操作员选择从哪个高度提取水。

水坝面临的最大风险之一是洪水。建造一座足够高的水坝以存储可能的极端洪水量并不实际。另一方面，水库绝不能让水漫过水坝，因为水会侵蚀并损坏结构及其基础。因此，所有水坝至少都设计有一个溢洪道，这是一种可以在水库已满时安全排放水流下游的结构。

由于流入水量的不稳定性，许多大型水坝有两个或更多的溢洪道。较小的一个称为主溢洪道或正常溢洪道，在水库满时排放正常的流入水量。另一个称为辅助溢洪道或紧急溢洪道，只有在极端事件发生时才会启用。根据设计，辅助溢洪道可能仅在水坝的整个使用寿命中流动几分钟，因此它可以简单到仅仅是一个通过坝肩开挖的通道。有时，整个坝段会加固，以便将其作为溢洪道使用，这称为溢洪保护。

非控制溢洪道通过堰来调节水库水位，堰是一种允许水流过其固定顶面的结构。排放的水量与水库水位以及溢洪道的大小和形状密切相关。许多非控制溢洪道的堰顶有一个曲线形状，称为 ogee（欧几），它增加了在特定长度和流量深度下可以排放的水量。一些水坝使用一种叫做晨光堰的圆形堰，将水排放到一个管道中。这种类型的溢洪道通常用于狭窄的峡谷中，因为没有足够的空间安装传统的溢洪道。

控制性溢洪道使用闸门来调节排水量。闸门增加了溢洪道的复杂性，但它们也可以通过提供排水容量的灵活性来降低成本，从而使整体结构更加紧凑。Tainter 闸门有长臂和弯曲的面，围绕一种称为“支座”的铰链转动。闸门上方的起重机通过链条或钢索将结构抬起，使水流能够从下面通过。顶升闸门从底部转动，通常采用液压缸进行操作。有些闸门甚至依赖于大型橡胶囊袋，通过压缩空气或水来充气，从而升降。所有闸门都需要定期检查和维护，因此大多数溢洪道都会在上游安装挡水板槽。挡水板是钢梁，可以通过起重机将其安装在槽内，阻挡水流，以便将闸门隔离进行维护（称为排水）。

当水流经溢洪道或出口时，它会在水库和下游自然水道之间发生降落，随着水流的下落，速度会加快。在开放式溢洪道中，水流沿着滑槽向下流动，导流墙将水流控制在一定范围内。快速流动的水具有破坏性，如果不加以控制，可能会侵蚀并破坏大坝，这意味着溢洪道和出口工程需要一种方式来消散水流的水力能量并减缓水流速度，然后再将水释放到自然水道中。

许多类型的能量消散结构被应用于溢洪道和出口工程。流经管道的水流可能会使用冲击池，将水流撞击到坚固的混凝土墙上。带有挡水板的滑槽利用方块来减缓水流的速度，阻碍其向下流动。跌水池让水流跌入一个大型的、加固的池塘，再沿着下游水道流出。更大的溢洪道有时会在滑槽的末端设置一个翻桶，利用水流的动能将其抛入空中，形成细小的水雾。最后，许多溢洪道使用一种叫做消力池的结构来保护大坝基础免受侵蚀。消力池依赖于一种称为水力跃升的现象，这种现象发生在快速流动的水流转化为较慢流动的水流时。大多数消力池通过不同组合的挡水板来迫使水力跃升的形成。湍流跃升会被限制在消力池内，允许水流*稳、宁静地流向下游，从而最大限度地减少可能对结构完整性造成威胁的侵蚀。

第七章：市政水务与污水处理

前言

水是人类的基本需求，但其清洁度同样重要。即使在现代市政工程出现之前，许多文明已经开发出将淡水输送到城市区域并去除废水的策略，以防止其污染水源。19 世纪，随着全球城市人口和密度的增长，水传播疾病对公共健康的威胁变得更加严重和隐蔽。卫生学作为一项科学应运而生，成为保护城市居民免受瘟疫和传染病侵害的必要手段。现在几乎所有城市和城镇都有复杂的系统来为市民提供充足和清洁的水源，并处理污水。虽然这一切容易被视为理所当然，但市政水务和污水系统的开发与维护是庞大的工程，涉及大量基础设施。城市中的许多管道和阀门都埋在地下，但如果你知道在哪里寻找，还是可以看到许多设施和设备的。

取水口与泵站

我们用于饮用、清洁和灌溉农作物的大部分水源，开始时都来自河流、小溪、湖泊或水库。这些水源统称为地表水（与接下来章节讨论的地下水资源相对）。从河流或湖泊收集水似乎很直接；然而，将地表水源的水流引入管道或渡槽，并将其输送到目的地，涉及许多工程挑战。取水结构执行这一关键任务。它们可能与水库或引水设施（例如大坝）相关联，但取水口通常是独立的结构，如果你留心观察，会在河岸、湖泊或水库附*看到它们。

湖泊或水库的取水口通常由大型混凝土或砖石塔构成（如第六章所述）。更复杂的是，在大坝处被认为是排放口的结构，可能也会作为泵站或渡槽的取水口。以前被称为“格架取水口”的旧结构是建造在岸上，浮到指定位置后，再用碎石填充。一个中央轴承通过重力将水从取水口引入到湖泊下方的隧道，水随后被抽送到岸上的处理和分配设施。

尽管污染物和沉积物的完全去除通常在后期进行，但进水口的工程设计包括确保进入管道的源水尽可能清洁，以减轻下游水处理厂的负担。这种未经处理的水通常被称为原水。在水库和湖泊中，悬浮沉积物的体积、浮游生物和藻类等微生物的数量，甚至水温，都可能随深度显著变化。因此，大多数湖泊和水库的进水结构都有多个不同高度的开口（或端口），以便操作人员可以从湖泊或水库的不同深度中选择理想的水源混合物。各种开口上的门可以根据源水的状况和下游的需求进行开启或关闭。

河流的进水口面临一套不同的挑战。首先，河流水位可能变化很大。此外，河流进水口还必须应对河流是动态系统这一事实。洪水能够搬运大量沉积物，改变河岸的位置和形状，甚至可能完全改变河流的流向。河流进水口几乎总是位于河道的直段或弯道的外侧。沉积物往往沉积在弯道的内侧，因为那里水流较慢，因此工程师会避免选择容易被堵塞的地方。岸边进水口通常安装在河岸上，以允许水横向流入结构。然而，天然河道的最深部分（称为河床）通常位于中央，因此岸边进水口往往需要进行河床疏浚，以便在水位较低时仍能保证水流。这种疏浚不仅会对河流敏感的环境造成干扰，而且必须定期进行，因为河流中的沉积物会随时间沉积。

解决水位变化和沉积物堆积问题的一种方法是下游建造一个小型堰。这种结构提高了河流中的水位，同时减缓了水流速度，使沉积物可以沉降。然而，堰对航运和迁徙野生动物造成了障碍，并且可能非常危险（如第六章所讨论），因此它们的使用已不再受到青睐。现代河流进水结构通过精心选址来避免沉积物堆积和低水位问题，同时最小化环境影响。岸边进水口的一种替代方案是通过隧道将管道从河道较深的部分延伸到岸边，以避免在天然河岸上开挖。这种管道末端的筛网可以防止鱼类或杂物进入管道，且门控系统可控制水流。

除非原水的最终目的地远低于水源，否则大多数进水口都将配有一个pumping station，将水从水源提升到管道或渡槽中。泵通常安装在进水口结构的正上方或旁边，有时安装在一个叫做泵房的建筑物内。这些结构通常可以通过内置的龙门吊识别，以便在需要时进行设备的维护或更换。

在泵站中，水流进入各个港口，通过导管或隧道，然后进入一个叫做sump（或湿井）的结构，湿井为泵提供足够的体积和深度，以便正常运行。湿井必须设计成能够创造理想的流动条件，以避免低效和对泵的损害。湿井中的湍流和旋转流动可能会导致漩涡，就像浴缸排水时发生的那样。如果漩涡被允许进入泵柱的入口，空气会降低泵的效率，甚至可能导致泵的故障。漩涡破坏器有时会被安装在湿井中，以防止水流在被抽入泵时旋转。

进水口可能对河流和湖泊中的游泳者和船只造成严重危险，因为那里有水下结构和快速流动的水流。当公共安全可能受到威胁时，进水口的所有者通常会安装浮动围栏，以警告人们潜在的危险。这些围栏由颜色鲜艳的浮动元素通过链条连接而成。它们被锚定在河床或湖床上，形成一个危险结构周围的禁区。有些围栏甚至设计得足够强大，可以挡住漂浮的树木、冰块以及可能损坏进水口结构的杂物。此外，当进水口或泵站必须靠*河岸时，通常会安装护岸结构（如岩石护坡），以防止侵蚀威胁到结构的稳定性。

井

并非所有降水都会流入湖泊和河流。一些水分会通过土壤和岩石颗粒之间的空隙渗入地下。有时，这些地下水会到达一个渗透性较差的地质层（称为隔水层），并无法继续向下渗透。随着时间的推移，渗透水可以积聚成巨大的地下资源，称为含水层。一个常见的误解是，地下水存储在类似地下河流或湖泊的开放空间中。尽管在一些地方确实存在，但大型地下洞窟相对稀少。几乎所有地下水含水层都是由沙子、砾石或岩石构成的地质层，这些地层像海绵一样被水饱和。提取这些地下水供人类使用的工作由水井来完成。最简单的水井就是一个可以让地下水从周围土壤渗入的孔。然而，现代水井利用复杂的工程技术提供可靠且持久的淡水来源。农场用它们进行灌溉。农村的家庭和企业通常依赖水井，当无法连接到市政供水系统时，水井是他们的主要水源。许多大城市也利用地下水作为其居民的主要淡水来源。

地下水的可获取性在全球范围内差异显著。几乎所有地方的地下都存在饱和土壤或岩石层。然而，水量、水质以及提取到地表的难易程度主要取决于当地的地质。地下水还与其他水文学系统相连，因此地下水的抽取可能会影响地表水资源的数量和质量。不幸的是，我们无法直接观察地下情况，而探索地下地质的方法主要是通过钻探钻孔，这通常是非常昂贵的。因此，特定地区地下水的可获取性通常是通过结合多种信息来源来确定的，包括当地知识和附*水井的表现。选择水井的位置和深度，有时既是一门艺术，也是一门科学，尤其对于地下水水文学家来说。

水井通常是通过钻机钻入地下安装的。钻井工人会详细记录所挖掘的土壤和岩石（称为岩屑），这些记录可以与在设计井时对地质的假设进行比较。一旦钻孔达到适当的深度，就可以安装井。将钢或塑料管（称为井套管）放入孔中，以提供支撑，防止松散的土壤和岩石掉入井中。水泵将在水源抽取的深度安装筛网，筛网允许地下水流入井套管，同时阻止较大的土壤和岩石颗粒进入井内，以免污染水源或导致水泵额外磨损。

一旦井筒和筛管安装完成，必须填充环空（即开挖的钻孔与井管之间的区域）。在有筛管的井中，这个空间通常填充有称为砾石包的砾石或粗沙。该材料作为过滤器，防止水层中的细小颗粒通过筛管进入井中。未加筛管的井筒通常用膨润土粘土填充，膨润土粘土膨胀后形成不透水的密封层，防止浅层地下水（可能质量较差）沿着环空流入筛管中。最后，环空的最上层会永久封闭，通常使用膨润土粘土，或者有时使用水泥浆。这层密封确保表面污染物无法进入井中。在最糟糕的情况下，污染物可能进入井中并流入含水层，污染水源，影响其他使用者，因此大多数管辖区对井口的封闭有严格规定。井筒通常延伸至地面，形成井口，并在四周设置混凝土垫层，以防止对井的损坏或水源渗透。

钻井过程可能会在钻孔表面涂抹一层粘土或细小颗粒，造成流动阻碍。在井完成安装后，通常会通过一种称为井开发的过程来建立与含水层的水力连接。开发过程包括向井中注入水或空气，往返冲击，以去除砾石包与含水层接触部位的细小沉积物。

一个正确完成和开发的井能让地下水顺畅且无沉积物地流入井管。然而，井水仍然需要一种方式输送到地面。浅井可以使用喷射泵，通过吸力将水像吸管一样抽上来。但这种方法不适用于更深的井。当你用吸管喝水时，你会创造一个真空，允许周围大气的压力将饮料推上去。然而，只有有限的气压可以*衡吸管中液体的重量。如果你能在吸管中创造一个完全的真空，最高能将水抽取的高度大约是 10 米或 33 英尺。因此，深井不能使用吸力将水抽到地面。相反，泵必须安装在井底，才能将水推送到顶部。

高容量的水井通常配备垂直涡轮泵。电动机安装在井口，并通过垂直轴连接到贯穿管道中心的轴上。底部的轴驱动一系列叶轮，将水从井中抽出，经过管道送入排水管线。垂直涡轮泵易于维护，因为电动机位于地面上，易于接触。然而，它们比较嘈杂，并且需要精确对准井口的整个长度。流行的替代方案是在井底放置电动机，叶轮置于一个密封的装置中，这种装置叫做潜水泵。潜水泵较安静，因为运动部件位于地下深处，但通常容量较低，因为它们使用较小的电动机，以适应井口的外壳。

输水管道和引水道

理想情况下，水资源应位于需求地附*。不幸的是，许多人口密集的地区全年降水量不足。因此，世界上一些最令人印象深刻的基础设施项目，其简单任务就是将原水从水源地输送到人口稠密的地区，再将其分配给用户。古罗马人以其引水道闻名，这些引水道跨越了数英里，将淡水引入城市，甚至通过精巧的石桥跨越了河流。然而，这些桥梁仅仅是每个引水道系统中的一小部分，整个系统通常包括数英里的管道、运河和隧道。现代工程师使用与古罗马人相同的许多工具，将水输送到需要的地方。

术语可能有所不同，但引水道一词通常指任何旨在跨越长距离输送水的人工结构。最直接的输水方式可能就是通过开放式运河。如果水源的海拔足够高于目的地，开挖渠道是一种确保水流动的方式，因为重力完成了所有工作。许多引水道的坡度非常缓慢，以至于肉眼几乎察觉不到倾斜度。然而，重力可以流动的液体量与渠道的大小和坡度有关，因此，较陡峭的运河可以较小（因此建造成本较低），而以相同的水量流动，比较大且坡度较缓的运河。

然而，流量并不是开放式渠道设计的唯一考虑因素。流速必须足够快，以最小化泥沙在渠底的沉积，但又不能太快，以免发生冲刷和侵蚀。渠道还必须足够宽，以便承载足够的流量，同时又不能太浅，以至于加速水分蒸发到空气中或渗透到地下土壤中。在选择渠道路线和形状时，工程师需要*衡这些因素。例如，许多水渠与河流*行铺设，因为地形在长距离内自然下降，而大多数渠道采用梯形横截面，倾斜的侧面不易倒塌。此外，许多渠道还包括混凝土衬里，以减少渗漏损失和冲刷。

开放式渠道通常比其他选项便宜，但也存在若干缺点，包括通过蒸发和渗漏造成的水损失，可能会阻塞水流的结冰现象，以及它们容易受到污染的影响。渠道也对环境产生影响，因为它们像道路或高速公路一样切割了景观。最后，渠道只能向下流动，这限制了它们在丘陵地带的实用性。在许多情况下，将水渠移入地下隧道或管道是明智的选择。

当没有加压时，地下水渠的工作原理与地表的渠道完全相同，通过重力流动，水面在顶部自由流动。水被保护免受污染、蒸发和隧道衬里或管道的渗漏影响。地下水渠必须具有一致的坡度以实现重力流动，但当水流不受地球表面限制时，完成这一点要容易得多。地下隧道还通过最小化对地表的影响，减少了环境问题。它们甚至可以通过垂直井筒穿越河流，从而形成倒虹吸，免去桥梁的需要。

当源水位低于其目的地，或者沿途地形起伏过大，无法通过重力流动时，加压管道可能是水渠运作的唯一可行方式。进水口处的泵站（如前一节所述）将水压入管道，使其能够逆重力流动。这些管道通常埋设在沟渠中，深度足以避免损坏和结冰。管道上方铺设一层床层，像床垫一样分散沿线的负荷。

管道材料的选择是管道设计中的关键部分。管道必须足够坚固，能够承受内外水压以及来自回填土和地表荷载的外力。管道还必须抵抗来自水的腐蚀以及外部土壤的腐蚀。管道可以由多种材料制成，包括钢、塑料、玻璃纤维和混凝土，而不同的材料在不同的情况中各有优缺点。较大的管道通常会使用保护性外涂层和内衬，以延长管道的使用寿命。

与使用胶水或螺纹连接的管道不同，大多数大直径管道在每个接头处都进行焊接，或者使用喇叭口和插管设计。当一节管道的插管滑入另一节管道的喇叭口时，它会压缩一个橡胶垫圈，从而形成一个密封的水密连接。有时会在每个接头周围安装一圈灌浆，以保护垫圈和任何暴露的钢材免受损坏和腐蚀。

选择管道尺寸是管道设计中的另一个关键决策。较小的管道成本较低，但它们需要水流得更快才能达到与较大管道相同的流量。水流在管道内摩擦时会损失能量，而这种损失随着流速的增加而增加，因此安装较小管道所节省的钱可能会因为增加的泵送成本而在时间中丧失。对于长管道来说，这些摩擦损失可能会非常显著，以至于需要沿途安装增压泵来维持系统中的压力。随着管道的老化，内部表面会变得更粗糙，因此工程师必须考虑整个管道生命周期中的摩擦和泵送成本。

在长管道中，流体的质量可能非常庞大，有时甚至超过一列满载的货运列车。当这些水流通过管道时，它具有相当大的动量。然而，尽管水是液体，但它并不容易压缩，因此关闭阀门或停止泵送时，动量没有地方去。相反，它会在管道中形成一个压力峰值，作为冲击波传播，这种现象被称为水锤。这些冲击波可能会在住宅中成为问题，当水龙头关闭得太快时，导致管道在墙壁中撞击。然而，在能够容纳大量流体的大型管道中，快速关闭阀门的效果可能就像把一列货运列车撞向混凝土墙一样。为了避免可能损坏设备或导致管道破裂的压力峰值，工程师们通常会指定缓慢关闭的阀门和泵，这些阀门和泵会逐渐启动和停止。在需要快速控制流量的情况下，可以安装缓冲罐来吸收极端的压力峰值，最大程度地减少水锤的破坏性影响。

水处理厂

大多数原水源容易受到细菌、沉积物和其他对人体健康有害的物质的污染。此外，有机颗粒还会影响水的味道和气味。在水被分配到家庭和企业供饮用或烹饪之前，通常必须先经过水处理厂的净化过程，使其变得适饮。有多种技术用于净化水并确保其安全供人类消费。大多数水处理厂都是根据特定的水源和可能存在的污染物量身定制的。例如，地下水通常需要比地表水源更少的处理，因为它更不容易受到污染。并非每个水处理厂都使用相同的处理过程，也不是所有水处理厂的部分都能被外部观察者看到。然而，理解在市政规模上净化水的基本步骤，为了解城市水分配系统的其他各个组成部分提供了洞察和背景。

地下水和地表水都含有各种物质的悬浮颗粒。这些固体颗粒使水呈现浑浊的外观（称为turbidity），并可能滋生危险的微生物。大多数水处理厂的第一步是通过一种叫做沉淀的过程，将这些悬浮颗粒从水中去除，这通常分为三个阶段进行。首先，强力搅拌化学凝聚剂加入水中。凝聚剂能够中和使悬浮颗粒互相排斥的电荷，从而使它们聚集在一起。接着，将化学絮凝剂加入水中，絮凝剂将悬浮颗粒结合成叫做絮体的团块。为了避免破坏絮体，絮凝剂通常会缓慢地加入原水中。

随着悬浮颗粒的絮体不断增大，它们最终会变得足够重，沉降到底部（沉淀的第三个也是最后一个步骤）。原水被抽送到一个池塘，在那里水几乎静止，絮体逐渐沉降到底部。这个池塘可以是一个简单的矩形混凝土箱，定期排水和清洁，但许多水处理厂使用被称为澄清池的水槽，里面有机械装置可以自动收集沉淀到底部的固体。这些圆形池塘是许多水处理厂的标志性组件。原水从澄清池中央流入，缓慢地向外周边流动，掉落的颗粒在底部形成一层污泥。澄清水通过溢流堤流出，这样只有最远离污泥的薄层水可以离开池塘。刮刀将污泥推向澄清池倾斜的底部，进入一个料斗，污泥可以在那里收集并处理。

沉淀作用去除大部分悬浮固体，但无法完全清除水中的微小颗粒、病毒和细菌。大多数水处理厂在沉淀后会进行过滤过程，涉及强迫水通过多孔介质。市政水处理厂的过滤器通常由沙子、煤或其他颗粒材料组成。水通过重力或泵的压力流经过滤介质，而水中的不需要的颗粒则被留在了过滤器中。一层砾石可以防止任何过滤介质随水流出。随着时间的推移，固体在过滤介质中积累，从而降低其效率。通过反向冲洗（backwashing）的方式，可以通过将水流反向送入过滤介质来清洁过滤器。反向冲洗的水被送回水处理厂的入口处进行再处理。

一些现代化的水处理厂已经放弃了传统的砂滤器，而采用了膜过滤，它由薄的半透膜材料组成。加压水被迫通过膜中的微小孔隙，将任何不需要的颗粒留下。使用膜过滤的水处理厂通常配备有一排管状过滤模块，若某个模块堵塞或发生故障，可以快速更换单个单元。膜过滤器甚至可以去除最微小的污染物（包括病毒），因此它有时比采用多个单独的处理过程来制造饮用水更为优选。

典型水处理厂的最后一步是消毒，在此过程中，任何残留的寄生虫、细菌和病毒都会被杀死。有几种方法可以去活微生物以使水变得适宜饮用，但大多数城市使用的主要工具是将消毒化学物质加入水中（通常是氯或氯胺）。这些化学物质在低浓度下对人类安全，同时仍能杀死可能导致疾病的微生物。许多水处理厂使用储存在金属罐中的氯气，这些金属罐被称为气瓶。注射系统以预定的速率将氯气注入水中，氯气溶解于水中并杀死致病的病原体。

化学消毒的一个重要优点是它能够在水从水处理厂通过数英里的管道输送到分配系统中的各个客户时继续发挥作用。但在饮用水离开水处理厂之前，必须先进行检测，以确保其符合政府的质量标准。许多不同类型的潜在污染物对人类健康可能构成危害，且水源的化学成分可能随时间变化（特别是在季节变化之间），因此水处理厂必须不断核实水流出时是否干净、安全。

水分配系统

一旦水从水源收集、运输到人口密集区并经过污染物净化后，它必须在公用事业的服务区内送达用户。可饮用水从水井或处理厂输送，有时需要跨越许多英里，最终送达每个家庭和企业。市政供水系统由所有互联的管道、阀门和其他组件组成，这些组件共同作用，输送用于饮用、清洁、烹饪、浇灌植物以及各种商业和工业过程的清洁水。供水系统还提供了一个次要的好处，即作为一个加压水源来扑灭火灾，减少火灾蔓延到邻*建筑物的可能性。与由大型单一设施组成的原水基础设施不同，供水系统必须分布在一个城市区域内。建设和维护这样一个广泛分布且对人类健康至关重要的系统，面临着许多挑战。

水分配系统的第一步通常是泵。像之前描述的原水进水泵一样，泵的作用是对系统中的管道加压，通常是正常大气压力的两到六倍，这就是它们通常被称为高压泵的原因。（部分压力会储存在水箱或水塔中，如下一节所述。）泵站通常位于水处理厂内，用于将净水送出。泵提供的压力不仅使可饮用水流向目的地，还确保污染物不能通过管道的开口接头或小孔进入供水系统。如果发生泄漏，水将从加压系统中流出，而不是让杂质或污染物进入。用于供水系统的高压泵消耗大量电力，因此它们通常需要稳固的电网连接和备用发电机以应对可能的停电。能源往往是水务公司持续的最高运营成本之一。节约用水不仅减少水的浪费，还减少了收集、净化和输送水所需的大量能源。

从泵站开始，清洁水进入一系列管道，称为水管网，这是城市中可饮用水的循环系统。水管网通常埋设在地下，以防止受到损害，更重要的是防止结冰。大多数水管网以网格或环形模式连接，通常沿着城市街道的路径布置。许多司法管辖区要求水管网与地下排水管道水*分开，因此当这些管道*行布置时，通常位于街道的两侧。

以网格方式安装主水管需要额外的管道和接头。然而，在网格系统中，水可以通过多条路径到达任何特定位置，增加了服务的可靠性，并允许在不影响其他部分网络的情况下修复主水管。网格化的水管系统还有助于避免水体滞留。当管道有死端时，水流只有在每条特定管道的用户打开水龙头时才会流动。如果清洁水在管道中静置过长时间，消毒剂可能会分解，导致水质下降。在网格化系统中，管道中的水会不断循环，满足各个地方的需求。

个别用户通过服务连接从主水管获取水源。使用鞍座创建主水管的接入点。管道通常从鞍座延伸到水表，水表用来衡量水的使用量，从而让水务公司根据用水量对每个用户收费。对每个服务连接进行计量有助于节约用水，并帮助水务公司发现配水系统中的泄漏。

水管确实会偶尔破裂，通常是由于地面变化、冰冻或因年龄导致的简单老化。当发生破裂时，必须挖掘管道并进行修复。虽然在管道喷涌出喷泉般的水流时修复是可能的，但通常是一个困难的过程。在开始修理之前，隔离主水管与系统的其他部分要容易得多。水管交汇处通常设有关闭阀门，以便断开部分网络，使维修人员可以修复破损的管道。阀门安装在地下封闭箱中，封闭箱上有小钢盖。大多数管道交汇处会有一条没有阀门的管道，以节省安装和维护成本。如果没有阀门的管道必须隔离，则需要关闭交汇处的所有其他阀门。维修人员使用阀门钥匙根据需要打开或关闭每个阀门。同样，每个服务连接处也会设置一个或多个关闭阀门，以便在进行管道维修或紧急情况时，可以将单个家庭或企业隔离开。

尽管清洁水对基本人类需求至关重要，但城市还需要随时可用的水源来灭火。历史上一些最严重的灾难发生在火灾蔓延到人口密集区时，由于没有足够的防火措施来阻止蔓延，造成了巨大的破坏。城市中布满了消防栓，它们为与加压水管连接提供了接口点，有助于扑灭火灾。在美国，大多数地方使用干式消防栓，其阀门位于地下，避免了因车辆碰撞而受损，同时减少了消防栓中水结冰的几率。在一些地方，消防栓喷嘴盖的颜色表示可用于灭火的最大流量。在寒冷地区，消防栓可能会加装标识，延伸到积雪上方，以便冬季时更容易找到。

水塔和水箱

清洁水的需求不仅随着一年中的季节性变化显著波动，而且甚至在一天之内也会有很大的差异。城市中的用水量通常在早晨和傍晚最高，因为人们会洗澡、做饭和浇花。此外，城市中一些最严重的用水需求是由火灾引起的，火灾是随机发生的，无论白天还是夜晚。火灾在密集的城市区域可能失控蔓延，因此大多数市政当局确保其水分配系统即使在需求最高的日子里也有足够的储备容量。设计水分配系统的工程师必须在选择泵、管道、阀门和其他设备的大小时，考虑到所有可能的流量变化。水分配系统中最重要的部分之一（也是最明显的部分）是解决饮用水需求变化的方案：储存。

收集、输送、净化和分配水的许多步骤在流量保持稳定时效率最高。在处理厂，化学药剂的添加和净化过程无法容忍突然的变化。此外，用于水分配系统的泵通常以单一的速度运行。如果没有储水的地方，操作员就需要不断地调整生产速度，以适应不断变化的需求。此外，所有的处理设施和泵必须按照最高水需求来设计，即使它们每年只有一次或两次达到最大容量，这也增加了其成本和复杂性。水箱和水库*滑了水需求的峰谷变化，使得泵和其他基础设施可以在*均条件下运行。当用水量低时（例如在夜间），处理厂会过量生产，以填充水箱。当用水量高时，储存的水可以补充处理厂的水源，以满足水需求。

在水分配系统中，使用了多种类型的储存结构。地面水箱通常由大型圆形钢或混凝土围栏组成。如果你仔细观察，许多水箱的外部都有水位指示器，可以一眼看出水位。有些城市利用地面挖掘形成池塘，这些池塘被称为成品水水库，能够以相对较低的成本容纳大量水。这些池塘通常用塑料或混凝土衬里，以防止漏水，并且覆盖以最小化污染的机会（尽管今天仍然存在一些未覆盖的水库）。地面水箱和水库通常可以在水处理厂看到，在那里它们被称为清水池。

将水存储在地面上的一个缺点是它没有压力，因此必须将其抽送到配水系统中，且水的需求会波动。水箱或水库通常安装在丘陵或山坡的顶部，位于供水区域的上方，不仅可以储存水，还能储存由泵浦传递给水的能量。高位储水*滑了泵浦的负荷波动，使其能够保持稳定运行，而不是为了应对全天不断变化的水需求而频繁开关。在一些电价波动的地区，泵浦可以在夜间低电价时运行，填充水箱，而在电价较高的高峰时段则停机。高位储水在停电或紧急情况下也很有利，它能够保持管道压力和水流，即使泵浦或处理厂停止服务。

不幸的是，并非所有城市都有可以建设水箱的丘陵或山脉。较小的配水系统通常使用称为立管的高而狭窄的水箱来储存饮用水。水箱顶部的水就像坐落在山顶上的水一样，充当高位储水。水箱底部的水则作为应急储备，如果需要，可以被抽入配水系统。大城市通常使用高位储水箱，也称为水塔，其整个储水量远高于最低系统压力。

选择储水箱的高度是一个重要的决策。配水系统必须保持在可接受水压的范围内。如果水压太低，就有可能导致污染。如果水压太高，则可能会对管道和设备造成损坏。

水体中的压力与水面下的深度相关。你可以将配水系统想象成我们生活在其中的虚拟海洋。高位储水箱中的水面代表了虚拟海洋的表面（工程师称之为水力等级线）。低海拔的用户位于虚拟海洋的底部，压力最大，而高海拔的用户则接*虚拟海洋的表面，压力最小。理想的深度通常在 30 到 60 米（约 100 到 200 英尺）之间，这意味着大多数水塔的低水位和高水位都设定在这个范围内。系统内低于 15 米（约 50 英尺）的水存储可能无法提供足够的压力，无法防止潜在的污染。有大高差的城市有时会保持独立的水分配网络，并在不同的压力下运行，以保持客户在理想的范围内。

水塔就像是一个简单的水箱，连接到主水管。当水的需求低于泵的容量时，系统中的压力会增加，迫使水通过进水/出水管进入水箱。当需求高于泵送速率时，系统压力会下降，水会通过同一管道流出水箱，以补充来自水处理厂的水。除了水之外，里面没什么。大多数水箱都设有溢流口，以防止水箱过满。通风口确保水箱内的气压不会随水位变化，从而产生可能损坏结构的正负压力。检修口则提供了水箱内部的维护和检查通道。

水塔有各种各样的设计。它们通常根据水箱的形状或支撑水箱的塔架结构来描述。单立柱水箱和多柱水箱通常完全由焊接钢制成。波纹柱水箱由波纹钢支撑，塔内有足够的空间存放设备，有时甚至包括办公室。复合材料水箱则坐落在混凝土塔上，节省了为钢柱定期涂漆以防腐蚀的费用。对于使用高架储水的城市，这些水塔通常是运营整个系统的核心部分。水箱中的水位是分配系统是否保持正确压力的主要指示器，确保水能够按照设计送到每个用户家中。

卫生污水管道与提升站

人类有点恶心。我们集体制造着源源不断的垃圾，除非它被安全地带走，否则它会威胁到城市居民的生命，带来致命的疾病。将大量的排泄物从 A 点运送到 B 点涉及许多技术挑战，而我们主要在视线和意识之外完成这一任务，我认为这是值得庆祝的。卫生污水管道将这种象征性的流动转化为实际的地下流动，远离公众视野（希望也能远离公众的气味）。最初的污水管道仅仅是将废物抛入河流和小溪中，通过水流将其带走。这种管理污水的方法存在一些明显的局限性，包括它污染了常常用来饮用的水源。现代的污水管道几乎总是作为地下管道安装，将废水流与饮用水源分开，但它们的功能与地面上的水道非常相似。

下水道依赖重力来收集和运输废水，水流向下流动，汇聚并集中成越来越大的水流。卫生下水道网络是树状的，单独建筑物的小管道汇聚成越来越大的管道，直到所有的废水在一个单一的处理厂汇聚。服务于单个建筑物的管道通常称为支管，而服务于特定街道的管道则称为分支管道。收集来自多个分支管道的废水的大管道称为主下水道或干线下水道。系统中最重要且位于最下游的管道通常被称为拦截管。

让下水道自然向下坡流动非常方便，因为我们不需要支付重力费用，而且它在雷暴期间不会被破坏。然而，仅仅依赖重力也会限制下水道的设计和施工。如果污水流得太快，可能会损坏接头并侵蚀管道的墙壁。但是，如果污水流得太慢，固体物质可能会沉淀并形成堵塞和狭窄。我们无法调整重力的大小来保持流速的*衡，也无法对废水量进行太多控制（因为人们冲水时，水就来了）。工程师唯一能控制的因素是下水道管道的大小和坡度。每条下水道管道都根据预计的废水量精确地设计大小和坡度，以保持其稳定地流向处理厂。

每当下水道的大小或方向发生变化，或者管道交叉时，会安装卫生井盖，以便进行维护和检查。井盖通常由垂直的混凝土围护结构组成，延伸至地面表面。步骤允许人员进出。一个重型铸铁板，称为盖板，用来阻止人和杂物进入下水道，同时允许车辆驶过。井盖有时还充当通风口，用以*衡管道内的气压，防止有毒气体积聚。当维护井盖的顶部易受洪水影响时，城市通常要求将盖板密封并用螺栓固定，以防止雨水进入管道。在这种情况下，通风口有时会延伸到要求的洪水水位以上，即使在暴风雨期间也能防止气压积聚。每当有人进入井盖进行修理或维护时，会使用临时通风系统提供新鲜空气。

由于污水管道必须始终保持倾斜，它们通常位于地下较深的地方，尤其是朝向下游的部分，这使得施工成本高昂且费时。在某些情况下，继续追寻污水管道的倾斜，使其越挖越深，已经不再可行。一个替代方案是安装一个泵站，将深处的原污水提升回地面，并更接*地表。提升站可以是小型设施，设计用来处理几个公寓楼的污水，或者是大型项目，负责抽取城市大量的污水流量。典型的污水提升站由一个混凝土室组成，称为湿井。污水通过入口管道借助重力流入湿井，并随着时间的推移逐渐填满。达到设定的水位后，泵开始启动，将污水推送到一个称为强制管道的管道中。这种间歇性的操作确保污水始终在管道中快速流动，以便固体物质不会在低峰时段沉淀下来。污水在强制管道中承压流动，最终到达一个上坡的检查井，之后可以再次借助重力向下流动。提升站通常配备多个泵，以便在一个泵故障时仍能继续运行。它们通常还配备备用发电机，以确保即使断电，污水也能继续流动。

我们常常将污水视为其最脏的成分：人类排泄物。但污水其实是来自各种来源的液体和固体的混合物。许多物质最终进入我们的污水系统，包括土壤、肥皂、头发、食物、湿巾、油脂和垃圾。这些东西可能顺利通过厕所或水槽的排水口以及你家里的管道。然而，在污水系统中，它们可能会聚集成大块的杂物（有时污水专业人员称之为猪尾巴或脂肪块）。此外，由于许多城市致力于水资源节约，污水中固体物质的浓度呈上升趋势。传统的泵浦能够很好地处理液体，但在流经污水的同时添加固体物质，增加了提升原污水的挑战。用于污水提升站的泵设计时考虑到了额外的磨损，但没有泵浦是完全不易堵塞的。

解决堵塞问题的一种方法是在提升泵站的湿井中使用筛网，以防止垃圾进入泵系统。每隔一段时间，必须清理网格中卡住的垃圾，并将其运送到垃圾填埋场。较小的提升泵站通常使用带轨道的篮式筛网，可以通过地面上的检修口手动提升。较大的泵站可能配备自动化系统，将筛网中的固体物质移入垃圾箱。另一种处理废水中杂物的方法是将其研磨成更小的碎片。一些提升泵站配备研磨机，能够将杂物碾碎，使其无法堵塞泵系统，从而减少工作人员前往泵站进行维修或清理垃圾的需求。固体物质仍然会留在废水流中，随后在更下游的处理厂被去除（将在下一节中讨论）。

废水处理厂

水与地球上几乎所有物质兼容，这也是它能如此高效地将我们的废物从家庭和商业建筑带走的一个重要原因。在现代环境法规出台之前，城市将未经处理的污水直接排放到河流中，任其随水流向下游带走，这并不罕见。现在，几乎所有的废水收集系统都依赖某种形式的处理厂来逆转这一污染过程，去除水中的污染物，使其可以被重新利用或释放回环境中。技术在不断发展，全球范围内的废水处理采用了多种不同的处理方法。本节讨论了现代废水处理厂使用的一些最常见的处理方法。如果你能忍受气味，许多市政处理厂乐意为公众提供参观，游客可以亲眼看到每个处理过程的实际操作。

废水处理厂在清洁污水的过程中使用了许多独立的步骤。许多步骤与饮用水处理厂使用的过程相似（前面已讨论）。然而，标准通常较低，因为处理后的水（称为出水）不会用于人类消费，只需足够安全，以便释放到环境中。水处理厂的初步步骤，称为初级处理，涉及通过快速而湍急的水流物理分离悬浮物。首先，污水通过条形筛网，过滤掉大块的垃圾，如树枝、布条以及任何其他进入下水道的大型废弃物。现有许多技术，包括配备自动清扫器的条形筛网，能够将过滤出的垃圾刮入一个箱子，作为固体废物丢弃。

接下来，悬浮颗粒被从水流中分离出来。废水中发现的沙子和土壤统称为砾石。这些物质可能会损坏工厂设备，因此通常在初级处理过程中通过一个单独的步骤去除。处理厂使用砾石池，通常设计为狭长的水池，以减缓废水流速。在这种*静的条件下，悬浮沉积物会沉淀到底部，而去除砾石后的废水则继续流向排放口。一些砾石池引入气泡，帮助将较重的颗粒甩到池边。其他砾石池则使用电动搅拌器在水流中形成涡流，以实现类似的效果。池底的集水坑收集沉积下来的砾石，然后将其抽出进行处理。

初级处理的最后一步通常也是一个重力过程。离开砾石池的废水仍然充满悬浮固体，但这些固体主要由小的有机颗粒或漂浮的油脂和油污（统称为浮渣）组成。大多数处理厂使用初级澄清池来分离这些剩余的固体。大型圆形池进一步减缓废水流速，允许细小颗粒缓慢沉降，同时浮渣收集器将浮在水面上的固体收集起来。固体被送去进一步处理，澄清后的废水则通过溢流堰流入二级处理过程。

初级处理通过物理方法将污染物从废水中分离，而二级处理则利用生物过程进行分离，模拟大自然母亲的自然过程，但时间要短得多。大多数废水处理厂利用能够消化污水中有机物的微生物。当它们消耗污染物时，这些细菌和原生动物会聚集在一起，留下相对干净的水。适应富氧（有氧）环境的微生物群落与生活在缺氧（厌氧）环境中的微生物群落不同。这些不同的微生物群体消耗水中的不同营养物质，因此处理厂通常同时利用有氧和厌氧条件来彻底去除废水中的污染物。有氧条件是在曝气池中创造的，鼓风机持续提供空气，通过扩散器形成细小气泡，将氧气混入水中。

一旦生物处理消耗了大部分营养物质，清洁后的水和悬浮的微生物团块（称为混合液）就会从曝气池流入二次沉淀池。在这里，细菌群落沉淀到池底，仅允许清洁的废水被排放。根据监管要求，许多处理厂还会有三级处理流程来针对特定的污染物。此外，大多数处理厂会进行最终消毒，以杀死水中的任何残留病原体。消毒通常使用溶解氯、臭氧气体或强紫外线灯进行，这些方法能使病毒和有害细菌失效。处理厂的最终出水通常会排放到天然溪流、河流或海洋中。

一些在二次沉淀池中沉淀下来的微生物（称为活性污泥）会被送回曝气池，以为下一代细菌群落提供种子。其余的污泥必须被丢弃。一些处理厂将污泥直接送往垃圾填埋场处理。然而，污泥是有机物质，会随着时间的推移分解，释放出甲烷等有害气体。为了避免在垃圾填埋场中发生这种分解，许多处理厂使用消化池处理有机固体。消化池将污泥转化为沼气，沼气可以作为加热或发电的燃料使用，并且会生成一种叫做消化残渣（或生物固体）的固体物质，这种残渣可以被烘干后填埋，或用作肥料。消化池通常配有搅拌器，以保持污泥混合，配有大圆顶用于收集生成的沼气，还有一个火炬作为安全措施。如果生成的沼气超过了存储能力，操作人员会允许沼气在火炬中燃烧，将有害成分转化为较为安全的气体排放到环境中。

暴雨水收集

城市对环境的最显著影响之一是它们如何影响暴风雨期间水流在地面上方和地下的流动。所有这些街道、人行道、建筑物和停车场覆盖了不透水的地面，因此雨水不再渗透，而是朝着溪流和河流流去，使它们迅速上涨，水位更高，污染物也更多。自然的流域像海绵一样吸收和减缓降雨，而城市流域更像漏斗，收集并集中径流。自从人类开始在城市中居住，暴雨和洪水就一直是一个问题，最初的解决方法就是尽可能快速地把水排出去。这个解决方法就是我们至今使用的城市暴雨管理方式——排水。无论是下雨还是倾盆大雨，我们都试图让这些径流找到去处。

大多数城市的布局使得街道成为降水的首个流向通道。每个地块都会有一定的坡度，向街道倾斜，这样水流就可以远离建筑物，避免产生问题。标准的城市街道中间有一个高点，两侧有排水沟供水流通。这样可以保持道路相对干燥，确保车辆安全行驶，同时也提供了一个排水的通道。最终，道路会达到自然的低点并开始向上坡走，或者会积聚过多的径流，无法完全容纳在排水沟内。在某些情况下，可能允许将街道的径流直接排放到自然水道中。然而，在空间有限的密集城市地区，暴雨水通常会被引导到地下排水管道中。

过去，通常将街道上的所有雨水径流直接排入卫生污水系统。不幸的是，污水处理厂通常没有设计来处理大规模的合并污水和暴雨径流的涌入，尤其是当大自然的变化无常时。在最糟糕的情况下，当污水流量过大，无法存储或处理时，这些污水处理厂不得不将未经处理的污水直接排放到水道中。这就是为什么现在大多数城市将雨水管道与用于排放污水的卫生污水管道分开的原因。雨水通常通过路缘进水口或地面格栅进入暴雨管道系统。进水口位于道路的所有低洼处（称为凹陷）以及坡道段的定期间隔处。许多进水口包括一个检修井口，以便进行清洁和维护。每个进水口都通过暴雨管道与其他进水口连接，将雨水排走。每条管道的尺寸和坡度都是根据预期的暴雨水量来设计的，类似于卫生污水管道的设计，后者也是为了运输特定量的污水。

暴雨管道系统的汇聚和集中就像自然的溪流和河流系统一样。最终，这些污水管道会被引导到自然水道或海洋的排放口。通常，在排放口处会安装能量耗散挡块或岩石护坡，以保护自然土壤免受迅速排出的径流侵蚀。与卫生污水系统不同，后者的终点是处理厂，大部分暴雨径流都会直接排放到环境中，因此城市通常会向公众发出警告，提醒他们不要将垃圾倾倒到路缘进水口。

暴雨排水系统通过迅速将水从街道排除并将其引导到溪流和河流，帮助减少局部洪水。然而，城市地区的暴雨水流入这些自然水体会加剧洪水的情况。许多城市通过扩大、直线化和用混凝土衬砌天然水道来增加水道的容量。这种设计策略通常被称为渠道化。通过渠道化加速暴雨水流有助于减少洪水的深度和范围，但它也有一些缺点。肮脏的混凝土渠道会破坏城市的视觉形象。渠道化还可能加剧下游的洪水，并破坏原始水道的栖息地。大多数城市认识到，拓宽和衬砌自然水道并不能完全解决城市发展带来的径流问题。

因此，城市现在要求开发商对其暴雨水量和水质的影响负责，这通常涉及在将排水排放到水道之前进行现场储存。蓄水池保持一个永久的水池，而滞洪池通常是干燥的。两者像迷你海绵一样，吸收从建筑物、街道和停车场冲刷而来的雨水。它们的排放结构被设计成缓慢将径流释放回水道，削减峰值流量至所有建筑和停车场建设之前的水*。蓄水池和滞洪池还通过减缓水流速度，帮助减少污染，让悬浮颗粒物沉降。

在高速公路沿线，通常不经济将暴雨水管理埋设在地下。相反，我们常常将高速公路建设在自然地面之上，修筑堤坝，并设置*行沟渠来排水。当一条道路跨越重要的溪流或河流时，我们通常会修建桥梁。然而，架设桥梁跨越每一个小水道和地形洼地并不经济。当一条道路与一个小水道交汇时，管道涵洞可以让水流从一侧下方通过到另一侧。工程师选择涵洞管道的尺寸，以减少雨水溢出道路的可能性。挡土墙和翼墙支撑堤坝，同时引导暴雨水流进入涵洞。设计不良的涵洞可能会让水流通过，但却阻碍动物的迁移，因此工程师会与生物学家和环境科学家合作，确保涵洞在设计时既能满足水流的需求，也能照顾到其中生活的生物。

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第八章：建设

前言

所有基础设施有一个共同点：它必须被建造。你不能直接在商店里购买排水系统或电力网。相反，这些复杂的设施是由人类和机器在现场建造的。建设既可以是一个麻烦，也可以是一个乐趣，这取决于你的视角（或者你的通勤）。它通常显得嘈杂、干扰性强且进展缓慢。然而，庞大的设备和工作的紧迫感能激发出观察者的敬畏与惊奇。没有什么比亲眼目睹一座建筑从原材料和艰苦的工作中成型更让人震撼的了，常常很难在经过任何一个建筑工地时不被不断的喧嚣吸引。

尽管建设看起来可能很混乱，但混乱中总有其方法。每个工人和每个设备都有一个特定的任务。单个的成就可能显得微不足道甚至*凡，但它们会慢慢积累成可能是壮观的成果（如前几章所示）。观察建筑工地可以是一项偶尔的活动，专门寻找机器和设备，也可以是一项定期的例行公事，去欣赏稳步的进展。无论你选择如何观看，你总是能在建筑工地上看到一些有趣的东西。

典型的建筑工地

无论是道路、桥梁、大坝、管道还是其他任何正在建设的基础设施，建筑工地乍一看可能像是一片杂乱无章的机器和活动的狂乱景象。然而，仔细观察，你会开始理解其中的节奏。虽然每个建筑项目都是独特的，但施工地点在不同项目之间通常非常相似。

在建设开始之前，测量员必须在地面上标出项目的位置。测量员会在施工区域外安装控制点，这些控制点可以在施工开始后作为参考。控制点通常是大钉子，钉入下面的混凝土或沥青中，或者是铁杆，插入土壤中。测量员常用木桩和塑料旗带来标记控制点和其他建设关键要素。像道路和管道这样的线性建设项目通常使用一种叫做站点定位的坐标系统。在美国，每个站点等于 100 英尺。通常可以看到工地上的位置被标注为沿结构中心线的距离，单位是站点加上英尺数（例如，“STA 12+50”表示在轴线上 1,250 英尺的位置）。

除了勘测外，所有地下设施必须被识别并标记，以确保挖掘人员不会无意中损坏地下管线。定位员使用彩色喷漆在地面上标出设施位置。在世界许多地方，这些颜色是标准化的。例如，红色用于电力线路，橙色用于电信线路，黄色用于天然气管道，绿色用于下水道，蓝色用于饮用水管线。白色喷漆用于显示在施工过程中将进行的任何挖掘位置，粉红色则用于测量标记。

你在工地上首先可能会注意到的是项目标牌，它用于标识参与的公司，通知公众项目的名称和目的，并张贴重要信息，如建筑许可证。

除了建筑本身外，工地上的大部分区域通常用于移动和存储材料。重型设备和大型卡车需要空间来移动、装载和卸载物资。这些大型车辆直接在地面上行驶通常会导致泥泞的局面，尤其是雨后。因此，承包商通常会在工地上建设临时道路，以保持施工交通畅通。此外，大多数工地还会设有一个待卸货区域，用于卸载和存储后续施工中需要使用的设备和物资。

尽管乍一看，建筑工地可能看起来像是大部分时间都在站着，但任何曾在建筑行业工作过的人都可以告诉你，这是一项具有挑战性的工作。工地上的大多数人都是从事熟练劳动的技工，如泥瓦匠、木匠、焊工、油漆工和铁工。此外，你可能还会看到一个项目经理，他负责监督项目，一个检查员，确保施工符合项目计划和规范，以及安全人员，他们负责观察潜在的事故，并在发生伤害之前解决任何安全隐患。

建筑工地特别危险，因为有大型车辆、危险工具，以及需要在不稳定的位置和高度作业。你在工地上看到的许多元素都与工人安全相关，包括每个工人所佩戴的个人防护装备。工地上的工人和其他工作人员通常需要佩戴安全帽，以防止被掉落或突出物品伤害。工人还穿着高能见度的服装，配有亮色和反光条纹，以防止因不被看到而发生的事故。在高处作业时，会使用脚手架为工作人员提供临时*台，以便进入那些难以到达的区域。工人在高处作业或靠*深度挖掘时，可能会穿戴防坠落设备，包括安全带和连接绳，以减少坠落的危险。

除了保障工人安全，施工项目还必须考虑公众安全。大多数工地会围起围栏，防止无意的行人进入危险区域，有时围栏上还会安装屏幕，防止风将尘土吹起，并通过遮掩贵重工具和设备来防盗。

公共安全对于道路建设项目至关重要，这些项目通常需要封闭交通车道或设置绕行路段。承包商会安装交通锥、桶、屏障和路障，以引导车辆远离施工区域。警示标志和路障通常是橙色的，以便驾驶员能够轻松区分并在施工区小心行驶。

施工不仅仅涉及体力劳动和电动工具。像任何其他行业一样，很多工作发生在办公室中，比如订购材料、审核计划、召开会议和回复邮件。在大型项目中，承包商通常会有一整支办公室工作人员驻场，以支持施工并保持工作的顺利进行。你可能会看到一个或多个拖车，作为承包商、现场工程师或业主的临时办公场所，供其需要时使用。其他拖车则可能用于存放工具和材料。

施工过程中一个常见的麻烦是由土壤扰动造成的。雨水可以轻易冲走没有保护的土壤。这些悬浮的沉积物被视为污染物，因为它们会降低自然水体的质量，并影响野生动物栖息地。因此，大多数建设项目要求安装设施来控制雨水径流，防止其将土壤带离工地。泥浆围栏和过滤袋可以减缓径流速度，让沉积物从水中沉降。稳定入口使用岩石去除车辆轮胎上的泥土，以确保离开工地时不会带走土壤。最后，检查坝会设置在沟渠中，防止水流集中，从而减少侵蚀的潜力。

起重机

所有建设工作都可以归结为物料搬运：接收交货、存储、搬运和安装项目的所有部件。当然，汗水和肌肉可以完成大部分工作，但任何在行业中工作的人都会告诉你，有些任务只有起重机能完成。在许多工地上，问题不是是否使用起重机，而是使用多少台、哪些类型。这些建筑行业的核心设备使得吊装和安装远大于仅凭人工劳动所能完成的材料和部件成为可能，从而使得施工比以往更加快速和高效。

许多类型的起重机被广泛应用于建筑工地，每种起重机都有其独特的优点。它们通常被分为两种类型：移动起重机和固定起重机。移动起重机有轮子或履带，使其能够在工地的不同区域间移动。履带起重机安装在带有履带的底盘上，是建筑工地上最大且最具能力的移动起重机。它们通常配备可以伸长并达到远距离和高空的钢制臂架。最大的臂架采用钢条的格构结构，既轻便又非常刚性。此外，许多制造商提供可附加到臂架末端的臂架，以进一步延长作业范围。履带起重机不允许在公路上行驶，因此通常需要通过卡车运输到工地，并在现场组装。

像履带起重机一样，粗地面起重机也搭载在一个移动底盘上，但它们使用橡胶轮胎而非履带。粗地面起重机最擅长进入偏远且具有挑战性的地形。它们通常比履带起重机小，这使得它们能够更快速地组装，并能进入其他起重机无法到达的狭小空间。许多粗地面起重机配备有伸缩臂，臂段可以伸展，从而增加起重机的作业范围。它们能够在搬运重物时（以较慢的速度）行驶，能够在建筑工地上长距离移动重物。然而，当在支腿支撑下固定位置操作时，它们的载重能力会大大增加。这些支腿通过将底盘从可变形的轮胎上抬起，从而使起重机保持稳定。全地形起重机的工作原理和外观与粗地面起重机相似，但它们设计用于在街道和高速公路上行驶，不需要通过卡车运送到工地。它们通常是所有移动起重机中最小的，但也是最具多功能性的。

固定式起重机安装在一个固定位置，通常在项目的整个或部分期间保持不变。在建筑工地上，最常见的固定式起重机是塔式起重机。它由一根垂直的塔架和一根水*的臂架组成，臂架从塔架上伸出。臂架可以在塔架上通过回转*台旋转，旋转方向不限。安装在臂架上的滑车可以让操作员在上方驾驶室内将吊钩放置在需要的位置。

塔式起重机的安装本身就是一项壮举，因此它们通常只用于持续时间较长的项目，比如高楼建筑。它们通常有一个加固混凝土的基座，并且需要另一台起重机来进行组装和拆卸。一些塔式起重机可以自我升高，随着建筑从地面开始搭建，塔杆也可以随之增加高度。一个爬升框架在拆卸过程中固定两部分塔杆，将起重机的上部抬起。接下来，起重机抬升并将新的塔杆段插入爬升框架创造的空隙中，然后将其固定到位。这个过程可以重复进行，直到达到所需的高度。

任何起重机的主要目标是将负载从一个地方移到另一个地方，因此起重机有多种移动方式。几乎所有起重机都有一个鼓轮，缆绳绕在鼓轮上。当起重机旋转鼓轮，通过缆绳提升负载时，这称为起升。除了起升外，一些起重机的臂架可以转动，使起重机通过电缆或液压缸改变臂架角度。当起重机的臂架带着负载向上转动时，这称为升臂。一些起重机可以分别升起臂架和起重臂，从而提供更大的活动范围。水*摆动臂架或起重臂通常称为回转。最后，带有伸缩臂的起重机可以伸长或收缩，而塔式起重机的滑车则可以向内或向外移动。

地面上的指挥员与起重机操作员沟通，告诉操作员需要进行哪些动作以便附加、固定、提升和放置负载。如果没有无线电设备，标准化的手势信号可以让操作员知道需要进行哪种类型的动作。地面工作人员在必要时还会使用标记绳来控制负载，防止其旋转。

起重机对于建筑工地至关重要，但它们也可能很危险。为了防止起重机倾覆，采用了大量工程技术。常用木垫板（称为起重机垫）来分散起重机的巨大压力，防止它们陷入地面。由钢或混凝土制成的配重被用来*衡吊钩上的负载，减少起重机倾覆的倾向（称为力矩）。最后，在有风的日子里，移动式起重机通常会被拆卸，而塔式起重机的制动器会被释放，使起重臂可以顺风转动，允许它们随着风的方向自由旋转，而不是与之抗衡。

建筑机械

没有什么比重型设备更能放大人类的努力了。除了前一节提到的起重机，施工现场还使用了大量机器来提高工作的速度和效率。虽然建筑机械看似只是一阵阵敲打声和倒车警报，但没有它们搬运、压实、倾倒、钻孔、运输、拆解和建造的能力，现代建筑和基础设施将无法存在。当然，描述施工现场可能看到的每一台设备是不可能的，但如果你留意，你一定能看到这些设备。

许多建筑机械专为进行土方工程而设计：移动和放置土壤和岩石。挖掘机因其多功能性而广泛出现在许多施工现场。它们通常配有铲斗、臂和旋转驾驶室，尽管还有许多其他附件和配置。挖掘机通过液压缸执行各种功能，包括挖坑和挖沟、清除杂物，甚至像起重机一样吊运和放置物体。它们有多种不同的尺寸，从可以装进皮卡车后厢的小型挖掘机到太大，无法一次性通过公路运输的巨大机器。开沟机是另一种专门用于挖掘的机器。开沟机使用带齿的轮子或链条在地面上切割长条形的沟槽，用于安装管道、排水系统、电力线路和其他线性设施。

推土机配有大型推刀，用于推动物料。它们可以清除现场的灌木、树木和大石块，推送土壤到短距离内，并将填料铺设在大范围区域。与推土机类似，*地机也配有一把长刀片。然而，*地机提供了更高的精度，允许操作员以高精度将土地*整（或*整）。与推土机不同，装载机配备了大型铲斗，用于挖掘和运输大量土壤。这些机器有多种尺寸，从小型的滑移装载机（用于小型工地）到大型的轮式装载机（用于矿场）。当需要将大量土壤移至工地时，刮土机是最适合的设备。刮土机像木工刨子一样切入地面，将土壤装载到车载料斗中。然后，土壤可以直接从刮土机运输并放置，省去了将其转移到另一辆车（如自卸卡车）的需要。

许多建筑机械专门用于进行道路施工。摊铺机用于在道路、桥梁和停车场上铺设沥青，并制作混凝土路缘、排水沟、障碍物和高速公路。自卸卡车或装载机将沥青或混凝土送入机器，机器通过一系列机械装置，在行驶过程中创建*滑均匀的层面。用于制作混凝土结构的摊铺机采用一种叫做滑模成型的工艺，制造出连续的形状，如路缘和高速公路隔离带。由于基础层面不总是完全*整，许多摊铺机和滑模成型机都使用一个跟随由测量员根据道路设计对齐设置的线绳的探杆。探杆控制摊铺机的转向和位置，确保道路及其其他特征*滑一致。

混凝土结构会自行固化和硬化，但土质材料和沥青路面必须压实到位。在大型项目中，这项任务通常通过压路机完成，压路机是一种重型车辆，配备一或两个*滑滚筒，随着压路机的前进压实土壤或沥青。一些压路机配有橡胶轮胎，帮助揉捏基础层或沥青，加速压实过程。类似地，用于粘土土壤的压实机有时会使用一种叫做“羊足滚筒”的有纹理的滚筒。最后，许多压路机能够振动，增强其*整和压实表面的能力。

桩基是许多建筑项目中常见的一部分，由垂直的结构元素组成，这些元素被钻入或打入地下，用于构建挡土墙和基础。桩机使用大型锤子或振动装置将钢桩或混凝土桩打入地下。当桩被安装在孔中时，钻机会使用螺旋钻头或其他旋转工具来开挖井孔。

许多建筑项目涉及将湿混凝土浇筑到现场的模板中。你可能见过混凝土搅拌车将混凝土从工厂运送到施工现场。大型搅拌筒内有一个螺旋形刀片。当搅拌筒朝一个方向旋转时，它会混合混凝土原料，防止它们在运输过程中分离。当搅拌筒朝另一个方向旋转时，混凝土会被推向筒体的后部进行排出。有些项目可以直接使用搅拌车的混凝土，但通常需要将混凝土运送到难以进入的地方。因此，搅拌车常常将混凝土排放到混凝土泵中，混凝土泵可以通过管道将湿混凝土输送到需要的地方。有些混凝土泵还配备了可调节的悬臂吊臂，使混凝土能够高精度地放置在需要的位置。

另一类建筑机械被称为高空升降机，其简单的目标是安全地将工人安置在危险位置。剪式升降机由一个操作员驾驶的移动底座和一个垂直升起的由交叉支架支撑的*台组成。它们只能上下移动，因此剪式升降机无法用来在障碍物之间移动工人。而臂式升降机则使用液压臂支撑*台，提供更多的自由度来进入建筑工地上难以到达的区域。

当然，除了在建筑工地上使用的各种车辆外，工人们还使用许多动力手持工具。一些最重要的建筑工具是气动工具（换句话说，靠空气驱动），因此工地上需要有空气压缩机。在建筑项目中，常见的是拖车式空气压缩机，它们用来为凿岩机、电钻、磨光机、钉枪以及工人使用的许多其他工具提供动力。

第九章：致谢

我非常感谢那些使本书得以完成的人：

1. 我的妻子，Crystal，她一直给予我无尽的支持，偶尔也会逗笑我，是我生命中的挚爱。

2. 我的儿子 Cliff，他无意中促使我选择了一个关于工程的职业，而非直接从事工程工作。

3. 我的哥哥 Graham，他教会了我如何承担风险，是我所有想法的倾听者，也是我最有帮助的批评者。

4. 我的表弟 Samuel，他是《What's That Infrastructure?》的第一个参与者——这是我发明的一个路上游戏，我可以通过它更多地谈论土木工程。

5. 我的最好的朋友和合作伙伴 Wesley Crump，他首先建议我写一本书，后来当我决定真的去做时，成为了一个不可或缺的团队成员。

6. 我的父母，Joe 和 Carol，他们的支持、鼓励以及在生活中展示所有重要技能的方式，最终将我引领到他们一直知道我会走的地方。

7. 我的编辑，Jill Franklin，以及 No Starch Press 的所有工作人员，他们立即理解了我的构思，耐心地指导我完成写书过程，并努力工作创造出一本特别的书。

8. 我的插图团队，MUTI 的 Brad Hodgskiss 领导的团队，他们将我混杂的素材图片和乱涂乱画转化为富有创意的艺术作品。

9. 本书开头列出的技术评审人员，他们提供了智慧和经验，以改善每一章内容并发现我的错误。

10. 感谢德克萨斯州立大学和德克萨斯农工大学的所有教授，感谢弗里斯与尼科尔斯公司的所有前同事，他们与我分享了在工程、建设、环境科学等方面的热情与专业知识。

11. 最后，感谢所有在 YouTube 和其他地方支持《实用工程学》的粉丝们，感谢你们的评论、邮件和观看支持。没有过去六年来你们的鼓励和反馈，我无法写出这本书。