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佩克堡大坝

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佩克堡大坝
佩克堡大坝鸟瞰
地图
官方名称Fort Peck Dam
国家美国
位置蒙大拿州佩克堡
用途防洪、航运、水力发电、灌溉、供水、水质管理、休闲及鱼类与野生动物保护
现状运作中
始建1933年
啟用1940年
所有者美国陆军工程兵团奥马哈区
水坝和溢洪道
坝型水力填筑与碾压土坝
橫跨密苏里河
坝高250.5英尺(76.4米)
坝顶长度21,026英尺(6,409米)
壩基寬度3,500英尺(1,100米)(含戗台)
坝体积125,628,000立方碼(96,049,000立方米)
溢洪道类型设闸混凝土衬砌溢洪道
溢洪量275,000立方英尺每秒(7,800立方米每秒)
水库
形成佩克堡湖英语Fort Peck Lake
总库容18,463,000英畝·英尺(22.774立方公里)
集水面积57,500平方英里(149,000平方公里)
发电站
涡轮机5台弗朗西斯式水轮机
裝機容量185.25 MW
年均發電量10.31亿千瓦时(1961—2022年平均)

佩克堡大坝(英語:Fort Peck Dam)是美国蒙大拿州东北部横跨密苏里河的一座大型土坝,位于佩克堡附近,由美国陆军工程兵团奥马哈区管理。大坝位于密苏里河第1771.5河英里处,是密苏里河干流六座大型坝库工程中最上游的一座。坝体采用水力填筑和碾压土填筑,坝顶长21,026英尺(6,409米),从平均河床至坝顶最大高250.5英尺(76.4米),填筑量约125,628,000立方碼(96,049,000立方米)。大坝形成的佩克堡湖英语Fort Peck Lake长约134英里(216公里),总库容18,463,000英畝·英尺(22.774立方公里)。[1]

大坝源于20世纪20年代美国陆军工程兵团对密苏里河流域的综合规划。1932年,工程兵团工程师西奥多·怀曼(Theodore Wyman Jr.)提出在佩克堡修建大型水库,在枯水期向下游补水,以改善密苏里河航运;1933年富兰克林·德拉诺·罗斯福政府在大萧条期间批准工程,并以全国工业复兴法下的公共工程经费开工。[2]工程也是新政时期重要的就业项目;美国陆军工程兵团统计,1936年直接受雇于工程的人员达到10,564人的高峰,整个建设期有4万余人来到当地求职,并在工区附近形成18个以上的临时聚居地。[1]

坝体主要采用此前未曾用于如此大型工程的水力填筑英语Hydraulic fill法施工。1938年9月22日,大坝接近设计高度时,上游坝坡靠近右坝肩处发生大规模滑坡,约520万立方码土体发生移动,造成8名工人死亡。事故调查把地基内风化页岩和膨润土夹层的抗剪强度不足列为滑坡的起因,而液化对滑动范围的影响此后长期成为土力学研究和争论的对象。[3][4]事故后坝坡重新设计,坝体于1940年完成,并在1944年后纳入皮克—斯隆密苏里河流域计划英语Pick–Sloan Missouri Basin Program[1]

现今佩克堡与密苏里河其余五座干流水库统一调度,承担防洪、航运、水力发电、灌溉、供水、水质管理、休闲以及鱼类与野生动物保护等用途。两座水电站共装有5台弗朗西斯式机组,总装机容量185.25兆瓦。[1]大坝还因玛格丽特·伯克-怀特英语Margaret Bourke-White1936年拍摄的溢洪道照片而进入美国摄影史,该照片成为11月23日创刊的《生活》杂志第一期封面。[5]

背景

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密苏里河上的佩克堡大坝,视野朝东南方向

密苏里河开发与选址

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佩克堡工程的名称来自附近原有的佩克堡贸易站。1866年,汽船Tacony号在当地附近搁浅,船员随后建立贸易据点。翌年杜菲与佩克公司接管设施并将其命名为佩克堡。1873年,贸易站又兼作牛奶河印第安事务机构。1877年密苏里河冰塞造成河水倒灌,旧堡受到严重破坏。[3]此后当地长期有人倡议利用密苏里河发展航运和灌溉,但后来实施的佩克堡工程并非这些早期建议的直接延续,而是20世纪联邦政府流域综合调查的产物。[3]

1927年的《河川与港口法》要求美国陆军工程兵团对主要河流系统展开综合调查,把航运、防洪灌溉和水力资源纳入同一流域规划。工程兵团堪萨斯城区随后在怀曼主持下调查密苏里河,前期坝址勘察始于1928年,随后又进行了约三年半的详细调查。[6]怀曼于1932年提交的密苏里河“308报告”包括243幅图表和634页附录,分别讨论干流、主要支流以及全流域开发方案,其结论涉及堤防、水库、灌溉、水力发电、航运和河岸侵蚀等问题。报告把佩克堡列为核心工程,建议建设容量约1700万英亩英尺的大型水库,在密苏里河下游水量不足时放水维持航运。[7]这一建议在工程兵团内部曾受到质疑。圣路易斯分区认为难以证明工程具有充分经济合理性,河川与港口工程师委员会也不确信预期航运量和运费节省能够实现,同时认为灌溉、水力发电和防洪等附带收益难以可靠估价。怀曼随后调整方案,对预期航运收益重新作出估算,但争议并未完全消失。[8]与此同时,佩克堡坝址具有蓄水空间大、地形和地基条件在当时调查中被认为有利、单位库容造价较低等特点,工程兵团认为其库容足以为密苏里河下游航道提供枯水期补水。[3]

这张鸟瞰图拍摄于1938年6月29日,展现了佩克堡大坝主坝结构向西延伸的景象,前景是牛奶谷湾。画面右侧略微超出视野范围的是溢洪道的进水口。照片由罗伯特·A·米德顿遗产管理委员会提供

新政批准与设计

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1933年9月30日,工程兵团总工程师莱特尔·布朗英语Lytle Brown把密苏里河调查报告提交战争部长,并建议建设“最大可行容量”的佩克堡水库,明确规定水库主要服务于航运,同时为未来安装水力发电设备作准备。[9]这一时期美国政治经济形势已经发生变化。罗斯福政府把创造就业列为新政公共工程的重要目标,《全国工业复兴法》又为公共工程管理局提供了大规模工程资金。历史研究者比灵顿和杰克逊认为,就业救济由此成为促使佩克堡迅速开工的重要因素。[10]

罗斯福于1933年10月中旬批准佩克堡为公共工程第30号项目,工程兵团获得公共工程资金。10月23日,第一批人员开始在坝址清理树木和灌木。[11][12]到1933年12月,工地已有700余名工人。1934年7月中旬,人数增至约7000人。[13]施工期间,罗斯福分别于1934年和1937年到访工区。[14]

工程最初并未包括水电站,主体由坝体、四条导流隧洞和一座远离坝体的溢洪道组成。由于工程在获批后很快开工,详细设计与现场建设一度并行进行。工程史研究指出,施工展开时部分设计细节尚未最后确定。[13]按最终设计,坝体需要搬运和填筑超过1.2亿立方码土料,其规模远超过此前的水力填筑英语Hydraulic fill坝,如何经济地取得、运输和铺设土料成为设计和施工的主要问题之一。[15]

建设

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佩克堡大坝溢洪道施工

前期设施与水力填筑

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坝址地处蒙大拿州东北部人口稀少地区,开工时缺少满足大型工程所需的铁路、电力、住房和维修设施。1933年底,工人开始修建从大北方铁路维奥塔(Wiota)站通往坝址的约12英里(19公里)支线。随着施工范围扩大,工区铁路总长后来超过50英里(80公里)。同时修建了横跨牛奶河和密苏里河的桥梁、公路以及施工城镇。[16]为向疏浚船和其他大型机械供电,还从大瀑布城附近的彩虹瀑布铺设了一条长约288英里(463公里)的输电线路。[3]水力填筑需要专门的疏浚船,而最近的造船厂距离坝址很远,工程兵团因此直接在密苏里河畔建立船厂。第一艘疏浚船船体于1934年1月开建,6月下水,最终共制造4艘大型电动疏浚船,分别以密苏里河源流命名为GallatinJeffersonMadisonMissouri[16][17]1934年10月13日,首艘疏浚船开始向坝体输送填料,佩克堡的主体填筑由此展开。[18]

疏浚船从上游河床和取土区抽取砂、粉砂黏土砾石,与水混合后经大口径管道泵送至坝址。泥浆从坝体外围排出后,较粗的砂砾首先沉积形成坝壳,较细的粉砂和黏土随水流向中央沉淀区并形成低渗透性坝心,余水再排回河中。[19]施工过程中,输送的泥浆中水占绝大部分,因此必须持续控制取料组成、沉积分级和排水。到1936年6月底,输送到坝址的填料约3750万立方码,其中略多于3000万立方码固体材料留在坝体内。[19]工程兵团纪念资料还记载,挖泥系统后来曾把填料沿超过36,600英尺(11,200米)的管线输送,并克服超过260英尺(79米)的扬程。[20]为减少坝基渗流,工人在坝轴线下方打设连续钢板桩截水墙。截水墙长逾10,000英尺(3,000米),使用约17,000吨钢材,部分钢板桩打入地下163英尺(50米),当时创下相应施工深度纪录。[3][21]大坝两侧坝趾则利用铁路直接倾倒砾石构筑,以限制水力填筑材料的范围。[22]

导流隧洞与溢洪道

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密苏里河在坝体尚未封闭时仍从施工区中央通过。为最终截断原河道,工程兵团在右岸坚硬页岩高地开挖4条导流隧洞,每条长度均超过1英里,内径略大于24英尺(7.3米),并以钢筋混凝土衬砌。每条隧洞单独设计为足以通过密苏里河的正常流量。[23]隧洞施工共挖除约500万立方码材料,并使用大量钢材和混凝土。1936年初,政府在与承包商协商后直接接管部分隧洞工程,到同年夏季,隧洞工区同时雇用了3000余人。[24]四条隧洞于1937年6月23日完成,翌日封闭密苏里河原河槽,河水全部改经隧洞下泄,此后才能填筑此前由河流穿过的坝体中央部分。[25]河道截流也标志着佩克堡湖开始形成,不过工程兵团的现行资料将水库正式开始蓄水记为1937年11月。[1]

溢洪道位于大坝以东约3英里(4.8公里)处,与土质坝体分开设置。为了形成溢洪道渠道,施工人员挖除约1400万立方码土石。混凝土衬砌渠道约1英里长,纵坡约5.23%,上游宽度超过800英尺(240米),向下游逐渐收窄。[26]闸门结构设16扇宽40英尺(12米)、高25英尺(7.6米)的竖直升降闸门。按美国陆军工程兵团现行工程资料,溢洪道在水位2253.3英尺时的设计泄流能力为275,000立方英尺每秒(7,800立方米每秒)。[1]溢洪道闸门结构于1937年11月完成。[20]

1935年8月,《蒙大拿标准报英语The Montana Standard》在报道工程进展时称整个8500万美元工程约已完成一半,报道同时介绍了坝体、导流隧洞和溢洪道的大规模施工。[27]到1935年10月底,坝内已有约2174万立方码填料,超过巴拿马运河加通坝英语Gatun Dam当时的填筑量。1936年底,坝体水力填筑量进一步增至约5065万立方码。[28]

劳工与聚居地

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佩克堡工程的建设规模与大萧条时期的就业需求密切相关。1934和1935年,工地劳动人数均超过7000人,1936年7月达到约1.05万人的峰值。[3]工程兵团2012年的纪念资料估计,从1933年底开工至1940年完工,先后参与佩克堡工程的工人总数约为4万至5万人。[29]除了直接施工人员,大批商人及求职者也涌入附近地区。[1]工程兵团在坝址附近建设了规划整齐的佩克堡镇,设有宿舍、旅馆、学校、医院、商店、剧院、供水、排污和照明等设施。规划时工程兵团原以为工人将以单身男性为主,只安排了有限的家庭住房。蒙大拿州的招聘政策却优先照顾有家属的已婚男子,结果开工第一年约四分之三的工人已有家庭。[30][31]

住房短缺使坝址周围迅速出现惠勒(Wheeler)、新迪尔(New Deal)、斯奎尔迪尔(Square Deal)、德拉诺海茨(Delano Heights)、帕克格罗夫(Park Grov)、威尔逊(Wilson)等18个以上的临时聚居地。部分聚居地发展到数千人规模,其中惠勒一度约有3500人,麦科恩城约有3600人。[32]这些社区的条件差异很大,其中惠勒拥有电力、电话、公共汽车、邮局和警察机构,另一些聚居地则缺少室内供水、排污和可靠电力,居民需要购买和运送生活用水。与此同时,许多社区逐渐建立学校、教堂、杂货店、餐馆及民间组织。[33]比林顿和杰克逊指出,工程兵团规划的佩克堡镇与周边未经规划的棚户聚居地之间存在明显生活条件差异。[30]

1938年滑坡与完工

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滑坡

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1938年夏季,水力填筑接近完成,坝体距最终坝顶高程仅余约20英尺。9月22日上午,测量人员发现右坝肩附近上游坝壳出现异常:中央沉淀池水位并未明显改变,但上游填筑管线相对于池水的位置偏低,显示坝壳本身可能发生沉降或位移。[34]下午约1时15分,区工程师克拉克·基特雷尔(Clark Kittrell)前往现场检查并接近该处时,上游坝体开始大规模移动。约1,700英尺(520米)长的土体向正在形成的水库方向滑出,铁路、施工机械、管线和人员也随滑动土体一同移动。[3]滑坡涉及超过520万立方码填料,造成8名工人死亡,其中6人的遗体没有找到。[3][35]滑体最终进入水库,但事故没有造成已蓄水水库失控泄空,也没有导致整个坝体溃决。事后工程兵团立即开展地质钻探、含水量、固结和土体力学试验,部分取样孔深达300英尺(91米),并组织由工程师和地质专家组成的咨询委员会研究事故原因及重建方案。[3]

1939年3月提交的委员会报告认为,滑坡起因是地基中风化页岩和膨润土夹层的抗剪强度不足,无法承受坝体施加的剪切力。[36]后来基础工程教材在回顾佩克堡事故时指出,施工前的地质调查未能充分确定页岩风化及膨润土夹层的范围,也没有正确预见水力填筑荷载作用下其中可能形成的高孔隙水压力。[37]滑坡中土壤液化究竟起到多大作用,则从事故调查开始便存在分歧。杰弗里斯和贝恩总结当时的意见时指出,多数委员认为页岩地基首先发生剪切破坏,而滑动进一步向上游发展的程度可能部分与滑体液化有关。以阿瑟·卡萨格兰德英语Arthur Casagrande为代表的少数意见同样认为地基剪切破坏是触发因素,但把滑坡规模主要归因于随后发生的液化。[4]美国陆军工程兵团土力学工程师托马斯·A·米德尔布鲁克斯(Thomas A. Middlebrooks)随后把事故前后的土体和岩石试验、稳定分析及修复研究整理成《Fort Peck Slide》,于1942年发表在《Transactions of the American Society of Civil Engineers》。[38]: 723–742 

比林顿和杰克逊在回顾这一争论时,把地基滑移、原上游坝坡较陡、饱和砂质坝壳、较快的填筑速度和河流改道列为共同影响事故发展的因素,并认为不能用其中任何一个因素单独解释滑坡的全部规模。[39]现代临界状态土力学研究通常把佩克堡作为静态液化的重要案例。杰弗里斯和贝恩认为,页岩地基的运动使上游水力填筑砂进入不排水破坏状态,并指出实际失稳只发生在靠近右坝肩的一部分上游坝壳,而不是整个上游面。[40]

重建与完工

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滑坡后,工程兵团首先以采石场石料稳定受损区上游面,修复铁路后重新开始填筑。咨询委员会要求显著减缓上游坝坡:事故前平均坡比约为1V:4H,重建设计要求一般至少放缓至约1V:8H,滑坡区则采用更缓的坡面。[41]委员会还建议水力填筑只继续到距坝顶约25英尺处,坝体上部以及坝心最终部分改用机械铺筑和碾压。[42]重建工程增设了宽大的上游戗台,并以钢板桩连接新旧坝心,同时布置测压设备和减压井以监测和控制渗流压力。[3]1939年8月,主体水力挖泥填筑结束,累计输送并填入坝体的材料超过1.22亿立方码,此后继续进行碾压填筑和隧洞修改。[43]最后一批坝体材料于1940年10月11日填筑,大坝达到250.5英尺(76.4米)的最终高度。[44]

事故对后来美国土坝施工技术产生了影响。1951年,理查德·G·鲍姆霍夫(Richard G. Baumhoff)在《The Dammed Missouri Valley》中指出,佩克堡使用水力填筑,而当时工程界已经更倾向采用碾压土施工。[45]杰弗里斯和贝恩则认为,佩克堡事故实际上结束了美国以水力填筑法建造大型蓄水坝的常规实践,此后压实砂土逐渐成为标准做法。[4]

施工期间除1938年滑坡外还发生多起致命事故。美国陆军工程兵团2012年的工程史按年份列出了已知遇难工人,并记载了导致人员死亡的事故,包括隧洞页岩坠落、铁路和起重机械事故、触电、坠落、溺水及采石场事故等。[46]1938年滑坡中的8名遇难者也列入其中。[47]

运行

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水库与流域调度

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河道于1937年6月封闭后,佩克堡湖逐步形成。工程兵团把正式开始蓄水记为1937年11月,并于1942年5月27日首次达到最低运行水位。[1]水库总库容18,463,000英畝·英尺(22.774立方公里),其中不同高程区分别用于永久蓄水、多用途调节和防洪。大坝和水库于1940年开始进行蓄水调节。[1]

1944年《防洪法》批准的皮克—斯隆密苏里河流域计划把佩克堡纳入统一的密苏里河开发体系。该计划源于工程兵团路易斯·A·皮克(Lewis A. Pick)侧重防洪和航运的方案与美国垦务局威廉·A·斯隆(William G. Sloan)侧重灌溉和水力开发的方案之间的协调。[48]佩克堡比皮克—斯隆计划早数年完成,1951年鲍姆霍夫记载,当时它已是工程兵团规划的六座密苏里河干流大坝中最上游的一座,而加里森、奥赫和兰德尔堡等坝仍在建设,佩克堡的全部水力发电设施也尚未装设完成。[49]随着下游干流水库陆续建成,佩克堡的运行目的也发生扩展。鲍姆霍夫在1951年记录的跨部门规划设想是,在加里森坝英语Garrison Dam投入运行后,减少佩克堡单独承担下游航运调节的压力,并提高灌溉和水力发电的比重。[50]现今六座密苏里河干流水库作为一个系统运行,国会授权其兼顾防洪、航运、水力发电、灌溉、供水、水质管理、休闲以及鱼类与野生动物保护八项用途,水库调度同时遵守现行联邦环境法规和密苏里河干流系统运行手册。[1]

水力发电

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佩克堡最初设计时没有发电厂。1938年的《佩克堡电力法》(Fort Peck Power Act)授权建设水力发电设施,第一座电站于1941年开工,1943年7月首次发电。受第二次世界大战期间材料和设备短缺影响,第一座厂房直到1951年才全部完成。[51][1]第二座厂房接入2号隧洞,1958年开工,1961年完成。[1]两座厂房现共有5台弗朗西斯式水轮发电机,其中1号和3号机额定容量各为43.5兆瓦,2号机为18.25兆瓦,4号和5号机各为40兆瓦,总装机容量185.25兆瓦。1961至2022年的平均年发电量为10.31亿千瓦时。[1]在密苏里河干流系统中,大部分正常放流会优先经过电站,在完成水量调节等任务的同时发电。[1]

溢洪道与洪水

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佩克堡溢洪道并非日常主要泄水通道,正常情况下大量放流通过水电站完成。高径流期间或设备运行需要时,16扇竖直升降闸门可投入泄洪。[1]2011年密苏里河流域出现异常大的降雨和融雪径流,佩克堡水库水位升至建坝以来的最高水位;同年6月,溢洪道第五次在工程历史中投入使用,16扇闸门全部开启。[52]工程兵团指出,当年闸门放流是整个上密苏里河水库系统洪水调度的一部分,用于控制上游蓄水并降低下游社区的洪水风险。[1]2011年的泄洪也是自工程建成以来对溢洪道最严峻的实际运行检验之一。[53]

休闲与旅游

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佩克堡湖形成后,水库沿岸逐渐发展为蒙大拿州东北部的重要休闲区域。现今活动包括露营、划船、钓鱼、狩猎、野生动物观察、徒步、骑行和摄影,湖岸设有美国陆军工程兵团及蒙大拿州管理的多个休闲区。[1]佩克堡解说中心暨博物馆(Fort Peck Interpretive Center and Museum)兼作查尔斯·M·罗素国家野生动物保护区(Charles M. Russell National Wildlife Refuge)的游客中心,也是蒙大拿恐龙之路(Montana Dinosaur Trail)的站点。[1]部分施工时期的建筑仍保留在佩克堡镇。佩克堡剧院于1934年11月开放,最初可容纳1209名观众。此外,佩克堡酒店、行政楼、休闲大厅以及部分永久住宅也保留下来。[54]这些设施原本为施工人员及其家属服务,工程结束后逐渐成为当地历史和旅游设施的一部分。[54]

环境影响与管理

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佩克堡湖淹没了原密苏里河河谷的一段天然河道,并通过与其余五座干流坝库联合运行改变密苏里河的季节流量过程。环境史学者罗伯特·凯利·施耐德(Robert Kelley Schneiders)指出,20世纪建成的六座干流大坝使密苏里河原先由春季和初夏洪峰、夏末低水等构成的天然水文过程趋于平缓,并影响依赖周期性涨落水位的河流生态系统。[55]与此同时,水库形成新的湖泊、湿地和岸线环境,并被纳入联邦及州级渔业、野生动物和休闲资源管理。[1]

密苏里河干流系统的现代运行还需要兼顾濒危物种恢复。根据2018年生物学意见及《濒危物种法》要求,美国陆军工程兵团于2024年4月26日开始佩克堡试验性放流,研究改变放流过程能否促进密苏里铲鲟迁移、繁殖以及幼鱼生长,同时尽量避免或减小对八项法定用途的影响。[56]2024年的试验包括春季吸引流量、随后较低的滞留流量以及6月底的第二次高峰放流。原计划若观察到产卵,再实施供幼鱼漂流发育的流量过程。监测人员在第二次高峰后仍未发现所监测雌性铲鲟产卵,因此没有实施最后的幼鱼漂流放流,试验于7月提前结束,大坝随后恢复常规运行。[57]

文化影响与认可

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1936年,摄影师玛格丽特·伯克-怀特英语Margaret Bourke-White亨利·鲁斯委派前往美国西北部拍摄新政公共工程。她在佩克堡拍摄了坝体、溢洪道以及附近聚居地居民的生活。[30]其中一幅表现巨大混凝土结构的照片被选为1936年11月23日创刊的《生活》杂志第一期封面。尽管作品通常题为Fort Peck Dam, Montana,照片实际拍摄的是距坝体约3英里的溢洪道闸门结构和其上方道路的桥墩,而不是土坝本身。[5]美国国家美术馆将其称为伯克-怀特最具代表性的作品之一。[5]《生活》创刊号同时以照片展示施工工人及周围临时聚居地,使这项位于偏远地区的公共工程进入全美大众文化视野。[30]工程兵团2012年的纪念资料也保存了大量施工照片、报纸剪报和工人回忆,涉及工程船厂、隧洞、疏浚船、1938年滑坡以及惠勒、新迪尔等聚居地的日常生活。[58]

美国土木工程师学会将佩克堡大坝列入土木工程历史地标名录。该学会指出,佩克堡在建成时规模为此前世界最大水坝的五倍以上,坝顶延伸近4英里,并在30余年间保持世界最大水坝的纪录。其水力填筑施工和深达163英尺的钢板桩截水墙也属于当时创纪录的工程。[59]

参考资料

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引用著作

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外部链接

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