什么是重力坝?

[拼音]：zhongliba

[外文]：gravity dam

在水压力及其他外荷载作用下，主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。重力坝的断面基本呈三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。据统计，在各国修建的大坝中，重力坝在各种坝型中往往占有较大的比重。在中国的坝工建设中，混凝土重力坝也占有较大的比重，在20座高100m以上的高坝中，混凝土重力坝就有10座。重力坝之所以得到广泛应用，是由于有以下优点：

（1）相对安全可靠，耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比较强；

（2）设计、施工技术简单，易于机械化施工；

（3）对不同的地形和地质条件适应性强，任何形状河谷都能修建重力坝，对地基条件要求相对地说不太高；

（4）在坝体中可布置引水、泄水孔口，解决发电、泄洪和施工导流等问题。重力坝的缺点是：

（1）坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；

（2）坝体体积大，耗用水泥多；

（3）施工期混凝土温度应力和收缩应力大，对温度控制要求高。

重力坝是最早出现的一种坝型。公元前2900年埃及美尼斯王朝在首都孟斐斯城附近的尼罗河上，建造了一座高15m、长240m的挡水坝。中国于公元前3世纪，在连通长江与珠江流域的灵渠工程上，修建了一座高5m的砌石溢流坝，迄今已运行2000多年，是世界上现存的，使用历史最久的一座重力坝。18世纪，在法国和西班牙用浆砌石修建了早期的重力坝，横断面都很大，接近于梯形。1853年以后，在筑坝实践中，设计理论逐步发展，法国工程师们开始拟出一些重力坝的设计准则，如抗滑稳定、坝基应力三分点准则等，出现了以三角形断面为基础的重力坝断面。20世纪初，由于混凝土工艺和施工机械的迅速发展，在美国建造了阿罗罗克坝和象山坝等第一批混凝土重力坝。1930年以后，美国修建了高183m的沙斯塔坝和高168m的大古力坝以后，重力坝的设计理论和施工技术有了一个飞跃。在应力计算方面，提出了重力法和d性理论法，包括考虑空间影响的试荷载法;在构造方面，建立了完整的分缝、排水和廊道系统，以及温度、变形、应力等观测系统；在施工方面，机械化程度有了显著增长，发展了柱状浇筑法和混凝土散热冷却以及纵缝灌浆等一整套施工工艺。1950年以后，重力坝继续得到发展，在瑞士修建了当今世界上最高的重力坝──大迪克桑斯坝，坝高285m；在印度修建了高226m的巴克拉坝和高192m的拉克华坝；在美国修建了高219m的德沃夏克坝。苏联在寒冷地区多修建混凝土重力坝，如高215m的托克托古尔坝，在中国，60年代初建成高106m的三门峡重力坝和高105m的新安江宽缝重力坝；70年代建成了高 147m的刘家峡重力坝和高90.5m的牛路岭空腹重力坝。80年代又建成了高165m的乌江渡拱形重力坝。1970年以后，世界上创造出碾压混凝土坝筑坝技术。它的特点是采用干硬性混凝土，用自卸汽车运料入仓，推土机平仓，振动碾碾压，通仓薄层浇筑，不设纵缝，不进行水管冷却，横缝用切缝机切割。它具有节省水泥，简化温度控制和施工工艺，缩短工期，降低造价的优点。美国威洛克里克坝（又译柳溪坝）、日本岛地川坝、中国福建坑口坝和南盘江天生桥二级水电站首部枢纽都采用了这种施工技术。坑口坝坝高56.8m，通仓浇筑，不设横缝，但在迎水面增设防渗面，简化了坝体构造。(见彩图)

重力坝按其结构形式分为：

（1）实体重力坝；

（2）宽缝重力坝；

（3）空腹重力坝。重力坝按泄水条件可分为非溢流坝和溢流坝两种剖面（图1）。

实体重力坝因横缝处理的方式不同可分为三类。

（1）悬臂式重力坝：横缝不设键槽，不灌浆；

（2）铰接式重力坝：横缝设键槽，但不灌浆；

（3）整体式重力坝：横缝设键槽，并进行灌浆。

重力坝的坝轴线一般采用直线，但有时由于地形、地质条件的限制，采用折线或曲线。设计要点择要叙述如下。

坝顶在最高洪水位上要留有一定的安全超高。坝顶宽度视运用和交通的需要而定。坝的上游面通常做成铅直面，或略向上游倾斜，一般坡度n=0～0.2；坝的下游面通常为均一的坡度，一般坡度 m＝0.6～0.8。坝底宽，一般为坝高的 7/10～9/10。坝体断面需根据稳定和应力要求进行优化设计，求出坝体混凝土方量为最小的优化设计断面，并考虑布置和运行需要，作某些修正。

在进行坝体布置时，首先要考虑溢流坝和泄水孔口的位置，要满足泄洪与放水的需要，并与下游平顺连接，不致淘刷坝基、岸坡和相邻建筑物基础。泄水孔口高程和尺寸应根据水库调洪计算和水力计算，结合闸门和启闭机条件确定。溢流面要求有较高流量系数，同时不产生空蚀。坝下要设置消能工，应考虑地形、地质、枢纽布置和水流条件，比较选定其形式和尺寸。一般溢流坝与电站坝分列布置，当河谷狭窄时，也可布置电站厂房顶溢流。

抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。当岸坡坝段地形陡峻时，还需核算这些坝段在三向荷载作用下的抗滑稳定。常用的沿坝基面稳定分析计算方法有两种。

抗剪断强度公式或称剪摩公式：

(1)

抗剪强度公式或称摩擦公式：

(2)

式中K、K′为安全系数;


和


分别为作用于坝体上的全部荷载对滑动面上的法向分力和切向分力;f、f′和C′分别为滑动面上的摩擦系数、抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力;A为坝基截面积。目前美国、苏联和日本等国均趋向采用(1)式进行计算。在中国，有关技术规范规定：当坝基内不存在可能导至沿坝基岩体内部滑动的软弱结构面时，应按（1）式计算沿坝基面的抗滑稳定安全系数。f、f′和C′值的选取应根据试验，结合经验确定。

设计的坝体断面需满足规定的应力条件。在中国，在基本荷载组合下，重力坝坝基面的最大垂直正应力应小于坝基容许压应力，最小垂直正应力应大于零；在地震情况下，坝基容许出现不大的拉应力。对于坝体应力，在基本荷载组合下，下游面最大主压应力不大于混凝土的容许压应力；上游面的最小主压应力σ2（不计扬压力）应大于或等于0.25γH（γ为水的容重，H为坝面计算点的静水头）。应力分析的方法可归纳为理论计算和模型试验两大类。目前常用的模型试验方法有偏光d性试验、激光全息试验和脆性材料试验。理论计算方法有如下两种。

（1）重力法：又称材料力学方法。它计算简便，适用范围广，已经过模型试验和工程实践的验证，有一套成熟的应力控制标准。重力法的主要假定是：坝体水平截面上的垂直正应力σy呈直线分布，其计算公式如下：

式中


和


为作用于坝段上全部荷载的法向力总和和对计算截面形心轴的力距总和；姀 为计算截面面积；J为计算截面积对形心轴的惯性矩；x为计算点到形心轴的距离。

（2）有限单元法：d性理论中的一种数值解法。将结构划分为若干结点联系的有限个单元，利用边界条件和连续条件，根据d性理论列出单元的应力、应变、位移关系式和全部结点平衡方程组。依靠电子计算机计算出坝体和坝基内各点的应力和变形。对于实体重力坝的应力分析，一般可采用二维有限元法，属于空间性质的问题，可采用三维有限元法。

对于中、低坝，当地质条件较简单时，可只用材料力学方法计算坝的应力。对于高坝，尤其是当地质条件复杂时，除用材料力学方法计算外，宜同时进行模型试验或采用有限元法进行计算。

（1）廊道：为了检查坝体内部的工作状态，布设各种量测仪器，满足坝内交通和灌浆、排水的需要，在坝内设置水平或斜向廊道或竖井。廊道沿坝高设置一层或多层，有纵向和横向两种，断面一般为上圆下方的城门洞形。

（2）分缝：为适应地基变形和温度变化，沿坝轴线方向用横缝把坝分成若干个坝段，横缝间距通常为15～20m。横缝缝面根据需要设或不设键槽，灌浆或不灌浆。在施工中，由于混凝土浇筑能力的限制和温度控制的要求，还要设置施工缝。平行于坝轴线方向的竖向施工缝叫纵缝。纵缝的间距一般为15～30m，可以是直缝、错缝或斜缝（图2）。缝面设键槽，并需灌浆。水平向施工缝叫水平缝。水平缝的间距在基础约束范围以内和以外，分别为1～3m和3～6m，缝面一般均需进行凿毛处理。

（3）止水：在坝体横缝内、陡坡坝段与基础接触面以及廊道和孔洞穿越横缝处的周围，必需设置止水。止水应具有柔性，可以用金属片、橡皮、塑料片或沥青井做成。高坝上游面的横缝止水需用两道止水片，中间设一沥青井（图3）。

（4）坝体排水:为了减少渗水对坝体的不利影响，在坝体靠近上游防渗层的下游侧布设一排垂直向排水管，常用多孔混凝土管，间距为2～3m，将渗水汇入廊道。

其任务是采取措施来改善坝基的完整性和均匀性，使具有较高的承载能力和较均匀的变形，并减少地基的渗水性。通常采取的措施有坝基开挖、固结灌浆、帷幕灌浆以及进行排水减压和断层破碎带处理等。（见水工基础工程、地基处理）

为了监视大坝和地基的工作状况和运用安全，对重力坝需要考虑其等级、坝高、地质和结构形式等条件，设置必要的观测设备。因此，需对观测的项目、内容、方法，以及观测设备选型和布置进行设计。

参考书目

潘家铮著：《重力坝的设计与计算》，中国工业出版社，北京，1965。汝乃华编著:《重力坝》，水利电力出版社，北京，1983。美国垦务局著，长江流域规划办公室译：《重力坝设计》，水利出版社，北京，1981。(U.S.Department ofThe Interior Bureau of Reclamation，Design of Gravity dams，Denver，Colorado，1976.)