重力壩

重力壩優(yōu)點

重力壩之所以得到廣泛應(yīng)用,是由于有以下優(yōu)點：①相對安全可靠,耐久性好，抵抗?jié)B漏、洪水漫溢、地震和戰(zhàn)爭破壞能力都比較強；②設(shè)計、施工技術(shù)簡單，易于機械化施工；③對不同的地形和地質(zhì)條件適應(yīng)性強，任何形狀河谷都能修建重力壩，對地基條件要求相對來說不太高；④在壩體中可布置引水、泄水孔口，解決發(fā)電、泄洪和施工導(dǎo)流等問題。

重力壩缺點

重力壩的缺點是：①壩體應(yīng)力較低，材料強度不能充分發(fā)揮；②壩體體積大，耗用水泥多；③施工期混凝土溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力大，對溫度控制要求高。

重力壩按筑壩材料的不同分為:混凝土重力壩和漿砌石重力壩。

重力壩按其結(jié)構(gòu)形式分為:①實體重力壩;②寬縫重力壩；③空腹重力壩。重力壩按泄水條件可分為非溢流壩和溢流壩兩種剖面。

實體重力壩因橫縫處理的方式不同可分為三類。①懸臂式重力壩：橫縫不設(shè)鍵槽，不灌漿；②鉸接式重力壩：橫縫設(shè)鍵槽，但不灌漿；③整體式重力壩：橫縫設(shè)鍵槽，并進(jìn)行灌漿。

按照混凝土的施工方式，分為常態(tài)混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩。其中碾壓混凝土重力壩由于施工方便，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越，近年來得到了迅速的發(fā)展。

重力壩是由砼或漿砌石修筑的大體積擋水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整體是由若干壩段組成。重力壩在水壓力及其他荷載作用下，主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求;同時依靠壩體自重產(chǎn)生的壓力來抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng)力以滿足強度要求。

在水壓力及其他外荷載作用下，主要依靠壩體自重來維持穩(wěn)定的壩。重力壩的斷面基本呈三角形，筑壩材料為混凝土或漿砌石。據(jù)統(tǒng)計,在各國修建的大壩中,重力壩在各種壩型中往往占有較大的比重。在中國的壩工建設(shè)中,混凝土重力壩也占有較大的比重,在20座高100m以上的高壩中，混凝土重力壩就有10座。

重力壩在水壓力及其它荷載作用下必需滿足：

A、穩(wěn)定要求：主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足。

B、強度要求：依靠壩體自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng)力來滿足。

重力壩綜述

重力壩的壩軸線一般采用直線，但有時由于地形、地質(zhì)條件的限制，采用折線或曲線。設(shè)計要點擇要敘述如下。

重力壩荷載組合

基本荷載

（ 1 ） 壩體及其上固定設(shè)備的自重

（ 2 ） 正常蓄水位或設(shè)計洪水位時的揚壓力

（ 3 ） 相應(yīng)于正常蓄水位時的靜水壓力

（ 4 ） 相應(yīng)于設(shè)計洪水位時的動水壓力（ 5 ） 相應(yīng)于正常蓄水位或設(shè)計洪水位時的浪壓力

（ 6 ） 冰壓力

（ 7 ） 土壓力

（ 8 ） 泥沙壓力

（ 9 ） 其他出現(xiàn)幾率多的荷載

特殊荷載

（ 1 ）校核洪水位時的靜水壓力

（ 2 ）相應(yīng)于校核洪水位時的揚壓力

（ 3 ）相應(yīng)于校核洪水位時的浪壓力

（ 4 ）相應(yīng)于校核洪水位時的動水壓力

（ 5 ）地震荷載

（ 6 ）其他出現(xiàn)機率很少的荷載

重力壩斷面擬定

壩頂在最高洪水位上要留有一定的安全超高。壩頂寬度視運用和交通的需要而定。壩的上游面通常做成鉛直面，或略向上游傾斜，一般坡度n=0～0.2；壩的下游面通常為均一的坡度，一般坡度 m=0.6～0.8。壩底寬,一般為壩高的 7/10～9/10。壩體斷面需根據(jù)穩(wěn)定和應(yīng)力要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，求出壩體混凝土方量為最小的優(yōu)化設(shè)計斷面，并考慮布置和運行需要，作某些修正。

重力壩壩體布置

在進(jìn)行壩體布置時，首先要考慮溢流壩和泄水孔口的位置，要滿足泄洪與放水的需要，并與下游平順連接，不致淘刷壩基、岸坡和相鄰建筑物基礎(chǔ)。泄水孔口高程和尺寸應(yīng)根據(jù)水庫調(diào)洪計算和水力計算，結(jié)合閘門和啟閉機條件確定。溢流面要求有較高流量系數(shù)，同時不產(chǎn)生空蝕。壩下要設(shè)置消能工，應(yīng)考慮地形、地質(zhì)、樞紐布置和水流條件，比較選定其形式和尺寸。一般溢流壩與電站壩分列布置，當(dāng)河谷狹窄時，也可布置電站廠房頂溢流。

重力壩穩(wěn)定分析

抗滑穩(wěn)定分析的目的是核算壩體沿壩基面或沿地基深層軟弱結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定的安全度。當(dāng)岸坡壩段地形陡峻時，還需核算這些壩段在三向荷載作用下的抗滑穩(wěn)定。常用的沿壩基面穩(wěn)定分析計算方法有兩種。

重力壩應(yīng)力分析

設(shè)計的壩體斷面需滿足規(guī)定的應(yīng)力條件。在中國，在基本荷載組合下，重力壩壩基面的最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許壓應(yīng)力，最小垂直正應(yīng)力應(yīng)大于零；在地震情況下，壩基容許出現(xiàn)不大的拉應(yīng)力。對于壩體應(yīng)力,在基本荷載組合下,下游面最大主壓應(yīng)力不大于混凝土的容許壓應(yīng)力；上游面的最小主壓應(yīng)力σ2（不計揚壓力）應(yīng)大于或等于0.25γH（γ為水的容重，H為壩面計算點的靜水頭）。應(yīng)力分析的方法可歸納為理論計算和模型試驗兩大類。目前常用的模型試驗方法有偏光彈性試驗、激光全息試驗和脆性材料試驗。

重力壩計算方法

①重力法：又稱材料力學(xué)方法。它計算簡便，適用范圍廣，已經(jīng)過模型試驗和工程實踐的驗證，有一套成熟的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。重力法的主要假定是：壩體水平截面上的垂直正應(yīng)力σy呈直線分布

②有限單元法：彈性理論中的一種數(shù)值解法。將結(jié)構(gòu)劃分為若干結(jié)點聯(lián)系的有限個單元，利用邊界條件和連續(xù)條件，根據(jù)彈性理論列出單元的應(yīng)力、應(yīng)變、位移關(guān)系式和全部結(jié)點平衡方程組。依靠電子計算機計算出壩體和壩基內(nèi)各點的應(yīng)力和變形。對于實體重力壩的應(yīng)力分析，一般可采用二維有限元法，屬于空間性質(zhì)的問題，可采用三維有限元法。

重力壩壩體構(gòu)造

①廊道：為了檢查壩體內(nèi)部的工作狀態(tài)，布設(shè)各種量測儀器，滿足壩內(nèi)交通和灌漿、排水的需要，在壩內(nèi)設(shè)置水平或斜向廊道或豎井。廊道沿壩高設(shè)置一層或多層，有縱向和橫向兩種，斷面一般為上圓下方的城門洞形。②分縫：為適應(yīng)地基變形和溫度變化，沿壩軸線方向用橫縫把壩分成若干個壩段，橫縫間距通常為15～20m。橫縫縫面根據(jù)需要設(shè)或不設(shè)鍵槽,灌漿或不灌漿。在施工中，由于混凝土澆筑能力的限制和溫度控制的要求，還要設(shè)置施工縫。平行于壩軸線方向的豎向施工縫叫縱縫?？v縫的間距一般為15～30m,可以是直縫、錯縫或斜縫（圖2）?？p面設(shè)鍵槽,并需灌漿。水平向施工縫叫水平縫。水平縫的間距在基礎(chǔ)約束范圍以內(nèi)和以外，分別為1～3m和3～6m，縫面一般均需進(jìn)行鑿毛處理。③止水：在壩體橫縫內(nèi)、陡坡壩段與基礎(chǔ)接觸面以及廊道和孔洞穿越橫縫處的周圍，必需設(shè)置止水。止水應(yīng)具有柔性，可以用金屬片、橡皮、塑料片或瀝青井做成。高壩上游面的橫縫止水需用兩道止水片，中間設(shè)一瀝青井（圖3）。④壩體排水:為了減少滲水對壩體的不利影響，在壩體靠近上游防滲層的下游側(cè)布設(shè)一排垂直向排水管，常用多孔混凝土管，間距為2～3m，將滲水匯入廊道。

重力壩壩基處理

其任務(wù)是采取措施來改善壩基的完整性和均勻性，使具有較高的承載能力和較均勻的變形，并減少地基的滲水性。通常采取的措施有壩基開挖、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿以及進(jìn)行排水減壓和斷層破碎帶處理等。（見水工基礎(chǔ)工程、地基處理）

重力壩觀測設(shè)計

為了監(jiān)視大壩和地基的工作狀況和運用安全，對重力壩需要考慮其等級、壩高、地質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式等條件，設(shè)置必要的觀測設(shè)備。因此，需對觀測的項目、內(nèi)容、方法，以及觀測設(shè)備選型和布置進(jìn)行設(shè)計。

重力壩是世界上最早出現(xiàn)的一種壩型之一。公元前2900年埃及美尼斯王朝在首都孟斐斯城附近的尼羅河上，建造了一座高15m、長240m的擋水壩。中國于公元前3世紀(jì)，在連通長江與珠江流域的靈渠工程上，修建了一座高5m的砌石溢流壩，迄今已運行2000多年，是世界上現(xiàn)存的，使用歷史最久的一座重力壩。18世紀(jì)，在法國和西班牙用漿砌石修建了早期的重力壩，橫斷面都很大，接近于梯形。1853年以后，在筑壩實踐中，設(shè)計理論逐步發(fā)展，法國工程師們開始擬出一些重力壩的設(shè)計準(zhǔn)則，如抗滑穩(wěn)定、壩基應(yīng)力三分點準(zhǔn)則等，出現(xiàn)了以三角形斷面為基礎(chǔ)的重力壩斷面。20世紀(jì)初，由于混凝土工藝和施工機械的迅速發(fā)展，在美國建造了阿羅羅克壩和象山壩等第一批混凝土重力壩。1930年以后，美國修建了高183m的沙斯塔壩和高168m的大古力壩以后，重力壩的設(shè)計理論和施工技術(shù)有了一個飛躍。在應(yīng)力計算方面，提出了重力法和彈性理論法,包括考慮空間影響的試荷載法;在構(gòu)造方面，建立了完整的分縫、排水和廊道系統(tǒng)，以及溫度、變形、應(yīng)力等觀測系統(tǒng)；在施工方面，機械化程度有了顯著增長，發(fā)展了柱狀澆筑法和混凝土散熱冷卻以及縱縫灌漿等一整套施工工藝。1950年以后，重力壩繼續(xù)得到發(fā)展，在瑞士修建了當(dāng)今世界上最高的重力壩──大迪克桑斯壩，壩高285m；在印度修建了高226m的巴克拉壩和高192m的拉克華壩；在美國修建了高219m的德沃夏克壩。蘇聯(lián)在寒冷地區(qū)多修建混凝土重力壩，如高215m的托克托古爾壩，在中國，60年代初建成高106m的三門峽重力壩和高105m的新安江寬縫重力壩；70年代建成了高 147m的劉家峽重力壩和高90.5m的牛路嶺空腹重力壩。80年代又建成了高165m的烏江渡拱形重力壩。1970年以后，世界上創(chuàng)造出碾壓混凝土壩筑壩技術(shù)。它的特點是采用干硬性混凝土，用自卸汽車運料入倉，推土機平倉，振動碾碾壓，通倉薄層澆筑，不設(shè)縱縫，不進(jìn)行水管冷卻,橫縫用切縫機切割。它具有節(jié)省水泥,簡化溫度控制和施工工藝,縮短工期,降低造價的優(yōu)點。美國威洛克里克壩（又譯柳溪壩）、日本島地川壩、中國福建坑口壩和南盤江天生橋二級水電站首部樞紐都采用了這種施工技術(shù)?？涌趬螇胃?6.8m,通倉澆筑，不設(shè)橫縫，但在迎水面增設(shè)防滲面,簡化了壩體構(gòu)造。

溢流重力壩是指通過頂部宣泄洪水的重力壩。大都布置在河床的主流部位，用導(dǎo)墻與非濫流重力壩分開。

除應(yīng)滿足強度和穩(wěn)定要求外，還要符合泄水要求，謚流面由頂部曲線、坡面直線和反弧曲線組成。溢流重力壩的，上游面應(yīng)與兩側(cè)非益流重力壩的上游面保持一致。當(dāng)需要的溢流堰頭部較寬時，可將頭部部分地懸出上游壩面之外。溢流重力壩的防參排水布置也要與兩側(cè)非益流重力壩的防滲排水布置相協(xié)調(diào)。溢流壩面的混凝土應(yīng)采用高強度混凝土并滿足平整度的要求，提高其抗沖蝕、耐磨和耐久性能。壩面在必要時采取摻氣減蝕措施 。2100433B