重力壩類型

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(shí)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(shí)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(lái)得到了迅速的發(fā)展。

重力壩優(yōu)點(diǎn)

重力壩之所以得到廣泛應(yīng)用,是由于有以下優(yōu)點(diǎn)：①相對(duì)安全可靠,耐久性好，抵抗?jié)B漏、洪水漫溢、地震和戰(zhàn)爭(zhēng)破壞能力都比較強(qiáng)；②設(shè)計(jì)、施工技術(shù)簡(jiǎn)單，易于機(jī)械化施工；③對(duì)不同的地形和地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，任何形狀河谷都能修建重力壩，對(duì)地基條件要求相對(duì)來(lái)說(shuō)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(wèn)題。

重力壩缺點(diǎn)

重力壩的缺點(diǎn)是：①壩體應(yīng)力較低，材料強(qiáng)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(duì)溫度控制要求高。

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(lái)滿足。

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

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(lái)滿足穩(wěn)定要求;同時(shí)依靠壩體自重產(chǎn)生的壓力來(lái)抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng)力以滿足強(qiáng)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(lái)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(jì),在各國(guó)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(guó)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。

重力壩綜述

重力壩的壩軸線一般采用直線，但有時(shí)由于地形、地質(zhì)條件的限制，采用折線或曲線。設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(jì)洪水位時(shí)的揚(yáng)壓力

（ 3 ） 相應(yīng)于正常蓄水位時(shí)的靜水壓力

（ 4 ） 相應(yīng)于設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的動(dòng)水壓力（ 5 ） 相應(yīng)于正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位時(shí)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(shí)的靜水壓力

（ 2 ）相應(yīng)于校核洪水位時(shí)的揚(yáng)壓力

（ 3 ）相應(yīng)于校核洪水位時(shí)的浪壓力

（ 4 ）相應(yīng)于校核洪水位時(shí)的動(dòng)水壓力

（ 5 ）地震荷載

（ 6 ）其他出現(xiàn)機(jī)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(yùn)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(jì)，求出壩體混凝土方量為最小的優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面，并考慮布置和運(yùn)行需要，作某些修正。

重力壩壩體布置

在進(jìn)行壩體布置時(shí)，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(kù)調(diào)洪計(jì)算和水力計(jì)算，結(jié)合閘門(mén)和啟閉機(jī)條件確定。溢流面要求有較高流量系數(shù)，同時(shí)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(shí)，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(shí)，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(jì)算方法有兩種。

重力壩應(yīng)力分析

設(shè)計(jì)的壩體斷面需滿足規(guī)定的應(yīng)力條件。在中國(guó)，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(duì)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(jì)揚(yáng)壓力）應(yīng)大于或等于0.25γH（γ為水的容重，H為壩面計(jì)算點(diǎn)的靜水頭）。應(yīng)力分析的方法可歸納為理論計(jì)算和模型試驗(yàn)兩大類。目前常用的模型試驗(yàn)方法有偏光彈性試驗(yàn)、激光全息試驗(yàn)和脆性材料試驗(yàn)。

重力壩計(jì)算方法

①重力法：又稱材料力學(xué)方法。它計(jì)算簡(jiǎn)便，適用范圍廣，已經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)和工程實(shí)踐的驗(yàn)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(diǎn)聯(lián)系的有限個(gè)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(diǎn)平衡方程組。依靠電子計(jì)算機(jī)計(jì)算出壩體和壩基內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力和變形。對(duì)于實(shí)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(wèn)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(cè)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(mén)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(gè)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(cuò)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?yàn)r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(duì)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(lái)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(kāi)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(jiàn)水工基礎(chǔ)工程、地基處理）

重力壩觀測(cè)設(shè)計(jì)

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

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(zhǎng)240m的擋水壩。中國(guó)于公元前3世紀(jì)，在連通長(zhǎng)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(yùn)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(guó)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(shí)踐中，設(shè)計(jì)理論逐步發(fā)展，法國(guó)工程師們開(kāi)始擬出一些重力壩的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如抗滑穩(wěn)定、壩基應(yīng)力三分點(diǎn)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(jī)械的迅速發(fā)展，在美國(guó)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(guó)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(jì)理論和施工技術(shù)有了一個(gè)飛躍。在應(yīng)力計(jì)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(cè)系統(tǒng)；在施工方面，機(jī)械化程度有了顯著增長(zhǎng)，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(guó)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(guó)，60年代初建成高106m的三門(mén)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(diǎn)是采用干硬性混凝土，用自卸汽車運(yùn)料入倉(cāng)，推土機(jī)平倉(cāng)，振動(dòng)碾碾壓，通倉(cāng)薄層澆筑，不設(shè)縱縫，不進(jìn)行水管冷卻,橫縫用切縫機(jī)切割。它具有節(jié)省水泥,簡(jiǎn)化溫度控制和施工工藝,縮短工期,降低造價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)威洛克里克壩（又譯柳溪壩）、日本島地川壩、中國(guó)福建坑口壩和南盤(pán)江天生橋二級(jí)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(cāng)澆筑，不設(shè)橫縫，但在迎水面增設(shè)防滲面,簡(jiǎn)化了壩體構(gòu)造。

溢流重力壩是指通過(guò)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(kāi)。

除應(yīng)滿足強(qiáng)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(shí)，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(qiáng)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(shí)采取摻氣減蝕措施 。2100433B