[拼音]：zhongliba

[外文]：gravity dam

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(jì)，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)爭破壞能力都比較強(qiáng)；

（2）設(shè)計(jì)、施工技術(shù)簡單，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)地說不太高；

（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。

沿革

重力壩是最早出現(xiàn)的一種壩型。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(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，法國工程師們開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(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)力等觀測系統(tǒng)；在施工方面，機(jī)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(diǎn)是采用干硬性混凝土，用自卸汽車運(yùn)料入倉，推土機(jī)平倉，振動(dòng)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(jī)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(jià)的優(yōu)點(diǎn)。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(jí)水電站首部樞紐都采用了這種施工技術(shù)。坑口壩壩高56.8m，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。(見彩圖)

分類

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（圖1）。

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。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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。

壩體斷面的擬定

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。

溢流壩和泄水孔的布置

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)水庫調(diào)洪計(jì)算和水力計(jì)算，結(jié)合閘門和啟閉機(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。

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。

抗剪斷強(qiáng)度公式或稱剪摩公式：

　　　　　(1)

抗剪強(qiáng)度公式或稱摩擦公式：

　　　　　(2)

式中K、K′為安全系數(shù);和分別為作用于壩體上的全部荷載對(duì)滑動(dòng)面上的法向分力和切向分力;f、f′和C′分別為滑動(dòng)面上的摩擦系數(shù)、抗剪斷摩擦系數(shù)和抗剪斷凝聚力;A為壩基截面積。目前美國、蘇聯(lián)和日本等國均趨向采用(1)式進(jìn)行計(jì)算。在中國，有關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定：當(dāng)壩基內(nèi)不存在可能導(dǎo)至沿壩基巖體內(nèi)部滑動(dòng)的軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，應(yīng)按（1）式計(jì)算沿壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。f、f′和C′值的選取應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定。

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，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)。理論計(jì)算方法有如下兩種。

（1）重力法：又稱材料力學(xué)方法。它計(jì)算簡便，適用范圍廣，已經(jīng)過模型試驗(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σ_y呈直線分布，其計(jì)算公式如下：

式中和為作用于壩段上全部荷載的法向力總和和對(duì)計(jì)算截面形心軸的力距總和；?? 為計(jì)算截面面積；J為計(jì)算截面積對(duì)形心軸的慣性矩；x為計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離。

（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)的問題，可采用三維有限元法。

對(duì)于中、低壩，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較簡單時(shí)，可只用材料力學(xué)方法計(jì)算壩的應(yīng)力。對(duì)于高壩，尤其是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，除用材料力學(xué)方法計(jì)算外，宜同時(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn)或采用有限元法進(jìn)行計(jì)算。

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(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。

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）

觀測設(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)置必要的觀測設(shè)備。因此，需對(duì)觀測的項(xiàng)目、內(nèi)容、方法，以及觀測設(shè)備選型和布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

參考書目

1. 潘家錚著：《重力壩的設(shè)計(jì)與計(jì)算》，中國工業(yè)出版社，北京，1965。
2. 汝乃華編著:《重力壩》，水利電力出版社，北京，1983。
3. 美國墾務(wù)局著，長江流域規(guī)劃辦公室譯：《重力壩設(shè)計(jì)》，水利出版社，北京，1981。(U.S.Department ofThe　Interior　Bureau of Reclamation，Design　of Gravity dams，Denver，Colorado，1976.)

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標(biāo)簽：重力壩

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