重力坝

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瑞士大迪克桑斯坝,世界上最高的混凝土重力坝

重力坝英语:gravity dam),在水荷载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,筑坝材料为混凝土浆砌石。在修建的大坝中,重力坝在各种坝型中往往占有较大的比重。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,对河谷形状要求不太高,对地基条件要求相对也不太高。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。

沿革

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15米、长240米的挡水坝。中国于公元前3世纪,在连通长江流域与珠江流域的灵渠工程上(广西兴安县),修建了一座高5米的砌石溢流坝,迄今已运行2 000多年,是世界上现存使用历史最久的一座重力坝。

18世纪,在法国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象山坝等第一批混凝土重力坝。1930年以后,美国修建了高183米的沙斯塔坝和高168米的大古力坝以后,重力坝的设计理论和施工技术有了一个飞跃。1950年以后,重力坝继续得到发展。1962年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285米;1973年在美国修建了高219米的德沃夏克坝;1980年在墨西哥加高修建了高260米的阿尔瓦罗奥布雷贡重力坝;1995年在印度修建了高236米的吉绍坝。吉尔吉斯斯坦1978年在寒冷地区修建了混凝土重力坝,如高215米的托克托古尔坝。

在中国,20世纪60年代初建成高106米的三门峡重力坝和高105米的新安江宽缝重力坝;70年代建成了高147米的刘家峡重力坝和高90.5米的牛路岭空腹重力坝;80年代又建成了高165米的乌江渡拱形重力坝;90年代建成了高度均为132米的漫湾和宝珠寺重力坝,1994年开始修建的三峡水利枢纽重力坝,坝高181米,混凝土总用量居世界第一。

1970年以后,世界上创造出碾压混凝土坝筑坝技术,具有节省水泥,简化温度控制和施工工艺,缩短工期和降低造价的优点。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。

分类

按结构形式分为: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形式。

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。

设计要点

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。设计要点有:①坝体断面的拟定。②溢流坝和泄水孔的布置。③稳定分析。④应力分析。

坝体构造

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15~20米。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。

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,必须设置止水。止水应具有柔性,可以用金属片、橡皮、塑料片或沥青井做成。

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2~3米,将渗水汇入廊道。

坝基处理

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。

观测设计

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。