第六章 重力坝

第一节 概述

在人类近5000年的筑坝历史中，重力坝是最早出现的一种坝型。早在公元前2900年，埃及便在尼罗河上修建了一座高15m、顶长240m的砌石重力坝。混凝土重力坝是在砌石重力坝的基础上发展起来的。重力坝结构简单，工作可靠，至今仍是一种被广泛采用的坝型。

一、重力坝的工作条件与特点

岩基上的重力坝主要依靠其自身重量在地基上产生的摩擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵抗坝前的水压力，以保持抗滑稳定。当坝的上游面是斜面时（图6-1），还可利用坝面上一部分水重来提高抗滑稳定性。

重力坝常沿坝轴线用横缝分成独立工作的若干坝段（图6-2），结构型式类似于以地基为固端的悬臂梁。坝前水压力P在坝的任一水平截面上所产生的力矩，将使该截面上游部分产生拉应力，下游部分产生压应力［图6-1（b）］。混凝土的抗拉强度很低，在重力坝坝体内和坝与地基的结合面一般不允许出现拉应力。因此，由坝体重W和水重Q减去因渗流形成的扬压力U所产生的压应力［图6-1（c）］应足以抵消由于水压力P产生的拉应力［图6-1（d）］。

坝基和坝体材料在某种程度上都是可以透水的。水渗入地基或坝体内便形成孔隙水压力。对于接近水平的坝基面或坝体的水平截面来说，分布在截面上的向上的孔隙水压力称为扬压力。扬压力抵消了一部分坝体的重量，对坝的稳定不利；同时它也减小了上游面的压应力，对坝体的应力情况也不利。扬压力的形成和影响因素比较复杂，经过长期的观测研究，现已对它有了一定的了解，并有了控制它的方法。

图6-1所示的实体重力坝之所以长久地被全世界广泛采用，主要是因为它具有以下几方面的优点：①适于从坝顶溢流，施工期间也易于通过较低的坝块或底孔（永久的或临时的）泄流；②较之拱坝和支墩坝，断面形状简单，混凝土浇筑简易，便于机械化施工，模板数量少，且易采用定型模板；③适合于在各种气候条件下修建，在严寒地区，重力坝与拱坝或支墩坝相比，受到冻害的影响较小；④对地基的要求虽然比土石坝高，但比拱坝低；⑤设计和建造的经验比较丰富，工作可靠，使用年限较长，养护费用较低。

重力坝的主要缺点是：①坝体体积大，要消耗大量水泥，材料强度却没有被充分利用；② 由于体积大，浇筑时水泥的水化热消散困难，易产生温度裂缝，破坏坝的整体性和强度；③底面积大，作用在坝底面上的扬压力也大，减少了坝的有效重量，对坝体稳定不利；④坝体体积虽远比土石坝小，但单位体积的造价远比土石坝高。

为了发挥优点克服缺点，可以考虑改进设计方法和施工方法，如采用下部向上游倾斜的上游坝面，以改善稳定条件；在坝体的不同部位使用不同标号的混凝土材料，以节约水泥用量；采用碾压混凝土的方法筑坝，以降低水化热，加快筑坝速度等。另外，改进坝的结构型式也是一种行之有效的方法。宽缝重力坝［图6-3（b）］、空腹重力坝［图6-3（c）］、预应力重力坝［图6-3（d）］等，就是在实体重力坝的基础上发展起来的一些坝型。当然它们也存在一些不如实体重力坝的地方。

1.宽缝重力坝

一般重力坝沿坝轴线所设横缝很窄，故一般重力坝又称为实体重力坝。如果将横缝的中部加宽，则成为宽缝重力坝。宽缝的设置能使扬压力降低，可节省混凝土10%以上；由于有了宽缝，也改善了浇筑块的散热条件。但宽缝重力坝施工比较复杂，模板用量也比较多。

2.空腹重力坝

在坝内设置大型纵向空腔的重力坝，称为空腹重力坝。空腹如直接设在基岩面上，则称为腹拱坝。适当布置空腹可以减小坝底扬压力，节约坝体混凝土量，并可以调整并改善坝体应力。空腹内还可布置水电站厂房，如江西上犹江空腹重力坝和广东枫树坝。但空腹重力坝施工较困难，钢筋用量较多。

3.预应力重力坝

预应力重力坝利用受拉钢筋或钢杆对重力坝施加预应力，以增加坝身稳定，并有效地改善坝身应力分布，从而减少坝体混凝土用量。这种坝也同样存在施工复杂、钢筋用量多的缺点，目前仅在小型工程和旧坝加固工程中采用。湖北省陆水工程采用此种坝型，坝高为49m。

另有支墩坝（包括大头坝、平板坝、连拱坝），也是由重力坝发展起来的坝型，故将其纳入重力坝的介绍范围。

二、重力坝的设计理论与坝体断面

19世纪中期，法国工程师塞兹利（Sazilly）首先提出用悬臂梁理论计算重力坝应力并设计断面。此后，又经过法国的德娄克（Delocre）、英国的朗肯（Rankine）及法国的利维（Levy）对重力坝设计理论的不断完善，至19世纪末最终形成了重力坝设计的经典方法。这一方法迄今仍然有效，其所包括的基本准则可表述如下：

（1）坝体内不允许出现拉应力，即压力线应在截面的三分点以内。

（2）坝体的一部分不允许沿着其下面的坝体滑动；整个坝体不允许沿着坝基滑动。

（3）坝体或坝基所承受的最大压应力不得超过某一极限值。

一般认为，上述抗滑稳定及无拉应力原则是保证重力坝安全工作的两个主要条件。对于这两个条件，不仅在坝基截面上必须满足，在坝体的任何水平截面上也必须满足。据此进行分析研究得知，重力坝剖面的理论形状为三角形，近代修建的许多重力坝剖面也都接近这种形状。

三、重力坝的布置

重力坝通常由溢流坝段、非溢流坝段和两者之间的连接边墩、导墙以及坝顶建筑物等组成。图6-4所示为一座典型重力坝的总体平面布置图和坝段横剖面图。包括左、右岸非溢流的挡水坝段和河床中部的溢流坝段。左岸挡水坝段还布置了坝后式水电站及坝内输水管道。

重力坝总体布置应根据地形地质条件，结合枢纽其他建筑物综合考虑。坝轴线一般布置成直线，必要时也可布置成折线或稍带拱形的曲线（称为拱形重力坝）。总体布置还应注意各坝段外形的协调一致，尤其上游坝面要保持齐平。但若地形地质及运用条件有明显差别时，也可按照不同情况，分别采用不同的下游坝坡，使各坝段达到既安全又经济的目的。

在河谷较窄而洪水流量较大，且拦河坝前缘宽度不足以并列布置溢流坝段和厂房坝段时，可采用重叠布置方式。例如，在泄流坝段上同时设置溢流表孔及泄水中孔；将电站厂房设在溢流坝内，或采用坝后厂房顶溢流的布置方式。

四、重力坝设计的主要内容

重力坝设计包括以下几方面的内容：

（1）总体布置。选择坝址、坝轴线和坝的结构型式，决定坝体与两岸其他建筑物的连接方式，确定坝体在枢纽中的布置。

（2）泄水设计。通过水库调度计算，研究孔口布置和尺寸，确定泄洪组合方式、设计洪水位、校核洪水位等，进行泄水建筑物消能设施的设计以及下游防冲、雾化区保护及运行控制设计等。

（3）剖面设计。选择坝体断面，研究坝体所承受的荷载及荷载组合。进行稳定分析和应力分析（包括动力分析），优化大坝断面。制定抗震措施。稳定分析和应力分析结果也是地基处理设计和构造设计的依据。

（4）构造设计。进行坝体分区，提出各区混凝土强度等级及其性能指标。包括物理力学性能，热学性能，抗渗、抗冻、抗磨、抗蚀性能，以及混凝土材料的水灰比、水泥用量、水泥品种、骨料和外加剂等。完成重力坝构造和其他的细部设计。包括坝体内外的交通、廊道和电梯，坝体及基础的防渗和排水系统，坝内的照明和通风，坝上的闸墩、桥梁、边墩、导流墙以及栏杆，坝体外形及艺术处理等。

（5）地基处理设计。明确对坝基的开挖、防渗、排水和灌浆加固等的要求。对基岩裂隙、断层、破碎带及软弱夹层进行处理设计；研究基岩在水压力和坝体压力长期作用下的渗透、变形、管涌、岩石泥化等情况，确定必要的补强措施。研究施工期和运行期两岸岸坡的变形和稳定安全性，提出处理措施。

（6）研究其他有关国民经济部门对建筑物的要求，进行相应的布置和设计。如公路通过坝体的要求，在重力坝中设置船闸和鱼道等的要求等。

（7）监测设计。包括坝体内部和外部的监测设计，制定大坝运行、维护和监测等方面的要求及规则。

（8）混凝土温控防裂和施工设计。坝体分缝、分块、分层，缝面处理，混凝土温度控制措施等；确定坝体浇筑方式，选择主要的施工设备，完成主要的施工结构设计；安排坝体施工总进度，提出施工技术要求；选择导流方案，完成导流建筑物（围堰、导流底孔）的规划和设计，以及其他有关设计；还应研究施工期的交通和下游用水等问题。

五、重力坝的建设概况

19世纪以前建造的重力坝，基本上都采用浆砌毛石。19世纪后期，才逐步采用混凝土。在筑坝实践中，设计理论也在逐步发展。从1853年到1890年，法国先后发表了一些有关重力坝设计的论文，提出了坝体应力分析的材料力学方法和弹性理论方法。19世纪末期，通过对几个失事重力坝的分析研究，发现了作用于坝体的扬压力，此后便开始在重力坝坝体内设置排水系统。进入20世纪以后，由于混凝土工艺和施工机械的迅速发展，逐步形成了现代的混凝土重力坝，在坝内设置靠近上游面的竖直排水管，在坝基内布设灌浆帷幕和帷幕后的排水系统。为了控制混凝土开裂，在坝内设置横缝和纵缝，并在施工期采取温控措施。20世纪40年代初期，美国系统总结了重力坝的设计和施工经验。第二次世界大战后，欧美处于经济恢复时期，坝工建设力求节约工程量，拱坝和支墩坝建造得比较多，重力坝虽然修建数量的相对比例有所减少，但在技术上却继续发展。如瑞士修建了目前世界上最高的大狄克逊（Grand Dixence）重力坝，坝高达285m，并发展了分期加高的筑坝技术；意大利修建了阿尔卑吉拉（Alpa Gera）坝，应用低热水泥，取消分块浇筑，采用自卸卡车入仓卸料，推土机平仓，连续通仓浇筑，振动刀片切成伸缩缝等施工新工艺；罗马尼亚建成了127m高的山泉（Izvroul Muntelui）坝，发展了一种分层错接、斜缝不灌浆的混凝土施工方法。20世纪70年代以来，由于碾压混凝土筑坝技术的发展，进一步降低了重力坝的造价和缩短了施工工期，从而提高了重力坝在坝型选择中的竞争力，促进了重力坝的发展。

中华人民共和国成立后，水利水电建设蓬勃发展。通过建坝实践和研究，在重力坝坝体结构型式、建筑材料、枢纽布置、泄洪消能、地基处理、施工技术和设计理论等方面都有了较大的发展。据2000年不完全统计，中国已建、在建的装机容量在15MW以上的水电站中，混凝土重力坝达149座，其中坝高70m以上的混凝土重力坝共计34座，100m以上的有17座。装机容量大于250MW、已建和在建的50余座大型水电站中（不含抽水蓄能电站），34座是混凝土重力坝（或重力闸坝），其中坝高在100m以上的有15座。值得特别注意的是，经过40多年的准备和前期工作，1993年开工的举世瞩目的三峡工程，重力坝坝高175m，长2309.47m，装机容量达22500MW，是世界上最大的水电站，首批机组于2003年投产。与此同时，全国各地根据实际情况修建了大量的砌石重力坝，已建砌石重力坝坝高在15m以上、库容10万m³以上的有416座。

重力坝研究工作的发展趋向于用现代的设计理论和分析方法解决一些专门的问题。例如，用有限单元法分析坝体及坝基的应力状态，用断裂力学研究坝体裂缝的发展和稳定，重力坝在地震活动时的精确分析，复杂地基对坝体工作性态的影响，重力坝的可靠度分析，坝基渗流场与应力场相互作用的探讨，重力坝的最优化设计和各种新的泄洪消能措施的采用，以及碾压混凝土重力坝的结构和材料等，在施工技术上则着重研究温度控制的新理论和综合措施，更大型施工机械设备的研制与发展，碾压混凝土筑坝技术，以及整个施工过程的计算机调度管理等。