混凝土重力壩基礎知識及設計要點

【定義】

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設計、施工技術簡單，易于機械化施工；③對不同的地形和地質(zhì)條件適應性強，任何形狀河谷都能修建重力壩，對地基條件要求相對地說不太高；④在壩體中可布置引水、泄水孔口，解決發(fā)電、泄洪和施工導流等問題。重力壩的缺點是：①壩體應力較低，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力和收縮應力大，對溫度控制要求高。

【歷史】

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，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，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計準則，如抗滑穩(wěn)定、壩基應力三分點準則等，出現(xiàn)了以三角形斷面為基礎的重力壩斷面。20世紀初，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，重力壩的設計理論和施工技術有了一個飛躍。在應力計算方面，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。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，不設縱縫，不進行水管冷卻,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�？涌趬螇胃�56.8m,通倉澆筑，不設橫縫，但在迎水面增設防滲面,簡化了壩體構造。([福建大田坑口壩，中國第一座碾壓混凝土壩，高 56.8m，1986年竣工]、[貴州遵義烏江渡水電站，拱型重力壩高165m，1983年竣工  水電站全景]、[水電站主壩，中國最高的混凝土重力壩,高147m]、[瑞士大迪克桑斯壩,世界最高的混凝土重力壩,高285m,1962年竣工]、[日本島地川壩,世界第一座碾壓混凝土壩,高90m,1980年竣工])

【分類】

重力壩按其結(jié)構形式分為:

       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：橫縫不設鍵槽，不灌漿；

       ②鉸接式重力壩：橫縫設鍵槽，但不灌漿；

       ③整體式重力壩：橫縫設鍵槽，并進行灌漿。

【設計要點】

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。設計要點擇要敘述如下。

　   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=0～0.2；壩的下游面通常為均一的坡度，一般坡度 ＝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)定和應力要求進行優(yōu)化設計，求出壩體混凝土方量為最小的優(yōu)化設計斷面，并考慮布置和運行需要，作某些修正。

　    溢流壩和泄水孔的布置　

       在進行壩體布置時，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。泄水孔口高程和尺寸應根據(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。壩下要設置消能工，應考慮地形、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，當河谷狹窄時，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)構面抗滑穩(wěn)定的安全度。當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。

　    應力分析　

       設計的壩體斷面需滿足規(guī)定的應力條件。在中國，在基本荷載組合下，重力壩壩基面的最大垂直正應力應小于壩基容許壓應力，最小垂直正應力應大于零；在地震情況下，壩基容許出現(xiàn)不大的拉應力。對于壩體應力,在基本荷載組合下,下游面最大主壓應力不大于混凝土的容許壓應力；上游面的最小主壓應力（不計揚壓力）應大于或等于0.25（為水的容重，為壩面計算點的靜水頭）。應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。理論計算方法有如下兩種。

　     ①重力法：又稱材料力學方法。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，有一套成熟的應力控制標準。重力法的主要假定是：壩體水平截面上的垂直正應力呈直線分布，其計算公式如下： [529-03]式中[529-04]和[529-05]為作用于壩段上全部荷載的法向力總和和對計算截面形心軸的力距總和； 為計算截面面積；為計算截面積對形心軸的慣性矩；為計算點到形心軸的距離。

　    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力、應變、位移關系式和全部結(jié)點平衡方程組。依靠電子計算機計算出壩體和壩基內(nèi)各點的應力和變形。對于實體重力壩的應力分析，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。

    　對于中、低壩，當?shù)刭|(zhì)條件較簡單時，可只用材料力學方法計算壩的應力。對于高壩，尤其是當?shù)刭|(zhì)條件復雜時，除用材料力學方法計算外，宜同時進行模型試驗或采用有限元法進行計算。

　   壩體構造　

       ①廊道：為了檢查壩體內(nèi)部的工作狀態(tài)，布設各種量測儀器，滿足壩內(nèi)交通和灌漿、排水的需要，在壩內(nèi)設置水平或斜向廊道或豎井。廊道沿壩高設置一層或多層，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)需要設或不設鍵槽,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。縫面設鍵槽,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，縫面一般均需進行鑿毛處理。

       ③止水：在壩體橫縫內(nèi)、陡坡壩段與基礎接觸面以及廊道和孔洞穿越橫縫處的周圍，必需設置止水。止水應具有柔性，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，中間設一瀝青井

       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、帷幕灌漿以及進行排水減壓和斷層破碎帶處理等。（見水工基礎工程、地基處理）

    　觀測設計　

       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)構形式等條件，設置必要的觀測設備。因此，需對觀測的項目、內(nèi)容、方法，以及觀測設備選型和布置進行設計。

        基本荷載

       （ 1 ） 壩體及其上固定設備的自重 

　�。� 2 ） 正常蓄水位或設計洪水位時的揚壓力 

　　（ 3 ） 相應于正常蓄水位時的靜水壓力 

　�。� 4 ） 相應于設計洪水位時的動水壓力 

       （ 5 ） 相應于正常蓄水位或設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 ）相應于校核洪水位時的揚壓力 

　�。� 3 ）相應于校核洪水位時的浪壓力 

　�。� 4 ）相應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