水利水電工程導(dǎo)論第四章

《水利水電工程導(dǎo)論》第四章?lián)跛ㄖ锏谒恼聯(lián)跛ㄖ锼^擋水建筑物是指為攔截水流、抬高水位、調(diào)蓄水量或?yàn)樽钃鹾樗簽E和海水入侵而建的水工建筑物。如攔河閘、壩、堤防、海塘等。所謂泄水建筑物是指用于排放水、泥沙、冰凌等的水工建筑物。溢洪道、溢流壩、泄水孔、泄水隧洞等是泄水建筑物的主要形式。本章主要介紹的擋水建筑物包括重力壩、拱壩、土石壩和水閘，泄水建筑物主要介紹河岸溢洪道，常也起泄水作用的水工隧洞在下一章介紹。第四章?lián)跛ㄖ锏谝还?jié)重力壩4.1重力壩重力壩是主要依靠自重維持穩(wěn)定壩型。19世紀(jì)以前，重力壩基本上都采用漿砌毛石修建，19世紀(jì)后期才逐漸采用混凝土筑壩。進(jìn)入20世紀(jì)，由于混凝土工藝和施工機(jī)械的迅速發(fā)展，重力壩的建設(shè)有了較大發(fā)展。重力壩在我國壩工建設(shè)中占有很重要的地位，目前已建成如長江三峽混凝土重力壩（高185m，附圖3）、烏江渡拱形重力壩（高165m）、劉家峽實(shí)體重力壩（高147m）、潘家口寬縫重力壩（高107.5m）以及牛路嶺空腹重力壩（高90.5m）等數(shù)十座高重力壩。4.1重力壩重力壩是在水壓力及其他外荷載作用下，主要依靠壩體自重在壩基面產(chǎn)生的摩阻力來維持穩(wěn)定的壩。利用壩體自重在水平截面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng)力以滿足強(qiáng)度的要求。一、重力壩的工作原理及特點(diǎn)圖4?1混凝土重力壩示意圖因此壩的剖面較大，—般做成上游面近于垂直的三角形剖面，且垂直壩軸線方向常設(shè)有永久伸縮縫，將壩體分成若干個獨(dú)立壩段，如圖4?1所示。4.1重力壩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)爭破壞能力均較強(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，對地基條件要求相對來說不太高；（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。

一、重力壩的工作原理及特點(diǎn)4.1重力壩

與此同時，重力壩也存在以下一些缺點(diǎn)：（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）壩體與地基接觸面積大，相應(yīng)壩底揚(yáng)壓力大，對穩(wěn)定不利。（4）施工期混凝土溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力大，對溫度控制要求高。

一、重力壩的工作原理及特點(diǎn)4.1重力壩按不同的分類原則，重力壩可分為如下一些類型：

（1）按壩的高度，可分為低壩（壩高<30m）、中壩（壩高30~70m）和高壩（壩高>70m）。

（2）按泄水條件，可分為溢流壩和非溢流壩。

（3）按筑壩材料，可分為混凝土重力壩和漿砌石重力壩。前者常用于重要的和較高的重力壩；后者可就地取材，節(jié)省水泥用量，且砌石技術(shù)易于掌握，在我國的中小型工程中仍然被廣泛采用。

二、重力壩的類型4.1重力壩

（4）按結(jié)構(gòu)形式，可分為實(shí)體重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩和預(yù)應(yīng)力重力壩等類型，如圖4?2所示。

二、重力壩的類型（b）（c）（d）（a）圖4?2重力壩的結(jié)構(gòu)形式（a）實(shí)體重力壩；（b）寬縫重力壩；（c）空腹重力壩；（d）預(yù)應(yīng)力重力壩4.1重力壩

（a）實(shí)體重力壩：是最簡單的形式，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)和施工均較方便，應(yīng)力分布也較明確；缺點(diǎn)是揚(yáng)壓力大和材料的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，工程量較大。

（b）寬縫重力壩：與實(shí)體壩相比，具有降低揚(yáng)壓力、較好利用材料強(qiáng)度、節(jié)省工程量和便于壩內(nèi)檢查及維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是施工較為復(fù)雜，模板用量較多。

（c）空腹重力壩：不但可以進(jìn)一步降低揚(yáng)壓力，而且可以利用壩內(nèi)空腔布置水電站廠房，壩

二、重力壩的類型4.1重力壩頂溢流宣泄洪水，以便解決在狹窄河谷中布置發(fā)電廠房和泄水建筑物的困難；缺點(diǎn)是腹孔附近可能存在一定的拉應(yīng)力，局部需要配置較多的鋼筋，應(yīng)力分析及施工方面也比較復(fù)雜。

（d）預(yù)應(yīng)力重力壩：是利用預(yù)加應(yīng)力措施來增加壩體上游部分的壓應(yīng)力，提高抗滑穩(wěn)定性，從而可以削減壩體剖面，但目前僅在小型工程和舊壩加固工程中使用。三、重力壩的組成及布置4.1重力壩重力壩通常由溢流壩段、非溢流壩段和兩者之間的連接邊墩、導(dǎo)墻以及壩頂建筑物（如閘墩、壩頂橋）等組成。此外，壩內(nèi)常設(shè)有各種泄水或取水管道、檢查維修用的廊道，以三、重力壩的組成及布置圖4?3重力壩布置（a）平面布置;（b）溢流壩剖面;（c）非溢流壩剖面（c）（b）（a）4.1重力壩及溢流壩、泄水管的閘門等。圖4?3為一座典型重力壩的總體布置平面圖和壩段橫剖面圖。它包括左、右岸非溢流的擋水壩段和河床中部的溢流壩段，左岸擋水壩段還布置有壩后式水電站及壩內(nèi)輸水管道。重力壩的總體布置應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件，結(jié)合樞紐其他建筑物綜合考慮。壩軸線一般布置成直線，必要時也可布置成折線或稍帶拱形的曲線，后者稱為拱形重力壩。在河谷較狹窄而洪水流量較大，且攔河壩前緣寬度不足以并列布置溢流壩段和廠房壩段時，?？刹捎弥丿B布置方式。

三、重力壩的組成及布置第四章?lián)跛ㄖ锏诙?jié)拱壩4.2拱壩早在1000年以前，人們就開始修建漿砌石拱壩，到20世紀(jì)初才開始建造混凝土拱壩。20世紀(jì)50年代以來拱壩發(fā)展迅速，近50多年來，我國修建了500多座高30m以上的拱壩，如二灘水電站（雙曲拱壩高240m，附圖6）、龍羊峽重力拱壩（高178m）、東江雙曲拱壩（高162m）、隔河巖重力拱壩（高151m）等。4.2拱壩隔河巖二灘東江龍羊峽4.2拱壩拱壩是一個空間整體結(jié)構(gòu)，在平面上呈拱形并向上游凸出，在鉛直斷面上，有時也是向上游凸出的彎曲形狀（圖4?4），可以看成由拱梁系統(tǒng)所組成。上游壩面承受的大部分或部分水壓力，通過拱的作用傳至兩岸巖體，只有小部分或部分水壓力通過懸臂梁的作用傳至壩基。這種傳力特點(diǎn)使拱壩斷面較重力壩單薄，與同樣客觀條件（如壩高、河谷形狀等）的重力壩相比，拱壩工程量可節(jié)省l/3~1/2；也使拱壩壩體的穩(wěn)定性主要依靠兩岸拱座的反力作用，而依靠壩體自重來維持穩(wěn)定的因素是次要的。一、拱壩的特點(diǎn)4.2拱壩拱壩具有如下一些特點(diǎn)：（1）穩(wěn)定特點(diǎn)壩體穩(wěn)定主要依靠兩岸拱端的反一、拱壩的特點(diǎn)圖4?4拱壩示意圖力作用。因此拱壩對壩址的地形、地質(zhì)條件要求較高，對地基處理的要求也較嚴(yán)格。（2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)拱壩屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，超載能力強(qiáng)，安全度高，當(dāng)外荷載增大或壩的某一部位發(fā)生局部開裂時，壩體的拱和梁作用將會自行調(diào)整，使壩體應(yīng)力重新分配。拱壩的超載能力可以達(dá)到設(shè)計(jì)荷載的5~11倍。4.2拱壩

（3）荷載特點(diǎn)拱壩壩身不設(shè)永久伸縮縫，溫度變化和基巖變形對壩體應(yīng)力的影響比較顯著，設(shè)計(jì)時，必須考慮基巖變形，并將溫度作用列為一項(xiàng)主要荷載。由于拱壩剖面較薄，壩體幾何形狀復(fù)雜，因此，對于施工質(zhì)量、筑壩材料強(qiáng)度和防滲要求等都較重力壩嚴(yán)格。一、拱壩的特點(diǎn)4.2拱壩1.地形條件拱壩的地形條件往往是決定壩體結(jié)構(gòu)型式、工程布置和經(jīng)濟(jì)效益的主要因素。所謂地形條件是對開挖以后的基巖面而言，千二、拱壩壩址對地形和地質(zhì)條件的要求圖4?5拱壩河谷示意圖萬不能以覆蓋層面（即原地面）作為依據(jù)（圖4?5）。

河谷形狀可分為形、形和梯形三種典型斷面。在形河谷中修建拱壩，自壩頂向壩底隨著水壓力的增加，拱的跨度逐漸減小，在壩體底部，拱的跨度顯著減小。該處雖然承壓力最大，但是拱厚4.2拱壩卻增加較多（圖4?6b）；梯形河谷的情況則介于形和形之間。二、拱壩壩址對地形和地質(zhì)條件的要求圖4?6河谷斷面形狀（a）V形河谷；（b）U形河谷4.2拱壩壩址河谷形狀的特性，常用壩頂河谷寬度L與壩高H（圖4?6）的比值L/H來表示，而壩體厚薄程度則常以壩底厚度T和壩高H的比值T/H來表示。一般認(rèn)為，T/H<0.20時稱為薄拱壩，T/H=0.20~0.40（漿砌石拱壩）或T/H=0.20~0.35（混凝土拱壩）時稱為中厚拱壩，T/H>0.40（漿砌石拱壩）或T/H>0.35（混凝土拱壩）時稱為厚拱壩（或稱重力拱壩）。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)L/H<l.5時宜建薄拱壩；L/H=1.5~3.0時宜建中厚拱壩；L/H=3.0~4.5時宜建厚拱壩。綜上，優(yōu)良的河谷斷面應(yīng)是V形、L/H值小、兩岸對稱且無突變。二、拱壩壩址對地形和地質(zhì)條件的要求4.2拱壩2.地質(zhì)條件地質(zhì)條件也是拱壩建設(shè)中的一個重要問題。拱壩對壩址地質(zhì)條件的要求比重力壩和土石壩高，河谷兩岸的基巖必須能承受由拱端傳來的推力，要在任何情況下都能保持穩(wěn)定，不致危害壩體的安全。理想的地質(zhì)條件是：基巖比較均勻、堅(jiān)固完整，有足夠的強(qiáng)度、透水性小、能抵抗水的侵蝕、耐風(fēng)化、岸坡穩(wěn)定、沒有大斷裂等。實(shí)際上很難找到?jīng)]有節(jié)理、裂隙、軟弱夾層或局部斷裂破碎帶的天然壩址，但必須查明工程地質(zhì)條件，必要時，應(yīng)采取妥善的地基處理措施。二、拱壩壩址對地形和地質(zhì)條件的要求4.2拱壩

隨著經(jīng)驗(yàn)積累和地基處理技術(shù)水平的不斷提高，即使在地質(zhì)條件較差的地基上也建成了不少高拱壩，例如，我國的龍羊峽拱壩，高178m，基巖被眾多的斷層和裂隙所切割，巖體破碎，且位于9度強(qiáng)震區(qū)。但若地質(zhì)條件復(fù)雜到難以處理，或處理工作量太大，費(fèi)用過高時，則應(yīng)另選其他壩型。二、拱壩壩址對地形和地質(zhì)條件的要求4.2拱壩按不同的分類原則，拱壩可分為如下一些類型：（1）按建筑材料和施工方法，分為常規(guī)混凝土拱壩、碾壓混凝土拱壩和砌石拱壩。

（2）按壩的高度和體形，可按厚高比、壩高、拱圈線形、壩面曲率分類。

（a）按壩高，分為高壩（壩高>70m）、中壩（壩高30~70m）和低壩（壩高<30m）。

（b）按拱圈線形，分為單心圓、雙心圓、三心圓、拋物線、對數(shù)螺旋線、橢圓拱壩等。

（c）按壩面曲率，分為單曲拱壩（只有水平向曲率）和雙曲拱壩（水平和豎直向都有曲率）。三、拱壩的類型第四章?lián)跛ㄖ锏谌?jié)土石壩4.3土石壩土石壩主要是利用當(dāng)?shù)赝潦咸钪傻囊环N擋水壩，故又稱當(dāng)?shù)夭牧蠅?。土石壩也是歷史悠久而又應(yīng)用很廣的一種壩型。我國建造土石壩的歷史可追溯到公元前600年。新中國成立以來興建的8萬多座壩中，土石壩占總數(shù)的95%以上，如小浪底水庫（壩高154m，附圖4）、天生橋一級水電站（壩高178m）、水布埡水電站（壩高233m）等。4.3土石壩由于土石壩是一種散粒體結(jié)構(gòu)，因而具有與混凝土壩不同的工作特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）穩(wěn)定方面土石壩的橫斷面呈梯形，體積龐大，在水平水壓力作用下，一般不會發(fā)生沿壩基面的整體滑動，其主要失穩(wěn)形式是壩坡滑動或壩坡連同部分地基（土基）一起滑動。

（2）滲流方面由于散粒體結(jié)構(gòu)的顆粒間存在著較大孔隙，壩體擋水后，在上下游水位差的作用下，庫水將經(jīng)過壩體及壩基（包括兩岸）向下游滲透。當(dāng)滲透坡降或滲透流速超過界限時，會引起壩體或壩基土的變形破壞，甚至土壩失事。一、土石壩的工作特點(diǎn)4.3土石壩

（3）沖刷方面土壩的抗沖能力很低，降落在壩面上的雨水部分滲入壩內(nèi)，另一部分將沿壩坡流動而沖刷壩面。水庫的風(fēng)浪對壩面也產(chǎn)生沖擊和淘刷作用，使壩面容易遭受破壞。因此，土石壩的上下游壩坡均需采取有效保護(hù)措施。

（4）沉降方面在壩體自重和水荷載的作用下，壩體和壩基（土基）都會由于壓縮變形而產(chǎn)生沉降。過大的沉降會使壩頂高程達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而影響土石壩的正常工作；過大的不均勻沉降還會引起壩體開裂，甚至造成漏水通道而威脅大壩安全。一、土石壩的工作特點(diǎn)4.3土石壩

（5）其他方面在嚴(yán)寒地區(qū)，當(dāng)氣溫很低時，庫水面結(jié)冰形成冰蓋層，與岸邊及壩坡凍結(jié)在一起，冰蓋層的膨脹，對壩坡產(chǎn)生的冰壓力可能導(dǎo)致護(hù)坡的破壞。在干旱的夏季，由于庫水位以上壩體的含水量損失，可能引起壩體干裂。一、土石壩的工作特點(diǎn)4.3土石壩土石壩之所以被廣泛采用，是因?yàn)檫@種壩型具有以下的優(yōu)點(diǎn)：（1）就地取材，可以節(jié)省大量水泥、鋼材和木材；（2）適應(yīng)地基變形能力較強(qiáng)，對地基要求比混凝土壩低；（3）施工技術(shù)簡單，工序少，便于組織機(jī)械化快速施工；（4）結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，便于管理、維修、加高和擴(kuò)建。二、土石壩的優(yōu)缺點(diǎn)4.3土石壩土石壩也存在著一些缺點(diǎn)，如：（1）壩頂一般不能溢流（低土石壩采取特殊結(jié)構(gòu)泄小流量者例外），需在河岸上另開溢洪道或其他泄水建筑物；（2）施工導(dǎo)流不如混凝土壩方便；（3）壩體工程量大，當(dāng)采用粘性土料填筑時受氣候條件的影響較大。二、土石壩的優(yōu)缺點(diǎn)4.3土石壩按不同的分類原則，土石壩可分為如下一些類型：1.土石壩按壩高分類可分為高壩（壩高>70m）、中壩（壩高30~70m）和低壩（壩高<30m）。2.按施工方法分類可分為碾壓式土石壩、沖填式土石壩、水中填土壩和定向爆破堆石壩等。應(yīng)用最為廣泛的是碾壓式土石壩。三、土石壩的類型4.3土石壩

（1）碾壓式土石壩是將土石料分層填筑碾壓而成的壩。這種筑壩方法在土石壩中用得最多。近年來碾壓堆石壩得到迅速發(fā)展。

（2）沖填式土石壩是借助水力完成土料的開采、運(yùn)輸和填筑全部工序而建成的壩。典型的沖填壩是用高壓水槍在料場沖擊土料使之成為泥漿，然后用泥漿泵將泥漿經(jīng)輸泥管輸送上壩，分層淤填，經(jīng)排水固結(jié)成為密實(shí)的壩體。這種筑壩方法不需運(yùn)輸機(jī)械和碾壓機(jī)械，工效高，成本低；缺點(diǎn)是土料的干容重較小，抗剪強(qiáng)度較低，需要平緩的壩坡，壩體土方量較大。三、土石壩的類型4.3土石壩

（3）水中填土壩是用易于崩解的土料一層一層倒入，由許多小土堤分割圍成的、靜水中填筑而成的壩。這種施工方法無需機(jī)械壓實(shí)，而是依靠土的重力進(jìn)行壓實(shí)和排水固結(jié)。該法施工受雨季影響小，工效較高，且不需要專門的重型碾壓設(shè)備，但由于壩體填土的干容重較低，孔隙水壓力較高，抗剪強(qiáng)度較小，故要求壩坡平緩，使得壩體工程量增大。三、土石壩的類型4.3土石壩

（4）定向爆破堆石壩利用定向爆破兩岸山體巖石拋向預(yù)定地點(diǎn)而形成的堆石壩。當(dāng)壩址兩岸陡峻高聳、河谷狹窄及巖石新鮮致密時，用定向爆破法修筑斜墻堆石壩是可取的。這種筑壩方法是通過專門的設(shè)計(jì)，在兩岸或一岸山體內(nèi)開挖洞室、埋放巨量炸藥，一次或數(shù)次爆破即可截?cái)嗪恿?，形成堆石壩體，然后再進(jìn)行加工填補(bǔ)，并修筑上游防滲斜墻。三、土石壩的類型4.3土石壩3.按壩體材料和防滲體布置分類

可分為以下幾種壩型：

（a）均質(zhì)土壩壩體基本上由一種透水性較弱的土料（如壤土、砂壤土等）填筑而成。壩體的整個剖面用以防滲并保持穩(wěn)定，如圖4?7a所示。

（b）心墻土壩以透水性小的防滲體布置在三、土石壩的類型圖4?7碾壓式土石壩類型4.3土石壩壩身中央，稱為心墻；而兩側(cè)以透水性較大的砂或沙礫料做壩殼，用以支撐心墻保持壩體穩(wěn)定。心墻常用粘性土構(gòu)成，稱為塑性心墻，如圖4?7b所示。也可用瀝青混凝土或鋼筋混凝土構(gòu)成，后者稱為剛性心墻，見圖4?7c。

（c）斜墻土壩防滲體位于壩的上游面，稱為斜墻；砂礫等透水性大的土料位于斜墻下游作支承體。斜墻常用粘性土料構(gòu)成，稱為塑性斜墻，如圖4?7d所示。也有用瀝青混凝土或鋼筋混凝土構(gòu)成的斜墻。

（d）多種土質(zhì)壩壩體是由透水性不同的多三、土石壩的類型4.3土石壩種土料分區(qū)組成的壩。一般有兩種布置方式，一種是土料透水性由中間向兩側(cè)逐漸加大，如圖4?7e；另一種是透水性自上游向下游逐漸增大，見圖4?7f。

（e）土石混合壩當(dāng)壩體中土料和石料各占相當(dāng)?shù)谋壤龝r，便構(gòu)成土石混合壩。主要有兩種形式，一是上游部分用土料，下游部分為堆石，如圖4?7g；另一種是中央部分用粘性土料作防滲體，上下游部分為堆石體。當(dāng)壩址附近有合宜的土石料時，選用土石混合壩是經(jīng)濟(jì)的。為改善壩三、土石壩的類型4.5河岸溢洪道在水利樞紐中，必須設(shè)置泄水建筑物。溢洪道是一種最常見的泄水建筑物，用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水，防止洪水漫溢壩頂，保證大壩安全。溢洪道可以與壩體結(jié)合在一起，也可以設(shè)在壩體以外?；炷翂我话氵m于經(jīng)壩體溢洪或泄洪。此時，壩體既是擋水建筑物又是泄水建筑物，樞紐布置緊湊、管理集中。但對于土石壩、堆石壩以及某些輕型壩，一般不容許從壩身溢流或大量泄流；或當(dāng)河谷狹窄而泄洪量大時，需要在壩體以外的岸邊或天然埡口處建造溢洪道（通常稱為岸邊溢洪道）或開挖泄水隧洞。

4.5河岸溢洪道河岸溢洪道是布置在攔河壩壩肩河岸或距壩稍遠(yuǎn)的水庫庫岸的一條泄洪通道，水庫的多余洪水經(jīng)此泄往下游河床。一般以堰流方式泄水，泄流量與堰頂溢流凈寬以及堰頂水頭的3/2次方成正比，有較大的超泄能力。堰上常設(shè)有表孔閘門控制，閉門時水庫蓄水位可達(dá)門頂高程，啟門時，水庫水位可泄降至堰頂高程，便于調(diào)洪。由于某種原因（例如受下游泄量限制或?yàn)榱私档烷l門高度），也有在堰頂閘孔上加設(shè)胸墻的，水庫水位

一、河岸溢洪道的一般工作方式4.5河岸溢洪道超過胸墻底緣一定高度時，泄流方式將由堰流轉(zhuǎn)變?yōu)榇罂卓诔隽?。中小型工程也可考慮不設(shè)閘門，這時水庫最高蓄水位只能與堰頂齊平，水位超過堰頂即自動泄洪。

一、河岸溢洪道的一般工作方式4.5河岸溢洪道河岸溢洪道的類型很多，按結(jié)構(gòu)形式分為開敞式溢洪道和封閉式溢洪道，按使用幾率分為正常溢洪道和非常溢洪