水电站大坝之 --- 重力坝

水电站大坝有多种，根据抵抗水头压力的机制不同，可分为重力坝、拱坝与支墩坝。本期介绍重力坝。

　　重力坝（Gravity Dam）

重力坝是在水压力及其他外荷载作用下，主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。

重力坝是由混凝土或浆砌石修筑的大体积档水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体由若干坝段组成。见图1。

图1--实体重力坝

重力坝是世界上最早出现的一种坝型之一。公元前3世纪，中国在连通长江与珠江流域的灵渠工程上，修建了一座高5m的砌石溢流坝，迄今已运行2000多年，是世界上现存的，使用历史最久的一座重力坝。

灵渠工程（图片来源于网络）

据统计，在各国修建的大坝中，重力坝在各种坝型中往往占有较大的比重。中国20座高100m以上的高坝中，混凝土重力坝就有10座。

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、地震和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，对地基条件要求相对来说不太高；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。

　　重力坝按筑坝材料的不同分为：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。

　　重力坝按其结构形式分为: ① 实体重力坝; ② 宽缝重力坝；③ 空腹重力坝。

　　实体重力坝 （Solid Gravity Dam）

重力坝坝体是实心的，称为实体重力坝。实体重力坝对地形、地质条件适应性强，剖面大、自重大使其稳重，分段结构使其有较强的抗地震、抗战争破坏能力。图1是重力坝剖面示意图。

中国第一大水电站，世界第一大水电站三峡水电站坝高181米，是混凝土实体重力坝，见图2。

图2 三峡大坝--混泥土实体重力坝

中国第三大水电站，世界第五大水电站也是混凝土实体重力坝。见图3。

图3--建设中的向家坝水电站

实体重力坝的缺点主要是建筑材料用量大，工程量大，而且坝中部许多材料仅起填充、加重作用，对坝体强度贡献很小。坝体与坝基接触面积大，坝底的扬压力也大，不利于坝体的稳定。

*坝底的扬压力（Uplift Pressure）是上游蓄水渗透到坝体与坝基之间的缝隙产生的压力，其向上的作用力会抵消部分坝体重量，影响坝体稳定。

为有效利用建筑材料的强度，减少材料消耗，减小坝低扬压力，采用减少坝体中部材料的方法，这就有宽缝重力坝与空腹重力坝。

　　宽缝重力坝（Slotted Gravity Dam）

宽缝重力坝就是把坝的横缝（内部部分）加宽，也就是把每节坝体的内部部分减薄，使两节坝体间的横缝加宽。图4是宽缝重力坝结构示意图，在右边图中把靠前的4个坝体水平剖开，可清楚看到每段坝体间的宽缝。

宽缝重力坝坝体比实体重力坝可节省建筑材料10%至20%，坝体与坝基接触面积相对小一些，坝基中的渗透水可从宽缝处排出，使坝低扬压力减小。施工时可根据各坝段地质条件采用不同的缝宽。

宽缝重力坝的主要缺点是施工模板的种类与数量相对实体重力坝要增加，施工难度增大，工作量增大。

图4--宽缝重力坝

我国新安江水电站采用宽缝重力坝，坝高105米，见图5；潘家口水电站采用宽缝重力坝，坝高107.5米；还有丹江口、古田四级、黄龙滩等水电站也采用宽缝重力坝。

图5--新安江水电站

　　空腹重力坝（Hollow Gravity Dam）

空腹重力坝的下部中间部分是空心的，空洞部分称为腹孔，坝体重量通过前腿与后腿传给坝基，见图6，空腹重力坝比宽缝重力坝进一步降低扬压力，而且可利用腹孔作为水电站厂房。

空腹重力坝的主要缺点是结构复杂，施工技术复杂，施工模板的种类与数量多，钢筋等材料多。

图6--空腹重力坝

广东枫树坝空腹宽缝重力坝最大坝高93.3米，坝顶长418米，坝底最大宽度87.1米，空腹高31.25米，宽25.5米，水电站厂房在坝内空腹中。

图7--枫树坝空腹重力坝

重力坝按泄水条件可分为溢流重力坝和非溢流重力坝两种剖面。

溢流重力坝（Overflow Gravity Dam）

图8--坝顶溢流式重力坝

图9是溢流重力坝结构示意图，图中右侧是非溢流重力坝（non-overflow gravity dam），左侧4段是坝顶溢流式重力坝。溢流重力坝分成多段，每段间设有闸墩，闸墩间安装有闸门，在闸墩上方是公路桥，在桥面上还有闸门启闭机负责闸门的启闭（图中未表示）。这种坝顶溢流孔也称为表孔。

在溢流重力坝与非溢流重力坝之间有导水墙，防止溢流漫到非溢流坝段。在溢流坝下游面的尾端有向前上方的挑角，可对泄出的水进行消能减速，以保护下游河床。

图9--溢流重力坝结构

有些水电站的溢流重力坝同时是空腹重力坝，枫树坝水电站的溢流重力坝内是发电机厂房，泄水从厂房上方流过，图7显示枫树坝水电站有2个泄水孔在泄水。图5是新安江水电站坝顶泄水时的照片。

　　大孔口溢流式重力坝

把溢流孔设在上游正常水位线以下，溢流孔上方用胸墙拦水，见图11左图，升起闸门则进行泄水，见图11右图。由于孔口低，库内水位可调节范围大，在大洪水来前可腾出较大的防洪库容。大孔口溢流式重力坝的主要缺点是不利于洪水中漂浮物的排出。

图11 --大孔口溢流式重力坝

深式泄水孔水坝在非溢流坝或溢流坝的坝体下方设置排水孔，既可排泄泥沙又可用于放空水库。见图12。

图12--深式泄水孔水坝

一般采用坝下泄洪深孔的大坝同时具有坝顶溢流的功能，三峡大坝的泄洪坝段就同时具有坝顶溢流表孔与坝下泄洪深孔，共有22个表孔、23个深孔，相隔而设。进行泄流的主要方式是坝下深孔泄流，在泄流的同时把上游泥沙带走，避免大量泥沙淤积在库内，图13是上游看三峡大坝的照片，此时尚未正式蓄水，可看到泄洪深孔与表孔。图14是三峡大坝深孔泄流的照片。

图13--三峡大坝泄洪孔

图14--三峡大坝深孔泄流

按照混凝土的施工方式，重力坝分为常态混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝。其中碾压混凝土重力坝由于施工方便，技术经济指标优越，近年来得到了迅速的发展。

　　碾压混凝土重力坝（RCC Gravity dam）是二十世纪八十年代以来发展较快的一种新的筑坝技术，其是把土石坝施工中的碾压技术应用于混凝土坝，采用自卸汽车或皮带输送机将干硬性混凝土运到仓面，以推土机平仓，分层填筑，振动压实成坝。

1980年在日本建成岛地川坝（坝高89米）为世界上第一座碾压混凝土重力坝。1986年中国建成了高56.8米的福建坑口碾压混凝土重力坝。