混凝土重力坝

摘要重力坝是一种依靠自重维持稳定的坝体,一般由混凝土或浆砌石筑成。由于混凝土可以有较高的强度和较小的透水性,混凝土重力坝在水利工程建设中占有较大的比重。 混凝土重力坝的坝轴线一般为直线,垂直坝轴线方向设有伸缩缝,将坝体分为若干个独立的坝段,以免因温度的变化和地基的不均匀沉陷引起坝体裂...

混凝土重力坝

重力坝是一种依靠自重维持稳定的坝体,一般由混凝土或浆砌石筑成。由于混凝土可以有较高的强度和较小的透水性,混凝土重力坝在水利工程建设中占有较大的比重。

混凝土重力坝的坝轴线一般为直线,垂直坝轴线方向设有伸缩缝,将坝体分为若干个独立的坝段,以免因温度的变化和地基的不均匀沉陷引起坝体裂缝,缝内设有防止漏水的止水设备。坝的横剖面基本上呈三角形,并有铅直或接近铅直的上游坝面。

混凝土重力坝的结构简单、施工方便,抵抗超标准洪水、冻害或战争等意外事故的能力较强。我国已建成的混凝土高重力坝(70m以上)有20余座,100m以上的有12座。长江三峡大坝,坝高181m。广西龙滩碾压混凝土重力坝,坝高216m。甘肃刘家峡大坝为整体式混凝土重力坝,最大坝高147m。贵州乌江渡大坝为混凝土拱形重力坝,最大坝高165m。世界上最高的混凝土重力坝是瑞士1962年建成的大狄克逊坝,坝高285m。

混凝土重力坝特点

混凝土重力坝的工作原理是主要依靠自身重量维持坝体稳定和满足强度要求,因此坝的断面较大,与其他坝型比较有以下主要特点。

(一)泄洪和施工导流比较容易解决

混凝土重力坝的断面大,所用材料的抗冲能力强,适于在坝顶溢流和在坝身设置泄水孔。在施工期间可以利用坝体导流。一般不需要在坝体以外另设溢洪道、泄洪隧洞或导流隧洞等工程。在意外情况下,即使从非溢流坝顶溢过少量洪水,一般也不会招致坝的失事,不像土石坝那样一旦洪水漫顶很快就会溃坝成灾。这是重力坝的一个最大优点。在坝址河谷狭窄而洪水泄量大的情况下,重力坝可较好地适应这种自然条件。

(二)材料强度一般不能充分发挥

重力坝的断面是根据抗滑稳定和无拉应力条件确定的,坝体内的压应力通常不大。对于中、低重力坝,即使低标号混凝土,其材料强度也未能充分利用,这是重力坝的一个主要缺点。

(三)受扬压力的影响较大

坝体和坝基在某种程度上都是透水的。在水头的作用下水将从上游通过坝基裂缝或坝体材料的空隙向下游渗透。渗透水流在坝基面和坝体内产生渗透压力,向上的渗透压力和下游水深产生的浮托力合称为扬压力。扬压力抵消部分坝体重量,对坝体的稳定和应力情况不利,故需采取各种有效措施削减扬压力,以便节省工程量。

(四)水泥用量多、需要温控散热措施

重力坝的结构简单,施工较方便,可采用机械化施工。但由于混凝土重力坝的体积大、水泥用量多、水化热大、散热条件差,一般均需温控散热措施。许多工程因温度控制不当而出现许多裂缝,有的甚至形成危害性裂缝。为避免裂缝影响坝的耐久性、抗渗性、内应力和外观,采用适当的施工方法,选用低热微膨胀水泥,减少水泥用量等措施,使温度变化和温差造成的混凝土裂缝减轻到允许的程度是非常重要的。近年来出现的碾压混凝土重力坝,可减少水泥用量、降低水化热温度、简化温控措施。

(五)对地形、地质条件的适应性较好

地形条件对重力坝影响不大,几乎任何形状的河谷断面均可建造重力坝。因为重力坝在沿坝轴线方向被横缝分割成若干独立的坝段,能较好地适应岩石物理情况的变化,一般强度的岩基均可满足要求。重力坝的这一特点,是高坝选型中的一个优越条件。

混凝土重力坝类型

按坝的高度分为高坝、中坝、低坝三类。坝高大于70m为高坝;坝高在30~70m之间的为中坝;坝高小于30m的为低坝。坝高系指坝基最低点至坝顶路面的高度。

按泄水条件,可分为溢流坝和非溢流坝。坝体内设有泄水底孔的坝段和溢流坝段可统称为泄水坝段。非溢流坝段也叫挡水坝段。

按坝的结构形式分,有实体重力坝、空腹重力坝、宽缝重力坝、宽缝填渣重力坝等。

混凝土重力坝构造

重力坝的构造设计包括坝顶构造、坝体分缝、止水、排水、廊道布置等内容。这些构造的合理选型和布置,可以改善重力坝工作性能,满足运用和施工上的要求,保证大坝正常工作。

1、坝顶构造

非溢流坝坝顶上游侧一般设有防浪墙。防浪墙宜采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构,高度一般为1.2m,防浪墙在坝体横缝处应留伸缩缝并设止水。坝顶路面一般为实体结构,并布置排水系统和照明设备,也可采用拱形结构支承坝顶路面,以减轻坝顶重量,有利于抗震。

2、坝体分缝与止水

为了适应地基不均匀沉降和温度变化,以及施工期混凝土的浇筑能力和温度控制等要求,常需设置垂直于坝轴线的横缝、平行于坝轴线的纵缝以及水平施工缝。横缝一般是永久缝,纵缝和水平施工缝则属于临时缝。

(1)横缝及止水。永久性横缝将坝体沿坝轴线分成若干坝段,其缝面常为平面,各坝段独立工作。横缝可兼作伸缩缝和沉降缝,间距(坝段长度)一般为12~20m,当坝内设有泄水孔或电站引水管道时,还应考虑泄水孔和电站机组间距;对于溢流坝段还要结合溢流孔口尺寸进行布置。

横缝内需设止水设备,止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等。高坝的横缝止水应采用两道金属止水铜片和一道防渗沥青井。对于中、低坝的止水可适当简化,中坝第二道止水片,可采用橡胶或塑料片等,低坝经论证也可仅设一道止水片。金属止水片的厚度一般为1.0~1.6mm,加工成“}”形,以便更好地适应伸缩变形。第一道止水片距上游坝面约为0.5~2.0m,以后各道止水设备之间的距离为0.5~1.0m;止水每侧埋入混凝土的长度为20~25cm。沥青井为方形或圆形,边长或内径为15~25cm,为便于施工,后浇坝段一侧可用预制混凝土块构成,井内灌注石油沥青和设置加热设备。

止水片及沥青井需伸入基岩30~50cm,止水片必须延伸到最高水位以上,沥青井需延伸到坝顶。溢流孔口段的横缝止水应沿溢流面至坝体下游尾水位以下,穿越横缝的廊道和孔洞周边均需设止水片。

(2)纵缝。为了适应混凝土的浇筑能力和减少施工期的温度应力,常在平行坝轴线方向设纵缝,将一个坝段分成几个坝块,待坝体降到稳定温度后再进行接缝灌浆。常用的纵缝形式有竖直纵缝、斜缝和错缝等。纵缝间距一般为15~30m。为了在接缝之间传递剪力和压力,缝内还必须设置足够数量的三角形键槽。

(3)水平工作缝。水平工作缝是分层施工的新老混凝土之间的接缝,是临时性的。为了使工作缝结合好,在新混凝土浇筑前,必须清除施工缝面的浮渣、灰尘和水泥乳膜,用风水枪或压力水冲洗,使表面成为干净的麻面,再均匀铺一层2~3cm的水泥砂浆,然后浇筑。国内外普遍采用薄层浇筑,浇筑块厚1.5~3.0m。在基岩表面须用0.75~1.0m的薄层浇筑,以便通过表面散热,降低混凝土温升,防止开裂。

3、坝体排水

为了减少坝体渗透压力,靠近上游坝面应设排水管幕,将渗入坝体的水由排水管排入廊道,再由廊道汇集于集水井,由抽水机排到下游。排水管距上游坝面的距离,一般要求不小于坝前水头的1/15~1/25,且不小于2m,以使渗透坡降在允许范围以内。排水管的间距为2~3m,上、下层廊道之间的排水管应布置成垂直的或接近于垂直,不宜有弯头,以便检修。

排水管可采用预制无砂混凝土管、多孔混凝土管,内径为15~25cm,见图3-14。排水管施工时用水泥浆砌筑,随着坝体混凝土的浇筑而加高。在浇筑坝体混凝土时,须保护好排水管,以防止水泥浆漏入而造成堵塞。

4、廊道布置

为了满足施工运用要求,如灌浆、排水、观测、检查和交通的需要,须在坝体内设置各种廊道。这些廊道互相连通,构成廊道系统。

(1)基础灌浆廊道。对于中高坝,通常需要设置基础灌浆廊道,以减少坝体混凝土施工和坝基帷幕灌浆之间的干扰。基础灌浆廊道的断面尺寸,应根据钻灌机具尺寸及工作要求确定,一般宽度可取2.5~3m,高度可为3.0~3.5m。断面形式采用城门洞形。灌浆廊道距上游面的距离可取0.05~0.1倍水头,且不小于4~5m。廊道底面距基岩面的距离不小于1.5倍廊道宽度,以防廊道底板被灌浆压力掀动开裂。廊道底面上、下游侧设排水沟,下游排水沟设坝基排水孔及扬压力观测孔。灌浆廊道沿地形向两岸逐渐升高,坡度不宜大于40°~45°,以便进行钻孔、灌浆操作和搬运灌浆设备。

(2)检查和坝体排水廊道。为了检查巡视和排除渗水,常在靠近坝体上游面沿高度方向每隔15~30m设置检查排水廊道。廊道断面形式多采用城门洞形,最小宽度为1.2m,最小高度为2.2m,距上游面距离应不小于0.05~0.07倍水头,且不小于3m。

混凝土重力坝材料

建造重力坝的混凝土,除应有足够的强度承受荷载外,还要有一定的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗冲耐磨性以及低热性等。

1、强度等级

混凝土按标准立方体试块抗压极限强度分为12个强度等级,用符号C表示。重力坝常用的有C7.5、C10、C15、C20、C25、C30六个级别。混凝土的强度随龄期而增加,坝体混凝土抗压强度一般采用90天龄期强度,保证率为80%;抗拉强度采用28天龄期强度,一般不采用后期强度。

2、混凝土的耐久性

混凝土的耐久性包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨、抗侵蚀等。

(1)抗渗性是指混凝土抵抗水压力渗透作用的能力。抗渗性可用抗渗等级表示,抗渗等级是用28天龄期的标准试件测定的,分为W2、W4、W6、W8、W10和W12六级。

(2)抗冻性是表示混凝土在饱和状态下能经受多次冻融循环而不破坏,同时也不严重降低强度的性能。混凝土抗冻性用抗冻等级表示,分为F50、F100、F150、F200、F300五级,一般应视气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水分饱和程度、结构构件重要性和检修的难易程度来选取。

(3)抗冲耐磨性是指混凝土抗高速水流或挟沙水流的冲刷、磨损的性能。目前对于抗磨性尚未订出明确的技术标准。根据经验,使用高等级硅酸盐水泥或硅酸盐大坝水泥拌制成的高等级混凝土,其抗磨性较强,且要求骨料坚硬、振捣密实。

(4)抗侵蚀性是指混凝土抵抗环境侵蚀的性能。当环境水有侵蚀时,应选择抗侵蚀性能较好的水泥,水位变化区及水下混凝土的水灰比,可比常态混凝土的水灰比减少0.05。为了降低水泥用量并提高混凝土的性能,在坝体混凝土内可适量掺加粉煤灰掺和料及引气剂、塑化剂等外加剂。

3、坝体混凝土分区

混凝土重力坝坝体各部位的工作条件及受力条件不同,对上述混凝土材料性能指标的要求也不同。为了满足坝体各部位的不同要求,节省水泥用量及工程费用,把安全与经济统一起来,通常将坝体混凝土按不同工作条件分为6个区。

Ⅰ区——上、下游水位以上坝体表层混凝土,其特点是受大气影响。

Ⅱ区——上、下游水位变化区坝体表层混凝土,既受水的作用也受大气影响。

Ⅲ区——上、下游最低水位以下坝体表层混凝土。

Ⅳ区——坝体基础混凝土。

Ⅴ区——坝体内部混凝土。

Ⅵ区——抗冲刷部位的混凝土(如溢流面、泄水孔、导墙和闸墩等)。

为了便于施工,选定各区混凝土强度等级时,强度等级的类别应尽量少,相邻区的强度等级相差应不超过两级,以免由于性能差别太大而引起应力集中或产生裂缝。分区的厚度一般不得小于2~3m,以便浇筑施工。

混凝土重力坝检查养护

混凝土坝的检查与养护分为运用前、运用中和特殊情况,其主要工作内容介绍如下。

(一)运用前的检查与养护

工程竣工验收期间,应了解工程设计施工情况,特别是水下部分和隐蔽工程的情况,在运用前,要根据设计资料和竣工验收规定,全面进行检查。对于施工中混凝土蜂窝、麻面、孔洞及裂缝、渗漏等缺陷,要根据严重程度分别进行表面处理、堵漏或补强处理。施工用的模板、排架及机械设备等应全部拆除收存,遗留在表面的螺栓及其他铁件,应进行割除,如在溢流面上,还应进行表面修整。泄流表面及泄流孔洞进口附近若有障碍物,如砂石、混凝土块铁件及其他杂物,均应清除干净。

(二)运用中的检查与养护

应经常检查坝面完整情况;保持排水系统的畅通;定期检查伸缩缝工作情况。防止杂物卡塞、填料流失或止水损坏;做好安全检查与防护;对各种观测设备要做好保护,如有损坏或失效,应及时进行修复或更换。

(三)特殊情况下的检查与养护

当遇到设计水位运行,低水位运行,地震、台风和寒冷冻害等特殊情况后,应立即对工程进行检查,如有缺陷,应及时养护修理;发现异常现象时,要加强观察,并记录发展情况,研究紧急处理措施。

混凝土重力坝裂缝处理

裂缝的处理方法主要有表层涂抹、喷浆修补,表层粘补,凿槽嵌补和灌浆处理等五种,应当根据裂缝的性质和具体条件进行选择。

(1)表面粘补。表面粘补就是运用粘胶剂把橡皮及其他材料粘贴在裂缝部位的混凝土面上,达到封闭裂缝的目的。常用的方法有橡皮粘补、玻璃丝布粘补、紫铜片和橡皮联合粘补等。

(2)凿槽嵌补。沿裂缝凿槽,槽内嵌填各种防水材料。嵌补材料有沥青砂浆、环氧砂浆、预缩砂浆,聚氯乙烯胶泥等。嵌补时,槽面必须修理平整、清洗干净,除预缩砂浆外,一般要求槽内干燥,否则应采取一定措施使槽内干燥后再嵌补。

(3)灌浆处理。通过钻孔对裂缝内部进行灌浆,以达到防渗堵漏或固结补强的作用。布孔方式分骑缝孔与斜孔两种。骑缝孔用于浅孔或仅需防渗堵漏的情况;斜孔与裂缝面交角大于30°,孔深超过缝面0.5m,用于深缝及骑缝孔浆液扩散范围不足的情况。常用的灌浆材料有水泥和各种化学材料,可按裂缝的性质、开度及施工条件等情况选定。对于开度超过0.3mm的裂缝一般可用水泥灌浆;开度小于0.3mm的裂缝宜用化学灌浆;对于渗透流速较大(大于600m/d)或受温度变化影响的裂缝(如伸缩缝等),不论其开度如何,均宜采用化学灌浆。

混凝土重力坝渗漏处理

混凝土坝的渗漏按其发生的部位可分为坝体渗漏、坝基渗漏、接触渗漏和绕坝渗漏四种情况。造成渗漏的原因是多方面的,如坝基存在隐患,混凝土坝体的有些裂缝、防渗及止水结构的破坏,遭遇地震及其他自然条件破坏等,都容易导致发生渗漏。渗漏的危害很大,主要表现在:渗漏将增加坝体、坝基扬压力而影响大坝的稳定性;由于渗水的侵蚀作用,混凝土强度降低,缩短大坝寿命;严重的渗漏不但造成水量损失,影响水库蓄水,而且会导致大坝变形或破坏。因此,要认真分析设计、施工和运用情况,摸清渗漏部位原因及危害程度,以提出相应的处理措施。

渗漏处理的基本原则是“上堵下排”,主要方法有以下几种情况。

(一)坝体渗漏的处理

坝体渗漏的处理,通常在迎水面封堵。首先应降低上游库水位,使渗漏入口露出水面再考虑用混凝土表面损坏和裂缝处理的方法进行修补,对于裂缝宽度随温度变化的渗漏处理,要考虑既能适应裂缝开合,又能保证封堵止水。

当迎水面处理有困难,且渗漏裂缝不影响正常运用时,也可在漏水出口处理,如采用埋管导渗和钻孔导渗等集中导渗的方法,要在裂缝封闭结束后进行凿除并予以封堵。

对于裂缝漏水,还可以用内部灌浆的方法处理,以充填漏水通道,达到堵漏的目的。

(二)坝基(或接触)渗漏的处理

混凝土坝的坝基(或接触)渗漏的处理,根据其产生的原因不同,有以下几种相应的处理方法。

(1)加深加厚帷幕。由于帷幕深度不够时应加大原帷幕深度。如孔距过大,还要加密钻孔,进行补强灌浆。

(2)接触灌浆处理。一般钻至基岩以下2m处进行灌浆,主要是加强坝与基岩之间的接触,如该部位需要同时做帷幕补强灌浆时,应结合进行。

(3)固结灌浆处理。当原有顺河方向的断层破碎带贯穿坝基,造成渗漏时,除在该处加深加厚帷幕外,还应根据破碎带构造情况增设钻孔,进行固结灌浆。

(4)改善排水条件。当查明排水不畅时或排水堵塞时,应设法疏通,必要时增设排水孔以改善排水条件。

(三)绕坝渗漏的处理

绕坝渗漏的处理,一般是在上游面封堵,也可以进行灌浆处理。对于地下泉水引起的渗漏,如入口难以找到,可根据地形地质情况,采用铺设反滤层或打导洞等方法将水引出。

混凝土重力坝损坏处理

混凝土表面损坏现象主要包括表面蜂窝、麻面、表层裂缝、松软、剥落、钢筋外露或锈蚀等。表面损坏如不及时处理,会继续扩大,缩短建筑物使用寿命,严重时会削弱结构强度,甚至使建筑物失效而破坏。因此,应及时处理进行修补,避免和减少损坏的扩大。混凝土表面常用的修补处理方法有以下几种。

1、水泥砂浆修补

首先要清除已损坏的混凝土,凿毛、清洗,在工作面湿润的情况下,将砂浆抹到修补部位,反复压光后进行养护。

2、预缩砂浆修补

预缩砂浆是一种干硬性砂浆,按一定配合比拌和好,放置30~90min,使其预缩后再使用。这种砂浆具有较高的强度,收缩性小,施工方便,用于高流速区混凝土表层修补和工作量不大的情况,铺填前,要凿毛、清洗,先刷一层水泥浆,然后将预缩砂浆分层铺填,分层厚为4~5cm,用木锤敲紧,直至表面出浆为止,刷毛后再铺填第二层,最后一层的表面要反复压实抹光,并进行专门养护。

3、喷浆修补

喷浆修补就是将水泥、砂和水的混合料通过喷头高压喷射到修补部位。喷浆修补分刚性喷浆、柔性喷浆和无筋素喷浆三种情况。刚性喷浆是喷浆层有承受结构中全部或部分应力的金属网;柔性喷浆是喷浆层中的金属网只起加固联结作用,不承担结构应力;无筋素喷浆多用于浅层缺陷部分的修补。

4、喷混凝土修补

喷混凝土修补的部位,密度及抗渗能力比一般混凝土大,强度高、黏着力大,而且具有快速、高效,不用模板等优点。为防止喷射混凝土脱落,可掺用适量速凝剂。为防止发生裂缝可在喷混凝土中掺入用冷拔钢丝或镀锌铁丝制成的钢纤维。

5、压浆混凝土修补

将有一定级配的洁净粗骨料预先埋入模板中,并埋入灌浆管,然后通过灌浆管用泵把水泥砂浆压入粗骨料间的空隙中胶结而成为密实的混凝土。压浆混凝土的收缩率小,而且减少了拌和工作量,主要用于钢筋稠密、埋件复杂、不易振捣的部位以及水下修补等,但对模板要求较高,应防止发生质量事故。

6、环氧材料修补

环氧材料具有强度高,粘结力大,收缩率小,抗冲耐磨,抗蚀、抗渗和化学稳定性好的优点。用于混凝土表面修补的有环氧基液、环氧石英膏、环氧砂浆和环氧混凝土等。环氧材料有毒易燃,种类和配方较多,因此,根据工程具体结合当地条件选用,并严格按照一定的工艺过程进行。

混凝土重力坝安全监测

1、变形监测

(1)水平位移监测。坝体表面的水平位移可用视准线法或三角网法施测,前者适用于坝轴线为直线、顶长不超过600m的坝。后者可用于任何坝型。

视准线法是在两岸稳固岸坡上便于监测处设置工作基点,在坝顶和坝坡上布置测点,利用工作基点间的视准线来测量各测点的水平位移。三角网法是利用2个或3个已知坐标的点作为工作基点,通过对测点交会算出其坐标变化,从而确定其位移值。较高混凝土坝坝体内部的水平位移可用正垂线法、倒垂线法或引张线法量测。

2、裂缝监测

混凝土建筑物的裂缝是随荷载环境的变化而开合的。监测方法是在测点处埋设金属标点或用测缝计进行。需要监测空间变化时,也可埋设“三向标点”。裂缝长度、宽度、深度的测量可根据不同情况采用测缝计、设标点、千分表、探伤仪以至坑探、槽探或钻孔等方法。

3、应力及温度监测

在混凝土建筑物内设置应力、应变和温度监测点能及时了解局部范围内的应力、温度及其变化情况。

应力(或应变)的离差比位移要小得多,作为安全监控指标比较容易把握,故常以此作为分级报警指标。应力属建筑物的微观性态,是建筑物的微观反映或局部现象的反映。变位或变形则属于综合现象的反映。我国大坝安全监测经验表明:应力、应变监测比位移监测更易于发现大坝异常的先兆。

应力、应变测量埋件有应力或应变计,钢筋、钢板应力计,锚索测力器等都需要在施工期埋设在大坝内部,对施工干扰较大,且易损坏,更难进行维修与拆换,故应认真埋置。

4、渗流监测

坝基扬压力监测多用测压管,也可采用差动电阻式渗压计。测点沿建筑物与地基接触面布置。坝体内部渗透压力可在分层施工缝上布置差动电阻式渗压计。

土石坝与混凝土重力坝连接

土石坝与混凝土重力坝常采用插入式连接。

这种连接形式结构简单,从混凝土坝与土石坝的连接部位开始,混凝土坝的断面逐渐缩小,最后成为刚性心墙插入土石坝心墙内。如美国的夏斯塔坝,在坝高48m处与土坝连接,断面逐渐变化,最后形成顶宽1.5m,底宽3.0m的混凝土心墙伸入河岸地基。

这种连接形式,土石坝的坡脚要向混凝土坝方向延伸较长,故对中、高坝不适于直接与混凝土溢流坝相连接。从抗震观点看,土与混凝土两种性质不同的结构地震时易于分离,插入部分断面变化易引起应力集中,结合部位施工不便,开裂后自愈作用小,修复困难。特别是对于高坝,采用高插入墙,根据受力条件,每隔一定高度需设置柔性铰,结构也比较复杂。但因插入式连接结构简单,对于低坝尚有一定的适用性。我国三道岭水库,坝高24m,与土坝黏土心墙连接处坝高17m,采用插入式连接。海城地震时该坝地震烈度为8度,震中距18km,地震时水位距坝顶7m,震后发现土坝坝顶有一条延伸很长的宽大裂缝,缝宽3~15cm,混凝土插入墙外土坡锥体沉降60~70cm,墙两侧黏土心墙下沉8cm,并在接触面上形成裂缝,缝的深度达1m以上,运用中未发现漏水异常,说明这种结构形式具有一定的抗震能力。

 

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