重力坝

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简介

重力坝是一种应用广泛的坝型,通常修建在岩基上,用混凝土或浆砌石筑成。坝轴线一般为直线,垂直坝轴线方向设有永久性横缝,将坝体分为若干个独立坝段,以适应温度变化和地基不均匀沉陷,坝的横剖面基本上是上游近于铅直的三角形。

重力坝

原理

重力坝的工作原理是在水压力及其他荷载的作用下,主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来满足稳定要求;同时也依靠坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力,以满足强度要求。

特点

重力坝的根本特点是,在巨大的水压力(静水压力、扬压力为主)作用下,主要依靠坝体自重产生的抗剪(滑)力来维持稳定(不移动、不倾倒、不浮起)。所以其基本剖面型式是固结于地基的三角形,上游面为铅直或稍有倾斜,具有重心低,底面大,应力小,稳定性最好的特点。

与其他坝型比较,其主要优点如下。

(1)结构作用明确,设计方法简便。重力坝沿坝轴线用横缝将坝体分成若干个坝段,各坝段独立工作,结构作用明确,稳定和应力计算都比较简单。

(2)泄洪和施工导流比较容易解决。重力坝的断面大,筑坝材料抗冲刷能力强,适用于在坝顶溢流和坝身设置泄水孔。在施工期可以利用坝体或底孔导流。枢纽布置方便紧凑,一般不需要另设河岸溢洪道或泄洪隧洞。在意外的情况下,即使从坝顶少量过水,一般也不会招致坝体失事,这是重力坝最大的优点。

(3)结构简单,施工方便,安全可靠。坝体放样、立模、混凝土浇筑和振捣都比较方便,有利于机械化施工。而且由于剖面尺寸大,筑坝材料强度高,耐久性好,因此抵抗水的渗透、冲刷,以及地震和战争破坏的能力都比较强,安全性较高。

(4)对地形、地质条件适应性强。地形条件对重力坝的影响不大,几乎任何形状的河谷均可修建重力坝。由于坝体作用于地基面上的压应力不高,所以对地质条件的要求也较低。重力坝对地基的要求虽比土石坝高,但低于拱坝支墩坝,无重大缺陷、一般强度的岩基均可满足要求。

(5)受扬压力影响较大。坝体和坝基在某种程度上都是透水的,渗透水流将对坝体产生扬压力。由于坝体和坝基接触面较大,故受扬压力影响也大。扬压力的作用方向与坝体自重的方向相反,会抵消部分坝体的有效重量,对坝体的稳定和应力不利。

(6)材料强度不能充分发挥。由于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,使材料强度得不到充分发挥,这是重力坝的主要缺点。

(7)坝体体积大,水泥用量多,一般均需采取温控散热措施。许多工程因施工时温度控制不当而出现裂缝,有的甚至形成危害性裂缝,从而削弱坝体的整体性能。

类型

重力坝通常根据坝的高度、筑坝材料、泄水条件和断面的结构型式进行分类。

(1)按坝的高度分类,可分为高坝、中坝、低坝三类。坝高大于70m的为高坝,坝高在30~70m之间的为中坝,坝高小于30m的为低坝。坝高指的是坝体最低面(不包括局部深槽或井、洞)至坝顶路面的高度。

(2)按筑坝材料分类,可分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝。一般情况下,较高的坝和重要的工程经常采用混凝土重力坝,中、低坝则可以采用浆砌石重力坝。

(3)按泄水条件分类,可分为溢流坝和非溢流坝。坝体内设有泄水孔的坝段和溢流坝段统称为泄水坝段。非溢流坝段也可称为挡水坝段。

(4)按施工方法分类,可分为浇筑式混凝土重力坝和碾压式混凝土重力坝。

(5)按坝体的结构型式分类,可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝。

国内一些地方还发展了硬壳坝、填渣坝等坝型。硬壳坝是用干砌石或堆石代替实体重力坝内低应力部分的坝体,外包为浆砌块石或条石或混凝土的硬壳;填渣坝的作用原理与硬壳坝相同,却是在坝内留有空格或宽缝供填渣之用。

荷载

作用在重力坝上的主要荷载有:坝体自重、上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压力或冰压力、泥沙压力以及地震荷载等。按其性质可分为基本荷载和特殊荷载两种。

基本荷载

(1)坝体及其上永久设备的自重。(2)正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力。(3)相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力。(4)泥沙压力。(5)相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力。(6)冰压力。(7)土压力。(8)相应于设计洪水位时的动水压力。(9)其他出现机会较多的荷载。

特殊荷载

(1)校核洪水位时的静水压力。(2)相应于校核洪水位时的扬压力。(3)相应于校核洪水位时的浪压力。(4)相应于校核洪水位时的动水压力。(5)地震荷载。(6)其他出现机会很少的荷载。

荷载组合

作用在重力坝上的各种荷载,除坝体自重外,都有一定的变化范围。例如,在正常运行、放空水库、设计或校核洪水等情况下,其上下游水位就不相同。当水位发生变化时,相应的水压力、扬压力亦随之变化。又如,在短期宣泄最大洪水时,就不一定会同时发生强烈地震。再如,当水库水面封冻,坝面受静冰压力作用时,波浪压力就不存在。因此,在进行坝的设计时,应按“可能性和最不利”的原则把各种荷载组合成不同的设计情况,然后用不同的安全系数对坝体的稳定和强度进行验算,以妥善解决安全和经济的矛盾。

荷载组合情况分为两大类:一类是基本组合,指水库处于正常运用情况下可能发生的荷载组合,又称设计情况,由基本荷载组合而成;另一类是特殊组合,指水库处于非常运用情况下的荷载组合,又称校核情况,由基本荷载和一种或几种特殊荷载组合而成。

地基处理

重力坝承受较大的荷载,对地基的要求较高,它对地基的要求介于拱坝和土石坝之间。除少数较低的重力坝可建在土基上之外,一般须建在岩基上。然而天然基岩经受长期地质构造运动及外界因素的作用,多少存在着风化、节理、裂隙、破碎等缺陷,在不同程度上破坏了基岩的整体性和均匀性,降低了基岩的强度和抗渗性。因此必须对地基进行适当的处理,以满足重力坝对地基的要求。这些要求包括:①具有足够的强度,以承受坝体的压力;②具有足够的整体性、均匀性,以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷;③具有足够的抗渗性,以满足渗透稳定,控制渗流量;④具有足够的耐久性,以防止岩体性质在水的长期作用下发生恶化。

重力坝的地基处理一般包括坝基开挖清理,对基岩进行固结灌浆和防渗帷幕灌浆,设置基础排水系统,对特殊软弱带如断层、破碎带进行专门的处理等。

1.地基的开挖与清理

坝基开挖与清理的目的是使坝体坐落在稳定、坚固的地基上。开挖深度应根据坝基应力、岩石强度及完整性,结合上部结构对地基的要求和地基加固处理的效果、工期和费用等研究确定。我国现行重力坝设计规范要求,凡100m以上的高坝须建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上;50~100m的坝可建在微风化至弱风化中部基岩上;坝高小于50m时,可建在弱风化层中部或上部基岩上。同一工程中,两岸较高部位的坝段,其利用基岩的标准可比河床部位适当放宽。

坝基开挖的边坡必须保持稳定;在顺河方向,各坝段基础面上、下游高差不宜过大,为有利于坝体的抗滑稳定,可开挖成略向上游倾斜;两岸岸坡应开挖成台阶形,以利于坝块的侧向稳定;基坑开挖轮廓应尽量平顺,避免有高差悬殊的突变,以免应力集中造成坝体裂缝;当地基中存在有局部工程地质缺陷时,也应予以挖除。

为保持基岩完整性,避免开挖爆破振裂,基岩应分层开挖。当开挖到距设计高程0.5~1.0m的岩层时,宜用手风钻造孔,小药量爆破。如岩石较软弱,也可用人工借助风镐清除。基岩开挖后,在浇筑混凝土前,需进行彻底的清理和冲洗。对易风化、泥化的岩体,应采取保护措施,及时覆盖开挖面。

2.坝基的固结灌浆

在重力坝工程中采用浅孔低压灌注水泥浆的方法对地基进行加固处理,称为固结灌浆。固结灌浆的目的是提高基岩的整体性和强度,降低地基的透水性。现场试验表明,在节理裂隙较发育的基岩内进行固结灌浆后,基岩的弹性模量可提高2倍甚至更多,在帷幕灌浆范围内先进行固结灌浆可提高帷幕灌浆的压力。

固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近,以及节理裂隙发育和破碎带范围内。灌浆孔呈梅花形布置,孔距、排距和孔深根据坝高、基岩的构造情况确定,一般孔距3~4m,孔深5~8m。帷幕上游区的孔深一般为8~15m,钻孔方向垂直于基岩面。当无混凝土盖重灌浆时,压力一般为0.2~0.4MPa(2~4kg/cm2),有盖重时为0.4~0.7MPa,以不掀动基础岩体为原则。

3.帷幕灌浆

帷幕灌浆的目的是降低坝底的渗透压力,防止坝基内产生机械或化学管涌,减少坝基和绕渗渗透流量。帷幕灌浆是在靠近上游坝基布设一排或几排深钻孔,利用高压灌浆充填基岩内的裂隙和孔隙等渗水通道,在基岩中形成一道相对密实的阻水帷幕。帷幕灌浆材料目前最常用的是水泥浆,水泥浆具有结石体强度高、经济和施工方便等优点。在水泥浆灌注困难的地方,可考虑采用化学灌浆。化学灌浆具有很好的灌注性能,能够灌入细小的裂隙,抗渗性好,但价格昂贵,又易造成环境污染,使用时需慎重。

防渗帷幕的深度应根据基岩的透水性、坝体承受的水头和降低坝底渗透压力的要求确定。当坝基下存在可靠的相对隔水层时,帷幕应伸入相对隔水层内3~5m。不同坝高所要求的相对隔水层的透水率q(1m长钻孔在1MPa压水压力作用下,1min内的透水量)应采取下列不同标准:坝高在100m以上,q=1~3Lu;坝高在50~100m之间,q=3~5Lu;坝高在50m以下,q=5Lu。如相对隔水层埋藏很深,帷幕深度可根据降低渗透压力和防止渗透变形的要求确定,一般可在0.3~0.7倍水头范围内选取。

防渗帷幕的排数、排距及孔距,应根据坝高、作用水头、工程地质、水文地质条件确定。在一般情况下,高坝可设两排,中坝设一排。当帷幕由两排灌浆孔组成时,可将其中的一排钻至设计深度,另一排可取其深度的1/2左右。帷幕灌浆孔距为1.5~3.0m,排距宜比孔距略小。

帷幕灌浆需要从河床向两岸延伸一定的范围,形成一道从左到右的防渗帷幕。当相对不透水层距地面较近时,帷幕可伸入岸坡与相对不透水层相衔接。当两岸相对不透水层很深时,帷幕可以伸到原地下水位线与最高库水位相交点B附近。在最高库水位以上的岸坡可设置排水孔以降低地下水位,增加岸坡的稳定性。

帷幕灌浆必须在浇筑一定厚度的坝体混凝土作为盖重后进行,灌浆压力由试验确定,通常在帷幕孔顶段取1.0~1.5倍的坝前静水压强,在孔底段取2~3倍的坝前静水压强,但应以不破坏岩体为原则。

4.坝基排水设施

为了进一步降低坝底扬压力,需在防渗帷幕后设置排水系统,如图3-18所示。坝基排水系统一般由排水孔幕和基面排水组成。主排水孔一般设在基础灌浆廊道的下游侧,孔距2~3m,孔径15~20cm,孔深常采用帷幕深度的0.4~0.6倍,方向则略倾向下游。除主排水孔外,还可设辅助排水孔1~3排,孔距一般为3~5m,孔深为6~12m。若基岩裂隙发育,还可在基岩表面设置排水廊道或排水沟、管作为辅助排水。排水沟、管纵横相连形成排水网,增加排水效果和可靠性。并在坝基上布置集水井,渗水汇入集水井后,用水泵排向下游。