浅析水工挡水建筑物

陈亚栋　陈旺

[摘要]本文目的在于让非水利专业的学生和水利专业的新生了解有关挡水建筑物的知识，并且文中穿插了有关水利工程的历史让读者增加一些关于水利的历史知识以及我国水利发展的现状。本文主要介绍重力坝、拱坝、土石坝的原理、特点、类型等有关知识。

[关键字]水工 挡水建筑物 大坝

一、重力坝

重力坝是一种古老且应用广泛的坝型，它主要依赖坝体自生的重力来满足保持坝体的稳定，故称“重力坝”。有时为了说明重力坝的建筑材料，将把的名字说全了就是“混凝土重力坝”或“浆砌石混凝土重力坝”或“浆砌石重力坝”或“碾压混凝土重力坝”等等[1]。

根据历史记载，最早的重力坝是公元前2900年古埃及在尼罗河上修建的一座高15米、顶长240米的挡水坝。人类历史上修建的第一批堰、坝，都是利用结构自重来维持稳定，结构简单，安全可靠。

我国在公元前250年，我国李冰主持修建都江堰，成功的创造了竹笼填石壅水和泄洪的经验，建成了世界上最早的竹笼填石坝型。两千多年来都江堰灌溉面积不断发展，由一二百万亩直至今天上千万亩。

1.重力坝工作原理

重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压力来抵消有雨水压力所引起的拉应力以满足强度要求

2.重力坝的特点

他便于布置坝上溢洪道，坝内泄水孔、引水管。在上游坝面设计取水建筑物，再坝内或坝下游布置和设计水电站厂房。安全可靠重力坝剖面尺寸大，应力较小，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争破坏的能力都比较强。对地形、地质条件适应性强任何形状的河谷都可以修建重力坝，因为坝体作用于地面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低。枢纽泄洪问题容易解决重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内设置泄水孔，一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。便于施工导流在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另开设导流隧洞。施工方便大体积混凝土，可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较简便。结构作用明确重力坝沿坝轴线用横缝分成若干段，各坝段独立工作，结构作用明确，应力分析和稳定计算都比较简单。

3.重力坝的类型

1）按构造不同分为：实体重力坝，宽缝重力坝，空腹重力坝。

2）按作用不同分为：溢流重力坝，非溢流重力坝。

3）按筑坝材料的不同分为：混凝土重力坝和浆砌石重力坝。

4）按坝高可分为：高坝（大于70m）、中坝（70-30m）、低坝（小于30m）。

二、拱坝

拱坝是用混凝土或浆砌石建造的凸向上游空间壳体结构。除了坝顶是自由边外，其余周边坐落在岩基上，由基础岩体承担作用于拱坝的全部荷载（包括自重、水压和温度荷载等几个经常作用的主要荷载）。是一种经济、安全均优越的坝型。

人类修建拱坝具有悠久的历史。世界上第一座坝高12m的拱坝是法国鲍姆砌石拱坝。建于公元3世纪。13世纪伊朗建了一座高60m的砌石拱坝。在古代由于数学和力学知识贫乏，那时还谈不上拱坝设计理论。约在1837年，法国开始用圆筒理念设计左拉砌石拱坝，坝高42.5m。

新中国成立以后到1981年，据十六省不完全统计已建15m以上的拱坝818占当时世界总数的32.7%。二滩双曲拱坝高240m，居世界第四。说明我国在这时期拱坝的发展比较高的。

1.拱坝的工作原理

拱坝是平面凸向上游，三面固定的壳体挡水建筑物。他能把上游坝面水压力等荷载的大部分通过拱的作用传给两岸岩基。他不想重力坝那样利用自身自重维持稳定，而是利用筑坝材料的抗压强度和两岸拱端。

2.拱坝的特点

1）拱坝在水平外荷载作用下的稳定性主要是依靠作为拱座的两岸岩体的反力，并不全靠坝体自重来维持稳定，这是拱坝的一个主要工作特点。

2）拱坝可比重力坝节省工程量1/3～2/3；另外还可减少基础开挖，缩短泄水（引水）渠道和导流洞的长度。

3）拱坝超载能力很强，其破坏时所达到的荷载可达设计荷载的7～11倍（只要拱肩有足够的稳定性）。

4）拱坝的抗震性能好。（世界坝高100m以上的拱坝有40座建在7～8度以上的地震区）。

5）拱坝砼的标号一般高于重力坝，（百米高以上的拱坝常用200～300号砼，百米以下的拱坝常用200号砼，重力坝则用150号砼），但每方砼增加的单价一般不会超过重力坝的10～15%。

6）近年来，拱坝坝顶或表孔大流量泄洪已趋普遍，单宽流量已超过200m3/s。

7）温度荷载应列为拱坝的主要荷载，扬压力对坝体应力的影响则小，对薄拱坝可忽略之。但在计算拱肩稳定时，则应考虑扬压力。因此拱坝应力计算中三个最主要的荷载为：水平水（砂）压力、温度荷载、自重。

3.拱坝的类型

拱坝的分类大不同于其它坝型，按其厚高比特征可分为薄拱坝、一般拱坝、厚拱坝（或称重力拱坝）。按其坝体形态的特征可分为定圆心等半径拱坝（或称单曲拱坝）；等中心角变半径拱坝；变圆心变半径双曲拱坝。确定拱坝坝体剖面的主要参数有：拱弧半径、中心角、拱弧圆心沿高程的轨迹线及拱圈厚度等。

三、土石坝

土石坝是由当地土料、石料或混合料填筑而成的坝又称当地料坝。土坝是一种古老型，可上溯至公元前3000多年，但所兴建的土石坝均被洪水冲垮没有保留下来。埃及人于公元前2600年在开罗以南修建李卡法拉堆石坝，采用沙壤土夹乱石心墙、堆石坝壳、高14m，因无导流设施，施工中被冲垮。希腊在公元前1300年修建了一座大型防洪土坝工程，至今完好。中国在公元前598～591年，建立了芍坡土坝，经历代整修使用至今；公元前219年，在广州西北约450km处修建了天平堰。

均质坝（坝体主要有一种材料组成，同时起防渗和稳定作用）

分区坝（坝体有专门的防渗体，防渗体通常用防渗性能好的粘土，其位置在坝体的中间称为心墙）

人工防渗材料坝（防渗心墙采用人工防渗材料）

挡水建筑物的作用是拦截河流，提高水位或形成水库，并且还包括个中用途的水闸，以及江河海岸的堤防、海塘等。除以上挡水建筑物常见的挡水建筑物还有支墩坝与面板坝等，并且近年来碾压混凝土坝及混凝土面板坝得到了非常迅速发展。

挡水建筑物的作用是拦截河流，提高水位或形成水库，并且还包括个中用途的水闸，以及江河海岸的堤防、海塘等。除以上挡水建筑物常见的挡水建筑物还有支墩坝与面板坝等，并且近年来碾压混凝土坝及混凝土面板坝得到了非常迅速发展。

[参考文献]

[1]刘启钊，胡明，《水电站》（第4版），中国水利水电出版社。

[2]华东水利学院，华北水利水电学院，水电站【M】，北京：水利出版社，1980。

[3]王启泽，水电站建筑物【M】，北京：水利水电出版社，1987。

（作者单位：郑州大学水利与环境学院）