重力坝的优缺点以及工作原理

侯冉冉

摘 要：水是人类赖以生存和发展不可替代的自然资源，同时也是维系生态平衡，决定环境质量状况最积极和最活跃的自然因素。在国外较早采用水资源（water resources）这一概念的是美国地质调查局。1894年美国地质调查局设立了水资源处，其主要业务范围是对地表河川径流和地下水进行观测。在国内，我国是多河流分布国家，但水资源不仅在地域上分布很不均匀，而且在时间上分配也很不均匀。因此水利规划乃国计民生大事。

关键词：重力坝 优缺点 工作原理

在兴水利的历程中，重力坝是一种最常用的坝型。人类修建坝的历史可追溯到数千年前。重力坝是最早出现的一种坝型。公元前2900年埃及美尼斯王朝在首都孟斐斯城附近的尼罗河上，建造了一座高15m﹑长240m的挡水坝。中国于公元前3世纪﹐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。18世纪﹐在法国和西班牙用浆砌石修建了早期的重力坝，横断面都很大，接近于梯形。当前，重力坝仍然是世界众多水坝的主要组成部分。重力坝是用混凝土或石料等材料建筑，主要依靠坝体自重保持稳定的坝。其工作原理是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应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求，重力坝基本剖面呈三角形[3]。

重力坝是国内外最常用的一种坝型，占世界大坝的50%左右，有着很多优点，值得因地适宜的去选用它。

（1）结构作用明确，设计方法简单，安全可靠。重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，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。重力坝剖面尺寸大，坝内应力低，而筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵御洪水漫顶、渗流、地震和战争破环的能力都比较强。据统计，在各种坝型中重力坝的失事率是较低的。

（2）对地形、地质适应性较强。任何形状的河谷都适合修建重力坝。因为坝体作用于地基面上的压应力不大，所以对地质要求较拱坝低，甚至可以在土基上修建高度不大的重力坝。

（3）枢纽泄洪问题容易解决。重力坝可以做成溢流的，也可以在坝身不同高度设置泄水孔，一般不用另行设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。

（4）便于施工导流。在施工期可以用坝体导流，一般不需另设导流隧洞。

（5）施工方便。大体积混凝土可以采用机械施工 ，在放样、立模和混凝土浇筑方面都比较简单，并且补强、修复、维护或扩建也比较方便。

重力坝有很多优点，但也不可避免的存在一些缺点：重力坝坝体剖面尺寸大，材料用量多。坝体应力较低，材料强度不能够充分发挥。坝体与地基接觸面积大，相应坝底扬压力大对稳定不利。坝体体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩将产生不利的温度应力和收缩应力，因此在浇筑混凝土时，需要有较严格的温度控制措施。混凝土不同于钢材和好木材，其温度变化过程中还伴随着性质的变化，即使是早期的升温和后期的降温相同，也会产生很大的拉应力。混凝土块体由早期水化热温升产生的压应力很小，而后期降温产生的拉应力很大。在分析计算混凝土块体温度应力时，由于升温阶段的压应力很小，往往被忽略不计。混凝土是抗拉强度仅为抗压强度的1/10～1/14的脆性不均质体，因而抵抗温度拉应力的能力很低。

重力坝虽然结果简单，然而人们对它的工作原理，结构性态的认识却经历了一个漫长的过程。19世纪中期法国工程师塞兹利首先提出了用悬臂梁理论计算重力坝应力并设计断面，随着这一重力坝理论的诞生，重力坝的历史便进入了一个崭新的阶段——近代重力坝阶段。德娄克则将塞兹利的理论首次用于实践，成功的建造了世界上第一座近代重力坝——富伦斯坝。继而朗肯是用数学方法研究重力坝断面的第三位巨匠。他指出“在接近上下游坝面边缘处的最大压力的方向应该与坝面相切，除非坝面是铅直的用以往的方法所计算出的压力将不会是总压力而只是其垂直分力”。塞兹利重力坝设计理论经过不断的完善，到19世纪末加上关于扬压力的“利维准则”之后，形成了重力坝设计的经典方法[8]。沿用至今的基本准则可表述为：

（1）坝体或坝基所承受的最大压应力不得超过某一极限值。

（2）坝体内不允许出现拉应力，即压力线应在截面的三分点以内。

（3）上游边缘的压应力必须大于在同一高程上的库水压力。

（4）坝体的一部分不允许沿着其下面坝体滑动或者整个坝体不允许沿着坝基滑动。

参考文献：

[1] 刘汉湖，裴宗平.水资源评价与管理[M].北京：中国矿业大学出版社，2007年9月第1版

[2] 黄宣伟.谈水利规划[M].北京：中国水利水电出版社，2003年6月第1版

[3] 林继镛.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2006年3月第4版

[4] 潘家铮.重力坝设计[M]. 北京：水利电力出版社，1987年

[5] 龚召熊.水工混凝土的温控与防裂[M].北京：中国水利水电出版社，1980年

[6] Schnitter NJ.A Short History of Dam Engineering.Water Power[M].1967（4）：142～148

[7] Smith. AHistory of Dams[M].Citadel Press，1972