欢迎您来到全国水雨情信息网站! 2021年1月28日 星期五
 
  当前位置: 首页--水利百科--水工建筑物--

2020-04-09 21:00

拦截江河水流,用以调蓄水量或壅高水位的挡水建筑物。抬高水位,形成水库,调节径流,以满足防洪、灌溉、发电、航运、给水等需要的挡水建筑物称为蓄水坝;所形成的蓄水容积很小,无调节径流的功能,仅用来壅高上游水位,以改善引水或航运条件的挡水建筑物称为壅水坝。习惯上,人们把修建工程形成库容、用以储存矿渣的称为尾矿坝;把储存火电厂煤灰的称为储灰坝。另外,中国把某些起挡水和调整水势作用的河道整治建筑物,如丁坝、顺坝、锁坝、格坝、潜坝、分流坝等,也称为坝,但它们与蓄水、壅水的坝性质不同。

坝的类型

①按结构和力学特点可分为重力坝(包括实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝等)、土石坝(在力学性质上也是一种重力式坝)、拱坝(包括单曲拱坝、双曲拱坝、空腹拱坝等)、支墩坝(包括平板坝、连拱坝、大头坝等)、装配式坝、锚固坝(包括桩基锚固坝、预应力坝等),见图。②按筑坝材料可分为混凝土坝、钢筋混凝土坝、浆砌石坝、土石坝、木坝、橡胶坝等。③按泄水条件可分为溢流坝(包括坝顶溢流和坝身孔口泄流)和非溢流坝。④按坝的高度可分为低坝、中坝和高坝(中国规定:坝高30m以下为低坝,30~70m为中坝,70m以上为高坝)。⑤按照施工方法的不同,对于土石坝可分为碾压土坝、水力冲填坝、水中填土坝、土中灌水坝、水坠坝、抛填式堆石坝、碾压式堆石坝、定向爆破坝等。对于混凝土坝,大多为现场浇筑,也有将预制构件装配而成的装配式坝和采用干贫混凝土经碾压而成的碾压混凝土坝。

坝的设计、施工和运用管理

坝是水利枢纽中的主体建筑物,其工程量和投资都占有较大的比重,工作条件和施工条件复杂。坝的失事不仅使工程失效,而且将造成下游生命财产的巨大损失。因此,必须精心设计,精心施工,妥善维护,并进行安全监测。

坝的设计

大坝设计的主要内容,首先是选定坝址、坝型和进行枢纽布置,其次是确定坝体承受的荷载(参见水工建筑物荷载)及其组合(参见水工建筑物荷载组合),据此进行坝体轮廓尺寸、整体和局部稳定、应力和应变、材料分区、细部构造、防渗防冲、地基处理等问题的设计。

坝的类型示意图

(a)重力坝;(b)拱坝;(c)支墩坝;(d)预应力锚固坝;(e)桩基锚固坝;(f)橡胶坝;(g)土石坝 1—预应力锚索;2—桩;3—橡胶袋

(1)混凝土坝设计。坝体材料抗冲性能好,泄洪、施工导流问题容易解决。一般采用坝顶溢流或坝身设置泄水孔的泄水方式,施工导流可采用坝身预留孔洞或从较低的坝块过水的方式。重力坝、拱坝、支墩坝在设计要求和工作原理上亦各有区别:①重力坝是依靠自重在坝基面产生的摩擦力和坝体与基岩面之间的黏聚力维持自身稳定的坝形。坝体剖面形式简单,结构受力明确;对地基的要求比拱坝低,比土石坝高;要求所拟定的坝剖面,在各种可能的荷载组合下具有足够的强度和稳定安全系数;坝基也应具有足够的强度、稳定性和抗渗性。必要时应调整坝体剖面尺寸和进行地基处理。②拱坝是三维壳体结构,通过水平拱的作用将其上的荷载传至两岸,混凝土材料的抗压强度能充分发挥,具有较高的超载能力,且抗震性能好;坝体剖面较薄,工程量较小;但对坝址河谷地形条件、两岸山体的稳定性要求高,狭窄河谷,基岩坚硬完整,具有厚实的坝头是建造拱坝的良好坝址;温度荷载、地基变形对坝体应力影响不能忽略。③支墩坝是依靠重力维持自身稳定的坝形,其上的荷载通过面板传至支墩,通过支墩传至地基;支墩坝自重较轻,较重力坝可节省混凝土方量15%~50%;施工散热条件好;但施工模板用量大,且施工技术复杂;迎水面坝体易产生裂缝,故20世纪70年代以来,较少采用。

(2)土石坝设计。土石坝是由散粒体材料填筑而成,对地基的适应性较好,且有利于就地取材。但坝体抗冲性能差,不允许水流漫顶,枢纽的泄洪设施应有足够的泄洪能力和妥善的消能防冲措施。土石坝设计应根据坝址区条件,选择筑坝材料和确定坝体内各区域筑坝材料的配置及压实标准;应根据选用的防渗体及坝体材料的物理力学特性,对所拟定的剖面及地基进行渗流计算,防渗排水设施应能有效地控制渗流;对上、下游坝坡应进行稳定分析,要求坝体具有足够的尺寸,防止坝坡或连同部分地基产生整体滑动;坝体和坝基应进行沉降计算,确定竣工期坝顶预留的加高值。高土石坝应进行应力及变形分析,判断坝体各部位是否发生剪切破坏、过大的变形和裂缝,以便必要时调整设计剖面;土石坝上下游坝坡和坝顶应采取防护、排水等适当的构造措施。

坝的剖面和结构布置,应进行优化设计。在满足安全和适用的前提下,力求工程量小,造价经济,施工和管理方便,并应注意造型美观。

坝的施工

包括坝基开挖、坝基处理、坝体填(浇)筑、金属结构及机电设备安装等。坝一般在围堰的保护下施工,因此必须做好施工导流和安全度汛。

坝的运行管理

坝建成后,必须通过有效的管理,才能实现预期的工程效益。运行管理的主要工作是:检查与观测;养护与维修;制定合理的调度运用方案并正确操作;争取实现水利工程管理系统自动化;建立健全工程技术档案。

坝的历史和发展

人类在除水害兴水利的实践中,早已掌握了利用材料自重筑坝挡水的技能。有文献记载的最早的坝建于公元前2900年,即古埃及第一代王朝美尼斯王(Kingmenes)在首都孟菲斯(Memphis)城附近的尼罗河上建造的考赛施(Kosheish)干砌石坝。该坝高15m,坝顶长240m。约在公元前1000~前700年期间,古代希伯(Sheba)王国曾在其首都建造了著名的玛立勃(Marib)坝。该坝高约20m,坝顶长600m,首次采用70cm见方的铅质楔块,将巨大的干砌块石楔接在一起。公元前256~前251年,在中国四川岷江上建成的著名的都江堰工程中,使用了竹笼填石的壅水坝。公元前246年(秦始皇元年),在陕西郑国渠渠首修建了30m高的石笼坝。

早期的重力坝采用干砌石,以后开始用灰浆砌石修建圬工坝。如公元98~117年,在西班牙西南部修建的高19m的普洛索比纳(Proserpine)坝,迄今尚存的叙利亚境内的高18m的阿耳—哈巴夸(AL-Harbaqa)坝等。第一批著名的拱坝是西班牙在16世纪建造的埃尔赫(Elche)坝和阿尔曼萨(Almansa)坝,以及意大利的波捷阿尔托(Ponte Alto)坝。19世纪后期逐渐开始用混凝土筑坝。美国建于1912~1916年的箭石(Arrow Rock)坝和建于1902~1916年的象岗(Elephant Butte)坝,在细部构造上日趋完备。如在坝内近上游面设置排水管和纵向廊道,设置横向伸缩缝,坝基内设灌浆帷幕及幕后排水孔以降低扬压力等。20世纪30年代,是重力坝设计理论和施工技术最有成就的年代。在这段时间内,美国建成了221.4m高的胡佛(Hoover)坝、185m高的沙斯塔(Shasta)坝。特别是胡佛坝,在混凝土坝建筑史上具有代表性的意义,从设计计算、施工等各方面建立了一整套为以后建坝所遵循的方法和经验。这一时期,在应力计算方面提出了重力分析法和弹性理论法;在施工方面机械化程度显著增长,发展了柱状分块浇筑混凝土、采用冷却水管散热和纵缝灌浆等一整套施工工艺。1962年,瑞士采用分期加高的筑坝技术,兴建了大狄克逊(Grand dixence)坝,坝高285m,是世界上最高的重力坝。

从19世纪60年代起的100年内,世界各地区建筑高30m以上的各类坝中,重力坝的比例最高,其次是土石坝、拱坝和支墩坝。20世纪60年代以后,由于可供建坝的地质条件较差,而土石坝对地基条件的适应性好;岩土力学理论和试验技术的发展和计算技术的进步;尤其是大型振动碾的出现和高效配套的土石方工程机械的发展,土石坝建筑数量出现明显上升的趋势,其中钢筋混凝土面板堆石坝得到较快发展,钢筋混凝土面板堆石坝由于具有可充分利用其他建筑物开挖出来的石料、施工导流问题较土坝容易解决、填筑过程不受雨天的影响、坝体沉降量小、渗流稳定性和抗震稳定性好等优点,已在实践中显示出优越性,并得到坝工界的共识。中国已建、在建和拟建的坝体高度大于100m的钢筋混凝土面板堆石坝有贵州天生桥一级(坝高178m)、贵州洪家渡(坝高186m)、四川紫坪铺(坝高159m)、湖北水布垭(坝高232m)、广西百色(坝高126.5m)等。世界上较高的钢筋混凝土面板堆石坝有160m高的巴西的阿利亚河口坝(Foz do Areia)、140m高的哥伦比亚的安其卡亚坝(Alto Anchicaya)等。20世纪70年代以来,出现了碾压混凝土坝,改变了混凝土坝传统的浇筑施工工艺,可以有效地缩短工期,降低造价。自日本的岛地川坝、美国的柳溪坝开始,世界上已建和在建的碾压混凝土坝达50余座。在建的日本境川坝,坝高115m。中国福建大田的坑口碾压混凝土坝建设较早,高56.8m,辽宁观音阁大坝是世界上体积最大的碾压混凝土坝。钢筋混凝土面板堆石坝和碾压混凝土坝已逐步成为两种最有发展前途的坝型。

表1列出了世界上部分已建和在建的200m以上的高坝。表2列出了中国部分已建和在建的100m以上的高坝。

表1 世界上部分已建和在建的200m以上的高坝

续表

表2 中国部分已建和在建的100m以上的高坝

续表

责编: system