陳亞棟　陳旺

[摘要]本文目的在于讓非水利專(zhuān)業(yè)的學(xué)生和水利專(zhuān)業(yè)的新生了解有關(guān)擋水建筑物的知識(shí)，并且文中穿插了有關(guān)水利工程的歷史讓讀者增加一些關(guān)于水利的歷史知識(shí)以及我國(guó)水利發(fā)展的現(xiàn)狀。本文主要介紹重力壩、拱壩、土石壩的原理、特點(diǎn)、類(lèi)型等有關(guān)知識(shí)。

[關(guān)鍵字]水工 擋水建筑物 大壩

一、重力壩

重力壩是一種古老且應(yīng)用廣泛的壩型，它主要依賴(lài)壩體自生的重力來(lái)滿(mǎn)足保持壩體的穩(wěn)定，故稱(chēng)“重力壩”。有時(shí)為了說(shuō)明重力壩的建筑材料，將把的名字說(shuō)全了就是“混凝土重力壩”或“漿砌石混凝土重力壩”或“漿砌石重力壩”或“碾壓混凝土重力壩”等等[1]。

根據(jù)歷史記載，最早的重力壩是公元前2900年古埃及在尼羅河上修建的一座高15米、頂長(zhǎng)240米的擋水壩。人類(lèi)歷史上修建的第一批堰、壩，都是利用結(jié)構(gòu)自重來(lái)維持穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠。

我國(guó)在公元前250年，我國(guó)李冰主持修建都江堰，成功的創(chuàng)造了竹籠填石壅水和泄洪的經(jīng)驗(yàn)，建成了世界上最早的竹籠填石壩型。兩千多年來(lái)都江堰灌溉面積不斷發(fā)展，由一二百萬(wàn)畝直至今天上千萬(wàn)畝。

1.重力壩工作原理

重力壩在水壓力及其他荷載作用下，主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來(lái)滿(mǎn)足穩(wěn)定要求；同時(shí)依靠壩體自重產(chǎn)生的壓力來(lái)抵消有雨水壓力所引起的拉應(yīng)力以滿(mǎn)足強(qiáng)度要求

2.重力壩的特點(diǎn)

他便于布置壩上溢洪道，壩內(nèi)泄水孔、引水管。在上游壩面設(shè)計(jì)取水建筑物，再壩內(nèi)或壩下游布置和設(shè)計(jì)水電站廠(chǎng)房。安全可靠重力壩剖面尺寸大，應(yīng)力較小，筑壩材料強(qiáng)度高，耐久性好，因而抵抗水的滲漏、洪水漫頂、地震和戰(zhàn)爭(zhēng)破壞的能力都比較強(qiáng)。對(duì)地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)任何形狀的河谷都可以修建重力壩，因?yàn)閴误w作用于地面上的壓應(yīng)力不高，所以對(duì)地質(zhì)條件的要求也較低。樞紐泄洪問(wèn)題容易解決重力壩可以做成溢流的，也可以在壩內(nèi)設(shè)置泄水孔，一般不需要另設(shè)溢洪道或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。便于施工導(dǎo)流在施工期可以利用壩體導(dǎo)流，一般不需要另開(kāi)設(shè)導(dǎo)流隧洞。施工方便大體積混凝土，可以采用機(jī)械化施工，在放樣、立模和混凝土澆搗方面都比較簡(jiǎn)便。結(jié)構(gòu)作用明確重力壩沿壩軸線(xiàn)用橫縫分成若干段，各壩段獨(dú)立工作，結(jié)構(gòu)作用明確，應(yīng)力分析和穩(wěn)定計(jì)算都比較簡(jiǎn)單。

3.重力壩的類(lèi)型

1）按構(gòu)造不同分為：實(shí)體重力壩，寬縫重力壩，空腹重力壩。

2）按作用不同分為：溢流重力壩，非溢流重力壩。

3）按筑壩材料的不同分為：混凝土重力壩和漿砌石重力壩。

4）按壩高可分為：高壩（大于70m）、中壩（70-30m）、低壩（小于30m）。

二、拱壩

拱壩是用混凝土或漿砌石建造的凸向上游空間殼體結(jié)構(gòu)。除了壩頂是自由邊外，其余周邊坐落在巖基上，由基礎(chǔ)巖體承擔(dān)作用于拱壩的全部荷載（包括自重、水壓和溫度荷載等幾個(gè)經(jīng)常作用的主要荷載）。是一種經(jīng)濟(jì)、安全均優(yōu)越的壩型。

人類(lèi)修建拱壩具有悠久的歷史。世界上第一座壩高12m的拱壩是法國(guó)鮑姆砌石拱壩。建于公元3世紀(jì)。13世紀(jì)伊朗建了一座高60m的砌石拱壩。在古代由于數(shù)學(xué)和力學(xué)知識(shí)貧乏，那時(shí)還談不上拱壩設(shè)計(jì)理論。約在1837年，法國(guó)開(kāi)始用圓筒理念設(shè)計(jì)左拉砌石拱壩，壩高42.5m。

新中國(guó)成立以后到1981年，據(jù)十六省不完全統(tǒng)計(jì)已建15m以上的拱壩818占當(dāng)時(shí)世界總數(shù)的32.7%。二灘雙曲拱壩高240m，居世界第四。說(shuō)明我國(guó)在這時(shí)期拱壩的發(fā)展比較高的。

1.拱壩的工作原理

拱壩是平面凸向上游，三面固定的殼體擋水建筑物。他能把上游壩面水壓力等荷載的大部分通過(guò)拱的作用傳給兩岸巖基。他不想重力壩那樣利用自身自重維持穩(wěn)定，而是利用筑壩材料的抗壓強(qiáng)度和兩岸拱端。

2.拱壩的特點(diǎn)

1）拱壩在水平外荷載作用下的穩(wěn)定性主要是依靠作為拱座的兩岸巖體的反力，并不全靠壩體自重來(lái)維持穩(wěn)定，這是拱壩的一個(gè)主要工作特點(diǎn)。

2）拱壩可比重力壩節(jié)省工程量1/3～2/3；另外還可減少基礎(chǔ)開(kāi)挖，縮短泄水（引水）渠道和導(dǎo)流洞的長(zhǎng)度。

3）拱壩超載能力很強(qiáng)，其破壞時(shí)所達(dá)到的荷載可達(dá)設(shè)計(jì)荷載的7～11倍（只要拱肩有足夠的穩(wěn)定性）。

4）拱壩的抗震性能好。（世界壩高100m以上的拱壩有40座建在7～8度以上的地震區(qū)）。

5）拱壩砼的標(biāo)號(hào)一般高于重力壩，（百米高以上的拱壩常用200～300號(hào)砼，百米以下的拱壩常用200號(hào)砼，重力壩則用150號(hào)砼），但每方砼增加的單價(jià)一般不會(huì)超過(guò)重力壩的10～15%。

6）近年來(lái)，拱壩壩頂或表孔大流量泄洪已趨普遍，單寬流量已超過(guò)200m3/s。

7）溫度荷載應(yīng)列為拱壩的主要荷載，揚(yáng)壓力對(duì)壩體應(yīng)力的影響則小，對(duì)薄拱壩可忽略之。但在計(jì)算拱肩穩(wěn)定時(shí)，則應(yīng)考慮揚(yáng)壓力。因此拱壩應(yīng)力計(jì)算中三個(gè)最主要的荷載為：水平水（砂）壓力、溫度荷載、自重。

3.拱壩的類(lèi)型

拱壩的分類(lèi)大不同于其它壩型，按其厚高比特征可分為薄拱壩、一般拱壩、厚拱壩（或稱(chēng)重力拱壩）。按其壩體形態(tài)的特征可分為定圓心等半徑拱壩（或稱(chēng)單曲拱壩）；等中心角變半徑拱壩；變圓心變半徑雙曲拱壩。確定拱壩壩體剖面的主要參數(shù)有：拱弧半徑、中心角、拱弧圓心沿高程的軌跡線(xiàn)及拱圈厚度等。

三、土石壩

土石壩是由當(dāng)?shù)赝亮稀⑹匣蚧旌狭咸钪傻膲斡址Q(chēng)當(dāng)?shù)亓蠅?。土壩是一種古老型，可上溯至公元前3000多年，但所興建的土石壩均被洪水沖垮沒(méi)有保留下來(lái)。埃及人于公元前2600年在開(kāi)羅以南修建李卡法拉堆石壩，采用沙壤土夾亂石心墻、堆石壩殼、高14m，因無(wú)導(dǎo)流設(shè)施，施工中被沖垮。希臘在公元前1300年修建了一座大型防洪土壩工程，至今完好。中國(guó)在公元前598～591年，建立了芍坡土壩，經(jīng)歷代整修使用至今；公元前219年，在廣州西北約450km處修建了天平堰。

均質(zhì)壩（壩體主要有一種材料組成，同時(shí)起防滲和穩(wěn)定作用）

分區(qū)壩（壩體有專(zhuān)門(mén)的防滲體，防滲體通常用防滲性能好的粘土，其位置在壩體的中間稱(chēng)為心墻）

人工防滲材料壩（防滲心墻采用人工防滲材料）

擋水建筑物的作用是攔截河流，提高水位或形成水庫(kù)，并且還包括個(gè)中用途的水閘，以及江河海岸的堤防、海塘等。除以上擋水建筑物常見(jiàn)的擋水建筑物還有支墩壩與面板壩等，并且近年來(lái)碾壓混凝土壩及混凝土面板壩得到了非常迅速發(fā)展。

擋水建筑物的作用是攔截河流，提高水位或形成水庫(kù)，并且還包括個(gè)中用途的水閘，以及江河海岸的堤防、海塘等。除以上擋水建筑物常見(jiàn)的擋水建筑物還有支墩壩與面板壩等，并且近年來(lái)碾壓混凝土壩及混凝土面板壩得到了非常迅速發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉啟釗，胡明，《水電站》（第4版），中國(guó)水利水電出版社。

[2]華東水利學(xué)院，華北水利水電學(xué)院，水電站【M】，北京：水利出版社，1980。

[3]王啟澤，水電站建筑物【M】，北京：水利水電出版社，1987。

（作者單位：鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院）