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第三章

第三章


3.10

泄水重力坝

一、泄水重力坝设计要点
1、泄水重力坝位置选择
避免与其他建筑物相互干扰,其下泄水流不致淘
刷坝基与其他建筑物的地基及岸坡。

2、泄水方式的组合与流量分配
选择好组成泄水系统的建筑物类别以及确定各泄 水建筑物的泄流量。

3、溢流坝堰顶和进水口高程的确定

二、溢流重力坝
(一)工作特点 既是挡水建筑物又是泄水建筑物,应满足: 1、稳定、强度要求; 2、泄水要求:
(1)泄的下(足够的孔口尺寸、体形、有较高的 流量系数); (2)不破坏(不产生不利的负压、振动、空蚀现 象);

(3)保证下游河床安全(不产生危及坝体安全的 局部冲刷); (5)便于管理(有灵活控制的闸门、启闭机等)。

(4)互不影响(下游流态平顺,不产生折冲水流);

(二)孔口设计
1.洪水标准
根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》
(SL252–2000)选用。

表3–12 山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物 洪水标准[重现期(年)]
水工建筑物级别 项 设 校 核 目 1 计 1000~500 可能最大洪水(PMF) 或 10000~5000 5000~2000 2 500~100 5000~2000 2000~1000 3 100~50 2000~1000 1000~500 4 50~30 1000~300 500~200 5 30~20 300~200 200~100

土 石 坝 砼坝、浆砌石坝

★对土石坝,如失事后下游将造成特别重大灾害
时,1级建筑物的校核洪水标准,应取可能最大洪水

(PMF)或10000年标准;2~4级建筑物的校核洪水标
准,可提高一级。 ★对砼坝、浆砌石坝,如洪水漫顶将造成极严重 的损失时,1级建筑物的校核洪水标准,经过专门论 证并报主管部门批准,可取可能最大洪水(PMF)或 重现期10000年标准。

2.孔口型式
(1)开敞溢流式(表孔)

●Q∝H 3/2成正比,超泄能力大,但不能预泄;
●还能用于排冰和其他漂浮物; ●闸门启闭操作方便,易于检修,工作安全可靠。 (2)大孔口溢流(中孔) ●上部设胸墙,堰顶高程较低,可满足预泄要求;

●▽低水位时——开敞(自由)溢流;
●▽高水位时——大孔口泄流,Q∝H 1/2成正比,

超泄能力不如开敞溢流式。

图 3–47 开敞溢流式重力坝 (单位: m) 1–门机;2–工作闸门

图 3–48 大孔口溢流式重力坝 1–门机;2–工作闸门;3–检修闸门

3.孔口尺寸 (1)单宽流量的确定

Q溢 ? Q总 ? ?Q0 (m3/s)
式中:

?

Q0

——经过电站和泄水孔等下泄的流量; ——系数, 正常运用 0.75~0.9,

校核运用
设L为溢流段净宽,则单宽流量为:

1.0。

q ? Q溢 / L

m3 /(s·m)

★单宽流量的选取与地质条件有关,对
一般软弱岩石: q=30~50m3/(s·m);

较好岩石:
坚固岩石:

q=50~70m3/(s·m);
q=70~130m3/(s·m);

近年来,选用的单宽流量在不断增大,例: 龚嘴q=254.2 m3/(s·m),安康表孔 q=282.7 m3/(s·m);委内瑞拉的古里坝q> 300 m3/(s·m)。

(2)孔口尺寸
① 溢流前沿总长L0 若孔口宽度为b,孔口数n=L/b,n一般取单 数。令闸墩厚度为d, 则L0为:

L0 ? nb ? (n ? 1)d

② 开敞溢流时

Q溢 ? nb?m 2 g H
q设

3/ 2 0

Q 3/ 2 ? ? ?m 2 g H 设 nb

a、孔口高 H

H设

? q设 ?? ? ? ?m 2 g

? ? ? ?

2/3

b、堰顶高程 ▽堰=▽正常-H设 ▽堰=▽正常 设闸门; 不设闸门。

c、孔口宽

一般情况:b=(8-16)m;

当有排浮要求时,可加大到(18-20)m。在枢纽 布置允许的前提下,闸门宜选用宽而扁,宽高比常采用

b/H≈1.0~2.0;狭窄河道的溢流坝,因溢流前沿宽度受
限,孔口宽高比小于1是经济合理的.

d、校核水位下校核过流量

3/ 2 Q校 ? nb?m 2 g H 校

③大孔口泄流 Q溢 ? nbam 2 g ( H 0 ? ?a )(m3/s) 式中

? ——孔口垂直收缩系数,与比值
a/H有关,见表3-12。

a ——闸门开启高度,m;

④ 确定孔口尺寸时应考虑以下因素:
a、泄洪要求

b、枢纽布置
宣泄同一流量,孔口高度越大,单宽流量越大,溢

流段越短;设有闸门的孔口宽度越小,孔数越多,闸墩
数也越多,溢流段总长度也相应加大;孔口宽度越大,

启门力也越大,工作桥跨度也相应增大.
c、下游水流条件

4.闸门和启闭机
(1)闸门 ①按结构分 ★平面闸门——结构简单,闸墩受力条件好,共

用一个活动启门机;
缺点是:启门力大,闸墩较厚。

★弧形闸门——启门力较小,闸墩较薄,无门槽、
水流平顺;

缺点是:闸墩较长,受力条件较差。

②按工作性质分 ●工作闸门——调节下泄流量,在动水中启 闭,启门力较大。 常用平面闸门和弧形闸门; ●检修闸门——用于短期挡水,以便进行检

修,静水中启闭,启门力较小。
采用平面闸门、浮箱闸门,也可采用叠梁;

●事故闸门——是在建筑物或设备出现事故时紧
急应用,要求能在动水中关闭; ●事故检修闸门 检修闸门和工作闸门之间应留有1~3m的净距,以 便进行检修。 全部溢流孔通常备有1~2个检修闸门,交替使用。 (2)启闭机 ●活动式——多用于平面闸门,可以兼用于启吊 工作闸门和检修闸门。

●固定式——固定在工作桥上,多用于弧形闸门。

5.闸墩和工作桥

(1) 墩形
1–半圆曲线; 3–抛物曲线; 2–椭圆曲线; 4–三圆弧曲线;

5–圆弧曲线;

6–方形

图3–49 常见的闸墩形状

(2)墩厚
★平面闸门,工作闸门槽深0.5~2m,宽1~4m,

门槽处的闸墩厚度≦1~1.5m;
★弧形闸门闸墩的最小厚度为1.5~2m; ★缝墩,墩厚要增加0.5~1m。

(3)长度和高度
应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的 要求。

(4)边墩(边墙)
边墩顶一般高出水面1 ~ 1.5m; 底流消能时,需延长到消力池末端形成导墙; 挑流消能时,需延长到挑坎末端; 当溢流坝与水电站并列时,导墙长度要延伸到厂房 后一定的范围。

6.横缝
(1)缝在闸墩中间 优点:坝段间产生不均匀沉降时,不影响闸 门启闭,工作可靠;

缺点:闸墩厚度较大,溢流前缘长。
(2)缝在溢流孔跨中 优点:闸墩薄,受力条件好,溢流前缘长; 缺点:易受地基不均匀沉降的影响。

图 3–52 溢流坝段横缝的布置

(三)高速水流的几个问题
1.空化和空蚀
●空化——水体中含有许多气核,当过坝水流中某点的压
力降至饱和蒸汽压强时,气核迅速膨胀为小空泡,这种现象称 为空化。

●空蚀——当低压区的空化水流流经下游高压区时,空泡
遭受压缩而溃灭,由于溃灭时间极为短暂(一般只有千分之几 秒),会产生一个很高的局部冲击力(可达几千个大气压)。

若空泡溃灭发生在靠近过水坝面,局部冲击力大于材料的内聚
力时,可使坝面遭到破坏,这种现象称为空蚀。 国内外的工程运行经验和试验表明,当v>15m/s时,就有 可能发生空蚀破坏,且空蚀强度与水流流速的5~7次方成正比。

● 水流空化数

?
p0 ? p? ?? 2 ?? / 2 g

式 中

p0——水流未受到边界局部变化扰动处的绝对压强

?

p? ——汽化压强,kPa;

——水流未受到边界局部变化扰动处的流速

● 当水流空化数

? 小到某一临界值时,边壁某处

出现空化,这时的空化数称为该体形的初生空化数 ? i

,

? i 只与几何体形有关,可由减压试验求出。

●当

? ? ?i
? ? ?i

,不会发生空化水流,也就 不会发生空蚀; ,产生空化水流,就可能发 生空蚀;

●当

●设计时应使

? ? ?i

2.掺气
由溢流重力坝下泄的水流,当流速超过7~8m/s时,空气 从自由水面进入水体,产生掺气现象。 高速水流掺气,对工程有利有弊。溢流面底部掺气,可 以减免空蚀,射流在空气中扩散掺气和射流在水垫中掺气,可 以消耗大部分多余能量,有利于消能防冲。水流掺气后,水体 膨胀,水深增加,要求溢流坝边墙加高;对明流隧洞要求加大

洞顶净空;水流掺气后,水滴飞溅,会形成雾化区,对工程、
设备及工作与生活都有不利的影响。

2.掺气
《溢洪道设计规范》(SL253–2000)规定:

掺气水深 式中

ha ? (1 ?

??
100

)h

?
?

h

——未计入波动及掺气的水深,m;
——未计入波动及掺气计算断面上 ——修正系数,一般1.0~1.4, 当v>20m/s时,采用较大值。

的平均流速,m/s;

3.水流脉动
泄水建筑物中的水流属于高度稳动的水流,其基

本特征是流速和压力随时间在不断变化的,即所谓脉
动。水流对泄水建筑物的作用力主要是动水压力。 水流脉动对建筑物的影响主要有以下几方面: (1)增大作用在建筑物上的瞬时荷载。 (2)脉动压力变化有一定的周期性。如果脉动 压力频率与其作用的建筑物固有频率相接近,则可能 引起建筑物振动,甚至共振。

(3)增加空蚀破坏的可能性。

4.冲击波
在高速水流边界条件发生变化处,如:断面扩 大、收缩、转弯处,闸门槽、墩尾等处均是引起冲 击波的部位。

(四)溢流面体形设计要求
①泄流能力大;

②水流平顺,不产生不利的负压和空蚀破坏;
③体形简单、造价低、便于施工等。

1.顶部曲线段
(1)开敞式 ●克—奥曲线——苏联推荐,我国早期采用。 缺点:下部断面较大,因而不经济; m=0.48~0.49,比WES曲线m=0.502要小;

无公式控制坐标,施工放样不便。

●WES曲线——流量系数较大且剖面较瘦,工程量较省,坝面曲 线用方程控制,施工较方便,近年来我国采用较多。 上游段:双圆弧、椭圆。近年来,提出了三圆弧及下列型式的曲线

图 3–56

WES 型堰面曲线

? x y ? 0.413? ? Hd ? Hd
式中

? ? ? ?

0.625

? x ? 0.81? ?H ? d

? ? ? ?

1.85

Hd

——定型设计水头,一般为校核洪水位 时堰顶水头的75%~95%。

当坝体上游面为铅直时:

x

1.85

? 2.0H

0.85 d

y

若上游面不是铅直的,下游段曲线需做修正。

(2)设有胸墙的大孔口
当最大水头H max/孔口高度D >1.5或闸门全开

时仍属孔口泄流,则应按孔口射流曲线设计溢流面。
由平抛运动公式:x=vt

1 2 y ? gt 2

由水力学知:

v ? ? 2 ghd

可得曲线方程为:

x y? 2 4? H d

2

式中 H d ——定型设计水头,取孔口中心线至
校核洪水位时堰顶水头的75%~95%;

?

——流速系数,一般取0.96,

设有检修闸门槽时取0.95。

★当1.2≤Hmax/D≤1.5时,堰面曲线应通过模
型试验确定。

●按 H 确定的溢流面曲线:
d

当H(运)>Hd时,出现负压,Q↑,负压需控制。要
求负压值不超过3~6m水柱高;

当H(运)<Hd时,出现正压,Q↓。
2.中间直线段 坡度与非溢流坝段的下游坡相同。 3.反弧段 挑流消能:R=(4~10)hc

hc为校核洪水时反弧最低点处的水深。
当v<16m/s时,取下限;

流速大时,宜采用较大值。
当采用底流消能,反弧段与护坦相连时,

宜采用上限值。
根据国内外60个工程资料,反弧半径的经

验公式为

2 3/ 2 R ? Fr hc 3

Fr ? ?

ghc

4.剖面设计 ●上游面,堰顶突出部分的高度h1应

大于0.5H max。
●如溢流重力坝较低,其坝面顶部曲 线段可直接与反弧段连接,无中间直线段。

(五)消能防冲设计
1.设计原则及型式 (1)下泄水流对河床的作用
由溢流坝下泄的水流具有巨大能量,必须妥善进 行处理,否则势必导致下游河床严重冲刷,甚至造成 岸坡坍塌和大坝失事。当H=40m,q=50m3/s,1m宽河 床内的水流动能可达240万kW。如:潘家口和丹江口 坝的最大泄洪功率均接近3000万kW。

●水流能量的消耗(耗散):
①水流的内部损耗,如摩擦、冲击、紊动、

掺混、剪切及旋滚;
②水流与固体边界和气体的相互作用,如摩 擦、冲刷等; 例:【西班牙】里拜约坝,冲坑深70m 。

(2)设计原则
①尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流
内部的紊动中,以及水流和空气的摩擦上;

②不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部
冲刷; ③下泄水流平稳,不影响枢纽中其他建筑物 的正常运行; ④结构简单,工作可靠;

⑤工程量小。

(3)常用的消能型式
底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。

2.底流消能
(1)特点及措施

①工作原理
底流消能是通过水跃,将泄水建筑物泄出的急流

转变为缓流,以消除多余动能的消能方式。消能主要
靠水跃产生的表面旋滚与底部主流间的强烈紊动、剪

切和掺混作用。见教材P96页图3-59。

【中】公元前300年;国外在15世纪。1797年,
文德里曾论述过水跃的应用。

优点:底流消能具有流态稳定、消能效果较好、
对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小, 可适应高、中、低水头。 缺点:护坦较长,土石方开挖量和砼方量较大, 工程造价较高。

②产生底流消能的条件
在工程上,要具有一定淹没度=1.05 ~ 1.1的水

跃,此时水跃消能的可靠性大,流态稳定。

工程措施: ①在护坦末端设置消力坎,在坎前形成 消力池; ②降低护坦高程形成消力池; ③既降低护坦高程,又建造消力坎形成 综合消力池。 消力池的长度一般为平底自由水跃长度 的70% ~ 80%。 在消力池内设置辅助消能工,可增强消

能效果,缩短池长。

(2)护坦构造 1)厚度

①作用荷载
a、自重 W=δ γ c

b、水重(压强)

1 2? ? 护坦始端: p ? ? — ??H 2 3? ?3

在距离收缩断面 1 1 x ? ( ~ ) L 之后: 3 2

p ? ?H 2

c、扬压力

有排水(浮托力):

u ? ? (H 2 ? ? )
无排水或排水失效: U要计入虑渗流压力。 d、平均脉动压强

A' ? ?? m

??

2 c

2g

? c ——收缩断面处的平均流速, m / s
? m ——脉动压力系数,? m =0.10~0.05。

②抗浮稳定

令P为护坦顶面的总静水压力,A为总脉
动压力,U为总扬压力,W 为总的砼重,则 W K? K =1.2 ~ 1.4。 U ? A? P ③带锚筋的护坦厚度 当K<设计要求时,需设锚筋,采用

? 25~

? 36的钢筋,间距1.5~2.0m,
插入基岩深度1.5~3.0m。

图3–60

护坦稳定计算简图

●假设锚筋被拔起时所带动的岩体底部呈锥

形体,锚筋的有效长度为T(m),
间距为 l(m),岩石容重为 ? R (kN/m3), 则每根钢筋的抗拔力f为

f ? (? R ? 1)l T
2

加上锚筋的锚固长度后锚筋的实际长度应为

D ? T ? l / 4 ? 30d d
——钢筋直径。

●令F为护坦全部锚筋的总抗拔力,F=f×n,则

④护坦的构造
a、分缝

W K? (U ? A ? P) ? F

顺河向——与闸墩中心线对应; 横河向——间距为10~15m。

b、排水网
为了降低护坦底部的扬压力,应设置排水系统,

排水沟尺寸约为20cm×20cm

3.挑流消能
(1)反弧半径R、挑角θ、▽鼻坎
反弧半径R=(8~10)h,h为鼻坎上水深; 挑角

?

= 20°~ 25°;

坎顶应高出下游水位以1~2m为宜。
设计挑流消能工时,可用挑射距离L与最 大冲刷坑深度做为指标,一般要求
' L / tk

>2.5 ~ 5.0。

图 3–62 连续式挑流鼻坝的水舌及冲刷坑示意图

(2)水舌挑射距离由斜抛运动

x ? v1 cos t
可得:水舌挑距

1 2 y ? v1 s in t ? gt 2

1? 2 L ? ?1 sin? cos? ? ?1 cos? ?12 sin 2 ? ? 2 g (h1 ? h2 ) ? ? ? ? g? 式中 ? ——坎顶水面流速,m/s,约为鼻坎
1

处平均流速 ? 的1.1倍;

h1 h2

——坎顶平均水深h在铅直向的投影, ——坎顶至河床面的高差,m。

h1 ? h cos?

(3)冲坑深

tk ? ?q

0.5

H

0.25

tk

——水垫厚度,自水面算至坑底,m;

式中 H ——上、下游水位差,m;

? ——冲坑系数, ?

=0.9~2。

(4)挑坎体形
主要有:扩散坎、连续坎、差动坎、斜挑坎、扭 曲坎、高低坎、窄缝坎和分流墩等,如图3–62所示。

4.面流消能与消力戽
(1)面流消流
利用鼻坎将主流挑至水面,在主流下面形成反向 旋滚,使主流与河床隔开。主流在水面逐渐扩散而消

能,反向旋滚也消除一部分能量。反向旋滚流速较低
且沿河床流向坝趾,河床一般无需加固。

●适用于尾水较深,流量变化较小,水位变幅不大, 或有排冰、漂木要求的情况。 ●我国富春江、西津、龚嘴等工程都采用这种消能 型式。

●面流消能虽不需要作护坦,但因为高速水流在表
面,并伴随着强烈的波动,使下游在很长的距离内

(有的可绵延数里)水流不够平稳,可能影响电站的
运行和下游航运,且易冲刷两岸,因此也须采取一定 的防护措施。

图 3–64 面流消能

(2)消力戽
消力戽的挑流鼻坎潜没在水下,形不成自由水

舌,水流在戽内产生旋滚,经鼻坎将高速的主流挑
至表面,其流态如图3–65所示(三滚一浪),戽内

的旋滚可以消耗大量能量,因高速水股在表面,也
减轻了对河床的冲刷。 消力戽适用于尾水较深(大于跃后水深)且变 幅较小,无航运要求且下游河床和两岸抗冲能力较 强的情况。高速水流在表面,不需做护坦,但水面

波动较大,其缺点与面流消能工相同。

图3–65 消力戽消能 1–戽内旋滚;2–戽后底部旋滚;3–下游表面旋滚;4–戽后涌浪

5.其他新型消能工
(1)宽尾墩
将闸墩尾部逐渐拓宽的闸墩称为宽尾墩,如图 3–67所示。 ●闸孔收缩比约为0.3~0.5,墩体收缩角约

20°左右。
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(2)台阶式溢流坝面

点击看图

如图3–68所示,在溢流堰面曲线下游的坝面,设

置一系列的台阶,以消除下泄水流的多余能量,简化
下游消能设施。水流沿坝面台阶逐级掺气、减速和消

能,其消能率比常规光滑坝面高40%~80%。一般台阶
高度取1.0m左右,宽度略小于高度。 ★目前国外采用的单宽流量控制在30m3/(s·m) 以内。 ★我国应用宽尾墩与台阶式溢流坝面联合消能

图 3–67

宽尾墩体形示意图
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图3–68 大朝山工程宽尾 墩台阶式溢流坝面泄流状况图

福建水东电站碾压砼重力坝,57m,采用宽尾 墩——RCC台阶溢流坝面——消力戽联合消能,设 计过坝最大q=120 m3/(s·m),已经受了过坝

q=80m3/(s·m)的考验;云南大朝山电站碾压砼重
力坝,111m,采用宽尾墩——RCC台阶溢流坝面—

—消力戽联合消能,设计过坝最大q=193m3/
(s·m),已经受了过坝q=165m3/(s·m)的考验。

(3)T形墩
墩头平面为矩形,其后以一矩形直墙支撑与消 力池尾坎相连,整体在平面上呈T形,故称T形墩, 见下页图3–69。 ●首先用于印度的布哈伐尼坝; ●我国澧水三江口水电站溢流坝消力池也采用 了这种型式,消力池长度由平底消力池的50m降到 15m。

图3–69

三江口水电站溢流坝T形墩消力池(单位:m)

6.多种消能工联合消能
联合消能可以是:

①多种泄水建筑物的联合,包括:坝体的表孔、
中孔、底孔,岸边溢洪道及泄洪隧洞等,而以溢流坝

和岸边溢洪道为主;
②不同型式消能工的联合,如:宽尾墩与挑流联

合,宽尾墩与消力池联合,宽尾墩、台阶式溢流坝面
与消力戽联合等。

7.下游折冲水流及防止措施
为改善下游流态,可采取以下措施: ①在枢纽布置上,尽量使溢流坝的下泄水流与

原河床主流的位置和方向一致;
②规定闸门操作程序,使各孔闸门同时均匀开

启,或对称开启;
③布置导流墙,使主流充分扩散;

④进行水工模型试验,研究下游流态及改善措
施。

图 3–71

宽尾墩配合挑坎的布置及流态图(单位:m) (a)剖面图; (b)平面图 1–墩尾;2–气袋;3–水冠;4–无水区

图3–72

某工程溢洪坝泄水时的下游流态

图3–73

坝下折冲水流

三、坝身泄水孔
(一)作用和工作条件

1.作用
①宣泄部分洪水(泄洪);

②预泄库水,增大水库的调蓄能力(预泄);
③放空水库以便检修(放空); ④排放泥沙,减少水库淤积(排沙); ⑤随时向下游放水,满足航运或灌溉、生态等 要求(放水);

⑥施工导流。

2.工作条件
①流速高,易产生负压、空蚀、振动; ②水头高,压力大,有的可达20000~40000kN, 启门力也相应加大; ③闸门在水下,检修较困难;

④门体结构、止水、启闭复杂,造价高。
在枢纽中设置坝身泄水孔、泄洪隧洞或泄水管道, 用以放空水库是非常必要的。我国早期有些工程没有修

建这类泄水建筑物,给后来的运用和检修造成很大困难。 增建了进口高程与原河底相近的泄水隧洞。

例如:某土坝在地震中发生滑坡,为放空水库修复大坝,

(二)型式及布置
1.有压泄水孔
点击看图

●工作闸门布置在出口,门后为大气,可以部
分开启;出口高程较低,作用水头较大,断面尺寸 较小。 ●缺点:闸门关闭时,孔内承受较大的内水压

力,对坝体应力和防渗都不利,常需钢板衬砌。
●常在进口处设置事故检修闸门,平时兼用来

挡水。如安砂。

2.无压泄水孔

点击看图

●工作闸门布置在进口。为了形成

无压水流,需在闸门后将断面顶部升高。
●闸门可以部分开启,闸门关闭后孔道内无水。

明流段可不用钢钣衬砌,施工简便、干扰少、有利于
加快施工进度;

●与有压泄水孔相比,对坝体削弱较大。
●国内重力坝多采用无压泄水孔,如:三门峡、 丹江口、刘家峡等。

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图 3–74

有压泄水孔(单位:m)

1–通气孔;2–平压管;3–检修门槽; 4–渐变段;5–工作闸门

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图3–75 无压泄水孔(单位:m) 1–启闭机廊道;2–通气孔

3.双层泄水孔
因受闸门结构及启闭机的限制,坝身泄水孔的断面
面积不能太大。为了增大经过坝体的泄流量,可将泄水

孔做成双层的,或将泄水孔布置在溢流坝段。
采用这种布置时需要注意两个问题: ①双层泄水时,对下层泄水孔泄流能力的影响; ②在尾部上、下层水流交汇处容易发生空蚀。模型 但应开展水工模型试验研究,以便对可能出现的问题进 行妥善处理。

试验和原型观测都表明,双层泄水孔在技术上是可行的,

图3–76

双层泄水孔(高程:m)

(三)进口曲线
应满足: ①减小局部水头损失,提高泄水能力; ②控制负压,防止空蚀。

常采用1/4椭圆:

y x ? ? 1 2 2 A (?A)

2

2

有压泄水孔

无压泄水孔

★椭圆长轴(x轴)多与孔轴平行。

有些试验资料表明,长轴稍向上倾斜约
12°左右,不但可以保证良好的压力分

布,且有较大的泄水能力。
★圆形断面,式中的A为圆孔直径,? =0.30。 ★矩形断的顶面曲线,A为孔高,

?

=1/3~1/4;例:三门峡,A=11m,

★两侧曲线,A为孔宽,
Α =3.5m,

?

= 0.318 = 1/3.14。

★底部边界线可以采用圆弧。 ? =1/4;

(四)闸门和闸门槽
1. 闸门

●弧形闸门——不设门槽,虽流速较高,但因边
界平顺,水流流态好,抗空蚀性能强,启门力较平面

闸门小,运用方便。缺点是,闸门结构复杂,整体刚
度差,闸门支铰座受力集中,启闭室所占的空间较大。

●平面闸门——具有结构简单、布置紧凑、启闭机
可布设在坝顶等优点。缺点是,启门力较大,门槽处 边界突变,易产生负压引起空蚀。

●对于尺寸较小的泄水孔,亦可以采用阀门。

2. 门槽
●矩形门槽,适用于v<10m/s。

●矩形收缩型门槽,门槽宽深比

w/d=1.6~1.8;错矩=(0.05~0.08)w;下游
边墙坡率为1:8~1:12;圆角半径=0.1d。

图3–78

平面闸门门槽附近的水流流态和门槽的型式(单位:m)

(五)孔身
●有压孔多用矩形断面,但泄流能力较小的有压

泄水孔则常采用圆形断面。
●无压泄水孔通常采用矩形断面。孔顶应留有足 够的空间,以满足掺气和通气的要求。孔顶距水面 的高度可取通过最大流量不掺气水深的30%~50%。

(六)渐变段
进、出口。渐变段以便水流平顺过渡,防止负

压和空蚀的产生。
●长度:L=(1.5 ~ 2)D;

●收缩率:1:5 ~ 1:8。

●在有压泄水孔末端,水流从压力流突然变成
无压流,引起出口附近压力降低,易在顶部产生负 压,所以,在泄水孔末端常插入一小段斜坡将孔顶 压低,孔顶压坡i=1:10~1:5。

? 出口 =0.85~0.9 ? 孔身

图3–79 渐变段 (a)进口渐变段;(b)出口渐变段

(七)竖向连接
●有压孔,采用圆弧曲线,R>5D(孔径);

●无压孔,采用抛物线连接。

x ? 15.5

y

一般应通过水工模型试验确定曲线型式。

(八)平压管和通气孔
●平压管:开启检修闸门前先在两道闸门中间充水,
这样就可以在静水中启吊检修闸门。平压管直径根

据规定的充水时间决定。
当充水量不大时,也可将平压管设在闸门上,充水 时先提起门上的充水阀,待充满后再提升闸门。 ●通气孔:补气——泄流、放空时; 排气——冲水时。

通气孔直径d的确定: 通气量

Qa ? 0.09Vw A

Qa 通气孔面积 a ? [V ] a

通气孔直径 d ?
式中

4a

?

V w ——水流流速,m/s;
A——闸门后泄水孔断面面积,m2

; [Va ] ——通气孔允许风速,一般不超过 40~45m/s;

(九)泄水孔的应力分析
泄水孔附近的应力状态比较复杂,属于三维应力状

态,可采用三维有限元法或结构模型试验进行分析。在
泄水孔断面与坝段断面之比相对较小,坝段独立工作、 横缝不传力的情况下,可近似按弹性理论无限域中的平 板计算孔口应力。垂直泄水孔轴线切取截面,设泄水孔 中心处在无泄水孔情况下垂直孔轴的应力为,将作为均

布荷载作用在板的上、下端,根据弹性理论公式,可以
求得孔周附近的应力。对有压泄水孔,除上述应力外,

还应计入由于内水压力引起的孔周附近的应力。

3.11

重力坝的地基处理

任务:
①防渗;②提高基岩的强度和整体性。

一、坝基开挖
《砼重力坝设计规范》(DL5108–1999)要求: ●H>100m,新鲜、微风化或弱风化下部基岩上; ●H=50~100m,微风化至弱风化上部基岩上;

●H<50m,弱风化中部至上部基岩上;
●两岸岸坡较高部位的坝段其利用基岩的标准可适 当放宽。

二、固结灌浆
●目的:提高基岩的整体性和强度,降低地基的 透水性。 ●部位: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。
●孔、排距:从l0~20m开始,采用内插逐步加 密法,最终为3~4m。 ●孔深:5~8m,帷幕上游区的孔深为8~15m。 ●灌浆压力:0.2~0.4MPa,有时可达0.7MPa, 以不掀动岩体和盖重砼为限。

图 3-81

固结灌浆孔的布置(单位:m)

三、帷幕灌浆
减少渗流量。 ●材料: 水泥浆,常用; 化学浆,可灌性好,抗渗性强,但价格高,

●目的:降低渗流压力,防止产生机械或化学管涌,

且污染地下水质,国外已较少用。日本已禁用。
●程序:先进行固结灌浆,帷幕灌浆必须在浇筑一 定厚度的坝体砼后施工。 ●灌浆压力:以不破坏岩体为原则,应通过试验确 定。表层段≦(l~1.5)h,孔底段≦(2~3)h,h-坝

前静水头。

帷幕设计 1. 帷幕深度 当地基内的透水层厚度不大时,帷幕可 穿过透水层深入相对隔水层3~5m。 ●(DL5108–1999)规定:相对隔水层 的透水率q标准(1 Lu=0.01L/(min·m)): H>100m H=100~50m H<50m q=1~3Lu; q=3~5Lu; q=5Lu。

●抽水蓄能电站或水源短缺水库q值控 制标准宜取小值。

(1)当隔水层不深,灌到隔水层;
(2)当隔水层很深,灌到相对隔水层3~

5m;
(3)当相对隔水层较深或无规则分布,L

=(0.3~0.7)H;
(4)当无地质资料时,用经验公式L=

H/3+c

(c=8-25m)。

2.帷幕厚度 应当满足抗渗稳定的要求,即帷幕 内的渗流坡降不应超过规定的容许值,即
?H J? ?J c l4 , →

?H l4 ? Jc

; c——孔距;
c1——排距;

(1)单排孔 l 4 ? (0.7 ? 0.8)c=c?

(2)多排孔 l 4 ? (n ? 1)c1+c ?

c ? =(0.7~0.8)c。

表3–15

防渗帷幕的容许渗流坡降

帷幕区的透水率 q (Lu) <5 <3 <1

帷幕区的渗流系数 容许渗流坡降 Jc

k(cm/s)
<1×10 <6×10 <2×10
–4

10 15 20

–5

–5

3.孔距、排数、排距的确定
(1)孔距 c=1.5~4.0m (2)排数 H≥70m, 2排; H<70m, 1排。 (3)排距 c =(0.6~0.7)c。 1

图 3-83

防渗帷幕厚度

1-钻孔;2-浆液扩散半径

4.帷幕范围
帷幕深入两岸的部分: ●当相对隔水层距地面不远时,帷幕应伸入岸坡与 该层相衔接。 ●当相对隔水层埋藏很深时,可以伸到原地下水位 线与最高库水位的交点B处。

图3–82

防渗帷幕沿坝轴线的布置

四、坝基排水
1.排水孔幕
灌浆帷幕体现了“堵”,排水孔幕体现了“排”。
(1)布置和钻孔时间

位置:在防渗帷幕后,排水孔幕与防渗帷幕下游
面的距离,在坝基面处不宜小于2m。 方向:一般略向下游倾斜,与帷幕成10°~15° 交角。 时间:在砼坝体内的部分要预埋钢管,待帷幕灌

浆后钻孔。

(2)孔径、孔距、孔深
孔径:D=150~200mm; 孔距:2~3m;

孔深:为帷幕深度的0.4~0.6倍,高、中坝的排
水孔深不宜小于10m。

2. 辅助排水孔幕
H>70m, H=30~70m, 孔距:3~5m; 孔深:6~12m。 2~3排; l~2排;

新安江、丹江口、刘家峡等坝基排水均采用这种
布置,实测坝底面扬压力较设计减小30%以上。

灌浆帷幕和排水孔幕在渗流控制中的作用不同,前
者主要是减小坝基渗流量,而后者主要是降低扬压力。 我国工程实践和理论研究认为,对透水性较大的岩基, 应首先作好灌浆帷幕,使坝基保持渗流稳定,并设排水 孔幕降低扬压力;对透水性较小的岩基,应采取排水为 主的原则,灌浆只是为了封堵局部的洞穴或裂隙;对弱 透水的岩浆岩,甚至只设排水幕而不设灌浆帷幕以降低 扬压力。

图 3–85

坝基排水系统

1 一灌浆排水廊道;2-灌浆帷幕;3-主排水孔幕;4 一纵向排水 廊道;5-半圆砼管;6-辅助排水孔幕;7 一灌浆孔

五、断层破碎带、软弱夹层和溶洞的处理

(一)断层破碎带的处理
①坝基产生不均匀沉降,导致坝体开裂。

②如果破碎带与水库连通,还会使坝底的渗流
压力加大,甚至产生机械或化学管涌,危及大坝安

全。
1.陡倾角破碎带处理

可采用开挖回填砼塞。高度可取断层宽度的
1~1.5倍,且≦1.0m,见图3–86(a)。

图 3–86 陡倾角断层破碎带的处理 1–坝段;2–伸缩缝;3–断层破碎带;4–砼塞; 5–基岩面;6–坝体;7–灌浆帷幕;8–排水孔幕

2.缓倾角断层破碎带

●埋藏较浅的,挖除;
●埋藏较深的,除在顶面作砼塞外,还要考虑 其深埋部分对坝体稳定的影响。 ●必要时可在破碎带内开挖若干个斜井和平硐, 回填砼,形成由砼斜塞和水平塞组成的刚性骨架。

图3–87 缓倾角断层破碎带的处理 1–断层破碎带;2–地表砼塞;3–阻水斜塞; 4–加固斜塞;5–平洞回填;6–伸缩缝

(二)软弱夹层的处理

图3–88

软弱夹层的处理(高程:m)

①坝踵砼深齿墙:切断软弱夹层直达完整基岩。当 夹层埋藏较浅时,施工方便,有利于防渗,使用较多; ②砼塞:对埋藏较深、较厚、倾角平缓的软弱夹 层,可在夹层内设置砼塞; ③坝趾砼深齿墙:以加大尾岩抗力, 适用于在建 坝过程中发现未预见到的软弱夹层或已建工程抗滑稳 定的加固处理; ④抗滑桩:作用不十分明确,目前尚无成熟的计 算方法; ⑤预应力锚索:以加大岩体的抗力,铜街子、张 家山。

(三)溶洞处理
●在岩溶地区建坝,溶洞、漏斗、溶槽和暗河等

地质缺陷,不仅是漏水的通道,而且还降低了基岩的
承载能力。 ●处理措施: 对于浅层溶洞,可直接开挖,清除冲填物并冲洗 干净后,用砼回填。 对于深层溶洞,如规模不大,可进行帷幕灌浆。 乌江渡电站建在石灰岩地层上,为在岩溶地区建

坝提供了宝贵的经验。

3.12 重力坝的材料及构造 一、混凝土 (一)混凝土的性能
除强度外,还有抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、 低热、抗裂等要求。

1.混凝土的强度等级
《水工砼结构设计规范》(SL/T191–96)将混 凝土强度等级划定为C10、C15、C20、C25、C30、C35、 C40、C45、C50、C55、C60等11级。强度等级是按方 体试块的抗压强度标准值fck确定的。 抗压强度设计龄期一般取90d,最多不超过180d。

2.抗渗性
通常用抗渗等级来表示,参照表3–16选定。对承受侵蚀 水作用的建筑物,其抗渗等级应进行专门的试验研究,但不得 低于W4。 表3–16
项 次 1 部 位

坝体混凝土抗渗等级
渗流坡降 抗渗等级 W2

坝体内部

i<10
坝体其它部位按 2 渗流坡降考虑时 30≤i<50 10≤i<30

W4 W6 W8 W10

i≥50

3.抗冻性
抗冻性系指砼在饱和状态下,经多次冻融循环而 不破坏,也不严重降低强度的性能,通常以抗冻标号 表示。参照表3–17选定。 注:严寒——最冷月份平均气温<-10℃; 寒冷——最冷月份平均气温≥-10℃,但≤-3℃; 温和——最冷月份平均气温>-3℃。

表3–17

坝体混凝土抗冻等级
严 寒 ≥100 <100 寒 冷 ≥100 <100 温 和 –

气 候 分 区 年冻融循环次数(次) (1)受冻严重且难于检修部位:流速大于 25m/s、过 冰、多沙或多推移质过坝的溢流坝、深孔或其它输水 部位的过水面及二期砼 (2)受冻严重但有检修条件部位:砼重力坝上游面 冬季水位变化区;流速小于 25m/s 的溢流坝、泄水孔 的过水面 (3)受冻较重部位:砼重力坝外露阴面部位 (4)受冻较轻部位:砼重力坝外露阳面部位 (5)砼重力坝水下部位或内部砼

F300

F300

F300

F200

F100

F300

F200

F200

F150

F50

F200 F200 F50

F200 F150 F50

F150 F100 F50

F150 F100 F50

F50 F50 F50

4.抗冲刷性
尚未制订明确的技术标准。根据经验,高强度等级砼,
其抗冲刷能力较强。

指抗高速水流或挟沙水流冲刷、磨损的性能。目前,

5.抗侵蚀性
指砼抵抗环境水侵蚀的性能。当环境水具有侵蚀性 时,应选用适宜的水泥及骨料。

6.抗裂性
选用发热量较低的水泥和减少水泥用量以提高砼的 抗裂性能。

(二)混凝土的材料
★掺和料:粉煤灰,一般为水泥用量的15%~25%。 广泛采用复合剂。我国广西大化工程采用粉煤灰和外加

★水泥:常用中热水泥也称大坝水泥,如矿渣水泥等。

★外加剂:加气剂、塑化剂、减水剂等。近十多年来, 剂,使每立方米砼的水泥用量从267kg减少到162kg,收
到了较好的效果。 ★粗骨料:指粒径5~150mm的天然砾石、卵石或人工

碎石。
★细骨料:指粒径在5mm以下的天然河砂或人工砂

★水:—般不含酸、碱等有害物质的水均可。

二、坝体混凝土分区
为了节约与合理使用水泥,通常将坝体按不同 部位和不同工作条件分区,采用不同强度等级的混 凝土。 见下页图中。
图中 I区——上、下游水位以上坝体表层混凝土; Ⅱ区——上、下游水位变化区的坝体表层混凝土;

Ⅲ区——上、下游最低水位以下坝体表层混凝土;
Ⅳ区——靠近地基的混凝土; V区——坝体内部混凝土; Ⅵ区——有抗冲刷要求部位的混凝土,如:溢流面、 泄水孔、导墙和闸墩等。

各区对混凝土性能的要求:
抗 分 区 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 强 度 + + ++ ++ ++ ++ 抗 渗 - + ++ + + - 抗 冲 冻 刷 ++ ++ + + + ++ - - - - - ++ 蚀 - + + + - ++ + + + ++ ++ + 0.60 0.50 0.55 0.55 0.70 0.50 0.65 0.55 0.60 0.60 0.70 0.50 抗冲耐磨 施工和冰冻深度 冰冻深度、抗渗和施工 抗渗、抗裂和施工 抗裂 侵 热 严寒和寒冷地区 温和地区 因素 抗 低 最大水灰比 选择各区宽度的主要

注:表中有“++”的项目为选择各区混凝土 的主要控制因素,有“+”的项目为需要提出要求 的,有“-”的项目为不需要提出要求的。

●同一浇筑块中的强度等级不得超过两种,
相邻区的强度等级不得超过两级,以免引起应力 集中或产生温度裂缝。 ●分区厚度一般不小于2~3m,以便浇筑施工。

三、重力坝的分缝、分块
(一)横缝
作用:减小温度应力,适应地基不均匀变形和
满足施工要求(如砼浇筑能力及温度控制等)。 间距:一般为12~20m,也有用到24m左右的; 横缝有永久性的和临时性的两种。 1.永久性横缝

●平缝:不设键槽,不灌浆,宽1~2cm;如基
岩良好,也可不留间隙,缝面不凿毛,冬季坝体收 缩时,横缝张开,夏季横缝挤紧,产生一定的压应 力。

●止水:《砼重力坝设计规范》
(DL5108-1999)、(SL319-2005)规定: 对高坝,应采用两道金属止水片,中间设沥青井; 对中、低坝可适当简化。 ●金属止水片:采用1.0~1.6mm厚的紫铜片,做

成 “

”形,每侧埋入砼的长度为20~25cm。

第一道止水至上游坝面的距离为l~2m,缝间贴沥青

油毡。中坝的第一道止水应为铜片,其第二道或低坝
的止水片在气候温和地区可用塑料,在寒冷地区可采 用橡胶。

●沥青井呈方形或圆形,方形的尺寸常用
20cm×20cm至30cm×30cm。井内灌注的填料

由Ⅱ号或Ⅲ号石油沥青、水泥和石棉粉组成。
井内采用电加热,将钢筋埋入井内,并以绝缘 体固定,在井底设沥青排出管,以便排出老化 的沥青,重填新料。 图3–90(a)、(b)、(c)是几种不同

布置型式的横缝止水。

图3–90 横缝止水 1–横缝;2–沥青油毡;3–止水片;4–沥青井;5–加热电极; 6–预制块;7–钢筋砼塞;8–排水井;9–检查井;10–闸门底槛预埋件

2.临时横缝

主要用于:
①河谷狭窄,做成整体式重力坝,可在一
定程度上发挥两岸山体的支撑作用,有利于坝

体的强度和稳定;
②岸坡较陡,将各坝段连成整体,可以改

善岸坡坝段的稳定性;
③座落在软弱破碎带上的各坝段,连成整

体后,可增加坝体刚度;

④在强地震区,将各坝段连成整体,可提高坝 体的抗震性能。 键槽缝:临时横缝的缝面设置键槽和灌浆 系统。 大狄克桑斯坝的横缝全部灌浆; 乌江渡拱形重力坝,最大坝高165m,坝顶 以下65m,横缝不灌浆,再向下直达基岩,横 缝灌浆,形成拱形整体结构; 新安江坝在底部10~18m范围内进行了局 部灌浆。

3.坝段与基岩面的连接
坝体混凝土必须与基岩面紧密结合,以防沿基面漏

水,影响坝体稳定。当基岩横向(对岸方向)坡度缓于
1:2时,通常在坝体浇筑后利用帷幕灌浆对接触面进行

灌浆封实;当横向坡度陡于l:2时,应设接触面止水,
在基岩上挖槽,将止水铜片的一侧埋入槽内,回填砼;

当横向坡度陡于1:1时,应按临时性横缝处理,沿周围
嵌入止浆片,并在接触面上布设灌浆系统,待坝体砼接

近稳定温度后,进行接缝灌浆。

(二)纵缝 纵缝——平行坝轴线方向,为了适应砼的 浇筑能力和减小温度应力,将一个坝段分成

几个坝段而设的临时缝、施工缝,待其温度
接近稳定温度后再进行接缝灌浆。 纵缝有:铅直纵缝、斜缝、错缝。

图3–91 纵缝型式 (a)铅直纵缝;(b)斜缝;(c)错缝

1.铅直纵缝
是最常采用的—种纵缝型式。

★间距:一般为15~30m。纵缝太多,不仅增加
缝面处理的工作量,还会削弱坝的整体性。

★缝型:缝面设水平向键槽。为了更好地传递压
力和剪力,键槽应呈斜三角形,槽面大致沿主应力方

向;
★灌浆压力:进浆管的压力0.35~0.45MPa,回

浆管的压力0.2~0.25MPa。

图3–92

纵缝灌浆系统布置图(单位:cm)

1–止浆片;2–Ф38进浆管;3–Ф38回浆管;4–Ф38升浆管;5–Ф38水平管;6–出浆盒;

7–Ф38出浆管;8–Ф38冲洗管;9–三角形通气槽;10–键槽;11–横缝

2.斜缝
★斜缝大致沿满库时的最大主压应力方向设置,因缝 面的剪应力很小,有可能不必进行灌浆。安砂的部分坝 段和日本的丸山坝采用斜缝不灌浆方法施工。 ★斜缝不宜直通上游坝面,需在离上游面一定距离处

终止。
3.错缝 ★间距:10~15m,缝的错距为l/3~l/2浇筑块的 厚度。

★斜缝的最大缺点是施工干扰较大,目前已很少采用。

★缝面间不需灌浆处理,施工较简便,但整体
性差。

★前苏联曾在德聂泊水电站等中、小型重力坝
中采用错缝浇筑,我国用的极少。

4.通仓浇筑
通仓浇筑施工简便,可加快施工进度,坝的整 体性较好,但必须进行严格的温度控制。《砼重力 坝设计规范》(DL5108–1999)规定:常态砼重力 坝,采用通仓浇筑,应经论证。

(三)水平施工缝
■水平施工缝是上、下层浇筑块之间的接合 面。 ■浇筑块厚度:—般1.5~4.0m,靠近基岩面 用0.75~1.0m。 ■上、下层之间常间歇:3~7d。 ■上层砼浇筑前,必须用风水枪或压力水冲洗

施工缝面上的浮渣、灰尘和水泥乳膜,使表面成为
干净的麻面,再均匀铺一层2~3cm厚的水泥砂浆,

然后浇筑。

四、坝体排水
为减小渗水对坝体的不利影响,在靠近上游面需 要设置排水管幕。渗水由排水管进入廊道,然后汇入 集水井,经由横向排水管自流或用水泵抽水排向下游。 h,且不小于2m;

■排水管幕至上游面的距离:d≦(1/10~1/12)

■间距:2~3m;
■管内径:15~25cm;

■常用预制多孔砼管。

图3–93

坝体排水管(单位:cm)

五、廊道系统
为灌浆、排水、观测、检查和交通的需要在

坝体内设置各种不同用途的廊道,这些廊道互相连
通,构成廊道系统,如图3–94所示。

图3–94 坝内廊道系统图 (a)立面图;(b)水平剖面图;(c)横剖面图 l–坝基灌浆排水廊道;2–基面排水廊道;3–集水井;4–水泵室;5–横向排水廊道; 6–检查廊道;7–电梯井;8–交通廊道;9–观测廊道;10–进出口;11–电梯塔

(一)坝基灌浆廊道
■距上游坝面:d=(0.05~0.1)h, 且≦4~5m。 ■底面距基岩面≦1.5b1。 灌浆廊道沿河床向两岸逐渐升高,坡度不宜陡于 40°~45°,以便钻孔、灌浆及其设备的搬运。

■断面多为城门洞形,宽b1=2.5~3m,高h1=3~4m。

(二)检查和坝体排水廊道
■在靠近坝体上游面沿高度每隔15~30m设一层;

■断面多采用城门洞形,bmin=1.2m, hmin=2.2m。 ■至上游面的距离d1≦0.05~0.07)h,且≦3m, 上游侧设排水沟。

(三)应力计算和配筋
对于距离坝体边界较远的圆形、椭圆形和矩形孔 道,可应用弹性理论方法,作为平面问题按无限域中 的小孔口计算应力; 对于靠近边界的城门洞形廊道,则主要依靠试验 或有限元法求解。 工程实践表明,施工期的温度应力是坝内廊道和 孔洞周边产生裂缝的主要原因。

六、坝顶
■上游:防浪墙高一般为1.2m,采用与坝体连 成整体的钢筋砼结构。在坝体伸缩缝处,防浪墙也 应设伸缩缝,并设止水。 ■下游:设防护拦杆。 ■顶面:应有倾向上游的横坡,并设排水管通 向上游。

图3–95 坝顶结构布置 1–防浪墙;2–公路;3–起重机轨道;4–人行道; 5–坝顶排水管;6–坝体排水管;7–最高水位

3.13

碾压混凝土重力坝

一、概述
●碾压砼筑坝是将土石坝施工中的碾压技术应用
于砼坝,采用自卸汽车或皮带输送机将超干硬性砼运 到仓面,以推土机平仓,振动碾压实的筑坝新方法。 ●1980年日本建成了世界上第一座H=90m的岛地川 坝; 大朝山和棉花滩3座超过100m级的已建设完成。 ●世界最高的是日本宫濑坝,H=155m。

●1986年我国建成了H=56.8m的福建坑口坝。江桠、

●我国在建的龙滩,一期H=192m,二期H=216.5m。

优点: (1)工艺程序简单,可快速施工,缩短工期,提 前发挥工程效益。 (2)胶凝材料(水泥+粉煤灰、矿渣或其他具有一 定活性的混合材料)用量少,一般在120~160kg/m3之

间,其中水泥约为60~90kg/m3。
(3)由于水泥用量少,结合薄层大仓面浇筑,坝

体内部砼的水化热温升可大大降低,从而简化了温控措
施。据日本岛地川坝的实测资料表明,大坝内部砼温升 仅有8~10℃。

(4)不设纵缝,节省了模板和接缝灌浆等费用,
有的甚至整体浇筑不设横缝。 (5)可使用大型通用施工机械设备,提高砼运 输和填筑的工效。 (6)降低造价。

碾压混凝土坝的种类
1. 日本的RCD
(1)金包银式(金:3m ) (2)富胶凝材料

胶凝材料:
水泥(C)+粉煤灰(F) 水泥:95-100kg/m3 粉煤灰:25-30kg/m3 用水量:90-100kg/m3



率: 0.30-0.34

最大骨料:80mm

初凝时间:6-8h
横缝间距:15m VC值:15-20s(碾压混凝土振动碾压的时间) 碾压层厚度:50-100cm

2.美国的RCC
(1)金包银式(金:2-3m ) (2)胶凝材料:水泥(C)+粉煤灰(F) 水泥:65-70kg/m3 粉煤灰:65-70kg/m3 用水量:90-100kg/m3 砂 率: 0.30-0.34 最大骨料:50-75mm 初凝时间:6-8h 横缝间距:50-150m V C值:15-20s 碾压层厚度:30cm

3.中国的RCCD
(1) 高坝:金包银式或变态混凝土 中低坝:全碾压混凝土或防渗层 (2) 胶凝材料:水泥(C)+粉煤灰(F) 水泥:50-60kg/ m3 粉煤灰:90-100kg/ m3 用水量:80-100kg/ m3



率: 0.30

最大骨料:80mm
横缝间距:15-30m

初凝时间:6-8h

V C值:10-15s

碾压层厚度:30cm

二、碾压混凝土重力坝的设计
DL/T5005–92《碾压混凝土坝设计导则》 规定:碾压混凝土重力坝的剖面设计原则、计算方 法和控制指标,仍按照现行混凝土重力坝设计规范 执行,但在材料与构造等方面需要适应碾压混凝土

的特点。

(一)应力特点
碾压混凝土重力坝既不设纵缝,施工时也不进 行水管冷却,在坝体竣工蓄水运行时,坝内温度远 没有降低至稳定温度。

计算表明,对碾压混凝土重力坝,如果模拟坝的 施工过程,自重、水压力与温度三种荷载分步叠加计 算,自重和水压力对减小坝体内部和表面由于温度变 化而产生的拉应力是有利的。

(二)坝体的 f ? 、 c ?
碾压混凝土坝的层面是抗滑稳定的薄弱面,其抗 剪断强度参数相对较低,《混凝土重力坝设计规范》

(DL5108–1999)中,给出了碾压混凝土层面 f ? c ? 均值和80%保证率的标准值,见表3–19。

表3–19 碾压砼层面

f ? 、 c?
抗剪断强度参数均值和标准值

均值和80%保证率的标准值
类别名称 特 征 均值 标准值 均值 Cc ' 1.27~ 1.50 1.73~ 1.96 1.6~2.0 1.5 1.25 1.45 标准值

f c?
1.0~ 贫胶凝材料配比 180d 龄期 碾压砼(层面 黏结) 富胶凝材料配比 180d 龄期 1.3 常态砼(层面 90d 龄期 C10~C20 黏结) 1.3~ 1.1 1.1~

? f ck
0.82~ 1.00 0.91~ 1.07 1.08~

? cck
0.89~ 1.05 1.21~ 1.37 1.16~

注:

胶凝材料小于130kg/m3为贫胶凝材料;大

于160kg/m3为富胶凝材料;在130~160kg/m3之间为中 等胶凝材料。

(三)材料
◆胶凝材料的用量远少于常态砼,其中,粉煤 灰在胶凝材料中所占比重一般为30%~60%,有的 高达70%。

◆骨料:最大粒径大多小于80mm,并需级配良好。 ◆砂率:(砂与砂、石子的重量比)在30%左右。 ◆水胶比:一般在0.45~0.7之间。 ◆外加剂用量:为胶凝材料的0.25%左右。 ◆稠度VC:碾压砼的稠度以振动密实时间VC值表示

(试件在振动台上从开始振动到砼全面翻浆所需的时间, 以秒计),通常VC=15~20s。

国内外几座碾压砼重力坝胶凝材料的用量见P127表3–20。

(四)混凝土分区 剖面内的砼分区,目前还没有一个统一的模式。 ●日本的做法是:仅将碾压砼用于坝体内部,而

在坝体上、下游面和靠近基岩面浇筑2~3m厚的常态砼
作为防渗层、保护层和垫层,即所谓“金包银”式, 铺筑层厚0.5~0.75m,分2~3次铺筑。图3–96(a)

为日本玉川坝的典型剖面。
●美国的柳溪坝采用钢筋砼预制模板,全剖面均

为碾压砼,铺筑层厚为0.3m,见图3–96(b);美国
上静水坝则是采用滑动模板,在模板内侧浇筑平均厚 度为0.3~0.6m的常态砼,坝体内部全用碾压砼,铺筑 层厚为0.3m。

图3–96 碾压砼重力坝典型剖面(单位:m) (a)日本玉川坝(b)美国柳溪坝(c)中国坑口坝(d)中国潘家口下池坝 l–常态混疑土;2–钢筋砼;3–不同配合比的碾压砼 4–钢筋砼防冲层;5–沥青砂浆防渗层;6–钢筋砼预制板;7–砼预制块;8–坝内碾压砼 9–浓胶凝浆液;10–D150碾压砼;11–D50碾压砼

●我国修建的碾压混凝上重力坝,型式多样。 有的与日本类似,采用外包常态砼,如辽宁省82m 高的观音阁坝。 福建的坑口坝[图3–96(c)],坝高56.8m,坝顶 长122.5m,上游面用钢筋砼预制模板浇灌6cm厚的沥青 砂浆防渗层,下游面用砼预制块代替模板,做为坝体的 一部分,溢流面为钢筋砼的防冲层。 潘家口下池坝[图3–96(d)],采用大型组装式 钢模板,全剖面均为碾压砼。

(五)坝体防渗
●常态混凝土可用作防渗体。 ●变态混凝土防渗:是在坝上游面一定的范围内 碾压混凝土摊铺表面泼洒适量的水泥浆,使该处的混 凝土变成具有塌落度的类似常态混凝土,然后用人工

插入式振捣器振捣,厚度通常为0.3 ~2.0m。此法由
我国首先提出,与常态混凝土相比,变态混凝土的各 方面性能并无多大差异,只是“变”的地点在仓面。 ●其他型式的防渗:喷涂合成橡胶薄膜防渗、沥 青砂浆。我国坑口坝上游面用6cm厚的沥青砂浆防渗。

(六)坝体排水
■排水管设在常态混凝土内; ■设在碾压混凝土区 用瓦楞纸做成与铺筑层厚相同的砂柱(直径约 150mm),待砼铺好后一起碾压,孔内砂料可在一 天后清除; 采用拔管法造孔。

■美国上静水坝不设坝体排水,也不依靠上游
坝面的常态砼体来防渗。

? (七)坝体分缝
? ? ■不设纵缝; ■横缝:

短间距横缝:一般为15~20m,日本的玉川坝,

H=103m,L=441m,间距15~18m。
? 长间距横缝:江桠35m,大朝山36m,棉花滩

左岸非溢流坝段50m,右岸64m和70m。
? 不设横缝:坑口、龙门滩和水东均不设横缝。

(八)坝内廊道
●中等高度以下的坝可只设一层坝基灌浆、排 水廊道;

●100m以内的高坝,可设二层,以满足灌浆、
排水和交通的需要。

●廊道用砼预制件拼装,可设在常态砼内,也
可在预制件外侧用薄层砂浆与碾压砼相接。

? (九)温度控制

?
?
? ?

①减少水泥用量,选用低热水泥,合理确定
混合材料的掺量;

②对原材料进行预冷却;
③用冰屑代替部分拌和水; ④根据工程的具体条件(季节、气温等)合 理安排施工等。

三、经验和展望
从发展趋势看,碾压砼不仅适用于重力坝,而 且已开始在拱坝上采用。碾压砼重力坝的高度已超 过百米。 我国主要经验: ①具有高掺粉煤灰、薄层大仓面、低稠度、快速 短间歇、连续浇筑、全截面碾压施工等特点; ②采用改性砼防渗结构,在坝上游面应用二级配 富胶凝材料碾压砼形成自身防渗体; ③部分溢流坝采用台阶式溢流面; ④采用有限元法对坝体温度场及温度应力进行仿 真计算等。

有待进一步深化和完善的问题:
①上、下层之间的结合面附近是碾压砼的薄

弱部位,如何提高结合面的抗剪断强度和抗渗能力;
②如何从材料、配合比、施工工艺等方面提高

现场碾压砼的质量;
③研究经济、有效的防渗措施等。随着科学技

术水平的不断提高和经验积累,碾压砼坝必将在规
模和数量上得到更快的发展。

3.14

其他型式重力坝

一、浆砌石重力坝 公元前833年在浙江省大溪河上砌筑了L=140m、 H=27m的条石溢流坝—它山堰。我国最高的是河北

省朱庄水库,H=95m。世界最高的是印度的纳加琼
纳萨格坝,H=125m。 ■优点: ①就地取材,节省水泥; ②水化热温升低,因而不需要采取温控措施, 也不需设纵缝,还可增大坝段宽度;

③节省模板,减少脚手架,因而木材用量较少, 减少了施工干扰; ④技术易于掌握,施工安排比较灵活,可分期 施工,分期受益,可用人工砌筑。 ■缺点: ①人工砌筑,质量不均匀;

②难于机械化,需要大量劳动力;
③需另作防渗设备;

④工期较长。

(一)构造特点
1.坝体防渗
(1)砼防渗面板或防渗墙
在迎水面浇筑一道防渗面板,大、中型浆砌石重 力坝广泛采用。 ①面板 ●底部厚度=(1/30~1/60)H;

顶厚≦0.3m;
●面板需嵌入基岩:1~2m; ●伸缩缝间距: 10~20m,缝宽约1.0cm, 设止水。

优点:防渗效果好,面板位于坝体表面 便于检修。 缺点:易受气温变化影响,有的防渗面板不同 程度地产生了一些裂缝; 施工时需要立模,耗用木材较多。 ②砼防渗墙 ●墙距上游面0.5~2m,与砌石浇筑在一起。 ●主要是检修不便。

(2)浆砌石、水泥砂浆勾缝 在坝体迎水面用水泥砂浆将质地良好的粗料石或形 状较规则的块石砌筑成防渗层,并用高标号水泥砂浆勾 缝。砌缝厚2~3cm,勾缝深不大于2~3cm。防渗层厚度 约为坝体承受的最大水头的1/15~1/20。适用于中、

低水头的浆砌石坝。
(3)钢丝网水泥喷浆护面

在坝的迎水面挂一层或二层钢丝网,喷上水泥砂浆
作为防渗层。

厚度:5~6cm。

2.溢流坝面的衬护 (1)全部用砼衬护 适用流速较大。 厚:0.6~1.5m。 (2)砼和条石混合衬护

如流速不大,在堰顶和鼻坎部位用砼衬护,
直线段采用细琢的粗料石。

(3)全部用条石衬护 对单宽流量较小的溢流坝,可以全部用质

地良好、抗冲力强、经过细琢的粗料石作为溢
流面的衬护。

图3–97 峰头水库溢流坝剖面(单位:m) l–M10号小石子砂浆砌块石;2–C10号砼;3–C20号砼;4–砼垫层,厚1.5m; 5–排水管;6–灌浆廊道;7–坝基排水廊道;8–灌浆帷幕;9–坝基排水孔

3.坝体分缝
◆横缝:间距20~30m,最大不超过50m。 ◆纵缝:不设。

(二)材料 1.石料 (1)块石
从开采的石料中选择形状、尺寸适宜的稍加修 整,敲去尖角,成为具有两个大致平行砌筑面的块 石。

要求:厚度≦20cm,长短边的比例不超过3。

(2)粗料石

它是由开采的石料加工而成的具有棱角分
明、六面大致平整的长方体,长度>50cm,厚 度>25cm,长厚比≧3。 (3)细料石 将粗料石进一步加工,使其表面平整,便

成为细料石,用于砌筑闸墩门槽等。

2.胶结材料
水泥砂浆、小石子砂浆。

(三)砌体强度
参照《浆砌石坝设计规范》(SL25–91)选用。

? 二、宽缝重力坝 ? (一)工作特点 ?
? ? 优点: (1)节省砼(10%~20%); (2)宽缝增加了坝块的侧向散热面,加快了 坝体砼的散热进程;

?

(3)便于观测、检查和维修。从结构角度看,
坝体内部应力较低,在该处将厚度减薄也是合理

的。

缺点: (1)增加了模板用量,立模也较 复杂; (2)分期导流不便; (3)在严寒地区,对宽缝需要采取 保温措施。

图3–98

宽缝重力坝剖面及坝底面扬压力分布

(二)坝体尺寸 1.坝段宽度L 由坝高、施工条件、泄水孔布置、坝后厂 房机组间距选定,L=16~24m。 2.缝宽比
2S 缝宽比愈大,愈省砼,但当比值 L

大于

0.4时,在宽缝部分将会产生较大的主拉应力, 一般采用
2S L

=0.2~0.35。

3.上、下游坝面坡率n和m
上游坝面一般都做成变坡的,上部铅直, 下部n=0.15~0.35;下游坡率m=0.6~0.8。

4.上游头部和下游尾部厚度 t u 和 t d
◆上游头部厚度应当满足强度、防渗、人防和布置灌 浆廊道等需要,常取 (h为截面以上的水深),且≦3m。

tu

≥(0.08~0.12)h

t d =3~5m,考虑强度和施工 ◆下游尾部厚 度 要求,不宜≦2m,在寒冷地区还应适当加厚。

(三)应力计算和稳定分析
宽缝重力坝的坝体应力计算属三维问题,但目

前在工程中仍简化成平面问题。取一个坝段作为计
算单元,将实际的水平截面化引为工字形截面,仍

假定铅直正应力σ y按直线分布,利用材料力学偏心
受压公式,可求得σ yu和σ yd。

? yu ? yd

? ? ( k Pa) ? ? A J ? W Td ? M ? ? ? ( k Pa) ? ? A J ?

W ? ?

Tu ? M

式中: ∑W、∑M——作用于计算截面以上全部 荷(包括扬压力)的铅直分力总和及其对截面 垂直水流流向形心轴的力矩总和,kN、kN·m;

Tu、Td——截面形心至上、下游面的距
离,m; A、J——计算截面的面积及其对垂直水 流流向形心轴的惯性矩,m2、m4。

算出σ y后,即可根据上、下游 坝面微分体的平衡条件,求得边缘 应力σ x和τ 以及主应力。 世界:俄罗斯的布拉茨克坝,坝高125m, 坝段宽22m,缝宽3~7m。 我国:新安江,坝高105m,坝段宽20m,

缝宽8m。

三、空腹重力坝
■图3—100是石泉空腹重力坝剖面图。

(一)工作特点
优点:
①由于空腔下部不设底板,减小了坝底面上的 扬压力,可节省坝体砼方量20%左右; ②减少了坝基开挖量;

③坝体前后腿嵌固于岩体内,有利于坝体的抗
滑稳定; ④前后腿应力分布均匀,坝踵压应力较大;

⑤便于砼散热;

图 3–100

石泉空腹重力坝剖面(单位:m)

1–下腹孔;2–上腹孔;3–消力戽;4–灌浆孔; 5–排水孔;6–灌浆帷幕;7–弧形闸门 13.5×17.2

⑥坝体施工可不设纵缝; ⑦便于监测和维修; ⑧空腔内可以布置水电站厂房。

缺点:
①施工复杂; ②钢筋用量大; ③如在空腔内布置水电站厂房,施工干 扰大。

(二)坝体尺寸
■开孔率,即空腹面积与坝体剖面面积之比=10 %~20%; ■空腹高约为坝高的l/3,净跨约占坝底全宽的

l/3,前后腿的宽度大致相等;
■顶拱常采用椭圆形或复合圆弧形曲线,椭圆长

短轴之比约为3 : 2;

■空腔上游边大都做成铅直的,下游边的 坡率大致为0.6~0.8。 ■空腹重力坝的应力状态是比较复杂的, 材料力学方法已不再适用,需要利用有限元法 或结构模型试验求解。

■奥地利于20世纪30年代修建了世界上第
一座空腹重力坝,坝高79m。我国有6座,其中

广东省枫树坝,坝高95.3m。

? 四、支墩坝

? ? ?

由一系列支墩和挡水面板组成,支墩 沿坝轴线排列,前面设挡水面板。 支墩坝按其结构型式分为大头坝、连拱 坝和平板坝。


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