重力坝是用浆砌石或混凝土材料修筑而成,主要依靠坝体重量在坝体与坝基接触面产生的摩擦力来抵抗库水推力,以达到稳定。当坝的上游面适当倾斜时,还可利用坝面上一部分水的重量来维持坝的抗滑稳定(图1-4)。
重力坝的修建已有悠久的历史。早先重力坝是用石灰浆一类的黏结料浆砌块石筑成,自从有了水泥,大型重力坝大多数用混凝土修筑,中小型工程中的重力坝也有很多是用水泥砂浆、浆砌块石修建。重力坝结构简单,工作可靠,至今仍是被广泛采用的一种挡水建筑物。它的主要特点是:
(1)它有巨大的体重。正是利用自身重量的作用维持坝体的稳定。
图1-4 重力坝工作原理示意图
(2)因为要适应温度和地基等情况的变化,大体积混凝土必须用缝分开,整个坝长要分成若干坝段,每个坝段都要独立地保持稳定。
(3)由于混凝土的抗拉强度低,抗压强度高,要求坝体断面能保证在满负荷条件下,坝体内不出现拉应力或者不出现不允许的拉应力值。
重力坝可以设计成溢流坝,也可采用非溢流坝(图1-5)。坝体内还可布置泄水孔或水电站的引水管道。
图1-5 重力坝
1.溢流坝段;2.非溢流坝段;3.横缝
重力坝可以分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝等。宽缝重力坝与实体重力坝的不同是,在坝顶以下的中间部位加大了宽缝的宽度(图1-6)。高达105m的新安江重力坝就是其中的一例。空腹重力坝是指在坝内设置大型纵向空腔的重力坝(图1-7),可将水电站厂房布置在坝内空腔中。由于重力坝是依靠坝身重力来维持稳定的坝,各种荷载(坝身自重、水压、泥砂压力等)都直接作用到坝基上,因此对坝基的要求较高。主要体现在以下几个方面:
图1-6 宽缝重力坝示意图
图1-7 空腹重力坝示意图
(1)坝基要有足够的强度,以承受坝体的重量和各种荷载。一般情况下,70m以上的高坝应修建在坚硬的岩石上;坝高30~70m的中等高度的坝,应修建在坚硬或中等坚硬的岩石上,在软弱岩石上只能修建低坝,否则应对坝基进行处理,以提高其承载力。但对于一些较低的溢流重力坝(例如,高度在30~40m以下)也可修建在土基上。
(2)坝基应有足够的整体性和均一性,应尽量避开断层带、软弱带、节理密集带等不良地质条件,或采用处理措施,以防止不均匀沉陷、渗透变形或集中渗漏而破坏坝基的稳定。
(3)坝基应有足够的抗剪强度,以保证坝体的抗滑稳定性。若坝基内存在不利于稳定的滑动面,如软弱夹层、卸荷裂隙、缓倾角结构面等,应采取抗滑加固措施。
(4)坝基渗透性要弱,否则蓄水后可能导致严重的渗漏或形成过大的扬压力而影响坝基的抗滑稳定性。(https://www.daowen.com)
(5)要求坝头及两岸边坡稳定,在施工中和蓄水后不致发生塌方及滑坡。
重力坝在满足抗滑稳定及无拉应力两个主要条件时,坝体内的压应力通常不大,筑坝材料的强度往往不能充分发挥,这是重力坝的一个主要缺点。
为了提高坝基抗滑稳定性,一般可采取以下措施:
(1)采用合理的坝型及断面尺寸。当坝底与基岩的摩擦系数较小时,为了利用水重来增加坝的稳定,可将坝的迎水面做成倾向上游。尤其是宽缝重力坝,因宽缝减轻了坝体重量,要求上游坝面做得缓些,以维持坝的稳定。
(2)将坝基开挖成倾向上游的面。对于地基为水平层状的岩体,坝的抗滑稳定性由坝基软弱层面控制的情况,可将坝基开挖成向上游倾斜的面,如图1-8(a)、(b)所示,可以提高坝体的抗滑稳定性。
(3)在坝踵下设置齿墙。当基岩层面向下游倾斜时,为了增加坝体的抗滑稳定性,可在坝踵下设置齿墙[图1-8(c)]。
图1-8 提高坝基抗滑稳定性的措施
(4)填碴加重。为了增加坝基岩层层面的抗滑稳定性,在空腹重力坝的空腔内可回填石碴加重。
(5)排水措施。为了增加坝体的有效重量,除做好防渗排水措施、减小渗透压力外,还可以在坝基面设置排水系统,定期排水,减小坝基浮托力。
(6)采取预加应力措施。在坝的上游底面,采用深孔预应力锚杆(或钢索)压坝,可以增加坝体的抗倾及抗滑稳定性,同时还可消除坝底面的拉应力(图1-9)。
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