任务1.5 其他形式的重力坝认知
单元任务目标：了解其他类型重力坝的特点。
任务执行过程引导：认识碾压混凝土重力坝、浆砌石重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝和支墩重力坝的发展概况及各自的特点。
1.5.1 碾压混凝土重力坝
用碾压混凝土筑坝是将土石坝施工中的碾压技术应用于混凝土坝，利用自卸汽车、传送带输送超干硬混凝土入仓，以推土机平仓，用高效振动碾压实的筑坝新方法。
1.5.1.1 碾压混凝土重力坝发展概况
碾压混凝土最早用于水利工程是1961年我国台湾省石门坝的围堰心墙。到20世纪80年代进入正式筑坝阶段，1980年日本建成世界上第一座坝高89m的岛地川碾压混凝土坝。此后，在全世界范围迅速发展。我国碾压混凝土筑坝技术起步较晚，但发展很快。自1986年建成第一座56.8m高的坑口碾压混凝土坝以后，我国碾压混凝土坝建设进入高潮。截至2006年，已建成、在建的碾压混凝土坝130多座，其中坝高216.5m的龙滩重力坝和坝高132m的沙牌拱坝在高度上、技术上均处于国际领先水平。
1.5.1.2 碾压混凝土优缺点
与常态混凝土相比，碾压混凝土的优点是：①施工工艺程序简单，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+矿渣等）用量少，一般在120～160kg/m3，其中水泥为60～90kg/m3；③由于水泥用量少，结合薄层大仓面施工，坝体内部混凝土的水化热温升可大大降低，从而简化了温控措施，资料统计表明，碾压混凝土坝内部混凝土升温仅有8～10℃；④不设纵缝，节省了模板及接缝灌浆等费用，甚至不设横缝；⑤可适用大型通用施工机械设备，提高混凝土运输和填筑工效；⑥降低工程造价。其缺点是防渗、防冻、抗裂性差。
1.5.1.3 碾压混凝土原材料及配合比
（1）水泥。碾压混凝土的原材料与常态混凝土无本质区别，因此，凡适用于水工混凝土使用的水泥品种均可采用，如硅酸盐水泥中普通硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰。为降低混凝土温升，尽可能减少碾压混凝土硬化初期的水化热，在选用水泥的同时考虑掺用混合材料。
（2）细骨料。砂的含水量的变化对碾压混凝土拌和物稠度的影响比常态混凝土敏感，因此，控制砂的含水量十分重要。
（3）粗骨料。石子最大颗粒和级配，对碾压混凝土的压实、胶凝材料的用量、水化热有较大影响，必须选择适当，通常采用连续级配，最大粒径一般为80mm，也有采用150mm的，取决于建筑物的结构形式、施工工艺的设备、管理水平等，当最大粒径小于80mm时，拌和物的分离现象可以减小，但含砂率将增大，水泥用量也随之增大，对大坝混凝土的温控不利。
（4）掺合料。由于碾压混凝土的需水量均少，一般都要加入粉煤灰等掺合料，以增加微细颗粒的绝对体积，有利于压实和防止材料分离，其掺量一般为胶凝材料总量的30%～60%甚至更多，增加混合材料的掺量能更好地填充骨料间的空隙、降低水化热、增加混凝土的后期强度。
（5）外加剂。由于碾压混凝土铺筑仓面面积大，为了提高混凝土拌和物的和易性、推迟初凝时间，使混凝土的碾压层保持“活态”从而充分保证整体性，防止产生冷缝，通常在拌制混凝土时加入具有缓凝和减水双重作用的外加剂。
（6）配合比。配合比的选择宜通过试验确定，一般要进行砂浆重度试验、强度试验、振动台干硬度试验以及砂率试验等，确定合适的单位用水量、水泥用量、砂率和各级骨料之比，并通过现场试验验证。配合比及具体参数控制标准如下：
1）大体积碾压混凝土的胶凝材料用量不宜低于130kg/m3，其中水泥熟料不宜低于45kg/m3。掺合量的掺量应综合考虑水泥、掺合料和砂子的质量等因素，宜取30～65%。超过65%时应作专门的试验论证。
2）混凝土的水灰比应根据混凝土的强度、耐久性要求确定，其值一般为0.5～0.7。混凝土砂率应通过试验选取最优砂率值。使用天然骨料时，三级配碾压率宜取28%～32%，二级配宜取32%～37%，使用人工骨料时，砂率需增加3%～6%。
3）碾压混凝土拌和熟料的VC值，一般在机口处宜在5～15s范围内，并应根据VC值、骨料的种类、级配情况、砂率等确定。单位用水量宜选用80～15kg/m3。
1.5.1.4 碾压混凝土坝的构筑形式
1.外包常态碾压混凝土坝
坝体内部用干贫性碾压混凝土填筑，上、下游和坝基面用2～3m厚的常态混凝土，形成一种包裹剖面型式，俗称金包银，如图1.50（a）所示。
坝体按常规分横缝，采用切缝技术成缝，缝内止水和排水系统与常态混凝土坝相同，并放在常态混凝土层内。
图1.50 碾压混凝土坝的构筑型式
2.富掺合料碾压混凝土坝
将矿渣或粉煤灰作为掺合料，加入到混凝土中，拌和成高胶凝材料的无坍落度混凝土，其胶凝材料为150～230kg/m3，粉煤灰掺用量占60%～70%，如图1.50（b）所示。其特点是强度高、黏聚力强、抗渗性好。
3.低胶凝材料超干硬碾压混凝土坝
低胶凝材料超干硬碾压混凝土坝的主要特点是造价低、混凝土方量较大、施工速度快、渗漏较严重、抗冻性能差。
4.采用专门防渗设施的全断面碾压混凝土坝
上游面采用专门的人工防渗材料或高胶凝材料 克服了渗漏严重和抗冻性差的缺点，又能快速施工，加快施工进度，目前各国应用较多，如图1.51所示为我国采用沥青砂浆防渗层的坑口大坝。
图1.51 中国坑口坝的典型断面
1—碾压混凝土；2—钢筋混凝土；3—常态混凝土；4—预制混凝土板；5—沥青砂浆防渗层；6—预制钢筋混凝土板
1.5.1.5 碾压混凝土坝的细部构造
1.坝体分缝
碾压混凝土因水泥用量减少，水化热大大降低，常采用薄层通仓浇筑、自然散热，因此浇筑时可取消纵缝，甚至不设横缝，但不设横缝的碾压混凝土坝必须对坝址河谷断面地形、地质及基础进行深入细致的分析研究，判断是否产生不均匀沉陷。对基础变形必须在设计中考虑，采取适当的工程设施，避免产生应力集中和开裂。横缝常由切缝和切割而成，也可采用手工打连续孔成缝。横缝可不从基础开始，也可不全部通到坝顶，横缝止水一般应设两道。
2.碾压混凝土坝的防渗体、排水设计
碾压混凝土坝上游的防渗措施有以下几种：
（1）在坝的上游面采用常态混凝土作防渗层，其最小有效厚度一般为坝面水头的1/30～1/15，但不宜小于1.0m，我国采用1.5～3.5m，其优点是可在较厚的防渗层内设置横缝，缝内止水，防渗效果较好；缺点是增加坝体施工程序，降低施工程度，增加工程投资。
（2）在上游坝面附近，采用富胶凝材料碾压混凝土形成的防渗层，其加强防渗作用。
（3）在坝的上游面用6cm厚的钢筋混凝土预制板保护，预制板与坝体之间用钢筋连接，兼作沥青砂灌注的模板。
（4）在上游面采用预制混凝土板，预制板背面加设防水土工织物。
（5）在坝的上游面喷涂合成橡胶防渗薄膜等。
碾压混凝土重力坝也须在坝体上游部位和坝基布置排水系统，以降低扬压力。坝内排水系统的布置和坝面防渗层的抗渗性能与厚度有关，基础及岸坡接头排水布置与坝址地质条件有关，坝内竖向排水管一般为预制的无砂混凝土管，管距20～30m，内径为5～7m，用钻孔或逐层拔管等方法形成。
3.碾压混凝土坝的分缝及廊道设置
由于碾压混凝土重力坝采用通仓浇筑，故可不设纵缝，也可减少或不设横缝。但为适应温度伸缩和地基不均匀沉降，仍以设置横缝为宜。目前国内有的工程不设横缝，有些工程设短间距横缝，或设长间距横缝。短间距横缝的间距一般为15～20m。当坝上游面设有常态混凝土防渗层时，其横缝的构造与常态混凝土坝相同。
为了减少施工干扰，加大施工作业面，碾压混凝土坝体内应少设廊道和孔洞，如必须设置，则所设廊道要有可靠的止水措施，使廊道与坝体柔性连接。同时为保证质量，可在碾压后“挖出”廊道，并回填无胶凝材料的骨料，继续填筑，工程完工后再将回填骨料挖掉形成廊道和孔洞。也可用混凝土预制件拼装而成，可设在常态混凝土内，也可在预制件外侧用薄层砂浆与碾压混凝土相接，如图1.52所示。
图1.52 碾压混凝土坝坝基廊道布置型式
1.5.2 浆砌石重力坝
浆砌石坝是由石料和胶结材料砌筑而成的坝。凡是石料丰富能建混凝土坝的地方一般都能建造同类型的浆砌石坝，因此浆砌石坝广泛使用于中小型工程中。浆砌石重力坝在工用上拥有混凝土重力坝的一些优点，同时可以就地取材，节约钢材和水泥，在发展中国家，尤其在中国浆砌石坝发展很快。
1.5.2.1 浆砌石坝发展概况
浆砌石大坝的历史悠久，数量较多，是重要的坝型之一。国内外用石块修堤筑坝历史悠久。早在公元16世纪西班牙就用灰浆、石料修建了阿尔曼察坝，1982年印度修建了当时世界最高的斯里赛勒姆浆砌石重力坝，坝高144m。中国各地石料丰富，早在2000多年以前就利用石块修建水利工程，1927年在福建修建了上里浆砌石拱坝，1932年在四川嘉陵江支流龙溪河修建了浆砌条石溢流拱坝。1949年以来，我国修建了很多浆砌石重力坝，如河北省朱庄水库重力坝（坝高95m），1971年建成的河南焦作群英坝，是世界最高的浆砌石重力拱坝（坝高100.5m，如图1.53所示）。在20世纪60年代以前各国以兴建浆砌石重力坝为主，60年代以后中国轻型浆砌石坝发展很快，70年代开始，在中小型水利工程中，轻型浆砌石坝在数量上逐渐趋于主导地位。轻型坝以拱坝为主，支墩坝和混合坝为辅，并且创造了硬壳坝和框格填碴坝等形式。
图1.53 群英浆砌石重力拱坝
我国是世界上建造浆砌石大坝最多的国家，据统计，坝高在15m以上的浆砌石大坝有2000多座，多为建于1978年冬改革开放前的中、小型坝。
1.5.2.2 浆砌石坝的特点
与混凝土重力坝相比，浆砌石重力坝具有以下优点：①就地取材，节省水泥；②由于水泥用量少，水化热温升低，因而不需要采取温控措施，也不需要设纵缝；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施工技术易于掌握，施工安排比较灵活，可以分期施工，在缺少施工机械的情况下，可用人工砌筑。
浆砌石重力坝的缺点有：①人工砌筑，砌体质量不宜均匀；②石料的修整和砌筑难以机械化，需要大量劳动力；③砌体本身防渗性能差，需要另作防渗设备；④工期较长。
浆砌石重力坝相对于混凝土重力坝更具适应性，由于砌石是筑坝的主要材料，能够就地取材，同时减少了水泥用量，能够较好地避免混凝土重力坝筑坝时水化热过高的问题。但是由于浆砌石坝机械化程度不高，需要大量的人工劳动力，很难实现机械化施工，从而降低了施工效率。
1.5.2.3 浆砌石坝筑坝材料
浆砌石坝的主要筑坝材料为石料、骨料和胶结材料。
石料的性能和形状对砌体强度有很大的影响。坝的高度不同、部位不同，对石料的要求也不同。砌体所用石料必须质地坚硬、新鲜、完整，不得有剥落层和裂纹，上坝的石料一定要洁净，以免影响与胶结材料的黏结。石料可分为：
（1）毛石。无一定规格形状，单块质量宜大于25kg，中部或局部厚度不宜小于20cm，毛石最大边长不宜大于100cm。
（2）块石。形状大致呈方形，上下两面基本平行，且大致平整，无尖角、薄边，块厚宜大于20cm，块石最大边长不宜大于100cm。
（3）粗料石。应棱角分明，六面基本平整。同一面最大高差不宜大于石料长度的3%，石料长度宜大于50cm，宽度、高度不宜小于25cm。
骨料分细骨料和粗骨料，分别要满足规范的要求。
胶结材料有由水、水泥、砂组成的水泥砂浆和由水、水泥、小石子组成的小石砂浆。此外还有两种混合砂浆：一种是在水泥砂浆中渗入一定比例的黏土、石灰或壳灰（壳灰是用贝壳烧制而成）；另一种是不用水泥而用石灰、黏土或用黏土烧制成代水泥。填料用的干砌石一般不用胶结材料，要求采用较大块度的块石，间错砌筑以增加相互的咬合力。
1.5.2.4 浆砌石重力坝的构造特点
1.坝体防渗设施
由于浆砌石重力坝筑坝材料由毛石、块石或粗料石等材料通过胶结材料黏合构成，其本身并没有如同混凝土重力坝那样的抗渗性。相反，浆砌石重力坝的抗渗性能较差，在坝体的迎水面需采取措施来抗渗。常见的措施有以下三种：
（1）混凝土防渗面板或防渗墙。在坝体迎水面浇筑一道防渗面是大、中型浆砌石重力坝广泛采用的一种防渗设施。
这种防渗设施的优点是：防渗效果好，面板位于坝体表面，便于检修。缺点是：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。为简化施工，节省木材，中、小型工程常用一层浆砌石或预制混凝土块代替模板，在其后做混凝土防渗墙，墙距上游面0.5～2m，与砌石浇筑在一起。这种方法的主要缺点是检修不便。
（2）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。并用高标号的水泥砂浆勾缝。这种防渗体比较经济，施工也简便，但防渗效果较差，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两层钢丝网，喷上水泥砂浆作为防渗层，可收到较好的防渗效果，防渗层厚度根据水头大小而定，一般为5～6cm，为使防渗层能均匀传递水压力，要求在下游侧用块石浆砌一层垫层，该垫层需要砌得平直，不要勾缝。
2.溢流坝面的衬护
当过坝流速过大时，溢流坝面可用混凝土衬护，厚0.6～1.5m，衬护内需要配置温度钢筋，并用插筋将混凝土衬护与砌体锚固在一起。沿坝轴线方向每隔10～20m做一条伸缩缝。
如过坝流速不大，可以只在堰顶和鼻坎部位用混凝土衬护，直线段采用细琢的粗料石。对一些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坝面的衬护。
3.坝体分缝
浆砌石重力坝由于水泥用量少，施工期分层砌筑，散热条件好，所以一般不设纵缝。横缝的间距也可以比混凝土重力坝稍大，一般为20～30m，最大不宜超过50m，并应与防渗设备的伸缩缝一致。在坝轴线方向基岩岩性或地形变化较大处应设横缝，以适应可能发生的不均匀沉降。
为使砌体与基岩紧密结合，在砌石前需先浇筑一层0.3～1.0m厚的混凝土垫层，垫层面应大致平整，以便砌石。
1.5.3 宽缝重力坝
1.5.3.1 宽缝重力坝发展概况
将重力坝的中下部扩宽成为具有空腔的重力坝，称为宽缝重力坝。宽缝重力坝由瑞士人菲加里于1900年首次提出，后来苏联应用该坝型修建的布拉茨克坝和马马康坝，缝宽比分别达到了0.27和0.4。20世纪50年代我国引进了该种坝型的设计理念，修建了新安江宽缝重力坝（坝高105m，缝宽比0.4），后续又修建了丹江口、云峰、故县和潘家口等宽缝重力坝（坝高依次为 97m、113.8m、121m和107.5m），同时我国设计人员还提出了坝基闭路式抽水减压排水系统的设计，即在坝内结合宽缝布置纵向排水廊道网、设置水泵、自动抽水，以进一步减少扬压力，节省坝体混凝土量，这些技术措施已在一些工程中成功地运用。
1.5.3.2 宽缝重力坝的特点
优点：①由于宽缝的存在，坝底面积小，扬压力显著降低（如图1.54中g点处扬压力），加之上游坡较缓，可利用上游水重来增加稳定，因此使坝体混凝土量可较实体重力坝节省10%～20%；②宽缝增加了散热面，有利于施工期混凝土温度控制；③坝内留设宽缝后，可以方便坝体观察和检查，必要时还可以在宽缝内进行维护修补和地基处理工作。
图1.54 宽缝重力坝剖面及坝底扬压力分布
缺点：①模板工作量大，提高了混凝土的单价；②施工导流不方便；③在严寒地区，必须采取保温措施。
1.5.3.3 宽缝重力坝坝体尺寸
宽缝重力坝的坝段宽度L一般为16～24m。宽缝的宽度为2S，则缝宽比2S/L通常取0.2～0.35，缝宽比越大，混凝土越省，但宽缝头部容易产生较大的主拉应力。宽缝重力坝的上游坡率n一般为0.15～0.35，较重力坝为缓，下游坡m为0.5～0.8。为满足强度、防渗和灌浆廊道布置的要求，常要求上游头部的厚度tu≥（0.08～0.12）h（h为截面以上水深），且不小于3m，用以布置横缝止水、灌浆廊道和排水设施。下游尾部的厚度td一般采用3～5m，考虑强度和施工要求，不宜小于2m，在寒冷地区适当加厚。宽缝的上、下游坡率n1和m1，一般与坝面坡率n和m一致，宽缝一般不贯穿坝顶。宽缝重力坝的坝顶超高和坝顶宽度同非溢流重力坝。
1.5.4 空腹重力坝
在重力坝坝体内沿坝轴线方向设置大型纵向空腹的重力坝，称为空腹重力坝，如图1.55所示。
1.5.4.1 空腹重力坝发展概况
奥地利于20世纪30年代修建了第一座空腹重力坝，坝高79m，并于50年代又修建了3座空腹重力坝。60年代，葡萄牙也修建了坝高为 57m的卡腊帕特洛坝等空腹重力坝。我国于1961年建成的江西上犹江水电站拥有中国第一座空腹重力坝，坝高67.5m，电站厂房设于坝内。1970年以后，又先后修建了6座，其中广东枫树坝坝高95.3m，并在坝内布置了水电站厂房。
1.5.4.2 空腹重力坝的特点
空腹重力坝与实体重力坝相比，具有以下优点：①较实体重力坝混凝土方量可节省20%～30%；②空腔部位不用清基，可减少坝基开挖量；③空腔有利于坝体混凝土散热；④腔内可布置水电站厂房，这时空腔底部需设置底板；⑤坝体施工可不设纵缝；⑥便于检测和维修。缺点：①结构、施工均较复杂，设计难度较大；②模板多，钢筋用量大。
需要注意的是，如在空腔内布置水电站厂房，则要在空腔下部设置底板。此时，要妥善研究解决底板下的排水设施和由于尾水管削弱坝体所产生的不利影响。
1.5.4.3 空腹重力坝坝体尺寸
空腹重力坝的坝体尺寸需经试验和计算确定。根据已有的经验，下列数据可供参考：开孔率，即空腹面积与坝体剖面面积之比，一般在10%～20%；空腹高约为坝高的1/3，净跨占坝底全宽的1/3，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3：2，长轴接近满库时水压力和坝体自重的合力方向，这样可以减免空腹周边的拉应力。为便于施工，空腔上游边大多做成铅直的，下游边的坡率大致为0.6～0.8。
空腹重力坝的应力状态比较复杂，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。
1.5.5 支墩坝
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。支墩坝也是依靠重力维持稳定的挡水建筑物。
根据面板的形式，支墩坝可分为三种类型。①平板坝［图1.56（a）］，面板为平板，通常简支于支墩的托肩（牛腿）上，面板和支墩为钢筋混凝土结构，适用于中低坝；②连拱坝［图1.56（b）］，上游为拱形面板，常采用圆拱，与支墩连成整体，一般为钢筋混凝土结构；③大头坝［图1.56（c）］，面板由支墩上游部分扩宽形成，称为头部，相邻支墩的头部用伸缩缝分开，为大体积混凝土结构。对于高度不大的支墩坝，除平板坝的面板外，也可用浆砌石建造。大头坝与宽缝重力坝结构体形相似，其区别为：①大头坝支墩间的空距一般大于支墩厚度，而宽缝重力坝则相反；②大头坝上游面的倾斜度一般较宽缝重力坝大；③大头坝支墩下游部分可以不扩宽，坝腔是开敞的，而宽缝重力坝则是封闭的。连拱坝和大头坝适用于中高坝。
图1.56 支墩坝类型
1.5.5.1 支墩坝发展概况
16世纪西班牙修建了世界上第一座支墩坝——埃尔切砌石连拱坝，坝高23m。20世纪以来，连拱坝有较大发展，1968年加拿大修建的马尼克五级连拱坝，坝高214m，是当前世界上最高的支墩坝。1903年安布生设计并建造了第一座有倾斜盖面的平板坝，1948年阿根廷建造了艾斯卡巴坝，坝高83m，是当前世界上最高的平板坝。1926年F.A.内茨利首先提出了大头坝概念，1975年巴西和巴拉圭修建的目前世界上最大水电站——伊泰普水电站，其大坝是当前世界上最高的大头坝，坝高196m。我国自1949年以来也建造了很多高支墩坝。1956年建成的梅山连拱坝，坝高88.24m。1958年建成的金江平板坝，坝高54m。1960年建成的新丰江大头坝，坝高105m。1980年建成的湖南镇梯形坝，坝高129m，是中国最高的支墩坝。
1.5.5.2 支墩坝的特点
支墩坝一般为混凝土或钢筋混凝土结构。在小型工程中，除平板坝的面板外，还可采用浆砌石。支墩坝与实体重力坝相比，具有以下特点：①面板都做成倾向上游，增加了水重，大头坝可节约混凝土20%～40%，平板坝和连拱坝可节约混凝土30%～60%；②支墩可随受力情况调整厚度，充分利用混凝土材料的受压强度，对于平板则对其抗渗和抗裂要求较高；③施工散热条件好，但对于温度变化较敏感，容易产生裂缝；④减少了地基的开挖量，便于布置底孔和施工导流，坝体温控措施简易，但施工时立模复杂，且模板用量多，施工难度较大；⑤支墩本身单薄，侧向刚度比纵向（上、下游方向）刚度低，在遭遇垂直水流流向的地震作用时，其抗震性能明显低于重力坝。
本项目所介绍的是当今已较少采用的一些重力坝类型，故只作简单的介绍和回顾，使读者对过去已建重力坝的型式有大致了解，为今后学习和选择坝型提供比较和考虑。
【项目小结】重力坝设计是学习其他水工建筑物的基础。本项目以实际工程初步设计展开，结合重力坝基本概念、原理、计算，通过非溢流坝剖面设计、溢流坝剖面设计等基本内容的实际分析和计算，让读者理论联系实际，更好地掌握重力坝设计的基本方法和理论。