任务1.8 重力坝的材料及构造
1.8.1 重力坝的材料
重力坝的建筑材料主要是混凝土。对于水工混凝土，尤其是筑坝混凝土，除应有足够的强度保证其安全承受荷载外，应按其所处的部位和工作条件，在抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、低热，抗裂性能方面提出不同的要求。
1.混凝土强度等级
大坝常用混凝土强度等级有C7.5、C10、C15、C20、C25、C30。高于C30的混凝土用于重要构件和部位。
2.混凝土的耐久性
（1）抗渗性。对于大坝的上游面、基础层和下游水位以下的坝面均为防渗部位。其混凝土应具有抵抗压力水渗透的能力。抗渗性能通常用“W”即抗渗等级表示。
大坝混凝土抗渗等级应根据所在部位和水力坡降确定，抗渗等级有W2、W4、W6、W8、W10。
（2）抗冻性。混凝土的抗冻性能指混凝土在饱和状态下，经多次冻融循环而不破坏；不严重降低强度的性能。通常用“F”即抗冻等级来表示。
抗冻等级一般应视气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水分饱和程度、结构构件重要性和检修的难易程度而定，抗冻等级有F50、F100、F150、F200、F300几种。
（3）抗磨性。抗磨性指抵抗高速水流或挟沙水流的冲刷、抗磨损的能力。目前，尚未制定出定量的技术标准，一般而言，对于有抗磨要求的混凝土，应采用高强度混凝土或高强硅粉混凝土，其抗压强度等级不应低于C20，要求高的则不应低于C30。
（4）抗侵蚀性。抗侵蚀性指抵抗环境水的侵蚀性能。当环境水具有侵蚀性时，应选用适宜的水泥和尽量提高混凝土的密实性。
（5）抗裂性。为防止大体积混凝土结构产生温度裂缝,除采用合理分缝、分块和温控措施外，还应选用发热量低的水泥、合理的掺合料，减少水泥用量，提高混凝土的抗裂性能。
3.混凝土重力坝的材料分区
由于坝体各部分的工作条件不同，因而对混凝土强度等级、抗掺、抗冻、抗冲刷、抗裂等性能要求也不同，为了节省和合理使用水泥，通常将坝体不同部位按不同工作条件分区，采用不同等级的混凝土，图1.41所示为重力坝的3种坝段的材料分区。Ⅰ区为上、下游以上坝体外部表面混凝土，Ⅱ区为上、下游变动区的坝体外部表面混凝土，Ⅲ区为上、下游水位以下坝体外部表面混凝土，Ⅳ区为坝体基础，Ⅴ区为坝体内部，Ⅵ区为抗冲刷部位（如溢洪道溢流面、泄水孔、导墙和闸墩等）。
图1.41 坝体分区示意图
分区性能见表1.18。
表1.18 大坝分区特性表
注 表中有“++”的项目为选择各区等级的主要控制因素，有“+”的项目为需要提出要求的，有“—”的项目为不需提出要求的。
坝体为常态混凝土的强度等级不应低于C7.5，碾压混凝土强度等级不应低于C5。同一浇块中混凝土强度等级不宜超过两种，分区厚度尺寸最少为2～3m。
1.8.2 重力坝的构造
1.8.2.1 坝体的防渗与排水设施
1.坝体的防渗
在混凝土重力坝坝体上游面和下游面最高水位以下部分，多采用一层具有防渗、抗冻、抗侵蚀的混凝土作为坝体防渗设施，防渗指标根据水头和防渗要求而定，防渗厚度一般为水头的1/20～1/10，但不小于2m。
2.坝体排水设施
靠近上游坝面设置排水管幕，以减小坝体渗透压力。排水管幕距上游坝面的距离一般为作用水头的1/25～1/15，且不小于2.0m。排水管间距为2～3m，管径为15～20cm。排水管幕沿坝轴线一字排列，管孔铅直，与纵向排水、检查廊道相通，上下端与坝顶和廊道直通，便于清洗、检查和排水［图1.42（a）］。
图1.42 重力坝内部排水构造（单位：mm）
排水管一般用无砂混凝土管，可预制成圆筒形和空心多棱柱形［图1.42（b）］，在浇筑坝体混凝土时，应保护好排水管，防止水泥浆漏入排水管内，阻塞排水管道。
1.8.2.2 重力坝的坝身廊道
重力坝的坝体内部，为了满足灌浆、排水、观测、检查和交通等要求，在坝体内设置了不同用途的廊道，这些廊道相互连通，构成了坝体内部廊道系统，如图1.43所示。
图1.43 坝内廊道系统
1—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
坝基灌浆廊道通常沿纵向布设在坝踵附近，一般距上游坝面不应小于0.05～0.1倍水头，且不小于4～5m，廊道底距基岩面3～5m，在两岸则沿岸坡布置。如岸坡过陡，则分层设置廊道并用竖井将它们连接。廊道尺寸要满足钻机尺寸，一般最小为2.5m×3.0m（宽×高）。
检查和观测廊道用以检查坝身工作性能，并安放观测设备，通常沿坝高每15～30m设一道。此种廊道最小尺寸为1.2m×2.2m。
交通廊道和竖井用以通行与器材设备的运输，并将有关的廊道连通起来，各层廊道左、右岸各有一个出口，要求与竖井、电梯井连通。
坝基的排水廊道由坝基排水孔收集基岩排出的水，经过设在廊道底角的排水沟流入集水井，并排至下游。若排水廊道低于下游水位，则应用水泵将水送至下游。收集坝身渗水的排水廊道沿坝高每隔15～20m布置一道。渗水由坝身排水管进入廊道排水沟，再沿岸坡排水沟流至最低排水廊道的集水井。
坝内廊道的布置应力求一道多用，综合布置，以减少廊道的数目。一般廊道离上游的坝面不应小于2～2.5m。廊道的断面型式一般采用城门洞形，这种断面应力条件较好。也可采用矩形断面。
此外，还可根据需要设专门性廊道。
1.8.2.3 重力坝的分缝与止水
1.坝体分缝
由于地基不均匀沉降和温度变化，施工时期的温度应力及施工浇筑能力和温度控制等原因，一般要求将重力坝坝体进行分缝。
按缝的作用可分为沉降缝、温度缝及工作缝。沉降缝是将坝体分成若干段，以适应地基的不均匀沉降，防止产生沉降裂缝，常设在地基岩性突变处。温度缝是将坝体分块，以减小坝体伸缩时地基对坝体的约束，以及新、旧混凝土之间的约束，从而防止产生裂缝。工作缝(施工缝)主要是便于分期分块浇筑、装拆模板以及混凝土的散热而设的临时缝。
按缝的位置可分为横缝、纵缝、水平缝。
（1）横缝。横缝是垂直于坝轴线的竖向缝，如图1.44（a）所示，可兼作沉降缝和温度缝，一般有永久性和临时性两种。永久性横缝是指从坝底至坝顶的贯通缝，将坝体分若干独立的坝段，若缝面为平面，不设缝槽，不进行灌浆，使各坝段独立工作。横缝间距（坝段长度）一般可为12～20m，有时可达到24m（温度缝）。若作沉降缝考虑，间距可达50～60m。当坝内设有泄水孔或电站引水管道时，还应考虑泄水孔和电站机组间距；对于溢流坝，可将缝设在闸墩中；地基若为坚硬的基岩，也可将缝布置在闸孔中央。
图1.44 重力坝的横缝及纵缝
横缝也可做成临时缝。主要用于当岸坡较陡、坝基地质条件较差或强地震区，为提高坝体的抗滑稳定性，在施工期用横缝将坝体沿轴线分段浇筑，以利于温度控制，然后对横缝进行灌浆，形成整体重力坝。
（2）纵缝。纵缝是为适应混凝土浇筑能力和减小施工期温度应力而设置的临时缝，可兼作温度缝和施工缝。纵缝布置型式有竖直纵缝、斜缝和错缝。
竖直纵缝将坝体分成柱块状，如图1.44（b）所示,混凝土浇筑施工时干扰小，是应用最多的一种施工缝，间距视混凝土浇筑能力和施工期温度控制而定，一般为15～30m。纵缝须设在水库蓄水运行前，混凝土充分冷却收缩，坝体达到稳定温度的条件下进行灌浆填实，使坝段成为整体。
斜缝是大致沿主应力方向设置的缝，如图1.44（c）所示，由于缝面剪应力很小，从结构的观点看，斜缝比直缝合理。斜缝张开度很小，一般不必进行水泥灌浆。但斜缝对相邻坝块施工干扰较大，对施工程序要求严格，加之缝面应力传递不够明确，故目前已很少采用。
错缝浇筑类似砌砖方式，是采用小块分缝，交错地向上浇筑。缝的间距一般为10～15m，浇筑高度一般为3～4m，在靠近基岩面附近为1.5～2.0m。错缝浇筑是在坝段内没有通到顶的纵缝，结构整体性较强，可不进行灌浆。由于错缝在施工中各浇筑块相互干扰大，温度应力较复杂，故此法只在低坝中应用，我国用得极少。
（3）水平工作缝。水平工作缝是上下层新老混凝土浇筑块之间的施工接缝，是临时性的。施工时需先将下块混凝土表面的水泥乳皮及浮渣用风水枪或压力水冲洗并使表面成为干净的麻面，再铺一层2～3cm厚的水泥砂浆，然后再在上面浇混凝土。国内外普遍采用薄层浇筑，每层厚1.5～4.0m，以便通过表面散热，降低混凝土温度。
2.止水
重力坝横缝的上游面、溢流面、下游面最高尾水位以下及坝内廊道和孔洞穿过分缝处的四周等部位应设置止水设施。
止水有金属的、橡胶的、塑料的、沥青的和钢筋的。金属止水片有铜片、铝片和镀锌片，止水片厚一般为1.0～1.6mm，两端插入的深度不小于20～25cm。橡胶止水和塑料止水适应变形能力较强，在气候温和地区可用塑料止水片，在寒冷地区则可采用橡胶止水，应根据工作水头、气候条件、所在部位等选用标准型号。沥青止水置于沥青井内，井内设有蒸汽或电热设备，加热可使沥青玛
脂熔化，使其与混凝土有良好的接触。钢筋止水是把做成的钢筋塞设置在缝的上游面，钢筋塞与坝体间设有沥青油毛毡层，当受水压时，钢筋塞压紧沥青油毛毡层而起止水作用。
高坝的横缝止水常采用两道金属止水片和一道防渗沥青井，如图1.45所示。当有特殊要求时，可考虑在横缝的第二道止水片与检查井之间设置灌浆止水的辅助设施。
图1.45 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—钢筋混凝土塞；8—排水井；9—检查井；10—闸门底槛预埋件
对于中、低坝的横缝止水可适当简化。如中坝第二道止水片可采用橡胶或塑料片等。低坝经论证也可采用一道止水片，一般止水片距上游坝面为0.5～2.0m，以后各道止水片设施之间的距离为0.5～1.0m。
在坝底，横缝止水必须与坝基岩石妥善连接。通常在基岩上挖一深为30～50cm的方槽，将止水片嵌入，然后用混凝土填实。