任務1.5 其他形式的重力壩認知

單元任務目標：了解其他類型重力壩的特點。

任務執行過程引導：認識碾壓混凝土重力壩、漿砌石重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩和支墩重力壩的發展概況及各自的特點。

1.5.1 碾壓混凝土重力壩

用碾壓混凝土筑壩是將土石壩施工中的碾壓技術應用于混凝土壩，利用自卸汽車、傳送帶輸送超干硬混凝土入倉，以推土機平倉，用高效振動碾壓實的筑壩新方法。

1.5.1.1 碾壓混凝土重力壩發展概況

碾壓混凝土最早用于水利工程是1961年我國臺灣省石門壩的圍堰心墻。到20世紀80年代進入正式筑壩階段，1980年日本建成世界上第一座壩高89m的島地川碾壓混凝土壩。此后，在全世界范圍迅速發展。我國碾壓混凝土筑壩技術起步較晚，但發展很快。自1986年建成第一座56.8m高的坑口碾壓混凝土壩以后，我國碾壓混凝土壩建設進入高潮。截至2006年，已建成、在建的碾壓混凝土壩130多座，其中壩高216.5m的龍灘重力壩和壩高132m的沙牌拱壩在高度上、技術上均處于國際領先水平。

1.5.1.2 碾壓混凝土優缺點

與常態混凝土相比，碾壓混凝土的優點是：①施工工藝程序簡單，可快速施工，縮短工期，提前發揮工程效益；②膠凝材料（水泥+粉煤灰+礦渣等）用量少，一般在120～160kg/m³，其中水泥為60～90kg/m³；③由于水泥用量少，結合薄層大倉面施工，壩體內部混凝土的水化熱溫升可大大降低，從而簡化了溫控措施，資料統計表明，碾壓混凝土壩內部混凝土升溫僅有8～10℃；④不設縱縫，節省了模板及接縫灌漿等費用，甚至不設橫縫；⑤可適用大型通用施工機械設備，提高混凝土運輸和填筑工效；⑥降低工程造價。其缺點是防滲、防凍、抗裂性差。

1.5.1.3 碾壓混凝土原材料及配合比

（1）水泥。碾壓混凝土的原材料與常態混凝土無本質區別，因此，凡適用于水工混凝土使用的水泥品種均可采用，如硅酸鹽水泥中普通硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥和粉煤灰。為降低混凝土溫升，盡可能減少碾壓混凝土硬化初期的水化熱，在選用水泥的同時考慮摻用混合材料。

（2）細骨料。砂的含水量的變化對碾壓混凝土拌和物稠度的影響比常態混凝土敏感，因此，控制砂的含水量十分重要。

（3）粗骨料。石子最大顆粒和級配，對碾壓混凝土的壓實、膠凝材料的用量、水化熱有較大影響，必須選擇適當，通常采用連續級配，最大粒徑一般為80mm，也有采用150mm的，取決于建筑物的結構形式、施工工藝的設備、管理水平等，當最大粒徑小于80mm時，拌和物的分離現象可以減小，但含砂率將增大，水泥用量也隨之增大，對大壩混凝土的溫控不利。

（4）摻合料。由于碾壓混凝土的需水量均少，一般都要加入粉煤灰等摻合料，以增加微細顆粒的絕對體積，有利于壓實和防止材料分離，其摻量一般為膠凝材料總量的30%～60%甚至更多，增加混合材料的摻量能更好地填充骨料間的空隙、降低水化熱、增加混凝土的后期強度。

（5）外加劑。由于碾壓混凝土鋪筑倉面面積大，為了提高混凝土拌和物的和易性、推遲初凝時間，使混凝土的碾壓層保持“活態”從而充分保證整體性，防止產生冷縫，通常在拌制混凝土時加入具有緩凝和減水雙重作用的外加劑。

（6）配合比。配合比的選擇宜通過試驗確定，一般要進行砂漿重度試驗、強度試驗、振動臺干硬度試驗以及砂率試驗等，確定合適的單位用水量、水泥用量、砂率和各級骨料之比，并通過現場試驗驗證。配合比及具體參數控制標準如下：

1）大體積碾壓混凝土的膠凝材料用量不宜低于130kg/m³，其中水泥熟料不宜低于45kg/m³。摻合量的摻量應綜合考慮水泥、摻合料和砂子的質量等因素，宜取30～65%。超過65%時應作專門的試驗論證。

2）混凝土的水灰比應根據混凝土的強度、耐久性要求確定，其值一般為0.5～0.7。混凝土砂率應通過試驗選取最優砂率值。使用天然骨料時，三級配碾壓率宜取28%～32%，二級配宜取32%～37%，使用人工骨料時，砂率需增加3%～6%。

3）碾壓混凝土拌和熟料的VC值，一般在機口處宜在5～15s范圍內，并應根據VC值、骨料的種類、級配情況、砂率等確定。單位用水量宜選用80～15kg/m³。

1.5.1.4 碾壓混凝土壩的構筑形式

1.外包常態碾壓混凝土壩

壩體內部用干貧性碾壓混凝土填筑，上、下游和壩基面用2～3m厚的常態混凝土，形成一種包裹剖面型式，俗稱金包銀，如圖1.50（a）所示。

壩體按常規分橫縫，采用切縫技術成縫，縫內止水和排水系統與常態混凝土壩相同，并放在常態混凝土層內。

2.富摻合料碾壓混凝土壩

將礦渣或粉煤灰作為摻合料，加入到混凝土中，拌和成高膠凝材料的無坍落度混凝土，其膠凝材料為150～230kg/m³，粉煤灰摻用量占60%～70%，如圖1.50（b）所示。其特點是強度高、黏聚力強、抗滲性好。

3.低膠凝材料超干硬碾壓混凝土壩

低膠凝材料超干硬碾壓混凝土壩的主要特點是造價低、混凝土方量較大、施工速度快、滲漏較嚴重、抗凍性能差。

4.采用專門防滲設施的全斷面碾壓混凝土壩

上游面采用專門的人工防滲材料或高膠凝材料 克服了滲漏嚴重和抗凍性差的缺點，又能快速施工，加快施工進度，目前各國應用較多，如圖1.51所示為我國采用瀝青砂漿防滲層的坑口大壩。

1.5.1.5 碾壓混凝土壩的細部構造

1.壩體分縫

碾壓混凝土因水泥用量減少，水化熱大大降低，常采用薄層通倉澆筑、自然散熱，因此澆筑時可取消縱縫，甚至不設橫縫，但不設橫縫的碾壓混凝土壩必須對壩址河谷斷面地形、地質及基礎進行深入細致的分析研究，判斷是否產生不均勻沉陷。對基礎變形必須在設計中考慮，采取適當的工程設施，避免產生應力集中和開裂。橫縫常由切縫和切割而成，也可采用手工打連續孔成縫。橫縫可不從基礎開始，也可不全部通到壩頂，橫縫止水一般應設兩道。

2.碾壓混凝土壩的防滲體、排水設計

碾壓混凝土壩上游的防滲措施有以下幾種：

（1）在壩的上游面采用常態混凝土作防滲層，其最小有效厚度一般為壩面水頭的1/30～1/15，但不宜小于1.0m，我國采用1.5～3.5m，其優點是可在較厚的防滲層內設置橫縫，縫內止水，防滲效果較好；缺點是增加壩體施工程序，降低施工程度，增加工程投資。

（2）在上游壩面附近，采用富膠凝材料碾壓混凝土形成的防滲層，其加強防滲作用。

（3）在壩的上游面用6cm厚的鋼筋混凝土預制板保護，預制板與壩體之間用鋼筋連接，兼作瀝青砂灌注的模板。

（4）在上游面采用預制混凝土板，預制板背面加設防水土工織物。

（5）在壩的上游面噴涂合成橡膠防滲薄膜等。

碾壓混凝土重力壩也須在壩體上游部位和壩基布置排水系統，以降低揚壓力。壩內排水系統的布置和壩面防滲層的抗滲性能與厚度有關，基礎及岸坡接頭排水布置與壩址地質條件有關，壩內豎向排水管一般為預制的無砂混凝土管，管距20～30m，內徑為5～7m，用鉆孔或逐層拔管等方法形成。

3.碾壓混凝土壩的分縫及廊道設置

由于碾壓混凝土重力壩采用通倉澆筑，故可不設縱縫，也可減少或不設橫縫。但為適應溫度伸縮和地基不均勻沉降，仍以設置橫縫為宜。目前國內有的工程不設橫縫，有些工程設短間距橫縫，或設長間距橫縫。短間距橫縫的間距一般為15～20m。當壩上游面設有常態混凝土防滲層時，其橫縫的構造與常態混凝土壩相同。

為了減少施工干擾，加大施工作業面，碾壓混凝土壩體內應少設廊道和孔洞，如必須設置，則所設廊道要有可靠的止水措施，使廊道與壩體柔性連接。同時為保證質量，可在碾壓后“挖出”廊道，并回填無膠凝材料的骨料，繼續填筑，工程完工后再將回填骨料挖掉形成廊道和孔洞。也可用混凝土預制件拼裝而成，可設在常態混凝土內，也可在預制件外側用薄層砂漿與碾壓混凝土相接，如圖1.52所示。

1.5.2 漿砌石重力壩

漿砌石壩是由石料和膠結材料砌筑而成的壩。凡是石料豐富能建混凝土壩的地方一般都能建造同類型的漿砌石壩，因此漿砌石壩廣泛使用于中小型工程中。漿砌石重力壩在工用上擁有混凝土重力壩的一些優點，同時可以就地取材，節約鋼材和水泥，在發展中國家，尤其在中國漿砌石壩發展很快。

1.5.2.1 漿砌石壩發展概況

漿砌石大壩的歷史悠久，數量較多，是重要的壩型之一。國內外用石塊修堤筑壩歷史悠久。早在公元16世紀西班牙就用灰漿、石料修建了阿爾曼察壩，1982年印度修建了當時世界最高的斯里賽勒姆漿砌石重力壩，壩高144m。中國各地石料豐富，早在2000多年以前就利用石塊修建水利工程，1927年在福建修建了上里漿砌石拱壩，1932年在四川嘉陵江支流龍溪河修建了漿砌條石溢流拱壩。1949年以來，我國修建了很多漿砌石重力壩，如河北省朱莊水庫重力壩（壩高95m），1971年建成的河南焦作群英壩，是世界最高的漿砌石重力拱壩（壩高100.5m，如圖1.53所示）。在20世紀60年代以前各國以興建漿砌石重力壩為主，60年代以后中國輕型漿砌石壩發展很快，70年代開始，在中小型水利工程中，輕型漿砌石壩在數量上逐漸趨于主導地位。輕型壩以拱壩為主，支墩壩和混合壩為輔，并且創造了硬殼壩和框格填碴壩等形式。

我國是世界上建造漿砌石大壩最多的國家，據統計，壩高在15m以上的漿砌石大壩有2000多座，多為建于1978年冬改革開放前的中、小型壩。

1.5.2.2 漿砌石壩的特點

與混凝土重力壩相比，漿砌石重力壩具有以下優點：①就地取材，節省水泥；②由于水泥用量少，水化熱溫升低，因而不需要采取溫控措施，也不需要設縱縫；③節省模板，減少腳手架，因而木材用量較少，減少了施工干擾；④施工技術易于掌握，施工安排比較靈活，可以分期施工，在缺少施工機械的情況下，可用人工砌筑。

漿砌石重力壩的缺點有：①人工砌筑，砌體質量不宜均勻；②石料的修整和砌筑難以機械化，需要大量勞動力；③砌體本身防滲性能差，需要另作防滲設備；④工期較長。

漿砌石重力壩相對于混凝土重力壩更具適應性，由于砌石是筑壩的主要材料，能夠就地取材，同時減少了水泥用量，能夠較好地避免混凝土重力壩筑壩時水化熱過高的問題。但是由于漿砌石壩機械化程度不高，需要大量的人工勞動力，很難實現機械化施工，從而降低了施工效率。

1.5.2.3 漿砌石壩筑壩材料

漿砌石壩的主要筑壩材料為石料、骨料和膠結材料。

石料的性能和形狀對砌體強度有很大的影響。壩的高度不同、部位不同，對石料的要求也不同。砌體所用石料必須質地堅硬、新鮮、完整，不得有剝落層和裂紋，上壩的石料一定要潔凈，以免影響與膠結材料的黏結。石料可分為：

（1）毛石。無一定規格形狀，單塊質量宜大于25kg，中部或局部厚度不宜小于20cm，毛石最大邊長不宜大于100cm。

（2）塊石。形狀大致呈方形，上下兩面基本平行，且大致平整，無尖角、薄邊，塊厚宜大于20cm，塊石最大邊長不宜大于100cm。

（3）粗料石。應棱角分明，六面基本平整。同一面最大高差不宜大于石料長度的3%，石料長度宜大于50cm，寬度、高度不宜小于25cm。

骨料分細骨料和粗骨料，分別要滿足規范的要求。

膠結材料有由水、水泥、砂組成的水泥砂漿和由水、水泥、小石子組成的小石砂漿。此外還有兩種混合砂漿：一種是在水泥砂漿中滲入一定比例的黏土、石灰或殼灰（殼灰是用貝殼燒制而成）；另一種是不用水泥而用石灰、黏土或用黏土燒制成代水泥。填料用的干砌石一般不用膠結材料，要求采用較大塊度的塊石，間錯砌筑以增加相互的咬合力。

1.5.2.4 漿砌石重力壩的構造特點

1.壩體防滲設施

由于漿砌石重力壩筑壩材料由毛石、塊石或粗料石等材料通過膠結材料黏合構成，其本身并沒有如同混凝土重力壩那樣的抗滲性。相反，漿砌石重力壩的抗滲性能較差，在壩體的迎水面需采取措施來抗滲。常見的措施有以下三種：

（1）混凝土防滲面板或防滲墻。在壩體迎水面澆筑一道防滲面是大、中型漿砌石重力壩廣泛采用的一種防滲設施。

這種防滲設施的優點是：防滲效果好，面板位于壩體表面，便于檢修。缺點是：易受氣溫變化影響，有的防滲面板不同程度地產生了一些裂縫；施工時需要立模，耗用木材較多。為簡化施工，節省木材，中、小型工程常用一層漿砌石或預制混凝土塊代替模板，在其后做混凝土防滲墻，墻距上游面0.5～2m，與砌石澆筑在一起。這種方法的主要缺點是檢修不便。

（2）水泥砂漿勾縫。在壩體迎水面用水泥砂漿將質地良好的粗料石或形狀較規則的塊石砌筑成防滲層。并用高標號的水泥砂漿勾縫。這種防滲體比較經濟，施工也簡便，但防滲效果較差，適用于中、低水頭的漿砌石壩。

（3）鋼絲網水泥噴漿護面。在壩的迎水面掛一層或兩層鋼絲網，噴上水泥砂漿作為防滲層，可收到較好的防滲效果，防滲層厚度根據水頭大小而定，一般為5～6cm，為使防滲層能均勻傳遞水壓力，要求在下游側用塊石漿砌一層墊層，該墊層需要砌得平直，不要勾縫。

2.溢流壩面的襯護

當過壩流速過大時，溢流壩面可用混凝土襯護，厚0.6～1.5m，襯護內需要配置溫度鋼筋，并用插筋將混凝土襯護與砌體錨固在一起。沿壩軸線方向每隔10～20m做一條伸縮縫。

如過壩流速不大，可以只在堰頂和鼻坎部位用混凝土襯護，直線段采用細琢的粗料石。對一些單寬流量較小的溢流壩，可以全部用質地良好、抗沖力強、經過細琢的粗料石作為溢流壩面的襯護。

3.壩體分縫

漿砌石重力壩由于水泥用量少，施工期分層砌筑，散熱條件好，所以一般不設縱縫。橫縫的間距也可以比混凝土重力壩稍大，一般為20～30m，最大不宜超過50m，并應與防滲設備的伸縮縫一致。在壩軸線方向基巖巖性或地形變化較大處應設橫縫，以適應可能發生的不均勻沉降。

為使砌體與基巖緊密結合，在砌石前需先澆筑一層0.3～1.0m厚的混凝土墊層，墊層面應大致平整，以便砌石。

1.5.3 寬縫重力壩

1.5.3.1 寬縫重力壩發展概況

將重力壩的中下部擴寬成為具有空腔的重力壩，稱為寬縫重力壩。寬縫重力壩由瑞士人菲加里于1900年首次提出，后來蘇聯應用該壩型修建的布拉茨克壩和馬馬康壩，縫寬比分別達到了0.27和0.4。20世紀50年代我國引進了該種壩型的設計理念，修建了新安江寬縫重力壩（壩高105m，縫寬比0.4），后續又修建了丹江口、云峰、故縣和潘家口等寬縫重力壩（壩高依次為 97m、113.8m、121m和107.5m），同時我國設計人員還提出了壩基閉路式抽水減壓排水系統的設計，即在壩內結合寬縫布置縱向排水廊道網、設置水泵、自動抽水，以進一步減少揚壓力，節省壩體混凝土量，這些技術措施已在一些工程中成功地運用。

1.5.3.2 寬縫重力壩的特點

優點：①由于寬縫的存在，壩底面積小，揚壓力顯著降低（如圖1.54中g點處揚壓力），加之上游坡較緩，可利用上游水重來增加穩定，因此使壩體混凝土量可較實體重力壩節省10%～20%；②寬縫增加了散熱面，有利于施工期混凝土溫度控制；③壩內留設寬縫后，可以方便壩體觀察和檢查，必要時還可以在寬縫內進行維護修補和地基處理工作。

缺點：①模板工作量大，提高了混凝土的單價；②施工導流不方便；③在嚴寒地區，必須采取保溫措施。

1.5.3.3 寬縫重力壩壩體尺寸

寬縫重力壩的壩段寬度L一般為16～24m。寬縫的寬度為2S，則縫寬比2S/L通常取0.2～0.35，縫寬比越大，混凝土越省，但寬縫頭部容易產生較大的主拉應力。寬縫重力壩的上游坡率n一般為0.15～0.35，較重力壩為緩，下游坡m為0.5～0.8。為滿足強度、防滲和灌漿廊道布置的要求，常要求上游頭部的厚度t_u≥（0.08～0.12）h（h為截面以上水深），且不小于3m，用以布置橫縫止水、灌漿廊道和排水設施。下游尾部的厚度t_d一般采用3～5m，考慮強度和施工要求，不宜小于2m，在寒冷地區適當加厚。寬縫的上、下游坡率n₁和m₁，一般與壩面坡率n和m一致，寬縫一般不貫穿壩頂。寬縫重力壩的壩頂超高和壩頂寬度同非溢流重力壩。

1.5.4 空腹重力壩

在重力壩壩體內沿壩軸線方向設置大型縱向空腹的重力壩，稱為空腹重力壩，如圖1.55所示。

1.5.4.1 空腹重力壩發展概況

奧地利于20世紀30年代修建了第一座空腹重力壩，壩高79m，并于50年代又修建了3座空腹重力壩。60年代，葡萄牙也修建了壩高為 57m的卡臘帕特洛壩等空腹重力壩。我國于1961年建成的江西上猶江水電站擁有中國第一座空腹重力壩，壩高67.5m，電站廠房設于壩內。1970年以后，又先后修建了6座，其中廣東楓樹壩壩高95.3m，并在壩內布置了水電站廠房。

1.5.4.2 空腹重力壩的特點

空腹重力壩與實體重力壩相比，具有以下優點：①較實體重力壩混凝土方量可節省20%～30%；②空腔部位不用清基，可減少壩基開挖量；③空腔有利于壩體混凝土散熱；④腔內可布置水電站廠房，這時空腔底部需設置底板；⑤壩體施工可不設縱縫；⑥便于檢測和維修。缺點：①結構、施工均較復雜，設計難度較大；②模板多，鋼筋用量大。

需要注意的是，如在空腔內布置水電站廠房，則要在空腔下部設置底板。此時，要妥善研究解決底板下的排水設施和由于尾水管削弱壩體所產生的不利影響。

1.5.4.3 空腹重力壩壩體尺寸

空腹重力壩的壩體尺寸需經試驗和計算確定。根據已有的經驗，下列數據可供參考：開孔率，即空腹面積與壩體剖面面積之比，一般在10%～20%；空腹高約為壩高的1/3，凈跨占壩底全寬的1/3，前后腿的寬度大致相等；頂拱常采用橢圓形或復合圓弧形曲線，橢圓長短軸之比3：2，長軸接近滿庫時水壓力和壩體自重的合力方向，這樣可以減免空腹周邊的拉應力。為便于施工，空腔上游邊大多做成鉛直的，下游邊的坡率大致為0.6～0.8。

空腹重力壩的應力狀態比較復雜，材料力學方法已不再適用，需要利用有限元法或結構模型試驗求解。

1.5.5 支墩壩

支墩壩由一系列支墩和擋水面板組成，支墩沿壩軸線排列，前面設擋水面板。支墩壩也是依靠重力維持穩定的擋水建筑物。

根據面板的形式，支墩壩可分為三種類型。①平板壩［圖1.56（a）］，面板為平板，通常簡支于支墩的托肩（牛腿）上，面板和支墩為鋼筋混凝土結構，適用于中低壩；②連拱壩［圖1.56（b）］，上游為拱形面板，常采用圓拱，與支墩連成整體，一般為鋼筋混凝土結構；③大頭壩［圖1.56（c）］，面板由支墩上游部分擴寬形成，稱為頭部，相鄰支墩的頭部用伸縮縫分開，為大體積混凝土結構。對于高度不大的支墩壩，除平板壩的面板外，也可用漿砌石建造。大頭壩與寬縫重力壩結構體形相似，其區別為：①大頭壩支墩間的空距一般大于支墩厚度，而寬縫重力壩則相反；②大頭壩上游面的傾斜度一般較寬縫重力壩大；③大頭壩支墩下游部分可以不擴寬，壩腔是開敞的，而寬縫重力壩則是封閉的。連拱壩和大頭壩適用于中高壩。

1.5.5.1 支墩壩發展概況

16世紀西班牙修建了世界上第一座支墩壩——埃爾切砌石連拱壩，壩高23m。20世紀以來，連拱壩有較大發展，1968年加拿大修建的馬尼克五級連拱壩，壩高214m，是當前世界上最高的支墩壩。1903年安布生設計并建造了第一座有傾斜蓋面的平板壩，1948年阿根廷建造了艾斯卡巴壩，壩高83m，是當前世界上最高的平板壩。1926年F.A.內茨利首先提出了大頭壩概念，1975年巴西和巴拉圭修建的目前世界上最大水電站——伊泰普水電站，其大壩是當前世界上最高的大頭壩，壩高196m。我國自1949年以來也建造了很多高支墩壩。1956年建成的梅山連拱壩，壩高88.24m。1958年建成的金江平板壩，壩高54m。1960年建成的新豐江大頭壩，壩高105m。1980年建成的湖南鎮梯形壩，壩高129m，是中國最高的支墩壩。

1.5.5.2 支墩壩的特點

支墩壩一般為混凝土或鋼筋混凝土結構。在小型工程中，除平板壩的面板外，還可采用漿砌石。支墩壩與實體重力壩相比，具有以下特點：①面板都做成傾向上游，增加了水重，大頭壩可節約混凝土20%～40%，平板壩和連拱壩可節約混凝土30%～60%；②支墩可隨受力情況調整厚度，充分利用混凝土材料的受壓強度，對于平板則對其抗滲和抗裂要求較高；③施工散熱條件好，但對于溫度變化較敏感，容易產生裂縫；④減少了地基的開挖量，便于布置底孔和施工導流，壩體溫控措施簡易，但施工時立模復雜，且模板用量多，施工難度較大；⑤支墩本身單薄，側向剛度比縱向（上、下游方向）剛度低，在遭遇垂直水流流向的地震作用時，其抗震性能明顯低于重力壩。

本項目所介紹的是當今已較少采用的一些重力壩類型，故只作簡單的介紹和回顧，使讀者對過去已建重力壩的型式有大致了解，為今后學習和選擇壩型提供比較和考慮。

【項目小結】重力壩設計是學習其他水工建筑物的基礎。本項目以實際工程初步設計展開，結合重力壩基本概念、原理、計算，通過非溢流壩剖面設計、溢流壩剖面設計等基本內容的實際分析和計算，讓讀者理論聯系實際，更好地掌握重力壩設計的基本方法和理論。