杂谈 | 水坝—水利人独有的骄傲

更新时间:2019-12-29 22:29:47 来源: 作者: 浏览0次 文字大小:

水坝按照建造形式,基本上可以分为三类:重力坝、土石坝和拱坝。

1)重力坝

重力坝,顾名思义就是利用自身重力来维持坝体稳定的水坝类型。一般来说重力坝都是混凝土结构的。混凝土在建筑工程上一般写作砼,看“砼”这个字是由“人、工、石”三个字构成的,所以混凝土其实就是一种人造石头。石头有个特点就是一般来说都是整块的(这里指的是构成地壳的岩石,在很大的尺度上都是整块的石头,而不是指的风化之后的碎石及人工粉碎之后的碎石)。整块的石头一般来说隔水性能是非常好的,水很难渗透石头;而且整块的石头基本上是不怕水冲的,不会被水冲毁,冲了几万年还是一块石头。重力坝就是利用了石头的这个特性,在河床的基岩上开始浇筑混凝土,使混凝土和基岩胶结成为一体,然后层层浇筑,慢慢地形成一座整体结构的人造巨石(大坝),将河水阻挡住,形成水库,满足国民经济各业的用水要求。

重力坝因为是整体结构,相当于一整块与基岩长在一起的石头,所以它有一个最大的优势——抗毁伤能力强。第一,很难被洪水冲毁;第二发生了超过校核洪水标准(各种洪水标准的意义见洪水标准规范)的洪水而导致洪水漫过了堤坝流向下游,也不会造成水坝溃坝从而给下游带来灾难性的损失;第三。抗军事打击能力强,常规武器基本不能给重力坝造成实质性的毁伤(用炸弹炸巨型岩石,想想也知道结果)。

(图为丹江口大坝)

重力坝最大的缺点是建造费用贵,一是本身需要大量水泥,原材料价格较高;二是在建造重力坝时,必须在河床基岩上浇筑混凝土,而一般河流河床的基岩都不是裸露在外的,由于千百万年的风化和水流搬运作用,河床一般都有覆盖层(就是基岩上覆盖的各种泥土、碎石及其他沉积物),有些河床的覆盖层厚达二三十米甚至七八十米,在浇筑混凝土之前需要将深厚的覆盖层全部挖除,这也是工程量巨大和投资巨大的工作。

国内著名的重力坝比如三峡大坝、丹江口大坝等。

2)土石坝

土石坝是建造的最为广泛的一种坝型。土石坝细分的类别也比较多。像土坝、堆石坝、面板坝(混凝土面板坝、沥青混凝土面板坝)、心墙坝(黏土心墙坝、沥青混凝土心墙坝)、斜墙坝、水坠坝等等等等,别看明目繁多,但是这些统统都是土石坝。

土石坝不像重力坝是整体结构,而是散粒体结构。简单地说就是在河床上堆上一堆土,或者堆上一堆碎石头形成坝体。但是这堆土或者这堆碎石头透水,那么再在这堆土或者这堆碎石头中加上防水的东西,比如在倾向上游的方向(迎水的方向)做一块面板(就是我门前述的混凝土面板或者沥青混凝土面板)放在坝前,靠面板防水,坝体主要是为了支撑面板;或者在这堆土中间筑一道防水墙(就是我们前述的黏土或者沥青混凝土心墙),或者在这堆土迎水面筑一道防水墙(斜墙),坝体主要是为了保护这道墙;当然也可以用黏土填筑整个坝体,形成均质坝。这样就建造好了土石坝。

由上可知,土石坝那些繁多的种类其实只是对不同的防水结构的称呼而已,其挡水的本质都一样。

土石坝相对重力坝最大的优势是价格便宜,堆土或者堆石头的价格显然要比浇筑混凝土便宜得多,只是防水结构稍贵一些而已;其次,土石坝建造的材料容易获取,土石坝又叫当地材料坝,也就是说建造大坝的材料都可以在当地找到,这尤其适合边远艰苦,交通条件差的落后地区建设;第三,相对于重力坝,土石坝建造技术简单。

(图为小浪底大坝)

土石坝最大的缺点是抗毁伤能力弱。因为是散粒体结构,只要有一个地方被毁坏一个缺口而没有及时封堵,水流能从缺口过去,坝体就会不断被水流冲走(因为是散粒体结构,就相当于水把泥沙冲走一样),从而导致水坝溃坝(顺便说一句,我国很多地方河道的堤防都是土堤,就类似于土石坝,这也就是为什么每次抗洪,堤坝决开一个小口,没有及时封堵,很快就会变成巨大的决口的原因);发生了超过校核洪水标准的洪水而导致洪水漫过了堤坝流向下游,会造成严重的溃坝事故从而给下游带来灾难性的损失(原因同样是因为散粒体结构),所以土石坝不像重力坝,土石坝坝顶是严禁过水的,抗军事打击能力弱。所有的原因都是因为土石坝的散粒体结构。

国内许多重要的大坝都是土石坝,比如小浪底。

3)拱坝

拱坝也是一种应用很广的坝型。拱坝对地形地质条件要求很高,最好是“V”型河谷,两岸基岩完整且稳定。在这样的河谷中修建倾向上游的拱形水坝,类似一个弓臂朝向上游,弓弦朝向下游的弓放在河谷中。弓弦和弓臂的结合部固定在两岸的基岩上,这就是拱坝的基本结构。

拱坝虽然也是混凝土结构,但是拱坝并不是靠自身的重力来维持稳定的。那么拱坝是如何维持稳定的呢?奥妙就在两岸的基岩上。两岸的基岩一定要足够结实,拱坝就利用自身的拱形结构,将水施加的压力通过那张弓的弓臂传递到两岸的基岩上,靠基岩来维持稳定。因为拱坝不需要靠自身的重力来维持稳定,所以拱坝可以做的非常薄,充分利用结构优势,节省建筑材料。拱坝建设过程中需要注意的最重要的问题就是两岸基岩的情况,基岩有问题,很容易导致拱坝失稳而造成严重事故。1959年法国马尔帕塞双曲拱坝失事,原因就是左坝肩基岩存在问题,导致大坝失稳溃决。左坝肩失稳,大坝绕着右坝肩转了个角度,好像水库开了个门,把一库水全部泄向了下游……

     

(图为小湾水电站双曲拱坝)

4)两个问题

1)除了上述三种最常见的坝型之外,水利工程中还有大头坝、支墩坝、连拱坝、浆砌石坝等坝型。基本上他们都是重力坝的变种,在上世纪有所建设,现在工程中实际应用的很少,在此就不再一一叙述了。

2)无论是混凝土重力坝还是拱坝,坝体都是大体积的素混凝土,就是没有钢筋的混凝土,只在大坝表面局部有配筋。而并非我们通常认为的,整个大坝都是钢筋混凝土结构的。


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