第十节　其他型式的重力坝

一、浆砌石重力坝

浆砌石重力坝与混凝土重力坝相比，具有以下优点：①就地取材，节省水泥；②水化热温升低，不需采取温控措施，可不设纵缝，横缝间距也可加大；③节省模板，也减少了立模、支撑、拆模等施工干扰；④施工技术易于掌握，可人工砌筑，可分期施工分期受益。但其缺点是：①人工砌筑，坝体质量不易均匀；②石料修整砌筑难于机械化，需大量劳动力；③砌体防渗性能差，需另设防渗设施。浆砌石重力坝多用于中小工程。

（一）浆砌石重力坝的材料

浆砌石重力坝是由胶结材料砌筑石料而成，坝体强度主要取决于石料和胶结材料。

1.石料

砌筑坝体的石料应该新鲜、坚硬、密实、无裂隙、质地均匀和不易风化，使用前应进行容重、吸水率、强度、弹性模量等项试验，必要时进行抗冻、抗侵蚀性试验。石料的抗压强度，低坝应不小于30MPa，较高的坝应不小于40MPa。按坝体不同部位的要求，石料分为料石、块石和毛石，一般要求块石、毛石最小边长不宜小于20cm，最大边长不宜大于100cm，以防折断，块石多用于砌筑坝体内部。料石是用块石加工修整成的具有一定长、高、宽的长方体，长宜大于50cm，高、宽不宜小于25cm，同一表面最大高差不宜大于石料长度的3%，重量不小于400N，主要用于砌筑上下游坝面、溢流坝面、闸墩等部位。

2.胶结材料

常用的胶结材料有水泥砂浆、细石混凝土和混合砂浆。

（1）水泥砂浆。由水、水泥和砂按一定比例拌和而成，常用于砌筑条石或空隙较小的块石。砌条石一般用M7.5～M10的砂浆，勾缝用M10～M15，一般部位常用M5～M7.5的砂浆。一般要求，任何部位砌体的砂浆强度不应低于该处应力的5倍。

（2）细石混凝土。由水泥、砂、细石（粒径小于2～4cm）和水按一定比例拌和而成，适用于砌筑块石，可节省水泥用量，提高砌体的密实度和强度，但可砌性差，需用振动器捣实。对于水平砌缝，用水泥砂浆砌筑、细石混凝土灌缝捣实，可提高砌筑质量，缝厚宜大于石子最大粒径的2～3倍。

（3）混合砂浆。在水泥砂浆中掺入一定比例的石灰或黏土等掺合料制成，一般只用于坝体水上和次要部位。

（二）坝体防渗设施

浆砌石重力坝常用的坝体防渗设施有以下3种：

（1）混凝土防渗面板或防渗墙，见图2-64、图2-65。混凝土防渗面板是在坝体迎水面浇筑一层满足防渗和强度要求的混凝土，面板下端嵌入完整基岩内0.5～1.5m，并与坝基防渗帷幕连接。面板随水深逐渐增厚，顶厚不小于0.3m，底厚宜为最大水头的（1/30～1/60）h，h为该点水头。面板内设纵横布置的温度钢筋，并每隔10～15m设温度伸缩缝，缝内设止水。为使面板与砌体牢固连接，砌体内预埋锚筋与面板温度筋连接。面板一般用C15～C20混凝土。防渗面板效果好且使于维修，但易受气温变化产生裂缝，耗用钢材多，多用于大、中型坝。

混凝土防渗墙是将上述防渗面板移至距上游坝面0.5～2m的坝体内，其上游迎水面为浆砌石或浆砌混凝土板。防渗墙在坝内，可省模板，受外界温变影响小，可不设缝和温度钢筋，但维修不便，施工质量要求高，严防裂缝漏水。

（2）浆砌料石加水泥砂浆勾缝。迎水面砌筑一层料石并用高标号水泥砂浆（一般用M10～M15）勾缝构成防渗层，层厚为作用水头的1/15～1/20，砌缝厚2～3cm，勾缝深不小于2～3cm。这种防渗体施工简便且经济，但效果较差，适用于中低坝。

（3）钢丝网水泥喷浆护面。在坝体上游面挂一、两层钢丝网，其上喷厚5～6cm的水泥砂浆作为防渗体，效果较好，尤其适用于发现漏水后作坝面防渗补修。

（三）溢流坝面的衬护

为抵御高速水流的冲刷，溢流坝面一般采用混凝土衬护，见图2-65。当流速较大时，衬护厚度为0.6～1.5m，衬护内配温度钢筋，并用插筋与砌体锚固在一起，沿坝轴线每隔10～20m设一伸缩缝。当流速不大时，可只在堰顶和鼻坎部位用混凝土衬护，直线段砌筑细的料石，也可全部溢流面砌筑料石。

非溢流坝的下游面一般用料石或形状规整的块石砌护，并用水泥砂浆勾缝。

（四）坝体分缝

浆砌石重力坝水泥用量小，且分层砌筑，散热条件好，一般不设纵缝，横缝间距也可加大到20～30m，但不宜大于50m，坝体横缝应与防渗设施伸缩缝一致。在基岩变化或地形突变处，也应设横缝以适应不均匀沉降。

为使坝体与基岩结合紧密，砌石前需先浇一层约1m厚的混凝土垫层，垫层应大致平整，以利砌石。浆砌石重力坝的设计原理及其他坝体构造与重力坝基本相同。

二、宽缝重力坝

宽缝重力坝是将实体重力坝的横缝中部加宽成一定尺寸的空腔而形成的一种坝型，见图2-66。设宽缝后，坝基渗水可从宽缝排出，坝底渗透压力大为降低，并使扬压力作用面积减小（排水孔幕处渗压力为αγH与实体重力坝相同，而在其下游2L′的g点处渗压力降为零，L′为宽缝处坝段宽度）。坝体体积较实体重力坝减少10%～20%甚至更多。同时增加了散热面，又为观测检查、加固维修提供了场地。但模板用量增多，倒悬部位立模复杂，分期施工时导流不便，宽缝头部有应力集中，严寒地区，对宽缝处需采取保温措施。

宽缝重力坝的缝宽2S是影响其经济与安全的重要参数，S过小，其优点不显著；S过大，宽缝部位将产生较大的主拉应力。根据工程实践，一般采用缝宽比＝0.2～0.4。坝段宽度L，一般采用16～24m。据经验，较为经济的宽缝重力坝剖面形式为：上游坝面一般做成变坡，上部铅直，下部坡率n＝0.15～0.35，下游坡率m＝0.5～0.7。缝内上下游坡率n1、m1一般与坝面坡率一致或接近。宽缝上游头部厚度tu，应满足强度、防渗和布置帷幕灌浆廊道等要求，通常取tu≥（0.07～0.1）h，h为截面以上水深，并且tu不小于3m。下游尾部厚度td主要满足强度和施工要求，一般采用3～5m，且不宜小于2m。寒冷地区tu、td应适当加厚。为减小断面变化处的应力集中，宽缝变厚处的坡率，一般上游取n′＝1.5～2.0；下游取m′＝1～1.5，宽缝顶部与实体的连接长度，一般为。

宽缝重力坝的坝体应力属三维问题，但目前工程设计中仍简化为平面问题，取一坝段为计算单元，近似按工字形截面偏心受压结构计算上下游边缘应力。宽缝重力坝的抗滑稳定分析与实体重力坝相同，需以一个坝段作为计算单元。

三、空腹重力坝

空腹重力坝是在坝体底部沿坝轴线方向设有较大空腔的重力坝，见图2-67。其优缺点与宽缝重力坝相似。当河谷狭窄，地面厂房布置困难时，还可将电站设于空腹内，其结构设计与施工比宽缝重力坝复杂，坝体尺寸需经试验和计算确定，拟定剖面尺寸时，可先按实体重力坝拟定剖面，而后设置空腹。据经验，空腹开孔率（空腹面积与坝体面积之比）一般为10%～20%，或按空腹节省的混凝土重与减少的扬压力接近相等的原则设置空腹面积。空腹宜设在相应实体重力坝应力相对较小的中间部位，前、后腿和空腹宽度约各为坝底宽的1/3；而由于空腹顶以下的水压力近乎全由前腿承担，前腿底部剪力大，所以前腿宽应稍大一些；当前腿宽度不足时，也可在前后腿之间设支撑或透水底板。空腹高度对坝踵应力影响较大，空腹愈高坝踵拉应力愈大，一般空腹高度不大于坝高的1/3。据经验，当空腹高采用1/5坝高时，坝踵和空腹顶部的拉压力不会超过容许值；当采用1/4坝高时，需控制不设空腹时坝踵最小主压应力不小于0.1～0.15MPa。空腹顶一般做成稍向上游倾斜的椭圆形或复合圆弧形，椭圆长短轴之比约为3：2，且长轴接近于满库时水压力和坝体自重的合力方向，以减免空腹周边的拉应力。采用圆弧形时，前半拱顶宜使用小半径大中心角，以减小其拱顶拉应力；后半拱顶一般是受压区，为便于连接，采用大半径小中心角。空腹下游边墙采用折线与顶拱曲线连接，折线坡率自上至下依次约为0.6和0.2；空腹上游边墙大都做成铅直面。空腹重力坝的应力计算宜采用有限元法。我国第一座空腹重力坝，是1955年建成的上犹江空腹坝，坝高68m，也是世界上最早修建的空腹坝之一。

四、碾压混凝土重力坝

（一）碾压混凝土重力坝的特点

碾压混凝土重力坝，是采用干贫混凝土应用土石坝的施工方法修建成的混凝土重力坝。所谓“干”是指在混凝土组成中尽量减少用水比例，做成坍落度接近于零的超干硬性混凝土，“贫”是指在混凝土胶凝材料中减少水泥用量而用粉煤灰代替，采用通仓薄层浇筑，振动碾压实，切缝机切割横缝而形成坝体。碾压混凝土重力坝施工简单，水泥和模板用量均少，施工速度快，工程造价低，但对坝体结构复杂，工作面狭窄，孔道较多时，施工干扰较大。

（二）碾压混凝土重力坝的形式

按照筑坝材料和施工方法的不同，碾压混凝土重力坝有以下几种形式。

（1）外包厚层常规混凝土的碾压混凝土坝。它是在坝体与基岩和两岸的连接部位，设常规混凝土垫层，厚度一般为1.0～1.5m；坝顶和坝上下游面设常规混凝土保护层，厚度由其工作条件如抗渗、抗冻、抗冲、强度、构造、施工等要求确定，一般为2～3m；坝内除孔道周围依强度要求设置一定厚度的少筋混凝土外，其余均采用碾压混凝土填筑，形成“金包银”式坝体，见图2-68（a）。坝体内设横缝以适应温度变形和地基不均匀沉降，横缝间距一般为15～20m。横缝内止水及其坝体排水管设于常规混凝土内，其构造与常规混凝土坝相同。碾压混凝土部分的横缝，在混凝土碾压后凝固前用振动切缝机切割而成。混凝土碾压分层厚度由施工工艺和现场试验确定，一般为0.75～1m，碾压后间隔一定时间，进行层面处理后填筑上层。这种坝防渗、防裂、防冻性能较好，但水泥用量多，粉煤灰在碾压混凝土胶凝材料中占比重小，约30%。施工时，两种混凝土同时浇筑与填筑，施工干扰大，切缝技术复杂，造价较高，常用于高、中坝，在日本应用较多。

（2）全剖面碾压混凝土坝。胶凝材料中采用高粉煤灰掺量，可达70%，制成无坍落度的混凝土，采用薄层填筑连续碾压，铺层厚0.3m，层面不作处理，多数坝不切割横缝。这种坝构造简单，施工方便，修建速度快，经济效益高，但防渗、防冻、抗裂性能较差。美国的柳溪坝［图2-68（b）］、中福克坝、上静水坝均属于这类坝。

（3）设有专门防渗结构的全剖面碾压混凝土坝。这种坝是对全剖面碾压混凝土坝的上游面设置专门防渗设施，常用的有：①在上游面设合成橡胶防渗薄板；②上游面设沥青防渗层，并用预制钢筋混凝土板做护面且兼作模板；③在上游面喷涂低黏度聚合物形成防渗层；④在上游面安装预制空格模板，随坝体上升，内浇常规混凝土，厚0.3～0.6m，或其内预填骨料，然后进行水泥灌浆形成防渗板。例如我国福建坑口碾压混凝土坝就属于这种形式，见图2-68（c），其上游面用钢筋混凝土预制模板浇灌6cm厚沥青砂浆防渗层，下游面用混凝土预制块代替模板，并作为坝体的一部分，溢流面用常规混凝土，近坝基用2m厚的C15常规混凝土找平，坝内采用单一的C10三级配高掺量粉煤灰碾压混凝土，坝体不设纵横缝。

碾压混凝土坝一般需设坝体排水，排水管幕可设在上游面的常规混凝土内，也可设置于碾压混凝土区。若为后者时，可在排水孔位置处用瓦楞纸做成与铺筑层厚度相同的砂柱，直径约15cm，待混凝土铺好后一起碾压，孔内砂料可在1天后清除，也可采用拔管造孔法形成坝内排水孔。为减少施工干扰，增大施工作业面，坝内廊道层数可适当减少，低坝可只设一层坝基灌浆排水廊道；中、高坝可设1～3条。廊道可用混凝土预制件拼装而成，设在常规混凝土内，也可在预制件外侧用薄层砂浆与碾压混凝土连接。

根据试验结果，凝固后的碾压混凝土与常规混凝土弹性模量相近，故碾压混凝土坝应力与稳定分析原理与常规混凝土坝相同。当坝体设横缝时，可切取1m长坝体进行应力和稳定分析；当坝体不设横缝时，已不属于平面问题，可应用有限元法分析全坝体应力。对于稳定分析，应验算其整体稳定程度。