任务六　掌握重力坝的材料及构造要求

一、重力坝对材料的要求

大坝混凝土采用的水泥、骨料、水、活性掺合料、外加剂等应该符合现行的国家标准及有关行业标准的规定。除应满足强度外，还应该根据大坝的工作条件，地区气候等具体情况，分别满足抗渗、抗冻、抗冲刷耐磨、抗腐蚀等耐久性以及低热的要求。

1.强度

大坝常用混凝土强度等级有C7.5、C10、C15、C20、C25、C30，高于C30的强度等级用于重要结构和部位。混凝土的设计强度龄期一般采用90天，最多不超180天，并规定28天龄期抗压强度不低于7.5MPa。设计抗拉强度的龄期一般为28天。正常养护情况下混凝土各龄期相对强度见有关规范。

坝体内部的导流底孔、引水管、泄水孔等大孔口孔壁周围的混凝土以及地震设计烈度8度以上的坝体混凝土，其强度应适当提高。

选择混凝土强度等级时，应该考虑由于温度、渗透压力、局部应力集中等产生的应力。

坝体内部混凝土强度不应该低于R90100，过流表面不应该低于R28250。

当混凝土中加入活性掺合料（一般是活性粉煤灰）时，掺合量一般为水泥用量的15%～25%。

2.抗渗性

重力坝材料的抗渗等级根据不同部位、承受的水头、水力梯度、下游排水条件、水质条件等确定，抗渗等级有W2、W4、W6、W8、W10。

按照《水工混凝土结构设计规范》（SL191—2008）的规定：

（1）当迎水面受水头小于30m或受渗压梯度小于10时，采用W4。

（2）当迎水面受水头在30～70m或受渗压梯度在10～30时，采用W6。

（3）当迎水面受水头大于70m或受渗压梯度大于30时，采用W8。

（4）当受侵蚀水作用时，不低于W4。

（5）坝体内部混凝土没有特殊抗渗要求时，采用W2。

《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005）规定的大坝混凝土抗渗等级最小允许值如表2-5所示。

3.抗冻性

大坝混凝土抗冻性应该根据气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水分饱和程度、结构重要性、检修的难易程度等综合因素选定抗冻等级，有F50、F100、F150、F200、F300，选用抗冻等级应满足SL211—2006的规定。

4.抗侵蚀性

当环境水有侵蚀性时，为了提高混凝土的抗侵蚀性，宜采用适宜的水泥和较小的水灰比以提高混凝土的密实程度。

5.抗磨性

对于有抗磨要求的混凝土，应该采用高等级硅酸盐水泥以及耐磨性能高的砂石骨料配制高强混凝土。高速水流区的混凝土应该采用具有抗冲耐磨性的低流态高强混凝土或高强硅粉混凝土，当采用耐磨材料衬砌时，应该与混凝土可靠结合。

6.抗裂性

关键是要控制混凝土低热，可以采取合理的分缝、分块、温度控制，还可以采用低热水泥，加入粉煤灰掺合料（可以减少水泥用量），或加入外加剂（引气剂、塑化剂等）。

二、重力坝的分区

由于重力坝体积大，各个部位的工作条件、环境有所不同，所以每个区域的混凝土要求是不一样的。规范把重力坝分成6个区域（图2-23）大坝混凝土分区要求如表2-6所示。

Ⅰ区：上、下游水位以上坝体表面区混凝土。

Ⅱ区：上、下游水位变化区的坝体外部表面混凝土。

Ⅲ区：上、下游最低水位以下坝体外部表面混凝土。

Ⅳ区：坝体基础混凝土。

Ⅴ区：坝体内部混凝土。

Ⅵ区：抗冲刷部位混凝土，如溢流面、泄水孔、导流墙和闸墩等部位。

大坝混凝土的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗磨性、抗裂性都属于混凝土的耐久性。根据大坝耐久性要求，混凝土的水灰比不宜大于表2-7要求。

三、重力坝的构造

1.坝顶构造

（1）非溢流重力坝坝顶构造。

坝顶上游侧常设置防浪墙，墙身宜采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，并应有足够的厚度以抵挡波浪及漂浮物的冲击。防浪墙在坝体横缝处应留伸缩缝，并设止水，墙身高度一般为1.2m。坝顶下游侧应该设置栏杆。

非溢流重力坝的坝顶宽度应根据剖面设计、运用要求取确定，结合坝体各部尺寸协调美观要求，坝顶宽度一般为最大坝高的8%～10%，且不小于3m。若有交通要求或有移动式启闭机设施启闭闸门时，应根据实际需要确定坝顶宽度。当有较大的动冰压力，漂浮物冲击坝上游面时，坝顶最小宽度还应满足强度要求，避免冲击破坏。不设防浪墙的非溢流坝，坝顶两侧也应设置栏杆或栏墙以及照明装置。

坝顶通行车辆时，应按交通要求铺设路面。坝顶路面应该具有横向坡度和排水设施，严寒地区横向坡度适当加大，以便将路面雨水排向上游或排入坝身排水设备中，当坝顶两边设人行道时，人行道宜高出坝顶路面30cm。在地震区的重力坝，为了改善坝体应力和增加抗震性能，可以采用混凝土或钢筋混凝土的拱形结构支承坝顶路面，以减轻坝顶的重量。

（2）溢流重力坝坝顶构造。

溢流重力坝顶应该结合闸门、启闭设备的布置、操作检查、交通和观测等要求设置工作桥、交通桥。坝顶上的桥梁可以装配式钢筋混凝土结构或预应力混凝土结构，桥下应该有足够的净空。在地震区应加强桥梁与闸墩的联结，增强闸墩的侧向刚度。

1）闸门布置。工作闸门一般设在溢流坝顶点，以减小闸门高度，减小水压力和启闭力。在工作闸门前布置检修闸门。

2）闸墩。闸墩在平面上的形状，应使水流平顺，减少对过水能力的影响。闸墩的长度，应满足工作桥、交通桥及启闭机等布置的要求。闸墩的高度，取决于闸门和启闭机的型式，保证闸门开启后不影响泄水和闸门固定。闸墩的厚度，应满足稳定、强度和布置闸槽的要求。

3）边墩和导水墙。溢流坝两端的闸墩称为边墩，边墩向下游延伸成为导水墙。导水墙的长度视具体情况而定，当采用挑流消能时，导水墙延伸至挑坎末端；采用底流消能时，要延伸到护坦末端；下游设有水电站时，导水墙延伸到厂房范围以外一定距离，以减轻下泄水流对电站尾水的影响。导水墙顶的高程应根据波动及掺气后的水面线加0.5～1.5m的超高确定。消力池两侧导水墙顶的高程，可根据跃后水深并适当考虑超高来确定。外河床中有一定水深，可适当降低墙高，允许墙顶有不大的漫溢水头。

2.防渗层

为防止渗漏，减少坝体内部扬压力，在混凝土重力坝上、下游坝面水下部分多采用一层具有防渗、抗冻、抗水侵蚀的混凝土。作为坝体的防渗设施，防渗层厚度一般为水头的1/20～1/10，但不小于2m。

3.坝体排水

为了进一步减小坝体的渗透压力，及时排出渗入坝体内部的水量，靠近上游坝面设置排水管幕（图2-24）。

坝体排水一般是在上游防渗层之后，沿坝轴线方向布置一排铅直或几乎铅直的排水管。排水管下部通到纵向排水廊道，上部应通到廊道或坝顶（或溢流面以下），以便检修。

排水管可以采用拔管、钻孔或预制无砂混凝土管。管内径为15～25cm，管距为2～3m，一般要求竖向排水管距上游坝面的距离不得小于坝前水深的1/15～1/25，同时不得小于2m。

渗入排水管的水可以汇集到下层纵向廊道，沿集水沟或集水管汇入集水井，采用水泵抽水或排水沟（管）自流方式排到下游，排水沟断面常用尺寸30cm×30cm，底坡3‰。

排水管施工必须防止被混凝土和杂物堵塞。

4.重力坝的分缝

为了减小温度应力，适应地基不均匀变形，满足混凝土浇筑能力及温度控制要求，需要对重力坝进行分缝。

（1）分缝按时间分为永久缝和临时缝。临时缝只在施工期间设置，它们会影响坝体的整体性，使大坝不能正常工作，后期需要对这些缝予以处理，使各个坝块形成整体。永久缝不仅施工期间存在，后期工程运行后也存在，它们不会影响坝体的整体性，大坝能正常工作。

（2）分缝按作用分为沉降缝、温度缝、工作缝。沉降缝是将坝体分成若干段，以适应地基不均匀沉降，避免因沉降而拉裂坝体，一般设置在岩性突然变化处，沉降缝间距一般可达50～60m。温度缝是把坝体分块，以减少坝体温度变形时地基对坝体的约束，以及新老混凝土之间的约束，避免温度变形拉裂坝体，温度缝间距一般可达15～20m。工作缝主要是便于分期浇筑、装拆模板以及混凝土散热所设置的临时缝。

（3）分缝按位置分为横缝、纵缝、水平施工缝，如图2-25所示。

横缝与坝轴线垂直，把大坝沿着坝轴线分成若干段。其作用是减少温度应力、适应地基不均匀沉降、满足施工要求，所以横缝可以兼作温度缝和沉降缝。横缝对坝的安全运用并无影响，故一般是永久性的（在个别情况下也有临时的），缝内不灌浆，不设键槽，但必须设止水设备。横缝的间距主要取决于气候条件、地形与地质特点、坝的高度、施工条件等因素。当坝内设有泄水孔或电站时，还应考虑泄水孔和机组间距，在溢流坝段还要结合溢流孔口的尺寸进行布置，混凝土重力坝横缝间距一般为12～20m，在特殊情况下有到达24m（温度缝），当作为沉降缝考虑时可以达到50～60m。横缝的宽度应能保证坝段在气温变化和地基不均匀沉陷时能够自由变形，一般常取1～2cm。施工时为了保证缝的宽度，缝内常用有伸缩性的沥青玛脂填充。

纵缝与坝轴线平行，把大坝沿着坝底宽度方向分成若干坝块。其作用是适应混凝土浇筑能力和减少施工期温度应力（散热），可以兼作温度缝和施工缝。纵缝对坝的安全运用有巨大影响，故是临时的。在大坝工作前，到坝体温度降到稳定温度后需要进行接缝灌浆。纵缝的间距主要取决于混凝土的浇筑能力和施工中温度控制情况，一般为15～30m。纵缝的布置形式有竖直纵缝、斜缝、错缝。

由于混凝土是自下而上分层浇筑施工的，所以上下层浇筑块之间自然形成一个新老混凝土的结合面，这个结合面就是水平施工缝，是临时缝。为了适应施工强度、降低混凝土温度上升，普遍采用薄层浇筑，一般浇筑块厚1.5～3.0m，在底层坝基处一般是0.75～1.0m。

5.重力坝的止水

横缝大部分是永久的，所以应设置止水设备（图2-26），防止渗漏。

止水距离上游坝面0.5～2.0m，在寒冷地区可以适当加大，避免受冻影响。止水材料有金属、橡胶、塑料、沥青等。

金属止水片有紫铜片、铝片、镀锌铁片，应该做成“﹜”的形式，以适应变形需要。

橡胶止水和塑料止水适应变形能力强，一般可以应用于较低水头的上游面、最高尾水位以下的横缝下游面止水和廊道止水。在气候温和地区可以选用塑料止水片，在寒冷地区可以选用橡胶止水片。

沥青止水位于沥青井内，井内有加热装置，当沥青老化后可以加热，使其软化，增加与混凝土的结合性能。由于沥青止水较为复杂，目前中、小型工程已经很少采用。

通常高坝中可以在横缝中设置若干道止水材料配合使用，一般是在上游附近设置两道止水片，其间宜设置一道排水井或经过论证的其他措施。第一道止水片到上游坝面间横缝内可贴沥青油毛毡，当有特殊要求时，可以考虑在横缝的第二道止水片与排水井之间进行灌浆作为止水辅助措施，止水效果会更好，此时可以在止水后面增设检查井检查止水设备。中坝、低坝的横缝止水可以适当简化。

高坝横缝的两道止水片应该采用厚1.0～1.6mm的铜片，中坝的第一道止水片应为铜片，两边需要插入混凝土，插入深度为20～25mm。

在坝底部应该注意横缝止水与坝基的连接，一般是把地基开挖300～500mm的深槽，将止水片伸入槽内回填混凝土，必要时止水槽混凝土与基岩之间用锚筋连接。

6.廊道

为了满足基础灌浆、排水、安全监测、检查维修、运行操作、坝内交通、施工需要等需要，应在坝内设置各种纵横交错、相互连通的廊道，形成廊道系统（图2-27）。

坝内廊道采用城门洞形（圆拱直墙形）或矩形，沿着横缝设置的横向廊道可以采用三角形顶平底断面。纵向廊道距上游坝面距离不小于作用水头的0.05～0.1倍作用水头，且不小于3.0m。廊道内必须有良好的排水条件，适宜的通风条件和足够的照明设备，并应设置应急照明设施。廊道通向坝外的进出口应设置保安防寒门。在泄洪和施工度汛时，应有防止廊道进水的措施。

下游高水位以上的下游坝面，宜分层设置坝后交通桥，每层间距与坝身泄水孔和廊道协调布置。

（1）基础灌浆排水廊道。

为满足坝基防渗帷幕灌浆和坝基排水管幕钻设而开设的廊道。它可以利用坝体增加盖重，提高帷幕灌浆压力，从而提高帷幕灌浆的质量。同时灌入坝体与基岩接触面，提高坝的抗剪强度和抗渗能力，后期若达不到防渗要求，还可以补灌。钻孔、灌浆工作在廊道内进行，故不影响坝体正常施工，减少了施工干扰，能够保证施工进度。

基础灌浆廊道尺寸应根据钻灌机具大小及工作要求确定，一般为宽2.5～3.0m，高3.0～3.5m。较长的基础灌浆廊道可以设若干灌浆机房。

高坝、中坝内必须有基础灌浆廊道。基础灌浆廊道的纵坡应缓于45°，坡度较陡的长廊道，应分段设置安全平台及扶手。当两岸的坡度大于45°时，基础灌浆廊道可以分层设置并用竖井相连。

基础灌浆廊道底板混凝土厚度不宜小于3.0m，以免被灌浆压力掀动开裂。

（2）坝体检查和排水廊道。

为满足检查、维修和坝体排水等要求，应该设置多层廊道。

坝体内设置多层廊道时，各层高宜为20～40m，并应在上下层之间设置通道。坝内廊道与其他泄水孔洞的距离不宜小于3.0～5.0mm，应通过应力分析确定，防止开裂贯通。如廊道较长，沿坝长每隔200～300m用竖井连通各层廊道。

电梯井是坝内主要竖直交通设施，大型工程的高坝，宜设不少于2座电梯及便梯，中坝可以视情况设置电梯。

廊道的最小宽度为1.2m，最小高度为2.2m。在高坝中，有时尚须布置专供检查观测之用的横向及纵向廊道。

（3）廊道周边的配筋。

廊道及其他孔洞周边的拉应力区，是应力集中区，宜配置钢筋，有论证时可少配或不配钢筋。