第五节  重力坝的材料和构造

一、混凝土重力坝的材料

     混凝土重力坝体积的大小表征了坝的经济性，而在相同体积的条件下，根据坝体各部位的不同要求，合理规定不同混凝土特性指标，对于保证建筑物的安全、加快施工进度和提高施工质量、节省水泥等都有密切关系。

(一)水工混凝土的特性指标 

     用于建造重力坝的混凝土，除应有足够的强度以保证其安全承受荷载外，还应要求在周围天然环境和使用条件下具有经久耐用的性能。耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗磨性和抗蚀性等。

     1．强度

     混凝土按标准立方体试块抗压极限强度分为12种强度等级。重力坝常用的是C10、C15、C20、C25等级别。混凝土的强度是随龄期增加的，对坝体提出强度要求时，必须指明相应龄期。坝体混凝土抗压设计龄期一般采用90天，最多不宜超过180天。同时规定相应28天龄期的强度，作为早期强度的控制。考虑到某些部位的混凝土早期就要承受局部荷载以及温度应力和收缩应力，所以规定混凝土28天龄期的抗压强度不得低于7.5MPa。抗拉强度一般不用后期强度，而采用28天龄期的强度。大坝常态混凝土90天龄期保证率80％的强度标准值，按表4-7采用。

     2．抗渗性   

     大坝防渗部位如上游面、基础层和下游水位以下的坝面，其混凝土应具有抵抗压力水渗透的能力。抗渗性的指标通常用抗渗等级来表示，抗渗可根据允许的渗透坡降按表4-8选用。

     3．抗冻性   

     混凝土的抗冻性系指在饱和状态下能经受多次冻融循环作用而不破坏、不严重降低强度的性能。通常以抗冻等级表示，根据混凝土试件在28天龄期所能承受的最大冻融循环次数分为F50，F100、F150、F200、F250及F300六种等级。大坝混凝土的抗冻等级应根据气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水分饱和程度、结构构件重要性和检修的难易程度等因素来确定。参见重力坝设计规范。

     4．抗磨性

     系指混凝土抵抗高速水流或挟沙水流的冲刷和磨损的性能，以抗冲磨强度或损失率表示。前者指每m2试件表面被磨损1kg所需小时数；后者为试件每m2受磨面积上，每小时被磨损的量(以kg计)。目前正在试验研究中，尚未制定明确的设计标准，根据我国的经验，对于有抗磨要求的混凝土，采用高标号硅酸盐水泥或硅酸盐大坝水泥所拌制的混凝土，其抗压强度等级不应低于C20号，且要求骨料质地坚硬，施工振捣密实以提高混凝土的耐磨性能。

     5．抗侵蚀性

      大坝混凝土可能遭受环境水中某些物质的化学作用，引起侵蚀破坏。首先应对环境水作水质分析，如有抗侵蚀性要求时，应选择恰当的水泥品种，并尽量提高混凝土的密实性。

      此外，水泥硬化过程所产生的水化热是引起温度裂缝的一个重要原因，所以大坝混凝土应具有低热性。可采用发热量较低的水泥，如大坝水泥、矿渣水泥等，并尽量减少水泥用量。为使混凝土具有小干缩性，避免收缩应力引起的裂缝，除尽量减少水量外，应加强混凝土的养护。   

      为节约水泥用量，改善混凝土性能，加快施工速度，降低工程造价，在混凝土中可适当掺入粉煤灰或外加剂。国内水工混凝土应用较广的有五类外加剂，即加气剂、减水剂、早强剂、促凝剂和缓凝剂。外加剂在混凝土中的适宜掺量应根据工程要求经试验确定。

(二)坝体混凝土的分区

     坝体各部位的工作条件不同，对上述混凝土材料性能指标的要求也不同。为满足坝体各部分的要求，节省水泥用量及工程费用。通常将坝体混凝土按不同工作条件分区。如图4-33所示：    

     I区-上、下游水位以上坝体外部表面混凝土；

    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-基础混凝土；   

    Ⅴ区-坝体内部混凝土；

    Ⅵ区-抗冲刷部位的混凝土(例如溢流面、泄水孔、导墙和闸墩等)。

    各区混凝土的性能应符合表4-9的要求。

    选定各区混凝土时，应尽量减少整个枢纽中不同混凝土标号的类别，以便于施工。为避免产生应力集中或产生温度裂缝，相邻区的强度等级相差不宜超过两级。同一浇筑块中混凝土的标号也不得超过两种。分区厚度尺寸一般不小于2～3m。

二、混凝土的温度裂缝及防裂措施

(一)温度裂缝的成因   

     混凝土温度发生变化，其体积亦随温度的升降而胀缩，即所谓温度变形。当混凝土块体不能自由伸缩而受到约束时，就要产生温度应力，而当拉应力超过混凝土的抗裂能力时，则要产生温度裂缝。因此，如何控制温度应力以防止裂缝产生是混凝土重力坝设计、施工的重要问题之一。施工期浇筑块温差及应力和裂缝的产生，一般分为以下两类。

     1．基础温差引起的应力及裂缝

     图4-35(a)所示为坝基面的混凝土浇筑块。混凝土入仓温度为TP，其后的温度上升期(见图4-34)混凝土体积就要膨胀，由于受到基岩的约束作用，不能自由膨胀，此时块体产生一定的压应力，底部变形受到的约束最大，压应力也最大。但由于混凝土在温度上升期，水泥尚在硬化过程中，混凝土处在半塑性状态，所以压应力不大。当混凝土到达最高温度TP+Tr后温度开始下降，从TP+Tr逐渐降低到稳定温度Tƒ，块体就要产生收缩，同样由于受到基岩的约束，不能自由收缩(图4-35(b))。此时坝体产生一定的拉应力，按理论分析及试验测定，其应力分布如图4-35(c)所示，底部变形受到的约束最大，拉应力也最大。在降温过程混凝土的弹性模量已逐渐增大，故拉应力大于温升阶段的压应力。两者之差若超过混凝土的抗拉强度，坝块就要发生裂缝。通常裂缝从基岩接触面开始，向上延伸，可能贯穿整个坝块，成为贯穿性裂缝，危害性较大。

      对于直接浇筑在老混凝土上的新混凝土块，由于受老混凝土块的约束作用而产生温度应力，其大小与新、老混凝土弹性模量比值有关。老混凝土的E越大，约束系数越大，温度应力也越大。因此从减小温度应力的观点出发，上下两块混凝土的间歇时间不宜太长。但也不宜太短。以免由于新混凝土覆盖而影响下层混凝土继续散热，而且在老混凝土尚未达到足够强度时，在其顶面施工操作，容易引起破损。所以施工中对上、下层混凝土浇筑间歇时间要加以限制。

    2． 坝块内外温差引起的应力和裂缝

    混凝土块体在温度变化过程中，其温度分布实际上是不均匀的．混凝土浇筑之后，内部水化热通过表面散发，表面与周围环境的热交换结果．其温度与边界气温相近，所以块体的内部温度常高于表面温度，引起内外体积变化不一致。内部混凝土膨胀较快，表层(外部)膨胀较慢，有时反而要收缩(例如当受到寒潮袭击的时候)，由于内部混凝土的膨张受到外部混凝土的约束，产生压应力，与此同时外部混凝土则受内部混凝土的约束，产生拉应力。如图4-36(a)、(b)所示。如果拉应力超过混凝土的抗拉强度，就要产生裂缝。这种裂缝一般只发生在混凝土块体的表层，成为表面裂缝。这类裂缝若不与其他裂缝贯通，其危害性不及贯穿性裂缝严重。

(二)防止温度裂缝的措施

    温度裂缝对坝体的危害性视其发展深度和出现的位置而不同。平行于坝轴线的贯穿性裂缝，使坝的整体性遭到严重破坏；在上游面出现的裂缝会加剧渗漏，使混凝土遭受溶蚀,且扬压力增大，对坝的应力和稳定不利；溢流坝面的裂缝将降低抵抗高速水流冲刷的能力；较深的表面裂缝也在一定程度上降低坝的整体性和耐久性。温度裂缝是由于温度拉应力超过材料抗拉强度产生的。而温度应力则取决于温差及约束条件。因此，防止坝体温度裂缝的措施，主要有加强温度控制、提高混凝土的抗裂强度、保证混凝土的施工质量和采用合理的分缝、分块等方面。国内外在总结筑坝的实践经验中得出结论，认为在混凝土抗裂性能和块体约束条件已定的情况下，严格控制混凝土坝在施工期的温度变幅，正确规定温差标准，从而控制温度应力，是防止大坝温度裂缝的重要途径。温度控制措施主要有减少混凝土的发热量；降低混凝土的入仓温度；加速混凝土热量散发；防止气温不利影响；进行混凝土块表面保护等。

三、混凝土重力坝的构造

     重力坝的构造设计包括坝顶结构、坝体分缝、止水、排水、廊道布置等内容。这些构造的合理选型和布置，可以改善重力坝工作性态，提高坝体抗滑稳定性及减小坝体应力，满足运用和施工上的要求，保证大坝正常工作。

(一)坝顶结构

      坝顶的宽度和高程的确定，已在本章第五节中讲述。根据已定的尺寸，一般采用实体结构(图4-37a)，顶面按路面设计，在坝顶上布置排水系统和照明设备。少数情况，也可采用某种轻型结构(图4-37b)，后者较适用地震区。

(二)坝体分缝

      混凝土重力坝为防止在运用期由于温度变化发生伸缩变形和地基可能产生不均匀沉陷而引起裂缝，以及为了适应施工期混凝土的浇筑能力和温度控制等，常需设置垂直于坝轴线的横缝和平行于坝轴线的纵缝。横缝一般是永久缝，纵缝则属于临时缝。此外，坝体混凝土分层浇筑的层面也是一种临时性的水平施工缝。重力坝的分缝如图4-38所示。

     1．横缝及止水   

     永久性横缝将坝体沿坝轴线分成若干坝段，其缝面常为平面，不设键槽，不进行灌浆，使各坝段独立工作。缝的宽度决定于地基条件和温度变化情况，一般取为1～50px，缝内常用沥青油毛毡或沥青玛蹄脂填充。横缝的间距，即坝段长度取决于地形、地质和气温条件以及混凝土材料的温度收缩特性、施工时混凝土的浇筑能力和冷却措施等因素，一般为15～20m。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；对于溢流坝段还要结合溢流孔口尺寸进行布置。

      为防止水流沿横缝渗漏，缝内需有止水设备。对止水设备要求能适应横缝张开或闭合的伸缩性，保证长期工作的耐久性以及日后补强的可能性。根据坝的高度和工程的重要性，止水设备的构造和布置可以有不同的型式。高坝的横缝止水常采用两道金属止水片(紫铜片或不锈钢片)和一道防渗沥青井，如图4-39所示。对于中低坝的止水可适当简化，例如中坝的第二道止水片可采用橡胶或塑料片等。低坝经论证后也可仅用一道止水片。金属止水片的厚度一般为1.0～1.6mm，在缝中常弯折成U形，以便更好地适应伸缩变形。第一道止水片距上游坝面约为0.5～2.Om。以后各道止水设备之间的距离为O.5～1.Om。止水片埋入混凝土的长度应不小于15～500px，以保证足够握裹力。沥青井通常为方形或圆形，方形尺寸大致为20×500px至30 x 750px，为便于施工，其后浇坝段一侧用预制混凝土块构成，预制块高1～1.5m，厚5～250px。沥青井内应设加热设备，以便当沥青收缩开裂或与井壁脱开时可加热恢复其流动性，提高止水性能。加热装置可用预埋钢筋通电或预埋管道通蒸气的方法。有时在井底部加设沥青排出管。以便排除老化沥青并更换填料。

     横缝中的止水设备必须与坝基妥善连接，止水片的下端应伸入基岩30～1250px，并用混凝土紧密嵌固；沥青井也须埋入基岩750px，并将加热设备锚固于基岩中以防拔出。对于非溢流坝段和横缝设于闸墩中间的溢流坝段，止水片的上端必须伸到最高水位以上，沥青井的上端则须伸至坝顶，并在顶部设盖板保护。若横缝设于溢流坝孔口中间，则第一道止水片须与闸门底部止水接触。第二道止水片伸到溢流坝顶后，顺溢流坝面伸向下游面，沥青井伸到溢流坝顶，其盖板须与溢流面外形一致，并保证牢固，以免被溢流水舌冲毁。

     横缝止水设备的下游宜设排水孔，以排除渗水，孔径一般为375px。必要时也可将排水孔扩大改为检查井，其截面为1.2×0.8m，井内设置爬梯、休息或检查平台，并与检查廊道相通，见图4-40。横缝通过廊道时，也须在廊道周围设止水。

     在特殊情况下，横缝也可做成临时缝。例如当位于陡坡上的坝段或坝体承受较大的侧向地震荷载，其侧向稳定和应力不满足要求，需将相邻坝段联结时；或河谷狭窄需利用两岸支承作用，并经技术经济比较认为选用整体式重力坝有利时，可在施工期用横缝将坝体沿轴线分段浇筑以利温度控制，然后经灌浆将坝联成整体。此时，横缝只须设置止浆片(上游面止浆片兼作止水片用)和灌浆系统，不再设置沥青井等止水措施。

     2．纵缝和水平缝

     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。纵缝的布置型式有三种：垂直纵缝、斜缝和错缝，见图4-38。

     垂直纵缝将坝体分成柱状块，混凝土浇注施工时干扰少，是应用最多的一种施工缝。其缝的间距取决于混凝土浇筑能力和施工期的温度控制，一般为15～30m。纵缝必须在水库蓄水运行前，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。因此在纵缝内应预埋止浆片和灌浆管、出浆盒等灌浆设备。为加强坝体的整体性。缝面一般都设置键槽(图4-41)，槽的短边和长边大致与第一及第二主应力正交，使槽面基本承受正应力。且键与槽互相咬合，可提高纵缝的抗剪强度。                  

      斜缝可大致沿主应力方向设置。由于缝面的剪应力很小，可只在缝面上凿毛、加设键槽，而不必进行水泥灌浆。斜缝不应直通上游坝面，须在离上游坝面一定距离处终止，为防止沿斜纵缝顶发生裂缝，必须在终止处布置并缝钢筋或并缝廊道。斜缝上下游相邻浇筑块要尽可能均匀上升，如间歇时间过长，下游侧后浇块将受上游侧先浇块的约束，容易产生温度裂缝。斜缝虽然可以省去缝面水泥灌浆，但对施工程序要求严格，缝面应力传递也不够明确，应用较少。

     错缝浇筑是采用小块分缝，交错地向上浇筑，类似砌砖方式。错缝间距一般为10～15m，浇筑块的高度一般为3～4m，在受基岩约束区内则减薄为1.5～2m。错缝浇筑在坝段内没有直通到顶的纵缝，结构整体性较好，可不进行灌浆；但施工中各浇筑块相互牵制干扰大，温度应力较复杂。此法可在低坝上使用，前苏联的德聂伯水电站重力坝就是采用错缝法浇筑的。

     当坝较低，底宽较小或有足够的浇筑能力和充分的混凝土冷却措施时，可不设纵缝而采用通仓浇筑方法，使坝体有更好的整体性，并可简化施工程序，节省模板用量。由于温度控制和施工技术水平不断提高，国外有些高坝也采用通仓浇筑方法，如美国已经建成的德沃夏克坝和利贝坝。

     水平缝是上下两层新老混凝土浇筑块之间的施工接缝。水平施工缝如处理不好，可能成为防渗、抗剪的薄弱面。因此，必须认真处理，在新混凝土浇筑前，应清除施工缝面上的浮渣、灰尘和水泥乳膜，用风水枪或压力水冲洗，使老混凝土表面成为干净的麻面，再均匀铺一层2～75px的水泥砂浆。然后再行浇筑，以保持层面良好结合。

(三)坝体排水

     为了减小渗水对坝体的有害影响，降低坝体中的渗透压力，在靠近上游坝面处应设置排水管，将坝体渗水由排水管排入廊道，再由廊道汇集于集水井，用水泵排向下游。当下游水位较低时，也可以通过集水沟或集水管自流排向下游。排水管至上游坝面的距离约为水头的1/15～1/25，且不小于2m。排水管间距为2～3m，常用预制多孔混凝土做成，管内径为15～625px。上下层廊道之间的排水管应布置成垂直或接近垂直方向，不宜有弯头，以便于检修。排水管施工时必须防止水泥浆漏入，并防止被其他杂物堵塞。排水管与廊道的连接如图4-42所示。

(四)坝内廊道

     在混凝土重力坝内，为了下列需要常须设置各种廊道：进行帷幕灌浆；集中与排除坝体和坝基渗水；安装观测设备以监视坝体的运行情况；操作闸门或铺设风、水、电线路；施工中坝体冷却及纵(横)缝灌浆；坝内交通运输以及检查维修等。坝内廊道根据需要可沿纵向、横向及竖向进行布置，并互相连通，构成廊道系统，如图4-43所示，各种廊道常互相结合，力求一道多用。 

      基础帷幕灌浆廊道沿纵向布设在坝踵附近，以便有效地降低渗透压力。但廊道上游壁到上游坝面的距离应不小于O.05～O.10倍水头，且不小于4～5m，以免渗透坡降过大使混凝土受到破坏，也不致恶化廊道、周边的应力状态。廊道底面至基岩面的距离，宜不小于1.5倍底宽，以防廊道底板被灌浆压力掀动开裂。廊道断面一般采用上圆下方的城门洞形(如图4-44)断面尺寸应根据灌浆机具大小和工作空间确定，宽度约为2.5～3m，高度约为3.O～3.5m。

      基础灌浆廊道轴线沿地形向两岸逐渐升高，纵向坡度一般不宜陡于40°～45°，以便于钻孔灌浆和机具搬运。对坡度较陡的长廊道，应分段设置安全平台及扶手。廊道必须设置排水沟，排除灌浆时施工用水和运行中来自坝基和坝体排水管的渗水，下游侧设排水孔及扬压力观测孔。当下游尾水位较高采用人工抽排措施降低扬压力时，也可在下游坝趾内布置基础灌浆排水廊道。 

      基础排水廊道可沿纵横两个方向布置，且直接设在坝底基岩面上。低坝通常只在基础附近设置一条纵向廊道，兼作灌浆、排水及检查之用。廊道一般宽度为1.5～2.5m，高度为2.2～2.5m。当廊道的高程低于尾水位或采用坝基抽水方式降低扬压力时，需设置集水井用水泵排水。

      坝体纵向排水检查廊道一般靠近坝的上游侧每隔15～30m高差设置一层．其上游壁离上游坝面的距离，应不小于0.05～0.1倍坝面作用水头，且不得小于3.0m。寒冷地区应适当加厚。各层廊道相互连通，并与电梯或便梯相连，在两岸均有进出口通道。如廊道较长，沿坝长每隔200～300m，应设置竖井作为上下层廊道间的交通或运输通道。检查排水廊道一般也采用上圆下方的城门洞形，近年来国外也有许多坝采用矩形断面。廊道最小宽度为1.2m，最小高度2.2m。对于高坝，除靠近上游面的检查廊道外，尚需布设其他纵横两个方向的检查廊道，以便对坝体作更全面的检查。

      观测廊道及某些专用廊道应根据具体需要进行布置，常与灌浆、排水、检查等廊道结合使用。

      坝内廊道应有适宜的通风和良好的排水条件，并须安装足够的和安全的照明设备，寒冷地区还要注意保暖防寒。

      廊道在一定程度上削弱了坝体断面，会引起应力集中，可能在其周围产生局部拉应力，设计时必须计算廊道周边应力，作为配置钢筋的依据。对于距离坝体边界较远的圆形，椭圆形和矩形廊道，通常可先不考虑廊道的存在，计算其形心处的应力分量（σx、σy、τxy），然后根据弹性理论，按无限域内均匀应力场中小孔口应力集中问题计算，求出廊道周边的应力。对于靠近坝体边界，上圆下方的城门洞形廊道(标准廊道)，其周边应力主要依靠结构试验或有限单元法求解，也可查现成表格计算。近年来的研究和实践表明，坝内廊道周边的裂缝多数是由于施工期表层混凝土温降而引起的。因此应采用合理的施工方法和温度控制措施，以防止廊道周边产生温度裂缝。