重力坝、土石坝、拱坝、支墩坝、橡胶坝基本知识

中国是世界上拥有河流数量最多的国家之一

在广袤的大地上 

绘制成一幅960万平方公里

的雄伟画卷

从北往南 依次分为

松花江辽河水系、海河水系、黄河水系、

淮河水系、长江水系、太湖水系、珠江水系

这七大水系

中国水系图

（图片来源于中国水利部）

江河众多  旱涝频发

中国也因此成为水利设施最为发达的国家

没有之一

截至2013年我国所有大坝地理位置分布图，由图可见，大坝多集中建立在水系发达、旱涝灾害频发东部和中部地区，它们在这里起着守护一方安澜的功能。

十万余座大坝

遍布在中国的河流之上

拦蓄的库容将近90000亿立方米

不同的地质特点和建造方式

形成了不同类型的大坝

今天

就让我们走近大坝

了解有关大坝的基本知识

大坝的主要类型分为重力坝、土石坝、拱坝、支墩坝、橡胶坝。

重力坝

#   重力坝的定义

重力坝主要依靠自重来维持稳定，依靠坝与地基表面的摩擦力来阻止水平力所引起的坝体滑动。重力坝的坝体剖面接近三角形，它们大多用混凝土建造，也可用浆砌块石筑成。

#   重力坝的分类

按发挥的作用分类可以分为非溢流重力坝和溢流重力坝。

按坝体结构型式分类可以分为实体重力坝 、空腹重力坝、宽缝重力坝。

#   重力坝的特点

优点：①断面尺寸大，抵抗渗漏、漫顶破坏的能力强，在各种坝型中失事率最低；②对地形地质条件适应性强，通常，任何形状的河谷都可以修建重力坝；③相对于拱坝和土石坝，重力坝泄流问题容易解决；④因为重力坝的坝身可以过流，所以施工导流容易解决；⑤体积大，便于机械化施工，运行维护简单；⑥结构作用明确，构造简单。

缺点：①体积大，导致材料强度不能充分利用；②坝基面面积大，扬压力大，减弱了自重的作用，不利于坝体稳定；③坝体体积大，水泥用量大，水化热高，内外温差大，散热差，温控要求高。

重力坝的剖面图

# 重力坝的荷载

荷载是指对重力坝或者其他水工建筑物的结构直接或间接产生效应的各种原因的总称。直接作用是指直接施加在结构上的集中的力或分布力，间接作用力是指使结构产生外加形变或约束变形的原因。

重力坝的荷载受力示意图

重力坝的荷载主要有：①永久荷载，如坝体自重、泥沙压力等；②可变荷载，如静水压力、扬压力、动水压力、浪压力等；③偶然荷载，如地震荷载，校核洪水位时的水压力等。

土石坝

#   土石坝的定义

土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝，也称当地材料坝。

#   土石坝的分类

按施工方法可以分为碾压式土石坝、水力充填坝、水坠坝等。

按坝体材料和防渗结构可以分为碾压式土石坝还可以分为均质坝、土石心墙坝和斜墙坝。

#   土石坝的特点

优点：①坝体材料能就地取材，免修公路，运输成本低，还可以节省大量建筑材料；②适应地基变形的能力强，对地基要求是各种坝型中最低的；③构造简单，施工技术容易掌握，便于机械化施工；④运行管理方便，工作可靠，寿命长，维修加固和扩建较容易。

缺点：①施工导流不如重力坝方便，坝身不能过流，导致相应的成本升高；②因为土石坝是散立体结构，它的坝顶不能过流，必须另开溢洪道；③渗流现象突出，对防渗要求高；④剖面大，因此填筑量大而且施工容易受季节影响。

土石坝的塌坝

（图片来源于Association of State Dam Safety Officials）

#   土石坝的排水设施

常见的排水设施有贴坡排水、棱体排水、褥垫排水、管式排水、综合式排水。

贴坡排水

贴坡排水是由1-2层堆石或砌石构筑而成，在堆石与坡面之间设置反滤层（排水滤土）。

优点：构造简单、节省材料、便于维修

缺点：不能降低坝体浸润面，防冻性差

棱体排水

棱体排水是在下游坝脚处用块石堆成棱体，通常需设反滤层。

优点：可以降低坝体浸润面，防止渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷，且有支撑坝体、增加稳定性作用。

缺点：石料用量大、费用较高、与坝体施工有干扰、检修较为困难。

褥垫排水

褥垫排水是伸展到坝体内的排水设施。

优点：下游水位低于排水设施时，能有效降低浸润线，有助于坝基排水固结。

缺点：坝基产生不均匀沉降时，褥垫排水层易断裂，检修困难，施工时干扰较大。

拱坝

#   拱坝的定义

拱坝是一空间壳体结构，坝体结构可近似看作由一系列凸向上游的水平拱圈和一系列竖向悬臂梁组成。

#   拱坝的分类

按拱坝的厚高比分类可以分为薄拱坝、中厚拱坝、厚拱坝

按拱坝曲率分类可以分为单曲拱坝和双曲拱坝
单曲拱坝：水平剖面呈弧形，称为单曲拱坝
双曲拱坝：拱坝垂直剖面也是弧形的称为双曲拱坝

拱坝的剖面图

#   拱坝的特点

相比于重力坝，拱坝的优点：①拱坝的受力条件好。它既有拱的作用又有悬臂梁的作用，拱和悬臂梁共同分担荷载；②虽然拱坝的坝轴线比重力坝长，但拱的构造可以减小坝的厚度，所以拱坝的总工程量比重力坝小；③超载能力强，安全度高；④拱坝是整体的空间结构，坝体较坚韧，富有弹性，又能自行调整结构特性，故其抗震性能好。

#   拱坝的荷载

拱坝的荷载和重力坝相似。但是温度荷载对超静定结构的拱坝而言就有着特殊的意义。在水压力和温度荷载共同引起的径向位移变化中，温度荷载占比达一半以上，温度荷载对拱坝坝顶的影响更大。

图1为各种荷载对拱坝的影响大小，由图可见，在众多荷载影响中，温度荷载对拱坝的影响最为显著。图2为福子岭大坝各个拱柱受温度影响下径向位移的变化。由此得出：温度对坝体变形的影响最大，而温度的剧烈变化则是影响多轴坝体安全的主要不利因素。（图片来源于文献Multi?arch dam safety evaluation based on statistical analysis and numerical simulation）

当坝体的温度低于封拱温度（温降）时，拱轴线收缩，坝体向下有位移，拱端的上游面受拉、下游面受压，而拱冠则上游面受压、下游面受拉。因此，温降对拱坝应力不利，而对坝肩稳定有利。

当坝体温度高于封拱温度（温升）时，拱坝的上游面受压，下游面受拉，而拱冠则上游面受拉、下游面受压。因此温升对拱坝坝肩稳定不利，而对应力有利。

温升、温降的受力示意图

（a）温升时拱的受力情况；（b）温降时拱的受力情况

（c）温升时梁的受力情况；（d）温降时梁的受力情况

结构简洁只需用一组支墩和挡水盖板的支墩坝

#   支墩坝的定义

支墩坝是由一系列支墩及其支撑的上游挡水盖板所组成的挡水建筑物

#   支墩坝的分类

据挡水面板的形状可将支墩坝分为如下三种型式：平板坝、连拱坝、大头坝。

#   支墩坝的特点

优点：①节省三材，造价低；②地基开挖方便，可以节省大量的开挖工作量，施工期短；③支墩间有空隙渗水易排，减小了扬压力，抗滑稳定性好；④支墩坝虽不阻水，但止水效果好；⑤管理方便，运行费用低。

缺点：①坚固性较差，易老化；②因为支墩坝是一块单薄的受压板，当作用力超过临界值时，即使计算得到的应力未超过材料的破坏强度，但是它会因为丧失纵向弯曲稳定而破坏；③支墩因为本身单薄又相互分立。侧向刚度比纵向刚度低，在地震时顺坝轴线方向的抗震能力明显低于重力坝。

可以随时成型的新型水工建筑物——橡胶坝

#   橡胶坝的定义

橡胶坝属薄壁柔性结构，是随着高分子合成材料的发展而出现的一种新型水工建筑物。它可以在旱季提高水位，在雨季释放洪水。

#   橡胶坝的分类

按填充介质可以分为充气橡胶坝和水充气橡胶坝。

水充气橡胶坝和充气橡胶坝

按坡度分类可以分为枕式橡胶坝和斜面式橡胶坝

枕式橡胶坝和斜面式橡胶坝

（图片来源于@Singreat）

#   橡胶坝的特点

优点：①能够方便地蓄水和调节水位和流量；②由于不受海水浸蚀和海生生物的影响，它可以用于沿海岸作防浪堤或挡潮闸，比金属闸门效果好；③可以用于施工围堰或活动围堰，橡胶活动围堰高度可升可降，并且可从堰顶溢流，不需取土筑堰可保持河道清洁，节省劳力并缩短工期；④橡胶坝可以在任意高度调节和溢流，因此在许多地区被广泛用于灌溉、水力发电、防洪、环境改善和娱乐目的。

各大水系中三种坝型的占比柱状图

不同坝型的占比各不相同。从整体上来看，在七大水系中土石坝占比最大，大于60%；重力坝占比第二，约为20%；拱坝在三种坝型中占比最少。由于土石坝适应地基能力强，构造简单，造价低，所以土石坝几乎是每个水系中占比最多的。有六大水系的土石坝在该水系中占比将近达到80%，淮河、长江水系中土石坝也达到了60%以上。因为重力坝有较好的抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震破坏的能力，重力坝在大部分水系中占比第二。在多雨多水的珠江水系中，甚至排名第一。相对而言，因为拱坝对施工技术、施工质量控制、筑坝材料的强度有较高的要求，且对地基处理的要求也更为严格，因此它在各水系中的占比较少。

名称： 小浪底大坝

大坝类型： 土石坝

所在水系： 黄河水系

工程任务： 小浪底大坝是黄河下游一个综合性水利枢纽工程，起到发电、供水灌溉、防洪、减淤等作用。小浪底水利工程是上游三门峡水利工程建成后并未达到预期目标后做出的补救。

名称： 三峡大坝

大坝类型： 重力坝

所在水系： 长江水系

工程任务： 三峡工程是迄今世界上综合效益最大的水利枢纽，在发挥巨大的防洪效益，航运效益抗旱功能和发电功能。白天，三峡大坝是世界上最大的水利枢纽；夜晚，它就是黑夜里那颗最璀璨的明珠。

名称： 二滩大坝

大坝类型： 拱坝

所在水系： 长江水系

工程任务： 二滩工程采用双曲拱坝，由于河谷狭窄、水头高、流量大因此泄洪消设施成为二滩水电站枢纽的重要组成部分。二滩工程的成功，标志着中国水电建设水平迈上了一个新台阶，川渝两地因此告别了多年的电力紧张局面，为下世纪的经济发展奠定了基础。

名称： 梅山大坝

所属类型： 支墩坝

所在水系： 淮河水系

工程任务： 梅山水库是具有防洪、灌溉、发电、航运与水产养殖等综合利用功能的大型水利枢纽工程，是 “十一五”期间由我国自行设计、自行施工的重点工程之一，也是驰名中外的淠史杭灌区的主要水源之一。