[分享]土石坝与支墩坝原理

发表于2020-03-23    6人浏览    0人跟帖    总热度:100  


土石坝是土坝与堆石坝的总称,土石坝是最古老的坝型,也是最普遍使用的坝型,我国近十万多座坝中,土石坝占各种坝型总数的95%以上,不过国内高土石坝不多,在国外倒是有不少高土石坝。由于土石坝是由沙土堆成,其坝底宽度比坝高大得多,见图1截面图的(a)图,实际可能比图中所示还要宽得多。

土石坝较多采用分层填土、分层碾压的方法修筑,称为碾压式土石坝,主要有均质坝、分区坝、人工防渗材料坝。

   均质坝

坝体大部分采用同一种抗渗性能较好的土料修筑的称为均质坝,见图1截面图的(a)图。

   分区坝(多种土质坝)

坝体中用抗渗性能好的粘土设置专门的防渗体,坝壳采用沙石料筑成,防渗体可在坝体中间(称为心墙坝), 见图1截面图的(b)图。心墙也可由多层组成,中间是抗渗性能好的粘土,两面是抗渗性略差的粘土,坝壳采用沙石料,见图1截面图的(c)图。
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图1--心墙坝截面图

防渗体向上游倾斜(称为斜心墙坝),见图2截面图的(a)图。防渗体在坝体上游面或接近上游面(称为斜墙坝),见图2截面图的(b)图、(c)图。
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图2--斜心墙坝截面图

   人工防渗材料坝

采用混凝土、沥青混凝土或其他人工材料制作的防渗材料坝称为人工防渗材料坝,在坝体上游面铺设人工防渗材料的称为斜墙坝或面板坝,见图3左图。在坝体中间设人工防渗材料的称为心墙坝(人工防渗材料心墙坝),见图3右图。
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图3--人工防渗材料坝截面图
土石坝坝内还要敷设排水设备排除渗漏水,以增加坝体和下游坝坡的稳定性,降低扬压力。为防止波浪、冰层、温度变化、雨水和水流,人畜等对坝坡的破坏,坝面要设护坡,上游护坡可用砌石、堆石或钢筋混凝土等材料,下游护坡可草皮、砌石、堆石等。

土石坝的优点是:就地取材,减少运输成本;节省水泥、钢材、木材;结构简单,便于维修和加高、扩建;对地质条件要求较低,能适应地基变形;施工技术较简单,工序少,便于组织机械化快速施工。

缺点:由于土石坝是泥沙堆积而成,经不起水流冲刷,所以坝身不能溢流,需另设溢洪道,施工导流不如混凝土坝方便,也就是说发生漫坝则可能导致大坝崩溃,渗水产生管涌也会破坏大坝。坝体填筑工程量大,土料填筑受气候条件的影响大等也是缺点。

   土石坝的应用工程

下面介绍几个土石坝的应用工程。

黄河小浪底水利枢纽工程     (内容来自网络,仅供参考)

黄河小浪底水利枢纽工程位于河南省洛阳市孟津县小浪底,是黄河干流上的一座集减淤、防洪、防凌、供水灌溉、发电等为一体的大型综合性水利工程。

小浪底工程拦河大坝采用斜心墙堆石坝,设计最大坝高154米,坝顶长度为1667米,坝顶宽度15米,坝底最大宽度864米。水库总库容126.5亿立方米,长期有效库容51亿立方米。

由于受地形、地质条件的限制,泄洪建筑物与引水发电系统均布置在左岸。电站厂房内安装6台30万千瓦混流式水轮发电机组,总装机容量180万千瓦。
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图4--小浪底拦河大坝

天生桥一级水电站     (内容来自网络,仅供参考)

天生桥一级水电站为珠江流域西江水系上游的南盘江龙头电站,坝址处河谷开阔,坝基岩层较软弱,坝区有丰富的土石料。大坝为混凝土面板堆石坝,最大坝高178米,坝顶长1104米,坝顶宽12米,顶部设置4.9米高的防浪墙。混凝土面板厚度顶部0.3米,底部0.9米,设置垂直缝,间距16米,共分69块。水库总库容102.6亿立方米,调节库容57.96亿立方米。

电站枢纽右岸设开敞式溢洪道和放空隧洞、泄洪孔口尺寸为宽13米,高20米,共5孔。溢洪道全长1665米。左岸引水发电系统采用单机单管布置,地面厂房安装4台30万千瓦水轮发电机组。电站于1998年底首台机组发电,至2000年工程竣工。
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图5--天生桥一级坝

紫坪铺水电站     (内容来自网络,仅供参考)

紫坪铺水电站位于四川成都西北崛江上游,地处都江堰市麻溪乡,距都江堰市约9公里。紫坪铺水电站坝高156米,总库容11.12亿立方米,水电站装机4台19万千瓦发电机组。

“5.12” 汶川特大地震时,它距离中心地震带仅17公里,水电站所处位置地震烈度超过10度,远远超过大坝原有设计抗震等级,然而大坝经受住了最严峻的考验,仅是坝混凝土挡水面板发生多处拉裂,坝体安然无恙。可见堆石坝也有很强的抗震能力。2009年10月19日在成都召开的堆石坝国际研讨会上,紫坪铺大坝荣获“国际堆石坝里程碑特别工程奖”。
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图6--紫坪铺水电站
  支墩坝

重力坝有二个主要缺点:材料强度不能充分利用与底部扬压力大,宽缝重力坝在一定程度上克服了这两个缺点,如果将坝体由一系列独立的支墩和挡水面板组成,挡水面板设在上游同样形成挡水面,可进一步克服重力坝的缺点。

支墩坝就是这类坝型,库水压力由挡水面板传给支墩再传给地基,利用水重和自重在坝基面产生的摩擦力来抵抗水平水压力维持稳定。这样可最大限度地利用材料强度;最大限度地减小扬压力;充分利用水重来节省混凝土量。

支墩坝主要有平板坝、连拱坝、大头坝。

   平板坝

平板坝是支墩坝的最早型式,由平面板与支墩组成,平面板就是挡水面板,见图7。
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图7--平板坝

平面坝的主要优点是:构造简单;平板的迎水面上不产生拉应力;对温度变化的敏感性差;地基变形对坝身应力分布影响不大,对地基要求不十分严格。但鉴于面板受力条件的限制,平面板坝高一般不超过40米。

   连拱坝

由于平板坝的面板受力条件不好,将平面的挡水面板改为圆弧面板(拱),可更好利用混凝土的抗压性能,多个拱壁(拱圈)连成一体,由多个支墩支撑,这就是连拱坝,图8左图是一段连拱坝示意图。

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图8--连拱坝

图9左图是一段连拱坝的俯视图,右图是从下游面观看这段连拱坝。

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图9--连拱坝结构

连拱坝能较好地利用材料强度,把拱坝的优点运用到宽的河面,可建又高又宽的坝。连拱坝对地基变形、温度变化较敏感,故对地基要求相对要高一些。
   连拱坝的应用工程

下面介绍几个连拱坝的应用工程。

佛子岭水库     (内容来自网络,仅供参考)

佛子岭水库,位于淮河支流淠河东源上游,安徽省霍山县城西南,是建国初期中国自行设计具有当时国际先进水平的大型连拱坝水库,佛子岭水电站是淮河流域第一座水电站。以防洪为主,结合灌溉、发电、航运,水库总库容4.96亿立方米。佛子岭大坝由20个支墩,21个拱和两端重力坝组成。坝顶轴线长510米。溢洪道设在东岸山凹里,开敞式溢流,下接明渠侧槽。坝后厂房,总装机容量为31000千瓦。1952年1月动工,1954年11月建成。

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图10--佛子岭水库(照片来自网络)

梅山水库     (内容来自网络,仅供参考)

梅山水库位于安徽省金寨县县城南端的大别山腹地、淮河支流史河上游。拦河坝中间坝段是连拱坝,由15个支墩、16个拱组成连拱坝,长311.5米。东西两端连接重力坝,全长443.5米。最大坝高88.24米,顶宽1.8米,总库容23.37亿立方米。

溢洪道位于大坝东岸(图11左侧),开敞式,全长101.6米,分7孔,孔宽12米,泄洪遂洞位于大坝东岸,全长249米,洞径6.3米,发电厂为坝后式,位于5—8号支墩后,安装水轮发电机4台、4万千瓦。1956年建成发电。
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图11--金寨梅山水库(照片来自网络)

马尼克Ⅴ级坝     (内容来自网络,仅供参考)

马尼克Ⅴ级坝又名丹尼尔•约翰逊坝,位于加拿大马尼夸根(Maricouagan)河上,工程主要用于发电。大坝为混凝土多拱坝,最大坝高214米,顶长1314米。连拱坝共13跨14个拱墩,中间河床为大拱,跨度为165米,左边7个拱、右边5个拱,跨度各为76米,是世界最高的多拱坝。水库总库容为1418.52亿立方米,有效库容375亿立方米。

发电引水系统、溢洪道从上游左岸引出,地面厂房、地下厂房、在下游左岸。总装机容量237.2万千瓦。1989年工程全部完工。
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图12--丹尼尔•约翰逊坝(照片来自网络)
  大头坝

大头坝介于宽缝重力坝和轻型支墩坝(平板坝和连拱坝)之间,它具有宽缝重力坝和轻型支墩坝两者的优点,大头坝的头部前面是挡水面,后部是支墩,见图13。

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图13--大头坝

图14是大头坝几种主要构造形式的水平剖面图。封闭式单支墩结构简单,强度高,坝内保温好,又可布置为坝顶溢流,用得较广泛。
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图14--大头坝水平剖面图
大头坝是一种较为优越的坝型,它既能充分利用材料的强度,钢筋与混凝土用量少。

   大头坝的应用工程

下面介绍几个大头坝的应用工程。

柘溪水电站     (内容来自网络,仅供参考)

柘溪水电站位于中国湖南省、资水干流上,距安化县东平市12.5km。大坝总长330m,最大坝高104m,防浪墙高1.5m。河床部分为溢流坝段,由8跨单跨18m的混凝土单支墩大头坝和2跨16m的混凝土宽缝重力坝组成。分成9孔,每孔净宽12m,装有12m宽、9m高的平板钢闸门。两岸非溢流坝段为混凝土宽缝重力坝。总库容35.7亿立方米。

下游岸边引水式发电厂房安装6台混流式水轮发电机组,一台8.8万卡瓦,5台7.5万卡瓦,由6条隧洞后接6条压力钢管引水,后来扩建新增两台25万千瓦的水轮发电机组。
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图15--柘溪水电站(照片来自网络)

伊泰普水电站     (内容来自网络,仅供参考)

伊泰普水电站位于巴西与巴拉圭之间的界河——巴拉那河上,由巴西与巴拉圭共建,枢纽左岸属巴西,右岸属巴拉圭,发电机组和发电量由两国均分。伊泰普水库总库容 290亿立方米,有效库容190亿立方米。

主坝为双支墩大头坝(混凝土双支墩空心重力坝),最大坝高196米,长1064米,是世界最高的大头坝。右岸翼坝呈弧线型,长986米,为单支墩大头坝,最大坝高64.5米。左岸堆石坝1984米,最大坝高70米。左岸土坝长2294米,最大坝高30米。包括岸边溢洪道等建筑,整个枢纽的挡水前沿总长度达7760米。

混凝土重力式溢流坝在右岸翼坝端头,坝长390米,安装14扇20米×20米弧形闸门。发电厂房长968米,目前共有20台发电机组(每台70万千瓦),总装机容量1400万千瓦,是当今世界装机容量第二大,发电量最大的水电站。

工程于1975年开工,1979年8月主坝混凝土浇筑,1983年中第一台机组发电,1991年全部建成。
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图16--伊泰普水电站(照片来自网络)

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来源:水利家园
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