【技术】重力坝设计要点分享

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所属分类:海洋工程

水力发电主要利用势能,利用势能必须有落差,在落差较大的河段修建拦水大坝,建立水库蓄水提高水位,在坝外安装水轮机,水库的水流通过输水道到坝外低处的水轮机,水流推动水轮机旋转带动发电机发电,所以大坝是水电站的主要配套建筑物。

大坝有多种,根据抵抗水头压力的机制不同,可分为重力坝、拱坝与支墩坝。重力坝顾名思义就是利用坝体自身重量来抵抗上游水压力并保持自身稳定;而拱坝则是像拱桥一样,是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物,借助拱的作用将水压力的全部或部分传到河谷两岸的基岩上;按筑坝材料的不同,可分为土石坝、混凝土坝、橡胶坝、钢闸门坝等;按坝体能否活动可分为固定坝与活动坝,橡胶坝、钢闸门坝属于活动坝。

大坝的划分还按施工方式的不同划分,按库容和效益指标划分,按安全性划分,这里就不再介绍了,本栏目仅介绍水电站常用的重力坝、拱坝、土石坝、支墩坝,本节介绍重力坝。

   实体重力坝

重力坝是古老的坝型,至今仍是最重要的坝型,只不过古代是用土石料填筑而成,现代用钢筋混凝土筑成,现代说的重力坝单指混凝土重力坝。图1是重力坝剖面示意图,重力坝依靠自身重量压在坝基上以摩擦力与粘附力维持坝体的稳定,重力坝基本剖面呈三角形,见图1左图。右图是一段重力坝示意图,坝身分段筑成,段间有横缝,各段独立承受水的压力。

重力坝坝体是实心的,称为实体重力坝,重力坝对地形、地质条件适应性强,剖面大、自重大使其稳重,分段结构使其有较强的抗地震、抗战争破坏能力。

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图1--实体重力坝

重力坝是大中型水电站使用最多的坝型,例如中国第一大水电站,世界第一大水电站三峡水电站坝高181米,是混凝土实体重力坝,见图2。

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图2--三峡水电站(照片来自网络)

中国第三大水电站,世界第五大水电站向家坝水电站坝高161米,见图3,也是混凝土实体重力坝。

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图3--建设中的向家坝水电站(照片来自网络)

实体重力坝的缺点主要是建筑材料用量大,工程量大,而且坝中部许多材料仅起填充、加重作用,对坝体强度贡献很小。坝体与坝基接触面积大,坝底的扬压力也大,不利于坝体的稳定。

坝底的扬压力是上游蓄水渗透到坝体与坝基之间的缝隙产生的压力,其向上的作用力会抵消部分坝体重量,影响坝体稳定。

   宽缝重力坝

为有效利用建筑材料的强度,减少材料消耗,减小坝低扬压力,采用减少坝体中部材料的方法,这就有宽缝重力坝与空腹重力坝。

宽缝重力坝就是把坝的横缝(内部部分)很宽,也就是把每节坝体的内部部分减薄,使两节坝体间的横缝加宽。图4是宽缝重力坝结构示意图,在右边图中把靠前的4个坝体水平剖开,可清楚看到每段坝体间的宽缝。宽缝重力坝坝体比实体重力坝可节省建筑材料10%至20%,坝体与坝基接触面积相对小一些,坝基中的渗透水可从宽缝处排出,使坝低扬压力减小。施工时可根据各坝段地质条件采用不同的缝宽。

宽缝重力坝的主要缺点是施工模板的种类与数量相对实体重力坝要增加,施工难度增大,工作量增大。

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图4--宽缝重力坝

我国新安江水电站采用宽缝重力坝,坝高105米;潘家口水电站采用宽缝重力坝,坝高107.5米;还有丹江口、古田四级、黄龙滩等水电站也采用宽缝重力坝。

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图5--潘家口水库大坝(照片来自网络)

空腹重力坝

空腹重力坝的下部中间部分是空心的,空洞部分称为腹孔,坝体重量通过前腿与后腿传给坝基,见图6,空腹重力坝比宽缝重力坝进一步降低扬压力,而且可利用腹孔作为水电站厂房。

空腹重力坝的主要缺点是结构复杂,施工技术复杂,施工模板的种类与数量多,钢筋等材料多。

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图6--空腹重力坝

广东枫树坝空腹宽缝重力坝最大坝高93.3米,坝顶长418米,坝底最大宽度87.1米,空腹高31.25米,宽25.5米,水电站厂房在坝内空腹中。

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图7--枫树坝空腹重力坝(照片来自网络)

水坝的泄水

上述的水坝能档水但不能泄水,也称之为非溢流重力坝,当水库水满或下游需水时就必须放水,水坝必须有泄水能力,一般来说将水坝中的一段筑成有泄水功能的坝,这段坝称之为泄洪坝段。

   溢流重力坝

   坝顶溢流式重力坝

溢流重力坝既能档水又能泄水,采用坝顶表孔溢流,超出库容的洪水可从坝顶泄向下游。图8左图是坝顶式溢流重力坝剖面图,溢流重力坝高度比正常蓄水位略低,平时闸门下落关闭,水库正常蓄水。需要泄水时则提升闸门,水流泄出,见图8右图,溢流重力坝的设计既要满足正常蓄水的要求,又要满足在大洪水时能充分泄去超出库容的水。

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图8--坝顶溢流式重力坝

图9是溢流重力坝结构示意图,图中右侧是非溢流重力坝,左侧4段是坝顶溢流式重力坝。溢流重力坝分成多段,每段间设有闸墩,闸墩间安装有闸门,在闸墩上方是公路桥,在桥面上还有闸门启闭机负责闸门的启闭(图中未表示)。这种坝顶溢流孔也称为表孔。

在溢流重力坝与非溢流重力坝之间有导水墙,防止溢流漫到非溢流坝段。在溢流坝下游面的尾端有向前上方的挑角,可对泄出的水进行消能减速,以保护下游河床。

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图9--溢流重力坝结构

有些水电站的溢流重力坝同时是空腹重力坝,枫树坝水电站的溢流重力坝内是发电机厂房,泄水从厂房上方流过,图7显示枫树坝水电站有2个泄水孔在泄水。图10是新安江水电站坝顶泄水时的照片。

新安江水电站泄水

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图10--新安江水电站泄水(照片来自网络)

 大孔口溢流式重力坝

把溢流孔设在上游正常水位线以下,溢流孔上方用胸墙拦水,见图11左图,升起闸门则进行泄水,见图11右图,称之为大孔口溢流式重力坝。由于孔口低,库内水位可调节范围大,在大洪水来前可腾出较大的防洪库容。

大孔口溢流式重力坝的主要缺点是不利于洪水中漂浮物的排出。

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图11--大孔口溢流式重力坝

 坝身泄水孔

为了排泄泥沙、放空水库、向下游供水(水位不够溢流坝高时),在非溢流坝或溢流坝的坝体下方设置排水孔,既可排泄泥沙又可用于放空水库,称为深式泄水孔水坝。

坝身泄水孔比大孔口溢流式重力坝的泄水孔要底得多,整个泄水通道是从坝体下方通过,见图12。在深孔内安装有弧形闸门拦住进水,在弧形闸门上方启闭机廊道里安装有闸门启闭机控制闸门的启闭。左图是弧形闸门关闭时的状态示意图,右图是弧形闸门开启进行泄流时的状态示意图。

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图12--深式泄水孔水坝

一般采用坝下泄洪深孔的大坝同时具有坝顶溢流的功能,三峡大坝的泄洪坝段就同时具有坝顶溢流表孔与坝下泄洪深孔,共有22个表孔、23个深孔,相隔而设。进行泄流的主要方式是坝下深孔泄流,在泄流的同时把上游泥沙带走,避免大量泥沙淤积在库内,图13是上游看三峡大坝的照片,此时尚未正式蓄水,可看到泄洪深孔与表孔。

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图13--三峡大坝泄洪孔(照片来自网络)

图12是三峡大坝深孔泄流的照片。

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图14--三峡水库深孔泄水(照片来自网络)

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