第四章 岩基上的重力坝
第一节 概述
重力坝是一种古老而迄今应用仍很广的坝型，因主要依靠自重维持稳定而得名。19世纪以前，重力坝基本上都采用毛石砌体修建，19世纪后期由于新材料出现才逐渐采用混凝土筑坝。在筑坝实践和科学试验的基础上，设计理论也不断提高。进入20世纪，由于混凝土工艺和施工机械的迅速发展，逐渐形成了现代的重力坝，特点是采用有效的防渗排水措施，减小扬压力，以及施工中分缝、灌浆和温度控制技术，为加大坝高扫除了障碍。20世纪30年代以后，高重力坝日益增多，混凝土浇筑工艺日臻完善，同时也出现了一些新坝型。据统计，自1860年至1959年，世界上修建高度在30m以上的重力坝始终占建坝总数的50%左右。从20世纪60年代开始，由于土石坝设计理论和施工机械的发展及地质条件的限制，国外重力坝修建数量的相对比例虽减少，但在技术上却继续进展。如瑞士修建了目前世界上最高的大狄克逊（Grand Dixence）重力坝，坝高达285m，并发展了分期加高的筑坝技术；意大利修建了阿尔卑吉拉（Aipa Gera）坝，应用低热水泥，取消分块浇筑，采用自卸卡车入仓卸料，推土机平仓，连续通仓浇筑，振动刀片切成伸缩缝等施工新工艺；罗马尼亚建成了127m高的山泉（Izvroul Muntelui）坝，发展一种分层错接、斜缝不灌浆的混凝土施工方法。20世纪70年代以来，由于碾压混凝土筑坝技术的发展，进一步降低重力坝的造价和缩短施工工期，从而提高重力坝在坝型选择中的竞争力，促进了重力坝的发展。
新中国成立以后，随着水利水电事业蓬勃发展，重力坝也大量兴建。通过建坝实践和研究，在坝体结构型式、建筑材料、枢纽布置、泄洪消能、地基处理、施工技术和设计理论等方面都有较大的发展。据不完全统计，我国已建、在建的装机容量在15MW以上的水电站中，混凝土重力坝达165座（含碾压混凝土重力坝），其中坝高70m以上的混凝土重力坝有50座，100m以上的有33座。在装机容量大于250MW的已建和在建的70余座大型水电站中（不含抽水蓄能电站），49座是混凝土重力坝，其中坝高在100m以上的有31座。值得特别注意的是，经过40多年的准备和前期工作，1994年开工的举世瞩目的三峡工程，重力坝最大坝高181m，坝轴线全长2309.5m，装机容量达22400MW（18200MW+右岸地下厂房装机4200MW），是世界上最大的水电站，首批机组于2003年投产，标志着中国大坝建设技术的巨大进步。与此同时，全国各地还修建了大量的砌石重力坝，已建砌石重力坝坝高在15m以上、库容10万m3以上的有416座。近20多年来，碾压混凝土重力坝在我国发展很快，已建成和在建的碾压混凝土坝数量居世界首位。
重力坝研究工作的发展趋向于用现代的设计理论和分析方法解决一些专门的问题。例如用有限单元法分析坝体及坝基的应力状态，用断裂力学研究坝体裂缝的发展和稳定，重力坝在地震活动时的精确分析，复杂地基对坝体工作性态的影响，重力坝的可靠度分析，坝基渗流场与应力场相互作用的探讨，重力坝的最优化设计和各种新的泄洪消能措施的采用，在施工技术上则研究温度控制的新理论和综合措施，更大型施工机械设备的研制与发展，碾压混凝土筑坝技术以及整个施工过程的计算机调度管理等。
一、重力坝的工作原理及特点
重力坝的工作原理可以概括为两点：一是依靠坝体自重在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定的要求；二是利用坝体自重在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度的要求。因此重力坝的剖面较大，一般做成上游坝面近于垂直的三角形剖面，且垂直坝轴线方向常设有永久伸缩缝，将坝体沿坝轴线分成若干个独立的坝段，如图4-1所示。
重力坝与其他坝型相比较具有以下的主要特点：
（1）重力坝断面尺寸大，安全可靠。由于断面尺寸大，材料强度高、耐久性能好，因而对抵抗水的渗透、特大洪水的漫顶、地震和战争破坏能力都比较强，安全性较高。据统计，在各种坝型中，重力坝的失事率较低。
图4-1 混凝土重力坝示意图
（2）重力坝各坝段分开，结构作用明确。坝体沿坝轴线用横缝分开，各坝段独立工作，结构作用明确，稳定和应力计算相对简单。
（3）重力坝的抗冲能力强，枢纽的泄洪问题容易解决。重力坝的坝体断面形态适于在坝顶布置溢流坝，在坝身设置泄水孔，可节省在河岸设置溢洪道或泄洪隧洞的费用。施工期可以利用较低的坝块或底孔导流。在坝址河谷狭窄而洪水流量大的情况下，重力坝可以较好地适应这种自然条件。
（4）对地形地质条件适应性较好，几乎任何形状的河谷都可以修建重力坝。对地基要求高于土石坝，低于拱坝及支墩坝。一般来说，具有足够强度的岩基均可满足要求，因为重力坝常沿坝轴线分成若干独立的坝段，所以能较好地适应岩石物理力学特性的变化和各种非均质的地质。但仍应重视地基处理，确保大坝的安全。
（5）重力坝体积大，可分期浇筑，便于机械化施工。在高坝建设中，有时由于淹没太大，一次移民及投资过多，或为提前发电而采用分期施工方式。混凝土施工技术已很成熟且比较容易掌握，放样、立模和浇捣都比较方便，有利于机械化施工。
（6）坝体与地基的接触面积大，受扬压力的影响也大。扬压力的作用会抵消部分坝体重量的有效压力，对坝的稳定和应力情况不利，故需采取各种有效的防渗排水措施，以削减扬压力，节省工程量。
（7）重力坝的剖面尺寸较大，坝体内部的压应力一般不大，因此材料的强度不能充分发挥。以高度50m的重力坝为例，其坝内最大压应力只有1.4MPa左右，且仅发生在坝趾局部区域，所以坝体大部分区域可适当采用标号较低的混凝土，以降低工程造价。
（8）坝体体积大，水泥用量多，混凝土凝固时水化热高，散热条件差，且各部浇筑顺序有先有后，因而同一时间内冷热不均，热胀冷缩，相互制约，往往容易形成裂缝，从而削弱坝体的整体性，所以混凝土重力坝施工期需有严格的温度控制和散热措施。
二、重力坝的类型
重力坝按结构型式可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、预应力重力坝等，如图4-2所示。
图4-2 重力坝的型式
（a）实体重力坝；（b）宽缝重力坝；（c）空腹重力坝；（d）预应力重力坝；（e）装配式重力坝
实体重力坝是最简单的型式。其优点是设计和施工均方便，应力分布也较明确；但缺点是扬压力大和材料的强度不能充分发挥，工程量较大。与实体坝相比，宽缝重力坝具有降低扬压力、较好利用材料强度、节省工程量和便于坝内检查及维护等优点，宽缝重力坝在我国得到迅速发展和广泛应用；缺点是施工较为复杂，模板用量较多。空腹重力坝不但可以进一步降低扬压力，而且可以利用坝内空腔布置水电站厂房，坝顶溢流宣泄洪水，以解决在狭窄河谷中布置发电厂房和泄水建筑物的困难，如坝高为68m的上犹江空腹重力坝和广东枫树坝都是在坝内布置发电厂房的；空腹重力坝的缺点是腹孔附近可能存在一定的拉应力，局部需要配置较多的钢筋，应力分析及施工工艺也比较复杂（宽缝和空腹重力坝详见本章第七节）。预应力重力坝的特点是利用预加应力措施来增加坝体上游部分的压应力，提高抗滑稳定性，从而可以削减坝体剖面，但目前仅在小型工程和旧坝加固工程中采用。装配式重力坝是采用预制混凝土块安装筑成的坝，可改善混凝土施工质量和降低坝体的温度升高，但要求施工工艺精确，以使接缝有足够的强度和防水性能，现较少采用。湖北省陆水工程就采用此种坝型，坝高为49m。
除上述的分类外，按照重力坝的顶部是否泄放水流的条件，可分为溢流坝和非溢流坝。坝体内设有深式泄水孔的坝段和溢流坝段可统称为泄水重力坝，完全不泄水的坝段，可称为挡水坝。按筑坝材料还可分混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝（详见本章第八节）和浆砌石重力坝（图4-50）。前两者常用于重要的和较高的重力坝；后者可就地取材，节省水泥用量，且砌石技术易于掌握，在我国的中小型工程中仍然被广泛采用。
三、重力坝的布置
重力坝通常由溢流坝段、非溢流坝段和两者之间的连接边墩、导墙以及坝顶建筑物等组成。如图4-3所示为一座典型重力坝的总体布置平面图和坝段横剖面图。它包括左、右岸非溢流的挡水坝段和河床中部的溢流坝段。左岸挡水坝段还布置了坝后式水电站及坝内输水管道。
图4-3 重力坝的布置
（a）平面布置；（b）溢流坝剖面；（c）非溢流坝剖面
重力坝总体布置应根据地形地质条件，结合枢纽其他建筑物综合考虑。坝轴线一般布置成直线，必要时也可布置成折线或稍带拱形的曲线。后者称为拱形重力坝。总体布置还应注意各坝段外形的协调一致，尤其上游坝面要保持齐平。但若地形地质及运用条件有明显差别时，也可按照不同情况，分别采用不同的下游坝坡，使各坝段达到既安全又经济的目的。
在河谷较窄而洪水流量较大，且拦河坝前缘宽度不足以并列布置溢流坝段和厂房坝段时，常可采用重迭布置方式，例如在泄洪坝段上同时设置溢流表孔及泄水中孔；将电站厂房设在溢流坝内或采用坝后厂房顶溢流的布置方式。
四、重力坝的设计内容
重力坝设计包括以下几方面内容：
（1）总体布置。选择坝址、坝轴线和坝的结构型式，决定坝体与两岸其他建筑物的联接方式，确定坝体在枢纽中的布置。
（2）剖面设计。根据安全、经济和运用等条件，参照已建成类似工程的经验，通过必要分析计算，确定坝的剖面形态和轮廓尺寸。
（3）稳定分析验算。计算坝体在荷载作用下沿坝基面或地基中软弱结构面抗滑稳定的安全度，为剖面设计、地基处理和正常运行提供依据。
（4）应力分析计算。计算坝体和坝基在荷载作用下的应力和变形，判定大坝在施工期及运用期是否满足强度和变形方面的要求。为其他设计（剖面设计、地基处理、结构布置、施工分缝等）提供依据。
（5）构造设计。根据施工和运用要求确定细部构造，包括坝顶结构、坝体材料选择及分区，坝内廊道布置及排水、防渗措施以及坝体分缝等。
（6）地基处理。根据坝基的地质条件及受力情况，进行地基开挖、防渗、排水、加固及断层软弱带的处理等。
（7）泄水设计。包括溢流坝或泄水孔的孔口尺寸、体形、消能防冲及运行控制设计等。
（8）监测设计。研究大坝在各种荷载和环境影响下的工作状态，对工程质量和建筑物的安全条件作出判断，以便采取相应的措施，保证运行安全可靠和提高经济效益。包括坝的内部和外部的观测设计。制定大坝的运行、维护和监视等方面的要求及规则。
最后还要进行大坝的施工方法和施工组织设计。
以上所述的设计内容，除了施工设计有施工课程专门介绍外，其他设计内容将在本章各节及本书有关章节中分别介绍。
五、设计状况和作用（荷载）组合
重力坝断面设计原则上应由持久设计状况控制，并以偶然状况复核。后者允许考虑一些合理的安全潜力（如坝体的空间作用、短期振动情况下材料强度的提高等）及其他适当措施，不宜由偶然状况及其相应作用组合控制设计。
各种设计状况均应按承载能力极限状态进行设计，持久状况尚应进行正常使用极限状态设计，偶然状况不要进行正常使用极限状态设计。持久、偶然状况的设计状况系数分别为1.0、0.85。
按承载能力极限状态作用（荷载）基本组合设计时要考虑以下基本作用：
（1）坝体及其上永久设备自重。
（2）静水压力。以发电为主的水库，上游正常蓄水位和建筑物放最小流量的下游水位相应的上、下游水压力；以防洪为主的水库，上游防洪高水位和相应下游水位构成的上、下游水压力。
（3）相应正常蓄水位或防洪高水位时的扬压力（且坝的防渗排水设备正常工作）。
（4）淤沙压力。
（5）相应正常蓄水位或防洪高水位的重现期50年一遇风速引起的浪压力。
（6）冰压力（与浪压力不并列）。
（7）相应于防洪高水位时的动水压力。
偶然作用对重力坝而言通常只考虑发生校核洪水时的作用以及发生地震时的作用，一般包括：
（8）校核洪水位时上、下游静水压力。
（9）相应校核洪水位时的扬压力。
（10）相应校核洪水位时的浪压力，可取多年平均最大风速引起的浪压力。
（11）相应校核洪水位时的动水压力。
（12）地震作用（包括地震惯性力和地震动水压力）。
上述12种作用对位于寒冷、地震地区的重力坝溢流坝段而言，在不同运行时期，的确都可能受到并相应产生作用效应，图4-4示出这12种作用的方向和分布。但应注意，这些作用并不可能同时都出现，必须根据同时作用的实际可能性合理组合，才能据此进行设计计算。
图4-4 溢流重力坝上12种作用的图示
就上述诸作用而言，大致要搭配成三种基本组合和两种偶然组合。
基本组合1：正常蓄水位情况，作用包括（1）、（2）、（3）、（4）、（5）。
基本组合2：防洪高水位情况，作用包括（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（7）。
基本组合3：冰冻情况，作用包括（1）、（2）、（3）、（4）、（6）。注意静水压力和扬压力按相应冬季库水位计算，冰压力作用在水面。
偶然组合1：校核洪水位情况，作用包括（1）、（4）、（8）、（9）、（10）、（11）。
偶然组合2：地震情况，作用包括（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（12）。注意静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算，有专门论证者可另定。
重力坝按极限状态设计时，一般要考虑四种承载能力极限状态，即坝趾抗压强度极限状态、坝体与坝基面的抗滑稳定极限状态、坝体混凝土层面的抗滑稳定极限状态、基岩有薄弱层时坝体连同部分坝基的深层抗滑稳定极限状态；还要考虑几种正常使用极限状态，其中包括计入扬压力影响的坝踵不出现拉应力极限状态、计入扬压力影响的上游坝面有不小于零的垂直正压应力极限状态等。
必须指出，上述的作用效应组合是根据概率极限状态设计原则和分项系数极限状态设计方法而编制的。当采用定值安全系数法设计时，应按《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2005）的规定考虑。该规范把荷载组合分为基本组合（设计情况）和特殊组合（校核情况）两大类。基本组合由同时出现的几种基本荷载组成。正常蓄水位情况、设计洪水位情况和冰冻情况都属于基本组合。特殊组合由同时出现的几种基本荷载和一种特殊荷载组成。校核洪水情况、地震情况和施工情况都属于特殊组合。在重力坝结构设计时，不同的荷载组合应采用不同的安全系数，以妥善解决安全与经济的矛盾。