第七节 宽缝重力坝与空腹重力坝
图4-58 宽缝重力坝
一、宽缝重力坝
（一）宽缝重力坝的构造特点
实体重力坝的主要缺点是坝体断面大，作用的扬压力较大、材料的抗压强度得不到充分的利用。为了改善这些缺点，发展了一些改进重力坝的坝型，宽缝重力坝就是其中的一种。这种坝型是由实体重力坝坝段间的横缝加宽而成，如图4-58所示。坝体设置宽缝后，坝基中的渗透水流可以从宽缝处排出，作用于坝底的渗透压力显著降低，且扬压力的作用面积也大为减小，因而坝体混凝土方量比实体重力坝可节省10%～20%。此外，宽缝增加了坝块侧向的天然散热面，加快了坝体混凝土的散热过程，有利于温度控制；坝段内部厚度减薄，材料的强度能得到较好的利用；坝内有了宽缝，可以方便地进行观测和检查；设计时，还可以根据各坝段地质条件的不同，通过改变宽缝尺寸来调节坝体重量。使各坝段均能满足稳定和应力要求，而上下游坝面坡度仍能保持一致，达到节省混凝土的目的。但是由于设置宽缝后，施工模板的数量和种类将有所增加，倒悬模板的装、拆比较麻烦，因而施工复杂；在气温变化剧烈地区修建时，容易产生表面裂缝。为此，在严寒地区，宽缝常需采取必要的保温措施。
宽缝重力坝在适当的条件下，确是一种合理的坝型，国内外已广泛采用。我国修建的新安江、丹江口、潘家口（图4-59）、古田四级、黄龙滩等都是大中型的宽缝重力坝，因而在设计和施工方面都有丰富的经验。
（二）宽缝重力坝的剖面尺寸
宽缝重力坝的剖面形状如图4-58所示。其主要剖面尺寸有：坝段宽度L，一般采用16～24m，可根据坝的高度、施工条件、泄水道布置和坝后厂房机组间距等因素选定；缝宽2S一般为坝段宽的20%～40%，如缝宽过小，宽缝坝的优点就不显著，但如缝宽过大，又可能在坝体腹部产生较大的主拉应力；上下游坡度n、m的选择与实体重力坝一样，也是在满足稳定和应力条件下力求经济，上游坡比实体重力坝略缓，一般n在0.15～0.35之间采用，下游坡m则一般在0.5～0.7之间；上游头部厚度tu与坝面作用水头的比值一般为（0.08～0.12），且不小于3m；下游尾部的厚度td由应力条件及施工条件确定，一般采用3～5m，不宜小于2m，寒冷地区应适当加厚。宽缝的上下游及顶部与实体部分的连接处，应有足够的渐变段长度，以减小断面变化处的应力集中，在变厚处采用斜坡连接，其坡度n′和m′一般为1～2。
（三）宽缝重力坝的稳定和应力分析
宽缝重力坝的稳定计算方法与实体重力坝相同，但应以整个坝段进行分析。由于宽缝的存在，渗流可从宽缝排出，所以坝底部扬压力的分布与实体重力坝略有不同。宽缝重力坝的应力状态是一个三维问题，严格来说，应采用三维有限单元法进行应力分析。但经验证明，宽缝重力坝的应力分布情况基本上接近平面状态，只是局部应力分布较为复杂。为此，通常仍以平面分析为基础，加上一定的局部应力分析复核，这种计算方法虽然不能精确地反映实际应力分布情况，但其成果已能满足设计要求。所以，宽缝重力坝的应力计算，可分为两种问题进行，首先把坝段的整体作为变厚度的平面问题分析，称为“整体应力分析”；然后对坝段的上游头部进行应力分析，称为“局部应力分析”。
图4-59 宽缝重力坝实例（单位：m）
（a）新安江（H=105m）（宽缝重力坝厂房顶溢流）；（b）潘家口（H=107.5m）（宽缝重力坝）
宽缝重力坝的整体应力分析，仍可用材料力学法计算。由于宽缝重力坝的实际水平截面形状比较复杂，计算时简化为工字形截面，并假定坝体应力沿坝轴线的厚度方向均匀分布，水平截面上的垂直正应力σy仍为直线分布。
用偏心受压公式计算上下游边缘正应力σy：
式中：Tu、Td为坝段计算水平截面形心到上下游坝面的距离；A、I为坝段计算水平截面面积和对其形心轴的惯性矩；其他符号同实体重力坝的计算。
求得
后，用与实体重力坝相同的方法计算边缘的其他应力分量
。然后根据上下游头部段及中间宽缝段三段的平衡条件推算内部应力。
宽缝重力坝头部的局部应力分析，可沿垂直坝面方向（或沿主应力方向）切取截面，作为平面问题处理（图4-60），用弹性力学的有限单元法或差分法进行计算。主要推求沿坝轴线方向的应力分量σz和τxz等，研究头部是否产生不利的拉应力，考察宽缝的形状和尺寸是否合适，必要时可做出相应的修正。
图4-60 宽缝重力坝应力计算图
二、空腹重力坝
在重力坝内部沿坝轴线方向设有大孔洞或在坝内布置发电厂房的称为空腹重力坝。这种坝型的主要优点是：由于纵向大孔洞的存在，渗流从孔洞排出，可有效地降低坝底的扬压力，节省坝体工程量；在河谷狭窄，洪水流量大，洪枯水位变幅悬殊的河流上兴建水电站，地面厂房布置有困难时，将厂房设于空腹内，可省去地下厂房工程，减免洞挖石方，加快施工进度；空腹重力坝的上下游坝体（称前后腿）可以分别浇筑，不必设置纵缝，而且增加散热面，有利于混凝土降温；空腹坝的前后腿可槽挖嵌固在基础内，增加了大坝稳定的潜在安全度；在运行期，可利用空腹对坝体和基础进行安全监测和维修；坝内不设厂房的空腹坝，还可以减少前期土石方开挖量和坝体混凝土施工的工程量，有利于降低上游围堰挡水标准，加快前期施工进度。主要缺点是：施工技术复杂，结构较为复杂，设计难度和工作量较大；需用钢筋和模板较多。
空腹重力坝的剖面设计，可先按实体重力坝拟定剖面，然后再设置空腹。为了保持稳定，设置空腹所节约的混凝土量大体上可与扬压力的减少幅度相适应。最后再对拟定的剖面进行应力和稳定分析，并根据需要适当调整。在拟定空腹的体形时，可参考以下的经验：按照坝体应力的要求，空腹形状以近似半个椭圆形为宜，椭圆的长轴与水平面约呈60°的夹角，即大致接近于实体坝的主应力方向，空腹的高度应小于1/3坝高；在坝剖面的水平方向，前腿、空腹、后腿的宽度约各占坝底总宽的1/3，由于前腿底部剪力较大，故前腿所占的比例略大一些更为有利；对于空腹内设电站厂房的坝，空腹的形状和尺寸应同时满足厂房布置的要求，空腹顶部常做成两心圆弧形，空腹上游面则多做成铅直的。
空腹重力坝的坝段分缝、止水、排水系统等与实体重力坝类似，廊道系统可适当简化。为了保持利用空腹降低扬压力的优点，当空腹布置电站厂房因而设有底板时，应配置可靠的排水系统，以便有效地降低底板下的扬压力。
空腹重力坝的应力情况比较复杂，材料力学法已不再适用。应力分析可采用有限单元法，并借助结构模型试验，互相验证。计算和试验研究表明：由于空腹顶坝体重心偏于上游，故空腹坝的前腿承担了约占86.7%的坝体重量，这对前腿的应力是有利的；空腹顶高程以上，水压力基本上与后腿剪力平衡，故前腿顶部剪力小而后腿顶部剪力大；空腹顶高程以下的水压力则基本上与前腿剪力平衡，所以前腿底部剪应力较大，从提高前腿抗剪能力减小主拉应力角度出发，应适当加强前腿；空腹周边应力分布与空腹形状关系密切，对于不设厂房的空腹坝，空腹形状调整余地大，有可能做到在水压和自重荷载作用下空腹周边拉应力很小，甚至不出现拉应力；由于空腹的存在，靠近坝踵的前腿内部容易产生主拉应力，因此在前腿内部布置灌浆廊道时，要注意这种现象，适当将廊道靠后布置以免帷幕遭到拉裂破坏。
据1982年统计，我国已建成的空腹重力坝共有8座，其中广东枫树坝的最大坝高为93.3m，空腹高31.25m，宽25.5m，电站厂房布置在溢流坝的空腹内（图4-61）。图4-62为石泉空腹溢流重力坝，空腹不设底板，坝体所受的荷载直接由前、后腿传到坝基，且上游坝面为倒坡，有利于改善满库时坝踵的应力。
图4-61 枫树空腹重力坝剖面图（单位：m）
图4-62 石泉空腹坝剖面（单位：m）