土石坝与支墩坝原理.docx

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土石坝与支墩坝原理

土石坝与支墩坝原理

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 水利枢纽工程 支墩坝原理 心墙坝截面图 一级水电站 碾压式土石坝

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。

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。

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。

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。

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。

图5--天生桥一级坝

紫坪铺水电站  

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”。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

图16--伊泰普水电站（照片来自网络）