重力壩的優缺點以及工作原理

侯冉冉

摘 要：水是人類賴以生存和發展不可替代的自然資源，同時也是維系生態平衡，決定環境質量狀況最積極和最活躍的自然因素。在國外較早采用水資源（water resources）這一概念的是美國地質調查局。1894年美國地質調查局設立了水資源處，其主要業務范圍是對地表河川徑流和地下水進行觀測。在國內，我國是多河流分布國家，但水資源不僅在地域上分布很不均勻，而且在時間上分配也很不均勻。因此水利規劃乃國計民生大事。

關鍵詞：重力壩 優缺點 工作原理

在興水利的歷程中，重力壩是一種最常用的壩型。人類修建壩的歷史可追溯到數千年前。重力壩是最早出現的一種壩型。公元前2900年埃及美尼斯王朝在首都孟斐斯城附近的尼羅河上，建造了一座高15m﹑長240m的擋水壩。中國于公元前3世紀﹐在連通長江與珠江流域的靈渠工程上，修建了一座高5m的砌石溢流壩，迄今已運行2000多年，是世界上現存的，使用歷史最久的一座重力壩。18世紀﹐在法國和西班牙用漿砌石修建了早期的重力壩，橫斷面都很大，接近于梯形。當前，重力壩仍然是世界眾多水壩的主要組成部分。重力壩是用混凝土或石料等材料建筑，主要依靠壩體自重保持穩定的壩。其工作原理是在水壓力及其他荷載作用下，主要依靠壩體自重產生的抗滑力來滿足穩定要求，同時依靠壩體自重產生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力以滿足強度要求，重力壩基本剖面呈三角形[3]。

重力壩是國內外最常用的一種壩型，占世界大壩的50%左右，有著很多優點，值得因地適宜的去選用它。

（1）結構作用明確，設計方法簡單，安全可靠。重力壩沿壩軸線用橫縫分成若干壩段，各壩段獨立工作，結構作用明確，穩定和應力計算都比較簡單。重力壩剖面尺寸大，壩內應力低，而筑壩材料強度高，耐久性好，因而抵御洪水漫頂、滲流、地震和戰爭破環的能力都比較強。據統計，在各種壩型中重力壩的失事率是較低的。

（2）對地形、地質適應性較強。任何形狀的河谷都適合修建重力壩。因為壩體作用于地基面上的壓應力不大，所以對地質要求較拱壩低，甚至可以在土基上修建高度不大的重力壩。

（3）樞紐泄洪問題容易解決。重力壩可以做成溢流的，也可以在壩身不同高度設置泄水孔，一般不用另行設溢洪道或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。

（4）便于施工導流。在施工期可以用壩體導流，一般不需另設導流隧洞。

（5）施工方便。大體積混凝土可以采用機械施工 ，在放樣、立模和混凝土澆筑方面都比較簡單，并且補強、修復、維護或擴建也比較方便。

重力壩有很多優點，但也不可避免的存在一些缺點：重力壩壩體剖面尺寸大，材料用量多。壩體應力較低，材料強度不能夠充分發揮。壩體與地基接觸面積大，相應壩底揚壓力大對穩定不利。壩體體積大，由于施工期混凝土的水化熱和硬化收縮將產生不利的溫度應力和收縮應力，因此在澆筑混凝土時，需要有較嚴格的溫度控制措施。混凝土不同于鋼材和好木材，其溫度變化過程中還伴隨著性質的變化，即使是早期的升溫和后期的降溫相同，也會產生很大的拉應力。混凝土塊體由早期水化熱溫升產生的壓應力很小，而后期降溫產生的拉應力很大。在分析計算混凝土塊體溫度應力時，由于升溫階段的壓應力很小，往往被忽略不計?；炷潦强估瓘姸葍H為抗壓強度的1/10～1/14的脆性不均質體，因而抵抗溫度拉應力的能力很低。

重力壩雖然結果簡單，然而人們對它的工作原理，結構性態的認識卻經歷了一個漫長的過程。19世紀中期法國工程師塞茲利首先提出了用懸臂梁理論計算重力壩應力并設計斷面，隨著這一重力壩理論的誕生，重力壩的歷史便進入了一個嶄新的階段——近代重力壩階段。德婁克則將塞茲利的理論首次用于實踐，成功的建造了世界上第一座近代重力壩——富倫斯壩。繼而朗肯是用數學方法研究重力壩斷面的第三位巨匠。他指出“在接近上下游壩面邊緣處的最大壓力的方向應該與壩面相切，除非壩面是鉛直的用以往的方法所計算出的壓力將不會是總壓力而只是其垂直分力”。塞茲利重力壩設計理論經過不斷的完善，到19世紀末加上關于揚壓力的“利維準則”之后，形成了重力壩設計的經典方法[8]。沿用至今的基本準則可表述為：

（1）壩體或壩基所承受的最大壓應力不得超過某一極限值。

（2）壩體內不允許出現拉應力，即壓力線應在截面的三分點以內。

（3）上游邊緣的壓應力必須大于在同一高程上的庫水壓力。

（4）壩體的一部分不允許沿著其下面壩體滑動或者整個壩體不允許沿著壩基滑動。

參考文獻：

[1] 劉漢湖，裴宗平.水資源評價與管理[M].北京：中國礦業大學出版社，2007年9月第1版

[2] 黃宣偉.談水利規劃[M].北京：中國水利水電出版社，2003年6月第1版

[3] 林繼鏞.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2006年3月第4版

[4] 潘家錚.重力壩設計[M]. 北京：水利電力出版社，1987年

[5] 龔召熊.水工混凝土的溫控與防裂[M].北京：中國水利水電出版社，1980年

[6] Schnitter NJ.A Short History of Dam Engineering.Water Power[M].1967（4）：142～148

[7] Smith. AHistory of Dams[M].Citadel Press，1972