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1、第二讲 碾压混凝土重力坝与拱坝应用,2-1枢纽布置的特点2-2 坝体剖面设计2-3防渗设计2-4温度控制2-5当前的设计理念2-6碾压混凝土坝设计的发展趋势,2-1枢纽布置的特点,在枢纽布置、结构设计方面仍与常规混凝土重力坝存在一定的差异。碾压混凝土坝的枢纽布置应考虑碾压混凝土施工的特点。它有常规混凝土坝的优点，同时要考虑减少施工干扰，适应快速施工。,碾压混凝土坝具有常态混凝土坝枢纽布置的特点，对地形地基的要求与后者相同，但它又有类似土石坝施工工艺的优点，施工速度快，工期短因而改变了以往河床部位基岩上覆盖层较厚的坝址只能修建土石坝而在岩石岸坡大量开挖、另劈泄洪道的概念。在这种条件下，如将覆盖层
2、挖除，可修建碾压混凝上坝。经坝体泄洪的枢纽布置在施工进度和经济上仍可能是有利的，使工程枢纽布置多了一种选择方式。美国一些原来采用土石坝的工程，基于上述原因改用了碾压混凝土坝的枢纽布置。,在进行枢纽布置设计中，应力求全面掌握和认真分析坝址地区的各项基本贤料。包括水文、泥沙、地形、地质、地震、综合利用要求、运用要求、水库淹没情况、施工条件以及所在河段上下游的河流规划要求等，要认真研究施工导流和度汛方案。在设计中，还需掌握经济资料并进行经济分析，要求工程的投入最少、效益最大或效益投入比最大。在设计研究中，还应考虑尽可能缩短工期，以降低造价，提前发挥效益。,2.1.1坝身及泻洪建筑物,常规混凝土坝都采
3、用挡水与泄水建筑相结合，挡水坝上设置坝顶溢洪道和坝身泄水孔。碾压混凝土坝一般亦均采用坝顶溢流。日本的碾压混凝土坝上下游坝面均包有常态混凝土，因此单宽流量可以较大，坝顶设闸门控制流量。美国习惯采用不设控制设施的溢流坝，这种自由溢流的堰顶水头较小，因此溢流面可以不浇常态混凝土。可以在溢流面设台阶，用以掺气并使水流在溢流面形成保护性紊流边界层，用于消除水流的部分能量，降低流速，以保护溢流坝面。我国的碾压混凝土坝大多在堰顶设闸门，出口用挑流鼻坎消能，溢流面及鼻坎用现浇钢筋混凝土护面。以上三种泄洪消能方式的不同，不仅是水工设计的差异，而且涉及水库运行、施工方法等多种因素，体现了不同的国情和习惯。,重力坝
4、枢纽必然有溢流坝或泄洪孔，这些泄水建筑物般宜布置在河床主河槽部分，以便使过坝水流能顺直地泄入下游河道。泄水建筑物宜建在河床较好的岩基上，以减少下游的冲刷。一般河床主河槽的基岩较好，因为其上部较差的岩体往往已被水流冲走。碾压混凝土重力坝在坝顶设置溢洪道，坝身设置泻洪孔洞是比较合理的方案。过水面一般多用常态混凝上保护其结合也不成问题、溢洪面采用阶梯型以增大糙率，原来认为在大单宽流量时，会形成局部的负压，通气有困难但实践证明是可行的。,如水东碾压混凝土坝采用了预制混凝土块的阶梯式结构(0.9m0.5m)加上宽尾墩消能，在设计流量下单宽流量为100m3/s，校核流量下单宽流量为138 m3/s，199
5、4年5月出现百年一遇的洪水，下泻单宽流量达90 m3/s，工程无损害。广西百龙滩工程也采用阶梯式长230m溢洪断面无闸门控制，单宽流量在校核洪水时为134.5 m3/s。又如大朝山碾压混凝土坝，在下游面设阶梯（0.9m0.63m），单宽流量将达193.6 m3/s。这样可以不必用常态混凝土再做二次浇筑。图6.1-5所示为广西高130m的百色碾压混凝土重力坝的横断面，在溢流坝上采用宽尾墩结构消能。在其他大坝布置中孔泻流的有2座，这是一些枢纽防洪要求汛前降低水库水位所必须的措施。,2.1.2厂房及引水建筑物,常规混凝土重力坝方案常采用坝后式厂房布置。由于引水钢管穿过坝体，施工干扰很大，丧失了碾压混
6、凝土快速施工的优越性，故坝后厂房均布置在常规混凝土坝段。也可以考虑坝身背管的形式，则钢管以下用碾压混凝土，钢管附近及其上部用常态混凝土，以减少施工干扰。在投资相差不大时，碾压混凝土坝枢纽应优先采用隧洞引水式厂房布置，以免干扰坝体施工。隧洞可提前开挖，有条件时还可与导流洞结合。,碾压混凝土重山坝断面希望尽可能筒单，如果水电站厂房能与坝体分开布置，钢管不穿过坝体内，施工将比较简单，例如龙滩、棉花滩，大朝山工程和江垭工程都采用了地下厂房方案，借以免去坝体的钢管通过，同时厂房可以提前施工，有利于提前发电见图6.1-6一图6.l-9。四川铜街子水电站，采用坝后式厂房枢纽布置，进水口布置在坝的上部，钢管为
7、背管式，钢管水平穿过坝体沿下游面折入厂房。坝后式的另一种布置为坝内卧管式即进水在上游坝面，水平钢管布置在坝底部，上述坝后式的两种布置中，进水口及钢管穿过坝体部分全部用常规混凝土。,除发电洞外，其他引水如农业灌溉、工业及生活用水，一般流量较小，管道断面不大，埋入垫层常态混凝土内，不致影响坝体碾压混凝土施工，因此不必过多限制。,2.1.3施工导流方式,重力坝的碾压混凝土部位应该相对集中布置，以利于坝体快速施工。施工导流宜采用隧洞或明渠导流，不宜采用梳齿导流，因为碾压混凝土被溢流冷却易产生裂缝。如果必须仓面溢流过水，仓面应加保护层防止裂缝。施工导流隧洞对狭窄河谷中碾压混凝土坝来说是比较好的方案，如坑
8、口、龙门滩、水东、江垭、汾河二库、大朝山、棉花滩等工程。为了截流方便，采用的断面多为城门洞形，在低水头下，过流量较大。在河谷宽阔坝址或是明渠导流、分期建筑或主体工程下底孔导流，也可以满足碾压混凝土的施工要求，如铜街子、水口、大广坝、岩滩、观音阁等工程都是采用分期施工方案。为了节约临时工程费用，减少导流工程量，在导流标准较低的情况下，如普定、岩滩、大朝山、江垭、汾河二库、沙牌等许多工程采用了碾压混凝土围堰或允许过水的土石围堰，在非常洪水来到前可以短期内把施工设备撤离基坑，允许在施工中的主体工程强迫过水，汛后继续施工。,由于碾压混凝土坝施工迅速，一般百米以下坝高的工程在一个枯水期内即可建成，因此设
9、计的导流期洪水只需考虑枯水期的施工洪水，这就较大地降低了围堰和导流建筑物的费用。又因碾压混凝土具有混凝土材料的耐冲刷性，即使围堰漫顶过水，也不会造成大的损害，这比土石坝有极大的优越性。因此导流洪水的设计标准也与常规混凝土坝一样，低于土石坝的标准。,碾压混凝土坝的导流方式与常规混凝土坝相似，可以是多种多样的。一但是采用较多的是全河道围堰截流，隧洞导流方案。这种方式过去多用于土石坝或河谷狭窄的拱坝工程，但由于其对坝体碾压混凝土施工干扰小，施工速度快，故应用较多。如日本的岛地川、玉川、我国的坑口，以及美国的大部分碾压混凝土坝均采用这种方式导流。对于坝址处河道弯曲，河谷狭窄的工程，这种导流方式尤为可取
10、。,在开阔的河床处修建碾压混凝土坝，有时不得不采取分期围堰导流。这类工程多设有横缝，不能修建成整体坝，一般取部分坝块分段围堰，明渠导流，如观音阁坝。对于坝址上游集流面积不大，导流流量较小的碾压混凝土坝工程，也不排斥底孔导流，但导流底孔宜设在底部常态混凝土内。如澳大利亚的柯普菲尔德坝，方形导流底孔面积为18m18m，由于面积小，所占常态混凝土部位不大，封堵也较容易。,2.1.4重力坝的选定条件,目前碾压混凝土筑坝技术已经经过许多工程的实践检验，我国的碾压混凝土坝已成为主要的坝型之一。采用碾压混凝土筑坝，既有混凝土坝所具有的安全和维修方便等优点，又兼有一般土石坝材料成本低和施工速度快的特点。碾压混
11、凝土坝的底宽，小于同等高度土石坝的底宽。与土石坝相比，碾压混凝土重力坝的体积远小于土石坝的体积，坝基的范围小，输水道短，施工导流相对简化，施工的风险也减少。碾压混凝土与常态混凝土相比，两种材料的最终密度没有差别，其他物理力学特性也相近，但碾压混凝土较常态混凝土材料成本低。碾压混凝土坝由于水泥用量少、施工工艺简单、施工效率高而进度快、能缩短工期提前拦洪和投产、及早发挥工程效益，相对于常态混凝土坝而言，在不同的工序都有一定的投资节约。根据我国已建碾压混凝土坝工程造价和工期的分析，在大坝施工中，碾压混凝土每立方米造价较常态混凝土低1535，一般工程都可以提前一年工期建成。,从总体上分析，碾压混凝土材
12、料的性能可满足高坝建设的要求。碾压混凝土重力坝的设计，要保证坝体稳定，满足强度、抗渗性和耐久性要求；明确温控要求，设置温度收缩缝，防止坝体裂缝；做好防渗、排水、廊道等构造；做到便于碾压混凝土施工，加快进度，缩短工期，降低造价等。碾压混凝土重力坝的水力设计和结构设计的原理及准则，与常态混凝土重力坝相同。但是在混凝土材料、重力坝枢纽布置和坝体构造设计等方面，要适应碾压混凝土的施工方法。碾压混凝土重力坝采用连续铺筑施工方法，施工速度加快，为此必须简化重力坝的构造，做好与相邻用常态混凝土浇筑方法建成的建筑物的连接设计。碾压混凝土重力坝的成功兴建，给混凝土重力坝带来了新生命，使人们进一步发现重力坝设计计
13、算方法的价值。我国的碾压混凝土坝层间接缝胶结一般较好，抗剪强度和弹模与碾压混凝土本身相近，但目前由于碾压混凝土层面的抗剪强度和沿层面方向渗透系数的离散性较大，对于重力坝坝体的最不利层面需进行抗滑稳定计算。,一般来说，可修建常态混凝土重力坝的坝址，也可以修建碾压混凝土重力坝。条件合适时，与其他坝型比较，往往具有更强的竞争力。但对于一个具体工程，是否修建碾压混凝土重力坝最合理则需进行综合比较。碾压混凝土重力坝对坝基地质条件的要求以及坝基的处理，与常态混凝土重力坝大体相同。碾压混凝土重力坝往往施工仓面较大，尤其是修建高碾压混凝土重力坝时，要求开挖后的坝基比较平整，避免可能出现的不均匀沉陷。,（1）坝
14、址选择,根据碾压混凝土重力坝的特点，坝址选择在弯曲的河段便于另开施工导流洞和发电引水洞，简化坝体结构，利于碾压混凝土的施工，例如日本的岛地川坝及我国的坑口坝、龙门滩坝。当河床开阔，采用分期围堰、分期导流时，河段是否弯曲就成了次要条件。我国的观音阁坝，坝顶长1040m，岩滩坝的坝顶长525m，均采用分期导流的方式施工。有些工程特别重视简化坝体结构，虽然河床较开阔，仍另开导流洞。如日本的玉川坝，坝顶长441.5m，另开一条400m长的导流洞。对于坝址处河谷较狭窄的工程，也可以选定碾压混凝土坝，这种地形有时利于修建整体式碾压混凝土坝。,（2）水文气象条件,水文气象条件将影响碾压混凝土坝的施工导流方式
15、、温度控制、坝体结构型式及施工期的确定。通常大、中型工程混凝土重力坝，施工期总是跨年度的，施工导流需考虑全年洪水。我国的河流通常丰枯水期的分界较明显，丰水期的洪峰流量大，是控制施工导流规模的主要因素。碾压混凝土的施工速度快，有些中型工程有条件在半年左右时间内完成，可与水文气象条件相适应。在北方严寒地区，冬季气温极低且昼夜温差大，不利于混凝土施工，因此混凝土施工起始期多安排在春末夏初。如日本北海道的美利河坝5月份才开始浇筑混凝土；我国位于辽宁省的观音阁碾压混凝土坝(最低气温-37.9)和位于吉林省的临江碾压混凝土坝(最低气温-35.1 均计划冬季停止碾压混凝土铺筑。我国南方地区气温较高，在高气温
16、季节进行碾压混凝土坝的施工，需要有专门的施工措施和相应的温度控制措施，同时对坝体分缝也将产生影响。因此在选定碾压混凝土坝时，需考虑不同地区的水文气象条件所带来的一系列影响。,（3）材料,目前我国的碾压混凝土材料，都掺有高比例的粉煤灰或火山灰，选择碾压混凝土坝方案，掺合料的来源将是一个制约因素。目前粉煤灰的价格不计包装费，影响价格的关键是到施工场地的运距。如需汽车运输，一般运距在200km以内是可取的。运距200400km，从简便施工出发，掺用粉煤灰也有一定价值，运距过远通常不适宜掺用粉煤灰。考虑使用石粉（陈改新）。2010年7月水泥500元/吨，2009年300元/吨。粉煤灰70-100元/吨
17、，散装二级粉煤灰价格：130元/吨，袋装二级粉煤灰价格：180元/吨。国内大量试验及工程实践证明，人工砂碾压混凝土和易性较好，可减少粉煤灰掺量。坑口坝和龙门滩坝，采用人工砂与天然砂相比，两工程每立方米混凝土分别可少掺粉煤灰40kg和33kg以上。两工程的人工砂用小型锤击式制砂机制备，未经水洗，砂中粒径小于0.15mm的微粒含量一般为8-12(天然砂微粒含量仅1左右)。用大型棒磨式制砂机生产的人工砂，经过水洗后，微粒含量相对减少，但与天然砂相比还是有利的。部分试验表明，每立方米混凝土仍可少掺粉煤灰20kg左右。因此，在有条件的地方，采用人工砂可提高碾压混凝土坝型的竞争力。,（4）交通条件,碾压混
18、凝土坝的铺筑速度快，往往需要将大量设备和材料在短期内运至工地，因此对外的交通条件好坏和原材料的供应，对坝型选定将产生直接影响。场内交通条件与碾压混凝土的上坝方式密切有关，如坑口坝、龙门滩坝、上坂坝等工程采用汽车直接上坝入仓，就必须具备开挖多层上坝公路的条件。碾压混凝土的入仓方式除汽车直接入仓外，对两岸陡峻的地形可以考虑固定缆机与汽车配合的方式，碾压混凝土罐运至缆机下，再由缆机运至坝区卸入集料斗，自卸汽车接料后运至各浇筑点；也可以采用负压溜槽和深槽式高速皮带机联合运输的方式。我国江垭碾压混凝土坝，两岸山势陡峻、场地狭窄，采用负压溜槽和深槽式高速皮带联合运输方式，完成坝体中、上部混凝土高速度、大规
19、模的运输要求。混凝土从拌和楼出机口输送到坝面自卸汽车的时间正常为35min。美国上静水坝采用皮带机将混凝土送至大坝，然后用自卸汽车运至浇筑点。其他如门机、履带式吊车等设备，也都可因地制宜采用。,（5）施工,碾压混凝土坝的施工上升速度，主要受混凝土拌和能力与砂石料制备的制约。高强度的浇筑速度需配套大容量拌和设备，因此一般大型工程均有较大的混凝土拌和能力，如日本玉川坝装有两座33m3拌和楼，日浇筑混凝土量达5800m3。美国上静水坝拌和设备总容量24m3，日浇筑混凝土量38007600m3。我国江垭碾压混凝土坝日浇筑量达到7190m3。大容量拌和设备固然可以提高浇筑能力，但同时设备运输及安装周期也
20、会相应较长，费用也会较多。具体的工程是否有合适的施工单位和相应的机械装备，也是选定碾压混凝土坝方案需要考虑的因素之一。短时间内浇筑大量碾压混凝土，需要的砂石料和水泥等材料的贮备场所面积往往较常态混凝土坝方案大得多，否则势必增加碎石系统的容量和运输车辆的吨位，使碾压混凝土单价提高，不利于碾压混凝土坝型的选定。,（6）经济指标比较,在技术可行和安全可靠的前提条件下，一种坝型的优劣最终必须由经济指标体现，如投资回收年限、投资收益率等。此外施工工期的长短也是重要的因素，尤其是对巨型水电站而言。坑口坝因提前半年建成，可多蓄水1300万m3，在枯水期可多发电330万kWh，节省电费148.5万元。此外，由
21、于提前发电，建设单位可节约数十万元管理费；由于坑口水库较快建成，改变了下游梯级电站的效益，促使均溪四级、均溪六级两座电站提前开工，效益更为可观。又如我国的岩滩大坝，在28个坝块中有10个坝块采用碾压混凝土，大坝混凝土共322万m3，其中碾压混凝土约32万m3。改变方案可节省投资700多万元，就总投资16.32亿元而言，节省的比例很小，但因此将溢流坝段的施工期提前8个月，使第一台30.25万kW的机组，初期由低水位运行提高到正常水位运行，社会效益十分可观。,国外的工程建设经验也表明，在条件适宜时，碾压混凝土坝的经济性是很明显的。美国的查尔斯陆奇根据已建成的柳溪(Willow Creek)坝、帕姆
22、(Pamo)坝及其他一些工程资料进行了分析比较，认为碾压混凝土与常态混凝土造价相比有明显的优势(见图6.1-1)。碾压混凝土坝与土石坝相比，坝高50m以上单位坝段体积也具有明显的优势(见图6.1-2)。坝高52m的柳溪坝，堆石坝招标价2700万美元，碾压混凝土坝招标价1400万美元，后者工期仅为前者的1/3。又如阿根廷乌鲁瓜依水电站大坝(装机12万kW)坝高78m，土石坝招标价1.8亿美元，碾压混凝土坝(63.8万m3)招标价仅1.48亿美元，可节省投资3200万美元，后者工期仅69个月，国外建设者也十分重视工期提前这一因素。,2.1.5实例：,龙滩水电站枢纽由碾压混凝土重力坝、泄洪建筑物、通
23、航建筑物和引水发电系统组成，水电站分二期建设，初期建设正常蓄水位375.00m，装机4200MW，后期装机水位提高至400.00m，装机5400MW；通航建筑物按级航道，过船吨位500t设计。枢纽布置中，溢洪道设在河床中部以利于泄洪消能和水流归槽；通航建筑物布置在右岸，采用两级垂直提升式升船机，使上下游航道连接顺畅；根据龙滩坝址左岸山体雄厚、岩体完整性好，右岸山体相对单薄以及左岸蠕变体A区的处理要求等条件，布置左岸地下厂房。,该方案河床坝段布置7孔表孔溢洪道。表孔孔口宽15.00m，坝段宽20m，坝轴线垂直河流布置，堰顶高程初期为355.00m，后期提高至380.00m，孔口中心处设坝段分缝。
24、坝顶高程初期382.00m，后期加高至406.5m。最高坝段坝基面高程190.00m。最大坝高初期为192.00m，后期为216.50m。泄洪全部由表孔溢洪道承担，最大泻量：初期28190m3/s，后期27134m3/s。下游消能采用挑流型式为使挑流冲坑分散，采用高低挑坎大差动式挑流消能，高坎鼻坎高程275.00m，挑射角15，低坎鼻坎高程257.00m，挑射角30。,在表孔溢洪道两侧对称布置2个放空底孔，主要为水库放空设置，并可用于大坝后期施工导流，底孔与表孔溢洪道的边孔共为一个坝段，坝段宽30m，底孔底槛高程290.00m进口为喇叭口形，出口控制断面5m8m(宽高)，为适应碾压混凝土施工，
25、底孔采用有压流形式，孔身水平布置，孔口上游设平面事故检修门，下游出口设弧形工作门，孔身采用钢板衬砌，底孔运行按水库水位低于表孔堰坝高程、水库放空时使用。底孔下游消能也采用挑流型式，挑流鼻坎高程29l.56m，挑射角15。,溢流坝段的右侧为挡水坝段。坝段宽22.00m。初期坝顶宽14.00m，下游坝坡1:0.7，后期坝顶宽18.00m，下游坝坡1：0.73。上游坝面在高程270.00m以上为直立坡，以下为1:0.25的斜坡。,右岸布置通航建筑物，采用二级垂直提升式升船机。第一级升船机上闸首与大坝结合，两个通航坝段对称布置在航道中心线两侧，中心线处设坝段分缝，闸槽跨缝布置，宽12.00m，底槛高程
26、初期为332.00m，后期为337.00m。通航坝段因双向受水压作用，单个坝段宽需要44m。通航坝段的右侧接岸边拦水坝段，坝轴线向上游折转30角与坝头山体连接。,左岸布置装机9台、总装机容量5400MW的引水发电系统。电站进水口为坝式进水口，发电厂房布置在左岸下游山体内，采用全地下式厂房，进水口坝段宽25.00m，共9个，坝轴线向上游转27角，以满足电站进水口布置要求减少进水口坝段切入山体的深度。进水口坝段与左岸电梯井坝段之间由一个三角形挡水坝段连接。,各类坝段坝轴线总长初期为746.49m，后期加高后为83l.99m。其中溢流坝段及底孔坝段占180.00m，发电进水口坝段占225.00m，通
27、航坝段占88.00m，其余为挡水坝段。,2-2 坝体剖面设计（坝体构造）,包括坝体断面选择，材料分区，廊道和排水等。,2.2.1稳定分析,对于按常规设置横缝的碾压混凝土坝，其稳定分析可按平面问题处理。应用抗剪断公式计算稳定安全系数K，要求在基本及特殊荷载组合时，分别满足混凝土重力坝规范中所规定达到的安全系数值。正常情况下，K3.0，校核洪水情况K 2.5，地震情况K2.3。,由于不少碾压混凝土坝是不设置横缝的整体式坝，则应计算整体坝的抗滑稳定安全系数。可根据基本数据的差异，将坝体分块，然后累加计算。式中f,c第i坝块混凝土与坝基的抗剪断摩擦系数和凝聚力；W,P作用在第i坝块上的荷载对滑动平面的
28、法向分力和切向分力；A第i坝块的坝基面面积。按整体坝进行稳定计算，因为可以以丰补欠，故其抗滑安全度有较大的提高。以坑口坝为例，按断面计算的基本荷载及特殊荷载的抗剪断稳定安全系数K分别为3.98和3.97；而按整体计算时，分别可达到6.6和6.3。,常规混凝土重力坝因层间施工缝处理较好，故坝体失稳均由基岩面滑动或基岩受剪破坏所致，不会发生坝体混凝土被剪断。而碾压混凝土坝则突出地存在坝体层间结合问题，因此必需校核坝体层间滑动的安全性。层间抗剪断强度的值应由现场试验确定。坑口坝现场试验得f1.01.12，c0.991.17MPa；岩滩碾压混凝土层间抗剪断f=1.081.35，c0.591.22MPa
29、。,2.2.2应力计算,按平面情况计算碾压混凝土重力坝的应力，应满足混凝土重力坝规范的规定。即用材料力学方法计算，在不计入扬压力时，上游面最小主压应力应大于0.25 h；坝体最大主压应力应不大于混凝土容许压应力。整体式碾压混凝土重力坝，则应进行整体应力分析，可以用三维有限元计算，或用水平梁和垂直梁分载计算，但计算工作量较大。故对于中小型工程，可参照拱坝的拱冠梁法做计算。为减少计算工作量，也可按平面问题计算应力。由上可见，碾压混凝土重力坝剖面与常规混凝土坝基本相同，上游一般用垂直或接近垂直的边坡，下游边坡为1:(0.60.85)。表2-3为国内外已建碾压混凝重力坝的剖面尺寸。图2-7、图2-8分
30、别为坑口碾压混凝土坝的平面布置和剖面图。,2.2.3坝体分缝,碾压混凝土重力坝不需设纵缝，这已得到公认。坝高100m、底宽80多m的玉川坝，也未设置纵缝。是否设置横缝则尚无定论。碾压混凝土在热学、力学性质及徐变、干缩等方面与常态混凝土均有差异，因此仍按常规混凝土坝划分横缝显然是不合理的。如美国的麋鹿溪坝，坝顶长786m，设计了9条横缝，最大间距91m。有些外部包有常态混凝土的碾压混凝土坝，或受气温及地形、地质条件限制的坝，其横缝间距应综合分析后决定。为了发挥碾压混凝土大仓面碾压的效果，横缝必需用切缝机施工，振动切缝后的缝隙用硬塑料板或镀锌铁板填入。,碾压混凝土重力坝通常不宜设纵缝，但必须分横缝
31、。初期几座碾压混凝土重力坝因处于气候温和地区，而且坝轴线长度在130m范围内，如坑口、龙门滩、荣地等坝均未设横缝，建成后运行十余年来未发生贯穿性裂缝。但是随着河谷变宽，坝高的增加，出现横缝不可避免。已建的碾压混凝土坝分横缝基本上有两种方法：一种是按照坝体的功能和施工仓面大小与填筑的速度而分缝，如锦江坝缝分在溢流坝两边，棉花滩大坝初期选择间距3370m，缝分在河谷转变处，后期改为横缝间距20m。另一种则按照一般横缝间距1520m划分，多见于北方兴建的碾压混凝土重力坝，如观音阁、桃林口、白石、阎王鼻子坝以及临江重力坝等。在南方气候较温和地区，有些工程将横缝间距放宽到4060m，如岩滩、水口坝和大朝
32、山坝等。根据工程实践和碾压混凝土重力坝坝体温控防裂措施的研究结果，碾压混凝土重力坝的横缝间距以20m左右为宜。,龙滩碾压混凝土重力坝的坝段分缝间距，主要由坝段温控防裂要求和大坝结构布置要求确定。根据大坝温度徐变应力仿真分析成果，大坝横缝间距不宜大于25.00m。根据大坝结构布置情况，溢流坝段孔口宽15.00m，考虑闸墩厚5.00m，则横缝间距为20.00m，孔口跨横缝布置；进水口坝段横缝间距25.00m，进水口边壁厚度8.50m(约为1倍孔口宽度)；底孔坝段需要将底孔尽量靠近河床布置，因此，底孔与溢洪道侧边的半孔布置在一个坝段内，坝段宽度需要30.00m，最小孔壁厚度为9.50m(约2倍孔口宽
33、度)；通航坝段因双向受水压作用，其宽度取决于坝段的稳定和应力条件，根据应力计算需要坝段宽44.00m；挡水坝段横缝间距一般为22.00m，两岸接头和坝轴线折转处坝段横缝按布置需要确定。由于底孔坝段及通航坝段宽度已超过控制宽度，结构体形也比较复杂，已经专门研究它们的温控防裂措施。我国碾压混凝土重力坝采用横缝的情况见表6.2.1。,在上、下游面采用常态混凝土时，分缝与碾压混凝土不同步，其分缝间距常为碾压混凝土的l/2左右，为此有并缝问题。碗窑重力坝采取排水孔并缝(如图6.2-3所示)，锦江重力坝采用20mm钢筋、间距30cm并缝，以限制裂缝扩展。应该说，这也是上、下游面用常态混凝土的一个问题。,碾
34、压混凝土坝横缝正规缝的构造与常态混凝土坝相似。通常在靠近迎水面的缝内设置两道止水，两道止水间设一沥青井。第一道止水用铜片，止水至上游缝内贴沥青油毛毡；第二道止水采用铜片或合成橡胶止水片。两道止水间的沥青井宜采用正方形或圆形，边长或内径可为1520cm。一些工程如天生桥二级、石漫滩重力坝设诱导缝，采用如邮票孔一样的形式(如图6.2-4所示)。诱导孔钻孔在混凝土具有一定强度(约7d龄期)后进行，孔径9cm，孔距1m，每次孔深3m，分缝控制准确，效果良好。还有设槽孔以削弱断面成缝的做法，可根据具体工程结构要求而选用。诱导缝对于重力坝，主要是对可能出现贯穿裂缝的部位有所控制，不致沿裂缝集中渗漏、无法控
35、制，只能灌浆处理。根据天生桥二级工程大坝和石漫滩重力坝的经验，这种诱导缝在施工过程中就可裂开，因其上游面设有止水片，也就不可能有渗漏的途径。沙牌碾压混凝土坝在诱导缝靠近坝面处增设边缘切口，利用切口的应力集中，使坝面裂缝集中在诱导缝处，这在不增加缝面削弱面积的情况下发挥诱导缝的作用，具有良好的效果。当然诱导缝也可能不张开，对重力坝来说不成为问题。,2.2.4坝内廊道和排水,一、廊道和直井的用途,在重力坝中设置廊道和直井是为了满足下列需要：(1)进行地基帷幕灌浆，构成上游防渗帷幕。如对坝基采用抽排措施，还要设置下游防渗帷幕。在运行期还要对帷幕进行补强灌浆。(2)设置坝基排水孔，包括主排水孔和辅助排
36、水孔。在运行期还要对排水孔进行检修。(3)集中与排除坝体和地基的渗水，还需对坝体排水管进行检修。(4)施工中对坝体进行冷却和接缝灌浆，以及坝体与陡岸坡接触灌浆。(5)运输、安装与运行深式泄水孔闸门和启闭机。(6)设置排水集水井，运输和运行抽水机和电动机。(7)对坝体运行情况进行检查，设置各种观测设备并进行观测。(8)坝内交通、运输。(9)坝内通风。(10)设置各种动力和照明电缆。在重力坝坝体内设置廊道和直井，是为了满足上述施工和运行的需要，但廊道和直井的存在会削弱坝体的强度，而且给施工带来不便。所以在满足运行和施工要求的前提下，应尽可能减少廊道和直井的数目和尺寸，使一个廊道或直井有多种用途。,
37、二、廊道和直井的布置,重力坝必须设置基础灌浆廊道，一般位于坝踵附近离上游坝面约l/151/10倍坝面上的作用水头处，以满足渗径的要求。廊道底到岩基的混凝土厚度约为48m，以承受灌浆压力。基础灌浆廊道一般同时用来设置主排水孔幕。廊道底板纵向坡度应平顺，以便钻机移动。在两岸岸坡坝段，基础灌浆廊道的纵向坡度，一般近似地并行于开挖后的坝基面，但应缓于45，最陡不得超过60并设置扶手。坡度较陡的长廊道，应分段设置平台，平台间高差一般为15m，以便行人休息。当岸坡坝基纵向坡度陡于4560时，则做直井，直井间设平台，平台间高差一般为15m，帷幕灌浆和排水孔幕在直井内进行作业；也可在岸坡岩体内开挖帷幕灌浆隧洞
38、，应与基础灌浆廊道或直井连接，使防渗帷幕成为整体。,在基础灌浆廊道的最低部位设置集水井，如坝体很长，可加设集水井，以收集从岩基和坝体排出的渗水。集水井的尺寸视估计的渗流量而定，一般宽4m、长4m、深4m。集水井上设抽水机室，最少要有两台抽水机，互为备用，并需有备用电源；集水由抽水机抽排，经排水管至下游坝外。如基础灌浆廊道高于下游最高水位，则渗水可通过水管或横向廊道自流排到下游坝外。在岸坡坝段，渗水可从基础灌浆廊道分几个高程，经水管或横向廊道自流排到下游坝外。,高、中坝如对坝基采用抽排措施时，需设置有辅助排水孔。为此，要设置纵向(横河向)基础排水廊道，并用横向基础排水廊道与靠近上游坝面的基础灌浆
39、廊道相连。当岸坡较陡时，为了钻辅助排水孔，有时需设置排水直井。这些基础排水廊道的底高程，最好能使排出的渗水自流排到基础灌浆廊道的集水井内，以便工作人员可进入基础排水廊道检修排水孔。如这些廊道紧靠基岩面，则廊道底也应铺筑混凝土板，以便工作人员在其内工作。但由于这些廊道低于基础灌浆廊道，所以平时这些排水廊道是充水的，在检修辅助排水孔时，必须先用临时安装的抽水机把排水廊道抽干，运用较为不便。,重力坝坝体内所设纵向检查和排水廊道，同时可用作观测廊道。纵向廊道每隔1530m高差设置一层，并应与坝体接缝灌浆分区相适应。对设引张线的廊道，宜在同一高程上呈直线布置。廊道离上游坝面的距离约为l/151/10倍坝
40、面上的作用水头，最小不少于3 m，防止开裂贯通。,在坝顶附近须设纵向观测廊道，以量测坝顶位移和沉降等。在寒冷地区，观测廊道离坝顶应保持足够的距离，以免顶部混凝土冻裂。坝内其他廊道也都可兼作观测用。在高坝内常设2-3个悬锤以观测坝体各高程的位移，为此要设置直井，从坝顶观测廊道直到岩基设置直井，一般应紧靠检查和排水纵向廊道的下游侧，以便观测。为此，各高程的纵向廊道最好布置在一个纵向竖直面上。但纵向检查和排水廊道离上游坝面的距离一般为1/151/10倍坝面上的作用水头，故应适当调整位置，使它们处在一个近乎竖直的纵向面上。如相差太远，不易调整到满足上述要求时，则应设短横向廊道通到悬锤直井。,如纵向廊道
41、与泄水孔或导流底孔在不同高程上相交叉时，上下相距不宜太近，以防止混凝土开裂贯通。坝内如有泄水孔闸门启闭机室时，要有纵向廊道通至闸门启闭机室作为交通运输及通风通道。闸门启闭机室的尺寸视启闭机尺寸和闸门开启的空间要求而定。,坝体内的各层纵向廊道，都要有靠近岸坡的横向廊道作为交通廊道通至坝下游岸坡，与岸坡上的人行道相连接。一条纵向廊道至少有两个对外横向交通廊道。在下游最高水位以下的纵向廊道和基础灌浆廊道，不设横向交通廊道，而用直井或倾斜纵向廊道与其上的纵向廊道相通；如设横向交通廊道，则进出口处应设挡水门。,对于坝体内的各层纵向廊道，应在两岸岸坡坝段内设直井或倾斜廊道互相连通，并设有连接平台。如纵向廊
42、道较长，应沿纵向每隔200-300m，在上、下层廊道间设交通和运输廊道一般可用直井，必要时也可设倾斜廊道，有平台与纵向廊道相连。在直井中可设转梯；为便于运输也可设爬梯。,廊道内应有适宜的通风条件，一般可利用横向交通廊道通风。如坝很长，也可加设横向通风廊道。横向廊道进出口均应设格栅门，既可通风，又保安全。,对于大、中型工程的高坝，在坝体内应设置12座电梯，以利交通和运输，为此要设电梯直井。电梯直井在各层纵向廊道高程处设有短横向廊道，与纵向检查和排水廊道相连接。,碾压混凝土重力坝，根据其自身的特点，可以适当减少一些坝内廊道布置层次。实践证明，低坝设1层灌浆、排水廊道就可以满足要求；坝内观测仪器的集
43、线箱可集中到坝外观测房内进行。高、中坝可设23层廊道，综合满足灌浆、排水、交通的需要，特高坝还可多设。基础灌浆排水廊道宜设在基础常态混凝土内。坝体排水、检查、观测及交通廊道等尽可能合并，在全碾压混凝土坝的廊道周围可采用变态混凝土。廊道两壁和顶盖可用预制混凝土模板。,三、廊道和直井的形状和尺寸,为便于施工和廊道交叉接头，廊道断面宜做成矩形，尤其是碾压混凝土坝，对于快速施工更为有利。传统的廊道断面形式是半圆拱顶，下部为长方形，应力条件较好。实际上，如采用平顶，由坝体自重和上游水压力所产生的应力荷载，可由廊道顶部混凝土内的虚拟拱承受，虚拟拱以下的顶部混凝土会产生微裂缝，可设置钢筋以分散和限制裂缝。,
44、基础灌浆廊道一般宽度为2.53.0m，高3.0-4.0m。基础排水廊道一般宽1.52.5m，高2.23.5m基础灌浆直井的断面也宜做成矩形，尺寸与基础灌浆廊道相同。基础排水直井断面尺寸与基础排水廊道相同。交通、检查等直井一般做成圆形，直径为1.25m。电梯直井可做成矩形或圆形。,四、廊道和直井周围应力的计算,廊道和直井的尺寸很小，对重力坝的整体应力分布影响不大，但在廊道和直井周围的混凝土内将产生局部应力。由坝体自重和上游水压力所产生的廊道周围应力可由混凝土内的虚拟拱承受。廊道顶板、底板和侧壁有局部拉应力，可能会产生微裂缝，但一般问题不大。如要求较精确的应力值，可用有限元法计算。但如上所述，这些
45、荷载可由虚拟拱来承受，所产生的应力并不是主要的，主要的是温度应力。,廊道周围的温度应力是由两种原因产生的。一是施工期的温度应力。廊道底部和两壁的混凝土先浇筑，而廊道顶部混凝土后浇筑，由于这两部分混凝土的温升、散热和弹模增长有时间差，因此顶部混凝土的收缩将受到两壁混凝土的约束而产生温度拉应力。二是廊道内温度的年变化引起廊道周围的内外温差。廊道顶面在两种温度拉应力组合的情况下，将可能产生裂缝。而两侧和底板面的温度应力主要是后一种温度应力，故不致产生裂缝。,从这样的定性分析可见，廊道顶板应设置温度钢筋，两侧壁和底板可不设置温度钢筋。顶板温度钢筋应根据温度拉应力的分布配置。温度拉应力可用地基约束和内外
46、温差的温度应力计算方法进行分析。温度钢筋一般采用一排25200mm，或两排 22250mm。由上可见，廊道顶部混凝土浇筑与两壁和底部混凝土浇筑的间隔时间不应过长，以免增加对顶板的约束。如间歇时间较长，要加强顶部混凝土的温度控制，并增加温度钢筋。,直井的温度应力主要是由内外温差引起，一般布置18250mm的温度钢筋。抽水机室、闸门启闭机室、电梯直井等构筑物尺寸较大，应采用有限元法计算周围应力，配置钢筋也是以温度钢筋为主。廊道和直井周围的应力计算较为复杂，在设计中宜做专题研究。,五、廊道构造,矩形廊道顶部应设温度钢筋，两端要伸人两壁。传统的拱顶平底形廊道顶部钢筋较多，也应伸入两壁，侧墙和底板也设置
47、钢筋。钢筋布置如图6.2-2所示。实践表明，设置温度钢筋后矩形廊道顶板一般无裂缝产生，而拱顶廊道一般也不产生裂缝，但是如果温度钢筋配的不够，将会出现裂缝。碾压混凝土重力坝的廊道结构以混凝土预制件拼装较为有利，构件内配筋由计算确定。岸坡廊道采用斜井式或竖井式，应根据河谷地形条件确定。河谷较窄、岸坡很陡，用竖井连接水平廊道是合适的。,基础灌浆廊道和纵向检查、排水廊道要在上游侧底部设排水沟。排水沟断面常用30cm30cm，底坡坡度3。排水孔幕排出的水要用钢管通至上游排水沟，不宜用明沟排水。廊道四周的壁面应做得平整，底板上没有横沟，便于运行工作。此点常被忽视，认为不影响大坝安全，无关紧要，这是不妥的。
48、纵向廊道在穿过重力坝横缝处，其周围混凝土内应设一道铜片止水。横向廊道穿过重力坝纵缝，周围也应设一道橡胶(PVC)止水。这些止水可兼作止浆片用。,六、坝体排水幕,为了保证碾压混凝土坝体内的扬压力和碾压混凝土的耐久性，坝体内的排水幕十分重要。排水幕由按照一定间距布置的排水孔(管)构成。坝体内的廊道如前所述最好尽可能减少，但是从实际需要出发也不能不设。如江垭碾压混凝土重力坝布置了3排，大朝山重力坝布置了2排，龙滩重力坝设立了5排。排水孔(管)的位置设在纵向排水廊道的上游侧，靠近廊道壁，离上游坝面的距离约为l/15l/20倍坝面上的作用水头，最小距离为3.0m，排水孔沿坝轴线方向的间距一般为23m，内
49、径可为1025cm,，上、下层检查和排水廊道之间的排水孔应布置成竖直或接近竖直的方向，中间不能转弯，以便检查和清理。最上一层排水孔顶端通至坝顶附近的观测廊道。排水孔排出的渗漏水应流人下一层纵向廊道的排水沟内。下层排水孔的顶端进口在排水沟底以上。排水孔的清理工作应定期进行，以防堵塞。,碾压混凝土坝坝内设置排水孔(管)，过去曾研究过多种施工方案，如塑料管包砂，预制无砂混凝土管等，都由于碾压混凝土施工过程中容易错位、漏浆或压碎而失效，因此目前仍以结合检查孔取芯钻孔、形成排水通道比较可靠。涌溪三级电站碾压混凝土坝，坝内排水孔采用预埋长度6070cm的钢管，在每层混凝土碾压完成后，将埋管上拔30cm，进
50、行上一层混凝土的摊铺和碾压，逐层施工较为方便，且效果较好。,碾压混凝土的坝内排水廊道，以在二级配富浆碾压混凝土防渗层之后较佳。在高重力坝下最低一层廊道，常布置在基础上的垫层常态混凝土内，因为常态混凝土薄层铺设，受基础约束，容易出现裂缝，而若设一些排水廊道恰好结合分缝并缝，满足施工要求，如龙滩重力坝就是按这种方法布置的，建成的石板水碾压混凝土重力坝在底部设立2m2.5m廊道进行排水。,关于进一步减少扬压力增大坝体稳定性的问题，在下游水位过高情况下，采用抽排降低扬压力是可行的。,2.2.5重力坝的断面选择、坝面处理和坝体混凝土分区,1碾压混凝土重力坝的断面选择,常态混凝土重力坝，其断面取决于水压、
