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水利知识了解
来源:水利系统资料 | 作者:水利监测人张工 13990298835 | 发布时间: 2023-12-23 | 1020 次浏览 | 分享到:
坝的类型很多，一般主要按筑坝材料、结构性质、施工方法、防渗体形式进行划分，但也有按工作状况和使用目的划分的。此外，还可以由两种或多种坝构成混合坝型。
按建筑材料分类： 可分为土坝、混凝土坝、砌石坝、橡胶坝、钢坝、木坝和土石混合坝等类型。筑坝材料以土石料为主的坝称为土石坝，又分为均质坝、心墙坝、斜墙坝、面板坝等；筑坝材料以混凝土为主的坝称为混凝土坝，可分为混凝土重力坝、混凝土拱坝、混凝土连拱坝、混凝土重力拱坝、混凝土双曲拱坝、混凝土宽缝重力坝等；筑坝材料以石料为主的坝称为浆砌石坝， 分为浆砌石重力坝、浆砌石重力拱坝等。江西省土坝约占95％以上。
按坝顶水流条件分为溢流坝、非溢流坝。土坝按筑坝方法分为水力冲填坝、水中倒土坝、碾压式土坝等等。
按坝的位置又可分为主坝、副坝 。位于主河床上的挡水坝称为主坝；由于水库库区的地形条件复杂，在库岸低凹部分或天然垭口处为阻止库水流失而修建的挡水坝称副坝。
按使用目的分为：为灌溉、发电、航运等蓄水、取水、拦沙及利用水库淤造地、存储尾矿或粉煤灰而修建的坝。随着科学技术的进步，水库挡水坝的建筑材料，结构形式，施工工艺不断发展和更新，坝的类型越来越多。

1、坝的类型 　
坝的类型很多，一般主要按筑坝材料、结构性质、施工方法、防渗体形式进行划分，但也有按工作状况和使用目的划分的。此外，还可以由两种或多种坝构成混合坝型。
按建筑材料分类： 可分为土坝、混凝土坝、砌石坝、橡胶坝、钢坝、木坝和土石混合坝等类型。筑坝材料以土石料为主的坝称为土石坝，又分为均质坝、心墙坝、斜墙坝、面板坝等；筑坝材料以混凝土为主的坝称为混凝土坝，可分为混凝土重力坝、混凝土拱坝、混凝土连拱坝、混凝土重力拱坝、混凝土双曲拱坝、混凝土宽缝重力坝等；筑坝材料以石料为主的坝称为浆砌石坝， 分为浆砌石重力坝、浆砌石重力拱坝等。江西省土坝约占95％以上。  
按坝顶水流条件分为溢流坝、非溢流坝。土坝按筑坝方法分为水力冲填坝、水中倒土坝、碾压式土坝等等。 
按坝的位置又可分为主坝、副坝 。位于主河床上的挡水坝称为主坝；由于水库库区的地形条件复杂，在库岸低凹部分或天然垭口处为阻止库水流失而修建的挡水坝称副坝。 
按使用目的分为：为灌溉、发电、航运等蓄水、取水、拦沙及利用水库淤造地、存储尾矿或粉煤灰而修建的坝。随着科学技术的进步，水库挡水坝的建筑材料，结构形式，施工工艺不断发展和更新，坝的类型越来越多。
2、土石坝的基础知识
1）土石坝的特点
土石坝又称“当地材料坝”，主要由坝址附近的土石料填筑而成，根据坝体所用材料不同又可分为土坝和堆石坝。坝体材料以当土料和砂、砂砾、卵砾为主的称土坝，以石渣、卵石、爆破石料为主的称堆石坝。目前世界上两座最高的坝均为土石坝，一座为罗贡坝，高325m；另一座为努列克坝，高300m，均在塔吉克共和国内。我省境内最高的土石坝为柘林水库大坝，坝高62m。
土石坝是传统的坝型，历史悠久，使用最为普遍，具有以下特点：
① 筑坝材料就地取材。可节省大量钢材、水泥、木材等建筑材料。
② 适应地基变形能力强。土石坝散粒体结构具有适应地基变形的良好条件，对地基的要求比混凝土坝低。
③ 施工方法选择灵活性大。能适应不同的施工方法，从简单的人工填筑到高度机械化施工都可以；且工序简单、施工速度快，质量也易保证。
④ 结构简单、造价低廉、运行管理方便、工作可靠，便于维修加高。
当然土石坝也有其不足的一面：①坝顶不能溢流，常须另开溢洪道；②施工导流不如混凝土坝方便，因而相应也增加了工程造价；③坝体断面大，土料填筑的质量易受气候影响。这给施工带来困难，甚至延长工期、增加造价。
2）土石坝的工作条件
土石坝是由松散颗粒土石料填筑碾压而成的挡水建筑物。由于土粒间的抗剪强度小，上、下游坝坡如不维持一定的坡度，就可能发生坍塌现象。失稳的形式则是坝坡滑动或坝坡连同地基一起滑动，这是与其他建筑物的不同之处。此外，还有以下一些特性。
①渗流的影响：在上、下游水位的作用下，水流经过坝身及坝基（包括两岸）的结合面和坝体土与混凝土等建筑物的结合面易产生渗漏。渗流在坝体内形成自由水面，浸润线以下的土体全部处于饱和状态，使土的有效重量减轻，并减小土的内摩擦角和粘结力。同时，渗透水流对土体还有动水压力的作用，这些力增加了坝坡滑动的可能性；渗透水流在土壤中运动时，如渗透坡降超过允许渗透坡降，还会引起坝体坝基的渗透变形，严重时会导致大坝的失事。
②冲刷的影响：土石坝抗冲能力较低，雨水一方面侵入坝内降低坝的稳定性，另一方面将沿坝坡面下流而冲刷坝面；库内风浪对坝面也将产生冲击和淘刷作用，使坝面容易受到破坏，甚至滑坡。因此，上、下游坝坡均需采取有效的保护措施。
③沉陷的影响：在坝体自重和水荷载作用下，坝体和地基（土基）都会由于压缩而产生沉陷。过大的不均匀沉陷量还会引起坝体开裂，甚至造成渗水通道而危及大坝安全。
④其它影响：严寒地区冰层的膨胀，对坝坡产生很大冰压力，易导致护坡的破坏。位于水位以上的坝体，在冻融作用下会造成孔穴、裂缝。在夏季，由于含水量的损失，上述土壤也可能干裂引起集中渗流。在地震区筑坝，地震的作用增加了坝坡坍滑的可能性。粉沙地基在强烈振动作用下还容易引起液化破坏。
3）土石坝的安全运行要求
①绝对不允许水流漫顶：由于对洪水估计偏低，坝顶高程不足，溢洪道尺寸偏小，或水库控制运用不当等，都会造成土石坝漫顶溃坝的严重事故。因此，要充分估计水库风浪及坝的沉陷值，预留足够的超高；库区内岸坡的滑坡体在水库内坍滑产生的涌浪对土石坝极为不利；对于可能发生的特殊洪水，也应有应急的泄洪保坝措施。据国外对土石坝失事资料的分析，由于流漫顶而失事的占30%。
②要满足渗流控制要求：渗流量过大，影响水库效益；坝体和坝基产生危害性渗透变形，导致大坝失事。如美国93m高的提堂坝（1975年建成）建成不足一年，由于坝基透水性大，防渗帷幕施工质量不佳而导致溃坝；浸润线过高，也会降低坝的稳定性。
 ③使坝体坝基稳定可靠：土石坝为散粒体结构，局部范围内土体的抗剪强度不足时，土体开始滑动。边坡稳定是坝安全的基本保证。据统计，过去失事的土石坝中1/4是由于滑坡破坏造成的。
④能抵抗其它自然界的破坏作用：库水风浪将淘刷坝坡；雨水冲刷坝体；冬季冰冻膨胀影响产生裂缝；夏季日晒龟裂裂缝；还有白蚁危害等，都应采取防护措施。
4）土石坝的类型
土石坝按施工方法的不同可分为：碾压式土石坝，抛填式堆石坝，定向爆破堆石坝，水中倒土坝和水力冲填坝等。按土料在坝体中的配置和防渗体的位置不同，又可分为以下坝型：
①均质坝：坝体的绝大部分由均一的透水性较弱的粘性土填筑而成；整个坝体起防渗作用，如图1-1-a所示，其优点是材料单一、工序简单；缺点是坝坡较缓，剖面大。特别是中、小型水库采用较多，如海南松涛均质坝，坝高78.7m，由风化土料填筑而成。
 ②土质防渗体分区坝：坝体由土质防渗体及若干透水性不同的土料分区所构成。其中土质防渗体设在坝体中部或稍向上游倾斜的称为心墙坝，如图1-1-b所示，我国高105m的石头河水库大坝即为粘土心墙坝。土质防渗体设在坝体上游面或接近上游面的称为斜墙坝，如图1-1-c、1-1-d所示，北京密云水库白河主坝为66m高的斜墙坝。坝中心向外透水性逐渐增大的土石混合坝和上游为防渗土料、下游为透水料的土石混合坝，如图1-1-e~h。为便于施工，改善坝体应力状态，避免裂缝，也有斜心墙坝如图1-1-i。
 
③非土质防渗体坝：坝的防渗体由沥青混凝土、钢筋混凝土或其他人工材料（如土工膜等）组成，其余部分由土石料筑成。其中防渗体在上游的称为斜墙坝（面板坝），防渗体在坝体中央的称为心墙坝，如图1-1-j~l所示。
5）土石坝的剖面和构造
土石坝的基本尺寸，包括坝坡、坝顶高程、坝顶宽度以及防渗体及排水设备、护坡等，需满足土石坝的工作要求，并达到既安全又经济的目的。
①坝顶：坝顶高程由水库静水位加波浪爬高及安全超高决定，按坝的等级及运用情况按规范计算，并要有足够的预留沉陷值。一般坝体沉降值约为坝高的0.2~0.4%。坝顶宽度与坝的稳定没有直接的关系，主要取决于构造、交通、施工及运行等要求。对于有交通要求的坝顶宽度，应按道路等级遵照交通部门的要求而定，高度30m以下的坝顶最小宽度应不小于3.0m。坝顶设路面，如坝顶有交通要求，则应按道路要求设计，如没有交通要求，则可用单层砌石或砾石护面以防雨水冲蚀。
坝顶上游侧通常设防浪墙，下游侧设栏杆。防浪墙高度通常为1~1.3m，用浆砌石或钢筋混凝土筑成。墙的基础应牢固地埋入坝内，伸入防渗体内。为排除雨水，坝顶路面通常向两侧或一侧做1~3%的斜坡。有防浪墙时坡向下游，并在坝顶下游侧设纵向排水沟，以便汇集雨水，经坡面排水沟排至下游。
②坝坡：土石坝坝坡对坝的稳定和工程有着直接的影响，主要取决于坝型、坝高、坝的等级、坝体及坝基的材料性质、所承受的荷载、施工和运用条件等因素。对碾压式土坝砂、壤土类坝坡，其平均坡度一般在1:2.0~1:4.0左右。在一般情况下土质斜墙坝的上游坡比心墙坝缓，而下游坡则可比心墙坝陡些；砂壤土、壤土的均质坝坝坡比砂或砂砾料的坝坡缓些；粘性土均质坝的坝坡与坝高有一定关系，其高度越大，坝坡越缓。砂或砂砾料坝体的坝坡与坝高的关系很小。一般坝的下游坡每隔10~30m设置一条马道。马道的宽度视其用途而定，但其最小宽度不得小于1.5~2.0m。马道上设置排水沟以汇集雨水防止冲刷，还可用于观测、检修和交通。
土石坝的上、下游坝面一般都要设置护坡。其作用是为防止波浪淘刷、冰层和漂浮物的损害、顺坝水流冲刷等危害；均质坝下游护坡的作用是防止雨水冲刷，风浪、冰层和水流作用，动物、冻胀干裂等对坝坡的破坏。对护坡的要求是坚固耐久，能抵抗各种因素的破坏作用，并保证底层不受淘刷。尽可能就地取材，施工简单，维修方便。
上游护坡的型式有：堆石护坡、砌石护坡、混凝土或钢筋混凝土护坡、沥青混凝土护坡；下游护坡的型式有：砌石、堆石、碎石和草皮护坡等。
护坡覆盖的范围，上游由坝顶护至水库最低水位以下一定距离，一般在最低水位以下2.5m。下游面则由坝顶护至排水棱体，无排水棱体时则护至坝脚。
③坝的防渗体：坝的防渗体必须满足渗透坡降、坝体浸润线及渗流量在允许范围内，还要满足结构和施工的要求。防渗体的材料有土质防渗体，人工材料（沥青混凝土、钢筋混凝土）等。
④坝体排水设施：排水设备是土石坝的一个重要组成部分。主要目的是：①防止渗流逸出处的渗透变形；②降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；③保护坝坡，防止冻胀破坏。坝体排水设备须保证充分的排水能力，能自由地向下游排出全部渗水，同时应按排水反滤原则，保证坝体及地基土不发生渗透破坏。一般有棱体排水、贴坡排水、褥垫排水和综合式排水等，在实际工程中常将几种排水型式组合应用。
棱体排水：在坝脚处用块石堆筑而成，适于下游有水的情况，能降低坝体浸润线、防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚，且有支持坝体增加稳定的作用，是一种可靠的排水型式。其顶部高程应超出下游最高水位，并保证坝体浸润线距坡面的距离大于该地区的冻结深度；顶部宽度不得小于1.0m；棱体排水一般不作道路用，以免排水堵塞。在排水与坝体及坝基之间应设反滤层。
贴坡排水：又称表层排水，排水设在下游坝坡底部，由1~2层堆石或砌石筑成。在石块与坝坡间设反滤层。这种排水结构简单、省料且便于检修，可防止渗透破坏，保护下游坝脚。但不能降低浸润线，且防冻性较差，常用于中小型水库且下游无水的均质坝。其顶部应高于坝体浸润线的逸出点；底脚处必须设置排水沟或排水体，其深度或厚度应使水面结冰后，排水沟（排水体）的下部仍有足够的排水断面。
褥垫排水：将排水体平铺在坝下游的部分地基上，形似褥垫，一般向下游做成0.005~0.01的坡度以利排水，褥垫排水的厚度一般不宜小于30cm。其降低浸润线效果显著，有利于坝基排水。
3、混凝土坝坝型及其工作原理
混凝土坝有三种基本结构型式：重力坝、支墩坝和拱坝。此外，重力坝或支墩坝有时建成混合坝。
重力坝：重力坝是最常用的混凝土坝型，其设计和施工均最简单。以自身重量承受上游水、冰、淤泥压力和坝基扬压力保持稳定的挡水坝称重力坝。重力坝按结构形式又可分为实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝。 重力坝一般为大体积三角形断面，藉助其重量及形状承受水荷载，并将荷载传给地基。在重力坝中，需注意渗压管中扬压力的变化，因为它可导致倾覆或滑动。图1-2所示为重力坝的剖视图。
支墩坝：由支墩承受上游来的推力的坝称支墩坝。支墩坝是重力坝的一种形式，藉其本身的重量及水重维持稳定。支墩坝由二个基本构件组成：不透水的上游坝面和一系列支墩或直立墙。支墩或直立墙，用来支撑上游坝面，并将荷载自坝面传至地基。支墩坝按其结构形式又可分为连拱坝、大头坝、钢筋混凝土平板坝等。 
支墩坝是一种敏感的坝型。面板状况或设计的缺陷可导致瞬时破坏。由于面板底宽较薄，库水头通过此处要削减为零，所以地下渗透也是个需注意的问题。虽然支墩坝的混凝土量较重力坝少，但施工时模板工程要求大量的劳动力。许多支墩坝建于30年代，当时的劳动力费用与材料费用之比相对较低。后来，随着劳动力成本的上涨，支墩坝的建设日趋减少。
拱坝：拱坝是拱向上游的实体混凝土坝，一般薄于重力坝，虽然拱坝藉其自重将小部分库水荷载传给地基，但主要还是通过拱作用将荷载传给峡谷两壁（坝肩）而保持其稳定。由于拱坝较薄，所以混凝土的应力是否超限是大坝安全最为关注的因素。图1-3为拱坝的简图。拱坝按其结构形式又可分为重力式拱坝、拱坝、双曲拱坝等。 
混合坝：混合坝一般由重力坝段或支墩坝段与土坝或堆石坝段相结合组成。混合坝兼有混凝土坝的优点——具有溢洪坝能力（即安全漫顶）和土石坝的优点—采用当地材料，造价低。
砌石坝：砌石坝主要由块石、条石、岩块或混凝土用砂浆砌筑而成。最早发展的砌石坝大多为重力坝，也有少量拱坝。砌石坝的多数缺陷类似于混凝土坝，此外，砌石坝建筑中砂浆的损坏是其问题的主要根源。
砌石坝一般按其用来浆砌的石料或混凝土进行分类。仅有砌石护面的土石坝不能称作砌石坝。由于近年混凝土技术的进步，砌石坝的造价相对较高，所以现已极少修建砌石坝。
1.2.2泄洪建筑物
在江河上修建水库，要求经过水库调节的江河径流与建库取得的各种效益得到最佳适应，同时要求建库投入与建库效益达到最佳比例，为此，任何水库都只能按照一定的标准修建。正因为有标准，水库不可能，也没有必要将江河洪水全部拦蓄，而只能在一定标准的范围内调节洪水，所以，修建水库既要修建拦蓄洪水的挡水建筑物，又要修建宣泄洪水的泄洪建筑物。 
水库的泄洪建筑物是用来宣泄超过水库调蓄能力洪水及泥沙、冰凌等的水工建筑物，保证挡水建筑物---坝的安全及减少和避免库区超标准淹没损失，减少水库淤积的水工建筑物。由于地形地貌条件及水库挡水建筑物的形式，水库泄洪建筑物的形式是多种多样的，主要有坝身泄水道（包括溢流坝、中孔、深孔泄水孔和坝下涵管）和河岸泄水道（包括河岸溢洪道和泄洪隧洞）。混凝土坝一般采用溢流式泄洪，如溢流坝和坝身泄水孔等，此时坝体既是挡水建筑物又是泄水建筑物。土石坝一般不容许从坝身溢流或大量泄洪，往往需要在坝体外岸边或天然垭口处建筑河岸溢洪道或开挖泄洪隧洞。
1、溢洪道
主要形式按位置分有河床式和河岸式两种。河床式溢洪道按照挡水建筑物结构形式又可分为两种：混凝土型重力坝和部分浆砌石溢流坝，可以将部分坝段建成溢流坝段，在溢流坝顶建泄洪闸门（也有不建闸门的），通过坝顶泄洪。其他结构形式挡水建筑物的河床式溢洪道则是将其设置在挡水建筑物的一端与坝相连。
河岸式溢洪道一般在河道一侧马鞍形的山凹部（垭口处），有正槽式、侧槽式、井式和虹吸式等四种形式。一般进口位于水流顺畅处，且与土石坝保持一定距离，避免横流对坝的冲刷。小型水库的溢洪道一般不设闸门，多布置在河岸，且其泄流水面通常都是开敞的，故称为河岸开敞式溢洪道。河岸开敞式溢洪道具有结构简单，水流平顺，容易施工，管理方便和安全可靠的特点。这种溢洪道由引水渠、溢流堰和泄水陡槽等几部分组成，陡槽后一般还设置消力池和尾水渠，以减轻溢流洪水的冲刷作用。
为了确保水库挡水建筑物安全，避免因洪水而发生溃坝，造成巨大灾害，溢洪道又有正常溢洪道与非常溢洪道两种。 
①正常溢洪道：是用来泄放水库设施标准内，保证水库挡水建筑物安全必须泄放的洪水的泄洪建筑物。 
②非常溢洪道：是用来泄放水库在发生超标准特大洪水情况下，保证水库挡水建筑物安全必须泄放的洪水的泄洪建筑物。 
2、泄洪洞 
泄洪洞按其位置可分为建在坝内的泄洪洞和建在挡水建筑物一侧的山体内泄洪洞两种；按其洞内水流状态可分为无压洞和有压洞两种。有的水库泄洪洞兼有排沙功能，用以减轻多沙河流上的水库淤积；有的水库泄洪洞兼有放空水库功能，用以放空库水以利人防和检修。 输水建筑物是指从水库向下游输送灌溉、发电或工业用水的建筑物，如输水洞、引水管、渠道等。取水建筑物是输水建筑物的首部，如进水闸和抽水站等。
1.2.3输水建筑物
水库的输水建筑物亦叫输水道、输水洞，也是水库泄水建筑物的一种，是满足灌溉、发电、供水等需要，从水库中取水的通道，有的输水建筑物还同时具有排沙或放空水库的功能。输水建筑物一般都是水工隧洞，按其位置可分为建在坝体内或在坝端两侧山岩中开凿隧洞两种。输水建筑物都设置闸门以控制放水。
小型水库的放水涵洞是利用库水进行灌溉的重要建筑物，通过它把库内水引入下游灌溉渠道，以保证农田的灌溉，一般都埋在土坝底部，要求建在坚实的土质或石质基础上，以避免折裂。另外，由于其应用频繁，故要求其启闭设备灵活可靠，防止损坏或冻坏。
小型水库放水设施主要由进水口建筑物和出水口建筑物组成。进水口建筑物主要有三种结构型式：
（1）分级卧管式
这种进口形式广泛地应用于小型水库引水灌溉工程中，它是由斜卧在坝前斜坡上。这种形式的进口建筑物结构简的进水卧管、卧管下部的消力井组成，如图1-4。这种形式的进口建筑物结构简单，施工方便，引取水库表层水，对农作物生长有利。但不如闸门控制方便，引水流量不易准确控制；
（2）塔式
塔竖立于输水涵洞的进口处，塔底部设有闸门，塔顶设操纵千台和启闭机，用工作桥与岸相连，如图1-5 。这种形式布置比较紧凑，闸门开启比较方便可靠：缺点是工程造价较高；
（3）斜拉闸门式
这种形式是沿库区山坡或上游坝面斜坡布置，在斜坡上设置闸门轨道，进水口在斜坡底部，启闭机安装在山坡平台上或坝顶，如图1-6。这种布置方式结构简单、操作方便、造价小、启闭力小；缺点是闸门不易关闭、检修困难。