坝

重力坝构造

坝内廊道   为满足施工和运用要求，设置在坝体内的通道。按其功用可分为基础灌浆排水廊道、排水廊道、检查廊道或观测检查廊道、交通廊道以及其他用于闸门操作、电缆敷设的专用廊道等。按其布置可分为纵向廊道（廊道轴线与坝轴线平行）和横向廊道（廊道轴线与坝轴线垂直）。纵、横向廊道及竖井互相连通形成廊道系统，由进出口与坝外相通（见图）。有时廊道还伸向两岸山体中（例如某些灌浆廊道）。

        基础灌浆排水廊道 沿着纵向在坝踵附近设置的廊道，主要用于进行防渗帷幕的钻孔灌浆，并在其下游侧钻设坝基排水孔幕和扬压力观测孔等。廊道上游边壁到上游坝面的距离约为0.05～0.1倍水头，且不小于3m；廊道底面与基岩面的距离不小于1.5倍廊道宽度。廊道两侧设排水沟，下游侧设排水孔及扬压力观测孔。廊道在两岸沿地形逐渐升高，纵向坡角一般不大于45°，以便于交通运输。当采用抽排水措施以降低坝底扬压力时，也可在坝趾附近设置灌浆排水廊道。

        排水廊道    排水廊道沿纵、横两个方向分层布置。最低一层，一般直接设置在基岩面上，称为坝基面排水廊道。为了增大排水效果，有时还在其中钻设坝基排水孔。当坝基面排水廊道不能自流排水时，需在较低部位设集水井，用水泵抽水排出。坝体纵向排水廊道一般每隔15～30m高度设置一层，其上游边壁到上游坝面的距离，与坝基灌浆排水廊道的要求原则上相同。各层廊道在两岸相连通，并设置通向坝外的出口。坝身排水管分别通向这些廊道，廊道内设有排水沟，渗水经排水沟排至下游或汇流至集水井内。

        检查廊道或观测检查廊道 根据坝体运行及安全情况检查或大坝安全观测仪器布设的需要而设置的廊道。高坝常布置多层检查廊道或观测检查廊道，有的可与坝基灌浆廊道、排水廊道相结合（见图）。

        交通廊道 各种用途的廊道以及通向坝下游出口的横向廊道都可兼作交通廊道，有时需专门设置交通廊道使廊道互相连通。一般还要设置电梯井，作为竖向交通通道。

        对于碾压混凝土坝，为了快速施工，应尽可能少设坝内廊道。对于高度不大、厚度较薄的拱坝，在坝体内可只设置一层帷幕灌浆廊道，而将其他检查、观测、交通和坝缝灌浆等工作移到坝后桥上进行。

        廊道形式、尺寸 坝内廊道的断面形式应按其用途和需要来决定，一般多为圆顶矩形，也有的采用椭圆形，底部再用二期混凝土填平。骑缝横向排水廊道可做成三角形顶矩形断面。坝基灌浆排水廊道属于操作廊道，其断面尺寸根据设备及操作要求，一般宽约2.0～3.0m，高约3～4m。其他廊道最小宽度1.2m，最小高度2.2m。

        坝内设置廊道后，在其周边可能产生局部应力集中，在受拉区需适当配置钢筋。一般可采用有限元法计算廊道周边应力。廊道尺寸不大时，可先不考虑廊道的存在，用材料力学法计算廊道形心处的应力，然后作为无限域内均匀应力场中的小孔口应力集中问题求解。对于有些定型的圆顶矩形廊道，已根据偏光弹性试验成果编制有现成的应力系数表，可供使用。

        导墙     用来引导水流或分隔不同流态水流的墙形结构物。位于溢流坝或泄水闸的上、下游导墙，其主要作用是引导水流平顺地进入泄水建筑物和使下泄水流不影响其他建筑物的安全和正常运行；位于溢流坝段与通航建筑物之间的上、下游导墙，其主要作用是为过坝船只的航行提供平稳的水流条件；位于电站和溢流坝之间的导墙，其主要作用是防止溢流水流对电站尾水的影响；位于岸边的导墙，还同时起翼墙的作用，也是河岸连接建筑物的组成部分。

        导墙的布置主要取决于水流条件，重要工程通过水工模型试验决定。位于坝下游的导墙，当采用底流消能时，导墙至少要延伸到护坦末端（见图），且与护岸建筑物连接，以防止水流冲刷岸坡；当采用挑流消能时，导墙至少要延伸到挑流鼻坎末端；当与水电站厂房或通航建筑物相邻时，导墙长度需延伸到下泄水流对电站尾水或航道水流的影响不超过允许限度。位于坝上游的导墙的长度，一般根据其功能确定。溢流坝与非溢流坝、电站或船闸之间的导墙一般可布置在溢流坝段两侧。当溢流前缘较长，必要时也可在中间设置一道或多道导墙，如中国葛洲坝水利枢纽的二江泄水闸，根据流态和消能的要求，除两侧设置导墙外，中间还设有两道导墙。导墙高度根据最大设计泄洪流量的水面曲线确定，并计入水流掺气和安全加高。

        导墙承受的荷载有自重、静水压力、动水压力、土压力等，可参照挡土墙进行设计。导墙较长时常需设置温度及沉降缝，缝的位置一般与护坦的伸缩缝一致，缝内设止水。

        接缝灌浆    通过预埋管路，对混凝土坝体纵、横缝进行连接起来的水泥灌浆。接缝灌浆的作用是使建成后的混凝土坝体具有连续性和整体性。浇筑混凝土坝体时，为保证质量、便于施工和防止混凝土产生温度裂缝，多采用分块进行浇筑，相邻坝块间形成缝面，垂直于坝轴线的称横缝，平行于坝轴线的称纵缝。缝的张开度（因混凝土坝块内部降温收缩形成的缝隙大小）一般都不小于1mm。在坝块内部温度基本稳定，坝体挡水前，需对纵、横缝进行灌浆。为此，在坝块缝面上设置的键槽内，预埋循环的灌浆管路、排气槽、排气管和止浆片等。也有采用预埋软塑料管，然后拔管形成循环式灌浆管路，可节约钢材，从而节约灌浆费用30％～50％，灌浆效果也能满足质量要求。坝体混凝土浇筑过程中，易造成灌浆管路或排气管堵塞、止浆片失效等事故，致使接缝灌浆难以继续进行，而影响工程进度和质量，故需采取切实有效的措施保护好接缝灌浆预埋系统各项设施。

        接缝灌浆是自下而上分区进行，一般多为单区灌浆。采取专门措施后，同一高程的灌浆区分以多区同灌。每区四周要用止浆片封闭，区内的灌浆与排气管路自成系统。分区高度：基础部位为6～8m，基础部位以上为10～15m。一个灌浆区的缝面面积宜控制为200～300㎡。灌浆前需通水检查，进行缝面充水浸泡与冲洗、压水检查等，其目的是检查缝面和灌浆管路系统的畅通情况、止浆片封闭情况及分区之间是否有串漏等。灌浆时，灌浆压力以排气管管口压力为准，层顶排气管压力一般需达到0.2～0.4MPa；相邻接缝若尚未灌浆，需通入压力水以平衡灌浆压力。灌入的水泥浆液由稀变浓，其水灰比为：初始级2：1～3：1，中间级1：1，结束级为0.6：1～0.5：1。有些接缝灌浆，因灌浆前已通水检查，缝面已清洗、浸泡，故可直接灌浓浆，既经济又省时。通常采用的灌浆结束标准是：当最浓级浆液灌注一定时间后，排气管口压力或缝面增开度（在灌浆压力作用下，坝块变形而增加的缝隙大小）达到设计数值，排浆达到最浓级浆液，缝面吸浆量小于0.4L／min时，持续20min。顺灌结束后，往往需要由排气管中进行倒灌。检查灌浆质量，除对灌浆记录进行分析评定外，还要在灌浆结束28d后，选择有代表性的灌区，进行钻孔取样检查或凿槽检查。

        接缝灌浆多安排在冬末春初进行。高寒地区进行负温接缝灌浆时，宜在水泥浆中掺入适量氯化钙（CaCl2）或氯化钠（NaCl）。接缝宽度小于0.5mm的接缝灌浆，要采用磨细水泥并适当提高灌浆压力。

        接缝灌浆常用的机械有：排浆量为100～200 L／min，压力大于1.5 M，且能保持稳定、运转连续可靠、易于维修搬运的灌浆泵；容量为0.5m3左右的搅浆机。

        止水设施    水工建筑物内设置的防止接缝漏水的设施，简称止水。闸、坝、隧洞、涵管等水工建筑物的永久缝，必须设置可靠的止水。常见的止水设施有：各种材料的止水片、混凝土止水塞、沥青油毡、柏油绳、沥青填料及其加热装置等。止水的布置和结构随水工建筑物接缝的工作特点而异。

        岩基上混凝土重力坝的横缝止水 在设有横缝的上游面、溢流面、下游最高尾水位以下和穿越横缝的廊道以及孔洞周边均需设置止水系统。如图1所示，混凝土止水塞设于横缝的上游端，其下游设置止水片，对于高坝应采用两道止水片，对中低坝可适当简化。第一道止水片，距上游面约0.5～2m；第二道止水片与第一道止水片相隔1～2m，其间设置沥青井。止水片和沥青井的底部伸入岩基约30～50cm。第一道止水片前的缝面，可用沥青乳剂粘贴数层油毡。

        （1）止水片。止水片材料有金属、橡胶及塑料3种。金属止水片视其重要性分别用紫铜片、不锈钢片或镀锌铁片做成，其形状如图1（c）所示。也有的作成Z形。金属止水片的厚度一般采用1.4～2.0mm。埋入混凝土中的长度一般为20～25cm。橡胶止水片（带）的两翼有肋条，以便于锚固在混凝土内，中间有圆孔，以适应缝的变形，见图2（b）、（c），适用于寒冷地区。塑料止水片与橡胶止水片的构造相同，价格较低，但适应变形能力不如橡胶止水片，适用于气候温和地区。

        （2）沥青井。沥青井通常呈方形，其边长大致为0.2～0.4m，也有的用圆形。井内装有蒸气管或电热棒，用以加热，以便在施工和管理过程中，熔化井内填料，使之与混凝土保持紧密接触。沥青井需延至闸坝顶，并加设盖板。沥青井内的填料多为石油沥青加水泥、石棉纤维。这种材料的软化点约为85～90℃，伸长率为0.2。材料的配合比大致为沥青：水泥：石棉石棉粉=0.4:0.4:0.2必要时通过试验确定材料的最佳配合比。

        （3）混凝土止水塞。止水塞的上游面与坝面齐平，水平断面为梯形或多边形，塞的两侧及下游包沥青油毡。止水塞起辅助止水作用，有时可省去。

软基上闸坝的接缝止水 在软基上闸坝闸墩的横缝间、边墩与岸墙的横缝间以及岸墙与翼墙的垂直沉降缝间一般应设置竖直止水，在铺盖、水闸底板、消力池、护坦等的连接缝内以及它们与岸墙、翼墙相连处的缝内，应设置水平止水。图2为闸室底板分块间、底板与护坦间的水平止水构造。常用的竖直止水构造如图3所示。图3（a）施工方便，采用较广；图3（b）设有沥青加热管，能适应较大的沉降变形；图3（c）、（d）为岸墙和翼墙的接缝止水。

钢筋混凝土面板堆石坝面板分缝的止水对于面板中间部位竖直接缝止水，由于缝受到挤压作用，一般设置一道止水片，并在缝面涂刷沥青乳剂；但靠近岸边的竖直接缝则为张开缝，一般设两道止水。周边缝的构造，不仅要考虑缝的张开，而且还要注意其他方向的变位。因此，除设有3道止水片外，为防止接缝的意外破坏，有的在周边缝顶部，还铺设一种称为爱嗄斯（IGAS）的塑性填料，以适应板块可能的移动量（图4）。

        混凝土坝坝面防渗    在混凝土坝上游面设置的或利用坝面层所形成的防渗设施。坝面防渗的主要目的是：减小坝体渗透压力，防止坝体混凝土在渗透水流作用下产生溶蚀，减小坝体渗透流量，在严寒地区防止因渗水而产生混凝土冻融破坏。

        在常态混凝土大坝中，利用坝面层所形成的防渗设施是指大坝混凝土分区中，在临近上游面附近部位的适当厚度选用抗渗等级较高的混凝土。防渗混凝土层的厚度，对于高坝通常取为该处水头的10％，且不小于2.0m。防渗层混凝土的抗渗等级，主要根据作用在其上的水力坡降选定，见表。水头达100m时，抗渗等级不宜低于W8;；水头达50m时，抗渗等级不宜低于W6。当水质有侵蚀性时，选用适当的抗侵蚀性水泥，且抗渗等级不得低于W4。

混凝土抗渗等级选择表

        碾压混凝土坝由于抗渗性能低，且存在着层间结合的薄弱环节，为了保证坝的正常运行，常需设置坝面防渗。依据其施工工艺的不同，主要有如下几种形式：①在上游坝面设厚度至少为2～3m的常态混凝土防渗层，如日本的碾压混凝土坝，中国的岩滩坝、观音阁坝等。图1为日本玉川坝的剖面布置。②在上游坝面设置一定厚度的钢筋混凝土防渗面板，如中国于21世纪初建设的龙滩坝等。③在上游坝面设置沥青防渗层、PVC防渗板或防渗楔块等，如中国的坑口坝、水东坝，美国的上静水坝，澳大利亚的铜田坝等。图2为中国福建坑口坝的坝面防渗构造。沥青砂浆层厚6cm，外侧为预制钢筋混凝土护面板，在浇筑沥青砂浆时兼作模板。护面板厚6cm、高49cm、长198cm，用2个Φ16钢筋挂环与预埋在坝内的钢筋挂钩相连接。④在靠近上游面设置一定厚度的防渗能力较强的碾压混凝土作为防渗措施，如早期修建的美国柳溪坝以及20世纪后期修建的中国的普定坝、长顺坝等。在中国，这种防渗设施有逐步成为碾压混凝土坝主要防渗设施的发展趋势。

当混凝土坝的上游面出现裂缝时，需在坝面增设防渗设施。常见的有：①在上游面设置混凝土防渗面板，如中国丹江口大坝、黄龙滩大坝等。②设置沥青防渗层，涂贴沥青无脂油毡等，如中国上犹江空腹重力坝、湖南镇梯形坝、桓仁大头坝等。图3为桓仁大头坝坝面防渗处理措施。

        坝身排水管    排除渗入坝体内水流的孔管设施。坝身排水管可以降低坝内浸润线位置（见图），减小坝体渗透压力。除了薄拱坝外，重力坝和其他拱坝一般都设置坝身排水管。

        坝身排水管布设于上游侧坝体混凝土内，距上游坝面不小于相应水头的1／10～1／15，且不小于2m，以防止坝体材料因渗透坡降过大而产生破坏。排水管间距通常为2～3m，常用预制透水混凝土管作成，内径一般为15～25cm，也可采用拔管、钻孔来形成。碾压式混凝土坝更适合于钻孔法。

        坝身排水管的最上端通到坝顶，或到溢流坝面以下2～3m处，最下端通到底层灌浆排水廊道，中间与各层纵向排水廊道相连接，形成坝身排水系统。排水管内的渗水通过廊道排水沟排至下游，或流至集水井后用水泵抽排至下游。排水管应布置成铅直或接近铅直，以免堵塞后难以修复。排水管与廊道连接以直通的形式采用较多。侧通的形式在排水管阻塞时难以清理。图示为几种常见的连接形式。

        重力坝横缝中的检查井可以兼作排水井。

        平压管    向检修闸门与工作闸门之间输水充水的管道，又称旁通管。平压管的功用是使检修闸门的上、下游水压力平衡，以减小启门力。

        平压管一般从上游取水，自流进入检修闸门与工作闸门之间的空腔。坝内泄水孔的平压管埋入坝体内并经过坝内廊道，在廊道内设控制阀门，见图（a）。水工隧洞的平压管埋设在墩墙内，也用阀门控制，见图（b）。

        平压管的直径，根据两门之间的空间所需的充水时间确定，计算充水量时尚需计入第二道闸门的漏水量。当充水量不大时，也可不设平压管。在检修闸门上设置充水阀，充水时先提起门上的充水阀，待充满后再提升闸门。水电站水轮机前的蝴蝶阀要求动水关闭、静水开启，因此也设有平压管和阀门。其平压管内径一般为输水管道过水断面积的1%~2%。

        少数水电站采用事故闸门开一道小缝或小门取代平压管向压力管道充水平压。

        通气孔    将引（泄）水道闸门门叶或掺气坎的下游局部空腔与大气相连通的孔管设施，又称通气管。通气孔的功用是：补充或排除空腔内的空气，使其保持大气压力。以下情况需要设置通气孔。

        （1）无压泄水孔（洞）的工作闸门后需设置通气孔，以补充孔（洞）内被高速水流带走的空气，保持稳定的明流状态。

        通气孔的断面多为圆形，断面积取决于通气流量及允许风速。计算公式很多，中国SDJ 13-78《水利水电工程钢闸门设计规范》推荐，泄水管道（隧洞）中的工作闸门或事故闸门门后通气孔面积用下式计算：

  =0.09VwA

        式中，a为通气孔面积，㎡；为通气孔的通气流量，m3/s;[Va]为通气孔的允许风速，一般取40mm/s;Vw为闸门孔口处的水流流速，mm/s;A为闸门后泄水管道断面积，㎡。

        （2）工作闸门设在进口段的有压泄水孔（洞）中时，需在门后设置通气孔，以补充闸门关闭过程中被水流带走的空气，消除孔（洞）顶负压，防止或减小空蚀和振动，减少作用于闸门上的下拖力和附加水压力。

        （3）发电压力钢管的检修（事故）闸门后，以及工作闸门安装在出口段的有压深式泄水孔的检修闸门后需设置通气孔。通气孔在检修前排空管（孔）内积水时向门后补气；检修后充水平压时向外排气，以利于检修闸门静水启闭。发电引水管道快速闸门后的通气孔面积，可按管道面积的3％～5％选用。

通气孔进出口的上端应高于水面，且设置网罩等防护设施；下端紧靠闸门背面，且在洞内最高位置。通气孔线路要少转弯、无突变，以减少气流阻力损失。

        （4）当溢流坝面或溢洪道泄槽上有掺气坎（槽）时，其下游空腔处也需设置通气孔，以作为掺气空腔的气源通道，补充泄水卷吸带走的空气，起掺气减蚀作用。