葉石源

有學(xué)生向我提出這樣一個問題：“老師，我這次出外旅游發(fā)現(xiàn)一個這樣的問題，江堤的迎水面和背水面與水庫堤壩的迎水面和背水面的坡度不相同，江堤的迎水面坡度緩和，背水面坡度很陡；而水庫大壩的迎水面坡度很陡，背水面坡度緩和。您說這是什么原因，能不能用我們所學(xué)的物理知識進行解釋?！睂τ谶@個問題我們要從堤壩的主要功能和受力兩個方面來說明。

一般江河大堤和水庫大壩的橫截面如圖1和圖2所示。比較上面兩圖，不難發(fā)現(xiàn)，它們的共同之處都是上窄下寬，不同的是江河堤的迎水面坡度緩，背水面坡度陡，而水庫壩則恰恰相反，擋水面坡度陡，背水面坡度緩。

1.為什么江河大提與水庫大壩都修成上窄下寬無論是江河大堤，還是水庫大壩都修成上窄下寬，其目的主要是為了“三防”

1.1防水壓。根據(jù)液體內(nèi)部壓強公式p=ρgh可知，堤壩內(nèi)的水越靠近堤壩底，水深h越大，水產(chǎn)生的壓強也越大.堤壩下寬能承受較大的水壓，確保堤壩的安全。

1.2防滲漏。堤壩下部受水的壓強越大，水越容易滲進壩體.把下部修得寬些，就可以延長堤壩內(nèi)水的滲透路徑，增大滲透阻力，堤壩中間還有核心墻，它是用黏土或鋼筋水泥筑成，從而提高堤壩的防滲透性能。

1.3防滑動。堤壩內(nèi)水的壓力總有將大堤向外水平推動和將大壩推向下游的運動趨勢，堤壩基底需要有與之抗衡的靜摩擦力，才能保持堤壩平衡.將堤壩下部修寬既可增大壩體的重力，也可增大迎水面（擋水面）上水對壩體豎直向下的壓力，因此，可以增強壩體與壩基間的最大靜摩擦力，達到防止堤壩滑動的目的。

2.為什么江河大堤坡度陡緩與水庫大壩兩邊的狀況修得恰恰相反

對于江河兩岸攔水的大堤來說，奔騰的江河水的沖擊力方向朝下游，水對堤壩的作用力主要是壓力，如圖3和圖4所示，水的壓力垂直于堤面，根據(jù)力的分解知識有：Fx=Fsinθ，F(xiàn)y=Fcosθ，因此，對于同樣大小的水的壓力F，坡度平緩的堤面所受橫向水平壓力較小，即FxFy′。所以對于江河大堤，迎水面坡度緩，水對大堤水平向外的推力Fx小.同時豎直向下的力Fy大，有利于增大堤壩基底與堤壩的靜摩擦力，即可以防滑。

對于水庫大壩受力分析，如圖5所示，根據(jù)液體壓強公式p=ρgh，水庫大壩的擋水面各處承受的壓強跟水深成正比，呈三角形分布，故總壓力通過壓強的三角形分布距壩底H/3。設(shè)水庫大壩的總重力為G，重心在O′處，為便于分析，設(shè)水庫中水對大壩的總壓力F水平向外（大壩外側(cè)），如圖6所示。因受水的壓力F的作用，壩體會以水庫外側(cè)大壩的壩腳O為支點有沿順時針方向傾覆的趨勢，其傾覆力矩為MF=F×H/3。而大壩依靠自身的重力G產(chǎn)生的抗傾覆力矩MG=Gd。把壩體修得沿背水面坡度緩一些，能夠達到既增大重力，又增大力臂d的效果，從而達到增大抗傾覆力矩MG的效果。

由此可見，在不增加建設(shè)大堤和大壩的土石方，用料及造價相同的前提下，迎水面比背水面緩的江河大堤更牢固，擋水面比背水面陡的水庫大壩更穩(wěn)定。