劉六宴 溫麗萍

(1.水利部大壩安全管理中心, 江蘇 南京 210029；2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利復(fù)審委員會(huì), 北京 100080)

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混凝土壩型分類及特征分析

劉六宴1溫麗萍2

(1.水利部大壩安全管理中心, 江蘇 南京 210029；2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利復(fù)審委員會(huì), 北京 100080)

水庫(kù)大壩是人類防治水旱災(zāi)害、利用水資源的關(guān)鍵性控制工程。自5000年前在中東兩河流域修建第一座砌石土壩以來(lái)，數(shù)十萬(wàn)座不同規(guī)模、不同壩型的水庫(kù)工程遍布于全球各個(gè)角落。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外水庫(kù)大壩實(shí)例，針對(duì)混凝土壩型進(jìn)行分類梳理，對(duì)混凝土壩型的特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，揭示了混凝土壩發(fā)展的現(xiàn)狀和前景。

混凝土壩； 特點(diǎn)分析

人類文明進(jìn)步與治水活動(dòng)緊密相關(guān)，古代中東兩河流域文明因治水而繁榮，中華民族文明因治水而源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。英國(guó)考古學(xué)家于1974年在約旦加瓦發(fā)現(xiàn)的建于公元前3200年用石塊壘砌的土壩是世界上最早的水壩；而最新考古發(fā)現(xiàn)，中國(guó)杭州良渚古城外圍水利工程與約旦加瓦發(fā)現(xiàn)的水壩屬同一時(shí)期的世界最早水壩，距今已經(jīng)有4700～5100年。公元前598年, 楚國(guó)丞相孫叔敖主持修建了中國(guó)第一座水庫(kù)——安豐塘水庫(kù)。5000多年來(lái)，隨著人類治水實(shí)踐的不斷深入、科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、筑壩經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，筑壩材料利用愈來(lái)愈廣泛，大壩型式越來(lái)越豐富多樣?；炷磷鳛槲鞣轿拿鞯漠a(chǎn)物，已發(fā)明利用170年，作為筑壩材料也有100余年。

1 混凝土壩型分類

混凝土是由水、水泥、砂、骨料(石子或礫石)、外加劑、摻合料等材料按一定比例攪拌、密實(shí)成型、養(yǎng)護(hù)硬化而成的一種人工石材?；炷翂瓮ǔ＝ㄖ谏疃纳焦?，是國(guó)內(nèi)外建設(shè)水庫(kù)選擇的主要壩型之一。截至2014年底，中國(guó)已建的97735座水庫(kù)中，混凝土壩約占5%；已建大中型水庫(kù)中，混凝土壩占10.6%；壩高50m以上的已建大中型水庫(kù)中，混凝土壩占25.9%；壩高70m以上的已建大中型水庫(kù)中，混凝土壩占38.9%；壩高100m以上已建在建的近200座高壩水庫(kù)中，混凝土壩占52.6%。水庫(kù)大壩越高，采用混凝土壩型的比例越高，說(shuō)明混凝土壩的安全可靠性較高。

混凝土壩按筑壩材料和施工工藝可分為常態(tài)混凝土壩、碾壓混凝土壩、堆石混凝土壩、膠凝砂礫石壩等，按結(jié)構(gòu)型式和受力方式可分重力壩、拱壩、支墩壩，按壩的高度可分為高壩(壩高≥70m)、中壩(壩高30～70m)、低壩(壩高<30m)。

2 混凝土壩型特征分析

2.1 常態(tài)混凝土壩

常態(tài)混凝土通常指拌和物坍落度為10～100mm的混凝土，具有較強(qiáng)的抗壓、抗拉、抗剪、抗彎、抗?jié)B能力，且耐久性穩(wěn)定、適用面較廣，是一種傳統(tǒng)意義上的混凝土。早期的混凝土壩一般由常態(tài)混凝土澆筑建成，當(dāng)前仍然被世界各國(guó)廣泛采用。中國(guó)已建在建的103座壩高100m以上混凝土高壩水庫(kù)中，常態(tài)混凝土壩52座，占50.5%。常態(tài)混凝土壩按受力方式可分為混凝土重力壩、混凝土拱壩、混凝土支墩壩等。

2.1.1 常態(tài)混凝土重力壩

混凝土重力壩是一種傳統(tǒng)壩型，主要利用自身的重量和強(qiáng)度來(lái)支撐水體、泥砂等荷載。常態(tài)混凝土重力壩按結(jié)構(gòu)型式可分為實(shí)體重力壩(也稱整體式重力壩)、寬縫重力壩、空腹重力壩，按橫縫處理方式還可分為懸臂式重力壩、鉸接式重力壩和整體式重力壩，按壩軸線曲直又可分為直線型重力壩、折線型重力壩和拱型重力壩。從壩體承擔(dān)荷載的有利性和節(jié)省大壩建設(shè)投資的角度考慮，壩軸線設(shè)計(jì)為直線型最合理，但也有一些水庫(kù)大壩因受地形、地質(zhì)條件制約，而將壩軸線設(shè)計(jì)為折線型或拱型，稱為折線型混凝土重力壩或拱型重力壩。

a.實(shí)體重力壩。該壩型壩體斷面型式較簡(jiǎn)單，有利于機(jī)械化快速施工，壩頂可以溢流泄洪，壩體中可以布置泄流孔洞，但混凝土方量較多，施工中需要嚴(yán)格的溫度控制措施。世界各國(guó)修建于寬闊河谷處的混凝土高壩，多采用實(shí)體重力壩。20世紀(jì)初，美國(guó)建造了阿羅羅克壩、象山壩等第一批混凝土重力壩；20世紀(jì)30年代，美國(guó)修建了壩高168m的大古力水電站，是當(dāng)時(shí)世界裝機(jī)最大的水電站，裝機(jī)容量888萬(wàn)kW，現(xiàn)仍是世界上已建最大的混凝土重力壩和第四大水電站；20世紀(jì)50年代，印度修建了壩高226m的巴克拉混凝土重力壩和壩高192m的拉克華混凝土重力壩，美國(guó)修建了壩高219m的德沃夏克混凝土重力壩，蘇聯(lián)在寒冷地區(qū)修建了壩高215m的托克托古爾混凝土重力壩；1962年，瑞士建成壩高285m的大狄克桑斯壩，是目前世界上已建最高的混凝土實(shí)體重力壩。20世紀(jì)80年代，委內(nèi)瑞拉建成混凝土實(shí)體重力壩壩高162m的古里水電站，是目前世界上已建第三大水電站，裝機(jī)容量1006萬(wàn)kW。中國(guó)也相繼建設(shè)了一批具有標(biāo)志性的混凝土實(shí)體重力壩，20世紀(jì)40年代建成壩高91.7m的豐滿水電站，60年代初建成壩高106m的三門峽水庫(kù)，70年代建成壩高 147m的劉家峽水電站，20世紀(jì)初建成世界上最大裝機(jī)容量、壩高181m的三峽水庫(kù)。部分國(guó)內(nèi)外已建壩高100m以上常態(tài)混凝土實(shí)體重力壩如表1所列。

表1 國(guó)內(nèi)外部分已建壩高100m以上常態(tài)混凝土實(shí)體重力壩

續(xù)表

b.寬縫重力壩。寬縫重力壩最早由瑞士人菲加里于1900年提出，是將實(shí)體重力壩每個(gè)壩段的橫縫中間部分?jǐn)U寬成為空腔的重力壩，縫寬比(即縫寬與壩體寬度之比)一般為0.2～0.4。該壩型有利于降低揚(yáng)壓力，減少壩體混凝土用量(比實(shí)體重力壩減少10%～20%)、節(jié)省投資，同時(shí)，寬縫增加了散熱面還有利于施工期混凝土溫度控制，但施工模板用量大提高了混凝土單價(jià)，寬縫頭部容易產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力。蘇聯(lián)于1964年修建了壩高125m的布拉茨克混凝土寬縫重力壩水庫(kù)，縫寬比為0.27，該水庫(kù)是目前世界第三大水庫(kù)；1956年還在寒冷的西伯利亞修建了馬馬康寬縫重力壩，縫寬比為0.4。中國(guó)于1965年建成壩高105m的新安江水電站，是中國(guó)第一座自主設(shè)計(jì)、自制設(shè)備、自主施工的大型水電站，壩型為混凝土寬縫重力壩，縫寬比為0.286；1967年建成壩高113.8m的云峰水電站，是目前中國(guó)最高的混凝土寬縫重力壩；1978年建成壩高95.3m的楓樹(shù)壩水庫(kù)，其大壩由寬縫重力壩、空腹重力壩和整體式重力壩3種壩型組成。中國(guó)部分已建寬縫重力壩如表2所列。

表2 中國(guó)部分已建混凝土寬縫重力壩

c.空腹重力壩?？崭怪亓问窃谥亓螇误w內(nèi)沿壩軸線方向布置大型縱向空腹的壩，開(kāi)孔率(即空腹面積與壩體剖面面積之比)一般為9%～28%。該壩型有利于降低壩基場(chǎng)壓力，減少混凝土用量，節(jié)約投資，同時(shí)，空腔增加了散熱面有利于施工期混凝土溫度控制，有的壩體空腔內(nèi)還可以布置水電站廠房，但該壩型施工復(fù)雜、鋼筋用量多，空腔周圍易出現(xiàn)拉應(yīng)力。20世紀(jì)50年代，奧地利率先修建了3座空腹重力壩，其中大繆爾多爾-費(fèi)爾塞壩高46.5m；20世紀(jì)60年代，葡萄牙修建了壩高 57m的卡臘帕特洛空腹重力壩。1961年，中國(guó)建成第一座空腹重力壩——江西上猶江水電站，壩高67.5m；1987年建成壩高112.5m的鳳灘空腹重力壩，是目前中國(guó)已建最高的混凝土空腹重力壩。中國(guó)部分已建空腹重力壩如表3所列。

表3 中國(guó)部分已建空腹重力壩

d.拱型重力壩。拱形重力壩是在平面上稍為拱向上游的重力壩，屬于重力壩范疇。拱型重力壩的壩軸線曲率小、半徑大，拱分擔(dān)的荷載較小，工程量與直線型重力壩相差不多，但可利用拱的作用在一定程度上提高壩的承載能力或潛在安全度。當(dāng)?shù)匦?、地質(zhì)條件不完全適合于修建拱壩，但又要求重力壩有較大安全潛力的情況下選擇該壩型，不過(guò)國(guó)內(nèi)外建設(shè)該壩型非常少。中國(guó)1982年建成的烏江渡水電站，壩型為混凝土拱型重力壩，壩高165m，這是中國(guó)在喀斯特巖溶地區(qū)興建的第一座大型水電站。伊朗2002年建成的吉爾壩(又稱薩爾曼法爾西壩)，壩型為混凝土拱形重力壩，最大壩高130m。

e.折線型重力壩。國(guó)內(nèi)外混凝土折線型混凝土重力壩都比較少。中國(guó)壩高128m的安康水電站大壩、壩高132m的寶珠寺水電站大壩以及巴基斯坦壩高46m的達(dá)瓦特大壩是具有代表性的折線型混凝土重力壩工程。

2.1.2 常態(tài)混凝土拱壩

混凝土拱壩是一種經(jīng)濟(jì)性和安全性都很好的壩型，混凝土工程量一般只有實(shí)體重力壩的50%，是目前最流行的混凝土壩型之一。中國(guó)已建在建的103座100m以上混凝土壩(包括碾壓混凝土壩)中，混凝土拱壩有46座，而且主要是近20年建成?；炷凉皦问且劳袃晒皩⑸嫌未蟛糠炙畨毫Α⒛嗌皦毫Φ葌鬟f到兩岸巖體，將其他壓力通過(guò)懸臂梁的作用傳給底部基巖。該壩型主要依靠?jī)砂稁r體的支撐和混凝土強(qiáng)度來(lái)維持大壩穩(wěn)定和安全，但要求兩壩肩巖石均勻、堅(jiān)固完整、強(qiáng)度高、透水性小、抗風(fēng)化能力強(qiáng)。人類修建拱壩具有悠久的歷史，早期建設(shè)的拱壩主要是砌石拱壩，20世紀(jì)后各國(guó)開(kāi)始建設(shè)混凝土拱壩。1910年，美國(guó)建成了巴菲羅比爾拱壩，壩高99m；1935年，美國(guó)建成胡佛大壩，壩高221.4m，是當(dāng)時(shí)世界上最高的混凝土重力拱壩，而且壩頂長(zhǎng)只有379.2m，目前仍然是世界高壩中長(zhǎng)度最短的大壩。同時(shí)，20世紀(jì)30年代，美國(guó)還修建了壩高183m的砂斯塔重力拱壩，60年代修建了壩高216m的格倫峽重力拱壩。1989年，蘇聯(lián)建成薩彥舒申斯克水電站大壩，是目前世界上最高的重力拱壩，壩高245m。中國(guó)自20世紀(jì)50年代開(kāi)始修建高混凝土拱壩，包括壩高 87.5m的響洪甸重力拱壩、壩高 76.3m的陳村重力拱壩和78m的流溪河圓弧形單曲拱壩。2012年建成的錦屏一級(jí)水電站大壩，壩高305m，是目前世界上已建第二高壩，也是世界上已建最高的混凝土壩、混凝土拱壩、混凝土雙曲拱壩；2010年建成的小灣水電站大壩，壩高292m，是目前世界上已建第4高壩，也是世界已建第二高混凝土壩、混凝土拱壩、混凝土雙曲拱壩。國(guó)內(nèi)外已建壩高200m以上常態(tài)混凝土拱壩如表4所列。

表4 國(guó)內(nèi)外已建壩高200m以上常態(tài)混凝土拱壩

續(xù)表

混凝土拱壩按水平拱的厚度變化可分為等厚度拱壩和變厚度拱壩。其中，等厚度拱壩是指同一高度的壩體厚度保持一致。中國(guó)已建成相當(dāng)數(shù)量的混凝土等厚度拱壩，如：壩高54m的安徽豐樂(lè)水庫(kù)為變圓心變半徑等厚度拱壩，壩高74.3m的浙江石門水庫(kù)為單圓心雙曲等厚壩型，壩高155 m的李家峽水電站大壩為三圓心雙曲等厚度拱壩，壩高100m的藺河口水電站大壩為單圓心等厚度雙曲拱壩。變厚度拱壩是指壩體同一高度的壩體厚度由拱冠向拱端逐漸變厚，由于拱壩產(chǎn)生的軸向推力是從拱冠向拱端逐漸加大的，因此變厚拱壩比等厚拱壩更符合拱的受力特點(diǎn)，更加節(jié)省材料。壩高102m的浙江緊水灘水電站大壩為三圓心雙曲變厚度拱壩，壩高64m的浙江下岸水庫(kù)大壩為拋物線雙曲變厚度拱壩，壩高74.5的湖北泗渡河水電站大壩為混合線型雙曲變厚度拱壩。

混凝土拱壩按曲率可分為單曲拱壩、雙曲拱壩。單曲拱壩僅在水平方向上有弧度，又稱為定外半徑定中心角拱壩，適應(yīng)于U形或矩形河谷，主要是中低混凝土壩采用。壩高31m的遼寧紅河水庫(kù)大壩為三圓心混凝土單曲拱壩，壩高52.5m的云南下石龍水電站和壩高88m的云南塊澤河水電站大壩為混凝土單曲拱壩，壩高48.3m的廣西瑤山?jīng)_水庫(kù)為同心等外半徑變內(nèi)半徑混凝土單曲拱壩，壩高49m的貴州修文水電站大壩為混凝土單曲拱壩，壩高20.2m的遼寧門坎哨水庫(kù)大壩為定圓心定外半徑混凝土單曲拱壩。雙曲拱壩是在水平和垂直兩個(gè)方向上均有弧度，讓梁截面也有彎曲形狀使之兼具拱的作用，包括變外半徑定中心角和變外半徑變圓心兩種形式，主要應(yīng)用于V形河谷。世界已建200m以上的高混凝土拱壩全部為雙曲拱壩，足以說(shuō)明該壩型采用的廣泛性。

混凝土拱壩按厚高比可分為薄拱壩(厚高比<0.2)、中厚拱壩(厚高比0.2～0.35)、厚拱壩(厚高比≥ 0.35)，壩體厚薄選取要視地形、地質(zhì)條件和壩體承擔(dān)的荷載大小。壩高181m的臺(tái)灣德基雙曲薄拱壩，厚高比0.11；壩高261.6m的意大利瓦依昂雙曲薄拱壩，厚高比0.084，壩高237m的瑞士莫瓦桑雙曲中厚拱壩，厚高比0.227，壩高272m的蘇聯(lián)英古里雙曲中厚拱壩，厚高比0.33。厚拱壩又稱為重力拱壩，美國(guó)胡佛壩、格倫峽壩，蘇聯(lián)薩彥舒申斯克水電站大壩，伊朗卡倫Ⅳ水電站以及中國(guó)的白山水電站大壩厚高比大于0.35，都是重力拱壩或稱混凝土厚拱壩。從混凝土高拱壩的厚高比看，國(guó)外大壩薄拱壩居多，而中國(guó)以中厚拱壩居多。其中，法國(guó)托拉拱壩是目前世界上最薄的拱壩，壩高88m，壩底厚2m，厚高比僅為0.023。

2.1.3 混凝土支墩壩

混凝土支墩壩是由一系列傾斜面板和支承面板的支墩組成的壩，面板直接承受上游水壓力和泥砂壓力等荷載，通過(guò)支墩將荷載傳給地基。面板和支墩連成整體，或用縫分開(kāi)?；炷林Ф諌问且环N輕型壩，相較混凝土實(shí)體重力壩可節(jié)省20%～60%的混凝土，宜修建在氣候溫和、河谷較寬、地質(zhì)條件較好、運(yùn)輸條件差、天然建筑材料缺乏的地區(qū)。截至目前，中國(guó)在建已建混凝土支墩壩均屬于常態(tài)混凝土壩型。支墩壩又可分為平板壩、大頭壩、連拱壩，平板壩適用于中、低壩，連拱壩和大頭壩則適用于中、高壩。1903年，安布生設(shè)計(jì)并建造了第一座有傾斜蓋面的平板壩；1948年阿根廷建造了壩高83m艾斯卡巴壩,是目前世界上最高的平板壩。1968年加拿大修建了壩高214m馬尼克五級(jí)連拱壩，是目前世界上最高的支墩壩。1926年，F(xiàn).A.內(nèi)茨利首先提出大頭壩設(shè)計(jì)理論，巴西與巴拉圭于1991年共同建成壩高196m的伊泰普水電站混凝土雙支墩空心重力壩，是目前世界已建最高的大頭壩，也是目前世界上第二大水電站。中國(guó)1954年建成壩高75.9m的佛子嶺混凝土連拱壩，是中國(guó)乃至亞洲建成的第一座混凝土連拱壩；1960年建成新豐江單支墩式大頭壩，壩高105m，是中國(guó)庫(kù)容最大的支墩壩；1980年建成的湖南鎮(zhèn)梯形壩，壩高129m，是中國(guó)目前最高的支墩壩。中國(guó)部分已建混凝土支墩壩如表5所列。

寬縫重力壩、空腹重力壩、拱型重力壩、支墩壩等壩型，是在中國(guó)20世紀(jì)50—70年代物質(zhì)經(jīng)濟(jì)匱乏、技術(shù)水平較低、大型施工機(jī)構(gòu)缺少的特殊條件下的一種有效選擇，在當(dāng)前物資經(jīng)濟(jì)條件豐厚、技術(shù)保障有力、大型施工機(jī)械日新月異并追求快速、高效施工的大環(huán)境下，該壩型也逐漸退出歷史舞臺(tái)。

表5 我國(guó)部分已建混凝土支墩壩

2.2 碾壓混凝土壩

碾壓混凝土(簡(jiǎn)稱RCC)，是一種干硬性貧水泥混凝土，由水泥、粉煤灰(火山灰、礦渣)摻和料、水、外加劑砂和分級(jí)控制的粗骨料拌制成無(wú)坍落度的干硬性混凝土，采用與土石壩施工相同的運(yùn)輸及鋪筑設(shè)備，用振動(dòng)碾分層壓實(shí)。碾壓混凝土壩既具有混凝土體積小、強(qiáng)度高、防滲性能好、壩身可溢流等特點(diǎn)，又具有土石壩施工程序簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)、可使用大型機(jī)械施工的優(yōu)點(diǎn)。碾壓混凝土筑壩技術(shù)20世紀(jì)70年代由國(guó)外首先應(yīng)用，1974—1982年，巴基斯坦在修復(fù)塔貝拉水電站中，利用枯水期澆筑了250多萬(wàn)m3的碾壓混凝土，這是碾壓混凝土筑壩技術(shù)應(yīng)用最重要的里程碑；1980年，日本采用RCD工法修建了壩高89m的島地川壩，這是世界上第一座碾壓混凝土壩；1982年，美國(guó)采用RCC工法修建了壩高52m的柳溪壩，這是世界上第一座全部采用碾壓混凝土填筑且不設(shè)橫縫的大壩。中國(guó)于20世紀(jì)80年代初開(kāi)始研究碾壓混凝土筑壩技術(shù)，吸收了日本RCD工法和美國(guó)RCC工法的優(yōu)點(diǎn)，并在低水泥高摻粉煤灰、不設(shè)縱縫大倉(cāng)面連續(xù)澆筑、富漿碾壓混凝土(或變態(tài)混凝土)防滲、低VC值、斜坡鋪筑碾壓等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，1986年建成了壩高56.8m的坑口碾壓混凝土重力壩，這是中國(guó)建設(shè)的第一座碾壓混凝土壩；1995年建成壩高110m的巖灘水電站，這是中國(guó)第一座百米級(jí)高碾壓混凝土壩。截至目前，中國(guó)已建在建近200座碾壓混土壩，其中100m 以上50座、200m以上3座。龍灘大壩是目前世界上已建最高碾壓混凝土壩，壩高216.5m。碾壓混凝土已成為當(dāng)前最流行的壩型之一，中國(guó)已建在建103座壩高100m以上混凝土高壩水庫(kù)中，碾壓混凝土壩有51座，占47.4%，而且全部是近20年建成。中國(guó)已建壩高120m以上、在建100m以上碾壓混凝土壩如表6、表7所列。

表6 中國(guó)已建壩高120m以上碾壓混凝土壩

表7 我國(guó)在建壩高100m以上碾壓混凝土壩

2.2.1 碾壓混凝土重力壩

20世紀(jì)80年代末—90年代初期,國(guó)內(nèi)外主要是建設(shè)壩高70m以下的中低壩。為充分發(fā)揮碾壓混凝土大倉(cāng)面快速施工的特點(diǎn)，碾壓混凝土壩體結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，既沒(méi)有寬縫式、空腹式壩體，也沒(méi)有支墩壩型，主要是碾壓混凝土實(shí)體重力壩和碾壓混凝土拱壩。南非于1988年建成世界上第一座碾壓混凝土拱壩——尼爾浦特壩，壩高50m ，壩長(zhǎng)200m , 厚高比0.4；1993年，中國(guó)建成當(dāng)時(shí)世界最高碾壓混凝土拱壩——普定水電站大壩，壩高75m，厚高比0.386。

與常態(tài)混凝土重力壩一樣，碾壓混凝土重力壩按壩軸線曲直又可分為直線型重力壩、折線型重力壩和拱型重力壩，直線型是碾壓混凝土重力壩的主要型式，如：中國(guó)第一座碾壓混凝土壩——坑口壩就是直線型實(shí)體重力壩，但也有一些折線型壩體，壩高130m的洪口水電站、壩高111m的大朝山水電站、壩高216.5m的龍灘水電站和壩高130m的廣西百色水利樞紐都是折線型碾壓混凝土重力壩；目前，尚未建設(shè)碾壓混凝土拱型重力壩，但巖灘水電站上游圍堰(54.3m高)和37m高的隔河巖水電站上游圍堰(37m高)是采用拱型重力壩型式。

2.2.2 碾壓混凝土拱壩

與常態(tài)混凝土拱壩一樣，碾壓混凝土拱壩按水平拱的厚度變化可分為等厚度拱壩和變厚度拱壩。普定水電站大壩為碾壓混凝土定圓心、變半徑、變中心角等厚度雙曲非對(duì)稱拱壩，壩高100m的藺河口水電站大壩為碾壓混凝土單圓心等厚度雙曲薄拱壩；壩高104.6m的安徽白蓮崖水庫(kù)大壩為碾壓混凝土拋物線型雙曲變厚度拱壩，壩高113m的天花板水電站為碾壓混凝土拋物線型變厚度雙曲拱壩，壩高167.5m的萬(wàn)家口子水電站為碾壓混凝土拋物線型變厚度雙曲拱壩。

碾壓混凝土拱壩按曲率可分為單曲拱壩、雙曲拱壩，以雙曲拱壩居多。壩高66.8m的云南南康河二級(jí)水電站為碾壓混凝土單曲拱壩，壩高67.5m的廣西下橋水電站為碾壓混凝土單曲拱壩；壩高141m的三里坪水電站為碾壓混凝土對(duì)數(shù)螺旋型雙曲拱壩，壩高110m的黃花寨水電站為碾壓混凝土對(duì)數(shù)螺旋型雙曲拱壩。2001年，中國(guó)建成的砂牌水電站大壩，是目前世界上最高的碾壓混凝土單曲拱壩，壩高130m，厚高比0.238。

碾壓混凝土拱壩按厚高比可分為薄拱壩、中厚拱壩、厚拱壩。立洲水電站大壩(厚高比0.197)、三里坪水電站(厚高比0.17)、大花水水電站(厚高比0.186)、招徠河水電站(厚高比0.175)等為碾壓混凝土薄拱壩，萬(wàn)家口子水電站(厚高比0.215)、石門坎水電站(厚高比0.222)、龍橋水電站(厚高比0.23)等為碾壓混凝土中厚拱壩，普定水電站(厚高比0.376)、紅坡水庫(kù)(厚高比0.48)、老撾南康5號(hào)水電站(厚高比0.418)、南非尼爾浦特壩(厚高比為0.4)等為碾壓混凝土厚拱壩，也可稱為稱碾壓混凝土重力拱壩。1996年，中國(guó)建成福建溪柄碾壓混凝土拱壩，壩高63.5m，是世界上第一座碾壓混凝土薄拱壩，厚高比0.19；2009年建成的湖北云龍河三級(jí)水電站大壩，是目前中國(guó)最薄的百米級(jí)高碾壓混凝土拱壩，壩高129m，厚高比0.14；2013年建成的湖北三里坪水電站大壩，是中國(guó)目前已建最高的碾奪混凝土雙曲薄拱壩，也是已建最高的碾壓混凝土拱壩，壩高141m，厚高比0.17。中國(guó)部分碾壓混凝土拱壩壩型及厚高比如表8所列。

表8 中國(guó)部分碾壓混凝土拱壩壩型及厚高比

續(xù)表

2.2.3 碾壓混凝土筑壩技術(shù)的適應(yīng)性

碾壓混凝土壩可修建在各種不同氣候條件下的世界各個(gè)地區(qū)。在高氣溫地區(qū)，阿爾及利亞的貝利哈羅恩壩(壩高121m，碾壓混凝土量169萬(wàn)m3)，所處地區(qū)最高氣溫可達(dá)43℃；在低氣溫地區(qū)，美國(guó)的上靜水壩(Upper Stillwater)(壩高91m，碾壓混凝土量11萬(wàn)m3)和加拿大的拉克羅伯森壩(壩高40m，碾壓混凝土量2.8萬(wàn)m3)，兩壩所處地區(qū)冬季最低氣溫可達(dá)-37.5℃以下；在多雨地區(qū)，智利的潘戈壩(Pangue)(壩高113mm，碾壓混凝土量66萬(wàn)m3)，在13個(gè)月的施工期內(nèi)總降水量達(dá)4436mm，最集中時(shí)3個(gè)月的降水量就達(dá)3130mm。1995年，中國(guó)建成溫泉堡碾壓混凝土單曲拱壩，是世界上寒冷地區(qū)建成的第一座碾壓混凝土拱壩，最大壩高48m，壩體厚高比為0.288；2002年建成的龍首水電站是世界上第一個(gè)在地震基本烈度為8度區(qū)、極限溫差70.2℃(最高氣溫37.2℃、最低氣溫為-33℃)地區(qū)修建的高碾壓混凝土薄拱壩；2003年，中國(guó)在高寒、強(qiáng)震、弱地基建設(shè)了壩高110m的石門子碾壓混凝土拱壩。

利用碾壓混凝土施工速度快、溢洪過(guò)流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在水庫(kù)大壩圍堰建設(shè)也有廣泛應(yīng)用。截至目前，中國(guó)已修建20多座碾壓混凝土圍堰。其中三峽三期圍堰、龍灘上圍堰和構(gòu)皮灘上圍堰,高度均在70m以上,已屬于高碾壓混凝土壩，這些圍堰建設(shè)時(shí)間都控制在4～5個(gè)月內(nèi)，有效滿足了導(dǎo)截流和主體工程施工要求。

2.3 其他混凝土壩型

近20年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新工藝廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了混凝土筑壩技術(shù)快速發(fā)展，堆石混凝土壩、膠凝砂礫石壩等新壩型和筑壩工藝也應(yīng)運(yùn)而生。與普通混凝土相似，堆石混凝土、膠凝砂礫石都是以水泥為膠凝材料，與水、砂、石子、化學(xué)外加劑和礦物摻合料，按適當(dāng)比例配合，經(jīng)過(guò)均勻攪拌、密實(shí)成型、養(yǎng)護(hù)硬化而成的人造石材，雖然與普通混凝土的混合料組成比例、骨料粒徑、拌和工藝不同，但硬化成型后的力學(xué)性能相近，堆石混凝土可看作是常態(tài)混凝土的一種特殊形式，膠凝砂礫石可看作是碾壓混凝土的一種特殊形式。

2.3.1 堆石混凝土壩

堆石混凝土壩由清華大學(xué)金峰教授和安雪暉教授2003年首先提出，是利用自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)、抗分離性能以及自流動(dòng)的特點(diǎn)，在粒徑較大的塊石(塊石粒徑可在300mm以上)內(nèi)隨機(jī)充填自密實(shí)混凝土而形成的混凝土堆石體。具有水泥用量少、水化溫升小、綜合成本低、施工速度快、良好的體積穩(wěn)定性、層間抗剪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

目前，堆石混凝土壩主要以重力壩結(jié)構(gòu)型式為主。河南寶泉抽水蓄能電站上庫(kù)副壩及回填工程、向家壩水電站沉井群混凝土回填工程、山西清峪水庫(kù)重力壩、山西恒山水庫(kù)加固工程、貴州石龍溝水庫(kù)拱壩及高車水庫(kù)圍堰工程、大渡河砂坪電站閘壩基礎(chǔ)回填及導(dǎo)流工程、長(zhǎng)坑三級(jí)水庫(kù)重建工程已采用堆石混凝土筑壩技術(shù)，取得了豐富的實(shí)踐成果。實(shí)踐表明，堆石混凝土的堆石含量可達(dá)到 55%以上，因水泥用量少，實(shí)測(cè)大體積混凝土水化熱溫升僅為常態(tài)混凝土的 50% 左右，同時(shí)也說(shuō)明大體積混凝土結(jié)構(gòu)收縮小，具有較強(qiáng)的抗裂能力。另外，堆石混凝土施工層面大量塊石棱角裸露，還可提高層間抗剪能力。

2.3.2 膠凝砂礫石壩

膠凝砂礫石壩是在混凝土面板堆石壩和碾壓混凝土重力壩的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新壩型，最早由Raphae于1970年堤出，是將膠凝材料和水添加到砂礫石或開(kāi)挖廢棄料中，經(jīng)過(guò)拌和而形成。膠凝砂礫石壩具有骨料要求低、充分利用廢料、施工工藝簡(jiǎn)單、建設(shè)成本低、環(huán)境影響小以及良好的穩(wěn)定性、安全性和抗沖刷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，該筑壩技術(shù)已在日本、土耳其、希臘、法國(guó)等國(guó)的永久工程得到應(yīng)用，10多座大壩相繼建成運(yùn)用，其中壩高107m的土耳其Cindere大壩是世界上已建的最高膠凝砂礫石壩。

目前，中國(guó)針對(duì)膠凝砂礫石壩筑壩技術(shù)開(kāi)展一系列理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，大壩壩型通常采用梯形斷面，設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一般參照重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范，該技術(shù)已在一些水電站工程圍堰建設(shè)中得到試驗(yàn)應(yīng)用。2004年，中國(guó)建成了第一座膠凝砂礫石圍堰——福建街面水電站下游圍堰，壩高16.3m；隨后，相繼建成35.5m高的洪口水電站上游圍堰、14m高的砂沱水電站二期下游圍堰、12m高的飛仙關(guān)水電站一期縱向圍堰，積累了豐富的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目前正在設(shè)計(jì)論證壩高61.6m的山西守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石壩、壩高71.5m的云南那恒水庫(kù)膠凝砂礫石壩，以及堤高14.1m、長(zhǎng)2.55km的岷江航電犍為樞紐工程膠凝砂礫石防護(hù)堤建設(shè)方案。

3 結(jié) 論

a.中國(guó)水庫(kù)大壩數(shù)量眾多，混凝土壩型種類多樣，充分說(shuō)明中國(guó)壩工研究和筑壩實(shí)踐成就顯著。

b.混凝土壩最早起源于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，各種混凝土高壩建設(shè)也最先在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)現(xiàn)，但中國(guó)筑壩技術(shù)在近60多年的快速發(fā)展中，無(wú)論是混凝土高壩建設(shè)，還是壩型多樣性探索，都已處于世界領(lǐng)先地位。

c.常態(tài)混凝土壩作為一種傳統(tǒng)壩型，在中國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，混凝土澆筑技術(shù)全面成熟；碾壓混凝土壩作為一種新壩型，近30年在中國(guó)得到深入研究和廣泛應(yīng)用，已成為大壩建設(shè)最流行的壩型之一。

d.混凝土拱壩在改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力分配、節(jié)省混凝土材料上有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，在中國(guó)得到廣泛應(yīng)用，特別是高壩水庫(kù)中應(yīng)用比例較高，也是近20年來(lái)最流行的壩型之一。

e.寬縫重力壩、空腹重力壩、拱型重力壩、支墩壩等壩型，是在中國(guó)特殊歷史條件下的一種有效選擇，但復(fù)雜的壩體結(jié)構(gòu)和局部不良應(yīng)力表現(xiàn)，以及當(dāng)時(shí)追求快速、高效施工的大環(huán)境下，這些壩型逐漸退出歷史舞臺(tái)。

f.堆石混凝土壩和膠凝砂礫石壩是近些年開(kāi)始大量研究和試驗(yàn)應(yīng)用的新壩型，在一些低壩或臨時(shí)工程實(shí)踐中取得了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，將是未來(lái)筑壩建設(shè)的新選擇，但壩體性能監(jiān)測(cè)歷時(shí)較短，其抗拉、抗剪、抗彎等力學(xué)性能及耐久性還需時(shí)間來(lái)檢驗(yàn)。

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Analysis on concrete dam type classification and feature

LIU Liuyan1, WEN Liping2

(1.DamSafetyManagementCenteroftheMinistryofWaterResources,Nanjing210029,China; 2.PatentReexaminationBoardofSIPO,Beijing100080,China)

Reservoir dam is a critical control project for human beings to prevent inundation and drought disaster and utilize water resources. Since the first stone soil dam was constructed in two-river basin of Middle East 5000 years ago, hundreds of thousands of reservoir projects with different sizes and different dam types are distributed all over the world. In the paper, examples of domestic and foreign reservoir dams are combined for sorting concrete dam types according to category and systematically analyzing the characteristics of concrete dam types, thereby disclosing the current development situation and prospect of concrete dam.

concrete dam; characteristic analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.11.001

TV642

A

1005-4774(2016)11- 001- 10