田 川 梅家燁

(重慶市第八中學(xué)校，重慶 400030)

1 引言

一次試題講評(píng)課后，有學(xué)生對(duì)大壩修建成上窄下寬的原因的參考答案提出了不同的看法.他指出，假如液體壓強(qiáng)與深度無(wú)關(guān)，如圖1(甲)所示的擋水壩也可能會(huì)被水壓推翻，因此即使液體壓強(qiáng)不隨深度的增大而增大，大壩也還是會(huì)被修建成圖1(乙)所示的“上窄下寬”，利用力矩的相關(guān)規(guī)律，可以看出圖1(乙)的形狀更有利于壩體的穩(wěn)定.所以，大壩被修建成“上窄下寬”與液體壓強(qiáng)隨深度的增大而增大并不存在邏輯上的因果關(guān)系.

圖1

聽(tīng)完這位學(xué)生的質(zhì)疑，筆者想了想，好像很有道理.這位學(xué)生的質(zhì)疑，是促使筆者對(duì)該問(wèn)題展開(kāi)進(jìn)一步思考的重要原因.為此筆者網(wǎng)購(gòu)了6本關(guān)于大壩修建的書(shū)籍，通過(guò)研讀這些專業(yè)書(shū)籍旨在弄明白一個(gè)問(wèn)題，大壩修建成上窄下寬的原因究竟是什么？

2 大壩的種類

攔河大壩的種類很多，主要有重力壩、拱壩、填筑壩.下面分別對(duì)這三種壩型進(jìn)行介紹.

2.1 重力壩

所謂重力壩就是主要依靠大壩本身重量維持穩(wěn)定的壩體，世界上超過(guò)53%的壩體都是重力壩.重力壩使用的材料通常為混凝土和石料.重力壩是如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的呢？

如圖2所示，壩體的巨大重量保證壩體的任意層面存在足夠的摩擦力以抵抗巨大的水壓.

圖2 重力壩上游(左圖)和下游(右圖)外觀

將重力壩斷面設(shè)計(jì)成三角形，不僅符合力學(xué)上的要求，而且施工也簡(jiǎn)單.但是實(shí)際的壩體上游面是一個(gè)折坡面，折坡點(diǎn)一般位于1/3至2/3壩高處，[1]如圖2所示，這是為什么呢？

壩體上游上端設(shè)計(jì)成鉛直面，主要是為了便于施工、布置進(jìn)水口、安置閘門(mén)、安裝攔污設(shè)備.[2]壩體上游的下端設(shè)計(jì)成斜坡壩面，主要是想利用圖3中陰影部分的水體對(duì)斜坡的巨大的斜向下的壓力來(lái)增進(jìn)壩體的穩(wěn)定，從而巧妙地節(jié)省了部分混凝土.[3]當(dāng)壩體基部摩擦系數(shù)較小時(shí)，還可以通過(guò)減小折坡的坡度，利用類似于自鎖效應(yīng)的方式增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定.

圖3

圖4

1.2 拱壩

拱壩是凸向上游的拱形擋水壩，這種壩無(wú)需上窄下寬，因此又將這種壩叫做薄拱壩，相比重力壩，這種壩最多可節(jié)省85%的混泥土.如圖5(甲)所示.通過(guò)力的分解使得承力對(duì)象變成河谷兩岸的基巖，如圖5(乙)所示.與重力壩相比，在水壓力作用下壩體的穩(wěn)定不需要依靠本身的重量來(lái)維持，主要是利用拱端基巖的反作用來(lái)支承.因此設(shè)計(jì)這種壩需要對(duì)兩岸基石作出要求，由于壩體內(nèi)應(yīng)力大因此對(duì)混凝土的標(biāo)號(hào)要求高，建造難度大.為了減少底部基石受到的應(yīng)力，往往把拱壩底部修得稍寬.

由此可知，拱壩不需要修建成“上窄下寬”，底部稍寬是為了減小基礎(chǔ)承受的壓強(qiáng).

圖5

1.3 填筑壩

填筑壩是將土石料(土和石塊)壓實(shí)在一起構(gòu)成的大壩.填筑壩的建造成本通常比混凝土壩低，因?yàn)樵趬沃诽幫梁褪瘔K都是現(xiàn)成的，由于可獲得廉價(jià)材料，低造價(jià)和塊體的穩(wěn)定性等原因，填筑壩通常都建造在較寬的水域.大壩在自重和水的壓實(shí)下保持大壩穩(wěn)定，因此填筑壩迎水面的坡度較緩，便于利用巨大的水壓.由此可知，緩坡的填筑壩恰恰要利用巨大的水壓.

圖6

粗糙的碎片和鵝卵石也被用于大壩的建造，但通常是作為外保護(hù)層，如圖6所示.建造現(xiàn)代的填筑壩是將巖石碎塊鋪成水平層.這種工藝能使毛石料得以利用，進(jìn)一步降低材料成本.利用毛石料時(shí)，應(yīng)限制顆粒尺寸(粒徑<5 mm)，含量應(yīng)占20%.[5]土壤在自重和巨大水壓的壓實(shí)下保持穩(wěn)定，土的空隙越小越不易滲水，壩體就越安全.[6]

2 大壩的防滲

混凝土的抗?jié)B性是指抵抗高壓水穿過(guò)的能力，分為6個(gè)等級(jí)，記為S2、S4、S6、S8、S10、S12.S12的含義是15 cm直徑的圓柱體試件在120 N/cm2的水壓強(qiáng)下，經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間，試件中不出現(xiàn)滲水.混凝土水下部分對(duì)混凝土的抗?jié)B性是有要求的，抗?jié)B層的厚度一般2米起步，對(duì)于100 m深的壩體，抗?jié)B層的厚度常常不小于水深的0.1，水深100 m時(shí)，抗?jié)B標(biāo)號(hào)不能低于S8.若水質(zhì)有侵蝕性，相應(yīng)的抗?jié)B標(biāo)號(hào)要提高一級(jí).[7]

3 教材插圖的比較研究

各版本教材對(duì)大壩描述的比較分析，如表1所示.

表1

4 結(jié)束語(yǔ)

物理學(xué)科與生產(chǎn)生活有著密切的聯(lián)系，物理教材中融入有大量的工程技術(shù)內(nèi)容，因此在編寫(xiě)教材時(shí)要注意物理與相關(guān)領(lǐng)域的聯(lián)系，最好做到實(shí)地考察，理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)事求是，切忌閉門(mén)造車，主觀臆想.

王建忠老師在《物理課堂上的“讓”》一文中指出：“教師及專業(yè)技術(shù)人員由于反復(fù)地接觸學(xué)科知識(shí)，容易形成思維定勢(shì)，容易局限于常規(guī)的理解，有時(shí)會(huì)失去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的敏銳眼光.相反，初學(xué)的學(xué)生，認(rèn)知的角度往往更加多元.”因此，教師在教學(xué)的過(guò)程中和學(xué)生保持平等的溝通，傾聽(tīng)學(xué)生的不同看法，從中往往會(huì)獲得一些意想不到的啟發(fā)，從而成長(zhǎng)學(xué)生也成長(zhǎng)自己.