第八节 重力坝的材料与构造
一、重力坝的材料
重力坝的建筑材料主要是混凝土，中、小型工程有的也用浆砌石。对坝体混凝土，除强度外，还要求其在所处环境条件下经久耐用，即有耐久性。混凝土的耐久性是指其抗渗、抗冻、抗磨蚀、抗侵蚀、抗裂、低热等性能。
（一）混凝土强度等级采用
水工混凝土的抗压强度等级有C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C40数种，筑坝常用的是C10、C15、C20、C25四种。C7.5仅用于应力很小、不重要的部位或回填压重；高于C30的混凝土仅用于需局部加强的部位。由于混凝土强度随龄期增长，大坝施工期又较长，一般采用混凝土的后期强度进行设计，并在确定混凝土强度等级时应同时规定设计龄期。大坝混凝土的抗压设计龄期一般用90天，对工期较长的中坝也可采用更长些，最多可为180天。同时考虑到有些部位的混凝土浇筑不久须承受局部荷载及温度、收缩应力等，早期强度也不宜过低，一般规定混凝土28天的抗压强度不得低于C7.5。大坝混凝土的抗拉强度一般采用28天龄期强度，不用后期强度。
（二）对混凝土耐久性的要求
（1）抗渗性。混凝土的抗渗性系指其抵抗压力水渗透作用的能力。抗渗性的大小用抗渗标号表示，如W4表示混凝土28天龄期的标准试件用规定方法试验，能承受0.4MPa的水压力而无渗水现象。坝体某部位混凝土的抗渗标号，可根据其承受的水头、渗透坡降（水头与该处抗渗混凝土层厚度的比值）及其下游排水条件等，参照表2-14选定。
表2-14 大坝混凝土抗渗等级的最小容许值
注 1.混凝土承受腐蚀水作用时，抗渗等级应进行专门试验研究，但不应低于W4。
2.混凝土抗渗等级应按有关规范规定的试验方法确定。
（2）抗冻性。系指混凝土在饱和状态下，经多次冻融循环而不破坏，强度也不严重降低的性能。混凝土的抗冻性用抗冻标号表示，如F50表示28天龄期混凝土在水饱和状态下，经过50次冻融循环后强度降低不超过25%。大坝混凝土的抗冻标号可根据其所在地区的气候条件、工作条件等，参照表2-15选定。抗冻性好的混凝土，抗风化能力也较强，所以在温暖地区，为使混凝土不易风化，也提出一定的抗冻要求。
表2-15 混凝土抗冻标号的最小容许值
注 冻融循环总次数是指一年内气温从-3℃以上降至-3℃以下，又回升到-3℃以上的交替次数，或一年内月平均气温低于-3℃期间内，因水位涨落而产生的冻融交替次数。
（3）抗磨蚀性。系指混凝土抵抗高速水流或挟沙水流冲刷、磨蚀、空蚀作用的能力。混凝土的抗磨蚀性常用冲磨1cm深度所需的小时数表示，但目前尚无明确技术指标。根据经验，混凝土强度愈高，抗磨性能愈好。提高混凝土的抗磨蚀性，应采用高标号的硅酸盐水泥，硬度大且耐磨性好的骨料，尽量减少水泥浆用量，提高水泥与骨料的黏结力等。
一般抗磨蚀混凝土的抗压强度应不低于C20，抗磨蚀要求较高时应不低于C30。
（4）抗侵蚀性。系指混凝土中水泥石抵抗环境水侵蚀的性能。通常侵蚀可分为3类：①溶出性侵蚀，基本特征是暂时硬度小的水将水泥石的某些成分溶出，造成水泥石结构破坏；②碳酸、无机酸及镁盐侵蚀，基本特征是侵蚀介质与水泥石中的某些组分发生交换作用，生成易溶物质或松软无胶结力的物质；③碳酸盐侵蚀，即水中的碳酸盐与水泥石中的氢氧化钙发生化学反应，生成碳酸钙发生体积膨胀，使水泥石破坏。当环境水具有侵蚀性时，应根据侵蚀环境的特点选用适宜品种的水泥和骨料，提高混凝土密实度，或加作保护层，减缓水的渗透作用和侵蚀破坏速度。
（5）抗裂性。系指混凝土抵抗开裂的能力。为防止坝内产生温度、干缩和应力裂缝，通常采取的措施有：①合理分缝、分块和采取必要的温控措施与表面保温措施；②尽量采用低热水泥或减少水泥用量；③提高混凝土的均质性和抗裂能力。一般要求，高坝近坝基部位28天龄期混凝土强度等级不宜低于C15～C20，相应极限拉伸应变值为（0.75～0.85）×10-4；坝体内部90天龄期的混凝土强度不应低于C10；对中、低坝，上述部位的混凝土强度及极限拉伸值可适当降低，但强度不得低于90天龄期C10。
（6）低热性。混凝土的低热性主要是通过采用低热水泥和尽量降低水泥用量来实现。在坝底、坝体内部和防渗抗裂重要部位，应尽量采用低热混凝土。低热混凝土用Dw表示。
二、重力坝的材料分区
重力坝各种部位的工作条件不同，对混凝土的要求也不同，为了节约和合理地使用水泥，对于高、中坝常对坝体不同部位按其工作条件和主要要求进行材料分区，见图2-52，不同区域采用不同强度和性能的混凝土。
图2-52 坝体混凝土分区图
Ⅰ区——上下游最高水位以上的坝体表层混凝土，主要应提出抗冻要求。在寒冷地区多采用2～3m厚的抗冻混凝土，标号一般为C15W4F150 。
Ⅱ区——上下游最高与最低水位之间的坝体表层混凝土，控制因素为抗冻性能，同时对强度、抗渗、抗侵蚀性也有一定要求，多采用厚3～5m的抗渗、抗冻及抗侵蚀性的混凝土，标号一般为C15W8F200。
Ⅲ区——上下游最低水位以下的坝体表层混凝土，对抗渗、强度要求较高，同时对低热、抗侵蚀也有一定要求，多采用2～3m厚标号为C20W12F200的混凝土。
Ⅳ区——靠近坝基的基础混凝土，对强度和低热要求较高，标号可采用C20W12 F200Dw。
Ⅴ区——坝体内部混凝土，多采用低热、低强度混凝土，根据坝面应力大小，上部标号多采用C10W4Dw；下部多采用C15W4Dw。
Ⅵ区——有抗冲刷、磨蚀要求部位的混凝土，如溢流坝面、泄水孔、导墙、闸墩等。其对抗冲刷、抗磨蚀和抗冻性要求较高，一般采用高强度混凝土，90天龄期强度不低于C20～C30；严寒地区其抗冻标号应不小于F150～F250。坝体各分区对混凝土性能的要求，见表2-16。
表2-16 坝体各区对混凝土性能的要求
注 表中有“＋＋”的项目为选择各区混凝土的主要控制因素，有“＋”的项目为需要提出要求的，有“-”的项目为不需要提出要求的。
须指出，为方便施工及防止施工期混凝土产生温度裂缝，应尽量减少混凝土标号的类别。相邻分区混凝土标号差别不宜超过2级；分区厚度不宜小于2～3m；不同分区混凝土所用水泥应尽量采用同一品种。
三、重力坝的分缝
按位置和作用的不同，重力坝分缝有横缝、纵缝和水平施工缝3种。
（一）横缝
横缝垂直于坝轴线，将坝体分成若干独立坝段。横缝的作用是减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求如混凝土浇筑能力和温度控制等。横缝间距一般为15～20m，超过22m或小于12m时要求有论证。横缝有永久性和临时性两种。
（1）永久性横缝。缝面为铅直平面，缝内不灌浆，根据地基及温变情况可留1～2cm的缝宽（基岩良好时也可不留）。横缝内必须设置可靠的止水设备，对高坝应采用二道金属止水片，中间设沥青井，见图2-53（a）。金属片视沿坝高水头大小采用1.0～1.6mm厚的紫铜片，做成可伸缩的，两侧埋入相邻坝段混凝土内长20～25cm。第一道止水至上游坝面的距离一般为0.5～2.0m，该止水片前的缝间用沥青乳剂粘贴油毡填塞，横缝上游端可设混凝土止水塞，也可不设。第二道止水片与第一道止水片相隔1～2m。中间的沥青井通常用方形或圆形，方形井的边长为0.2～0.3m，圆形井的内径为0.15～0.2m。为施工方便，在后浇筑的坝段一侧井壁用混凝土预制块构成，预制块高1～1.5m，厚5～10cm，井内灌注石油沥青加水泥石棉纤维填料，并设置加热设备，如可通电流的导线或蒸汽管，用以加热熔化老化的沥青，以便从设于井底的出口排出至下层廊道内，重填新料。止水片与沥青井底部应伸入基岩内0.3～0.5m，并应与坝基防渗帷幕连接，形成整体。对于非溢流坝段和横缝设于闸墩中间的溢流坝段，止水片必须伸至最高水位以上，沥青井则需伸至坝顶或闸墩顶，并设盖板；横缝设于溢流孔口中间时，第一道止水片应与闸门止水底部接触，第二道止水片应伸至溢流坝顶后并顺溢流坝面伸向下游面，见图2-54。横缝止水后宜设排水井，必要时还可设检查井，井内设爬梯和休息台，与检查廊道连通，井断面尺寸一般为1.2m×0.8m。中、低坝承受的水头较低，止水设备面适当简化，可不设沥青井，低坝可在上游只设一道止水片。中坝第一道止水片应采用铜片，第二道止水片或低坝止水片可用塑料止水片。
图2-53 横缝止水排水系统（单位：cm）
1—止水片；2—沥青井
横缝下游最高水位以下也应设一道止水片，见图2-53（b）。横缝通过廊道时，在廊道周边也需设止水，见图2-54。
（2）临时性横缝。临时性横缝是在水库蓄水前需灌浆结为整体的横缝，缝面设键槽并灌浆，根据所需传递剪力的要求，键槽槽面可以是水平或铅直方向的。临时性横缝主要用于以下几种情况：①河谷狭窄，做成整体重力坝，可将部分水压力传至两岸以借助山体的支撑增加坝体的强度和稳定性；②位于较陡岸坡上的坝段，将其横缝联结起来可增加其侧向稳定性；③修筑在软弱破碎带上的诸坝段，连成整体时可增加其刚度；④8度以上的强震地区，将坝段连接为整体可提高其抗震性；⑤对高水头重力坝，为减少渗漏，经论证后，也可对横缝底部进行灌浆。
（二）纵缝
纵缝是为适应混凝土的浇筑能力和减小施工期温度应力而在平行于坝轴线方向设置的临时缝。将一个坝段分成几个坝块，通常设在高、中重力坝内。纵缝按布置型式可分为竖直缝、斜缝和错缝，见图2-55。
（1）竖直纵缝。是最常用的一种。竖直缝的间距取决于混凝土浇筑能力和温度控制要求，一般为15～30m。为了传递压力和剪力，缝面设有三角形键槽，键槽的两个面分别与两个主应力方向大致正交，纵缝与坝面也应正交，浇筑块不能有尖角，以免应力集中。缝面上布设灌浆系统，待坝块冷却到稳定温度灌浆成整体。
图2-54 溢流坝段止水布置图
图2-55 纵缝型式（单位：cm）
（2）斜缝。大致沿坝体主应力方向布置，在离上游坝面一定距离处终止，并在缝端设置骑缝钢筋和并缝廊道等，防止向上游贯穿。因缝面剪应力很小，缝面可只凿毛或设键槽，可不作灌浆处理；施工时斜缝两侧的浇筑块宜均匀上升，以避免后浇筑块产生温度裂缝。斜缝施工较复杂，采用较少。
（3）错缝。错缝式浇筑块的高度一般不大于4m，在基岩附近为1.5～2.0m，间距为10～15m；错缝的错距不小于浇筑块高度的一半，以免竖直方向发生上下贯穿的开裂。错缝不作灌浆处理，施工简便，但整体性差，可用于低坝，我国采用较少。
（三）水平施工缝
水平施工缝是上下层浇筑块之间新老混凝土的结合面，相邻水平施工缝间的高差（浇筑块厚度）一般为1.5～5.0m。因坝基温度较低，在基岩面附近采用0.75～1.0m的薄层浇筑，以利散热。纵缝两侧的相邻水平施工缝不宜设在同一高程，以免削弱坝体水平截面的抗剪强度。上下层浇筑块之间常间歇7天，上层混凝土浇筑前，需先清除缝面上的浮渣、灰尘、水泥乳膜等，凿毛并用压力水枪冲洗成干净的麻面，在均匀铺一层2～3cm厚的水泥砂浆，后浇筑新混凝土。水平施工缝的处理十分重要，处理不好将成为抗渗、抗剪及强度的薄弱面，关系到大坝的安全。
四、坝体排水
为了减小坝体渗透压力，在靠近坝体上游面需设置铅直或接近铅直的排水管幕。排水管幕至上游坝面的距离，一般不小于相应坝面水头的1/10～1/12，且不小于2m，并在上游防渗混凝土层之后，见图2-56。排水管上端通至坝顶或到溢流坝面以下2～3m处，中间与各层纵向排水廊道连通，下端通至底层灌浆排水廊道。排水管内渗水，通过廊道排水沟或集水管经横向排水管排至下游或自流至集水井内，由水泵抽排至下游。每层廊道之间的排水管，布置成铅直或接近铅直，不宜有弯头，以免堵塞。排水管多用预制的多孔或无砂混凝土管，浇筑混凝土时埋入坝内，管间距通常为2～3m，内径一般为15～25cm。
图2-56 坝体排水管（单位：cm）
五、廊道系统
为了满足灌浆、排水、观测、交通、闸门操作及电缆敷设等要求，需在坝体内设置各种用途的廊道。这些廊道互相连通构成坝内廊道系统，见图2-57。
（一）坝基灌浆排水廊道
这种廊道用于待坝体上升到一定高度后，向坝基进行防渗帷幕的钻孔灌浆和钻设坝基排水管、扬压力观测孔等。廊道沿坝轴线方向布置，应尽量靠近上游坝面和坝基，以有效地降低渗透压力，但由于混凝土的渗透坡降限制和坝体应力要求，也不能太近。一般廊道的上游边壁到上游坝面的距离为0.05～0.1倍坝面水头，且不小于3m；廊道底面至基岩面的距离不宜小于3m。廊道向两岸沿地形逐渐升高，纵向坡度角一般不大于45°，以便钻孔灌浆及设备搬运。廊道断面力求标准化，可用矩形或城门洞形，宽度与高度应能满足灌浆作业要求，一般宽2.5～3m，高3～3.5m。廊道顶部和底部应分别埋设吊环和轨道，以便机件搬运与安装。
图2-57 坝内廊道系统图
1—坝基灌浆排水廊道；2—基面排水廊道；3—集水井；4—水泵室；
5—横向排水廊道；6—检查廊道；7—电梯井；8—交通廊道；
9—观测廊道；10—进出口；11—电梯塔
当采用抽排水措施降低坝底扬压力时，也有在坝趾附近设灌浆排水廊道的。
（二）坝体检查和排水廊道
为了便于检查、观测和排除坝体渗水，在靠近上游坝面沿坝高每隔20～40m设一层检查和排水廊道。其断面形式多用城门洞形，最小宽度1.2m，最小高度2.2m。上游边壁至坝面的距离不小于0.05～0.07倍坝面水头，且不小于3m。上游侧设排水沟。各层廊道两岸下游侧设出口，沿坝长每隔100～300m用竖井或电梯井将各层廊道连通。廊道与泄水孔的距离不宜小于3～5m。
有时坝内还需设置闸门操作廊道，并与上述廊道系统连通。
（三）廊道周边的应力与配筋
坝内设置廊道后，在其周边可能产生局部应力集中。对离坝体边界较远的圆形、椭圆形或矩形断面廊道，可应用弹性理论按无限域中的小孔计算应力；对于靠近边界的城门洞形廊道主要依靠试验或有限元法求解；对有些定型的城门洞形廊道，根据偏光弹试验成果，现在已绘制有现成的应力系数表可供查用。过去一般是对廊道周边配筋以承担拉应力或防止裂缝。但近年来工程实践表明，坝内孔道周边的裂缝主要是由于施工期温度应力所致，钢筋对其作用不大，因此主要应采取合理的施工方法、适当的温控措施和适宜的孔道体形。但对位于受拉区的孔道或产生裂缝后可能会贯穿到上游坝面，影响大坝整体性的孔道，仍应配置钢筋。
六、重力坝施工中的温度控制
混凝土浇筑后，因水泥水化热作用，先是温度升高（据资料，水泥发热量约为334.4kJ/kg，若按1m3混凝土使用200kg水泥计，则100万m3混凝土因水泥水化热产生的热量相当于燃烧2000t煤所释放的热量），在3～7天内水化热温升最高可达36℃。以后，随着热量的消散，温度逐渐下降。混凝土降温收缩时，如受到边界条件约束而不能自由收缩，则将在混凝土内产生拉应力，当相应的拉伸变形超过混凝土极限拉伸值时，就会出现裂缝。裂缝不仅降低坝体整体性，削弱坝体强度，还会引起坝体漏水，增加坝内渗透压力，甚至影响坝体安全。为防止施工期温度裂缝产生，混凝土浇筑时，一是采取综合措施防止水化热温升过高和裂缝产生；二是进行严格的温差控制，即控制基础温差及上、下层混凝土温差在容许范围内。
（一）温度控制标准
（1）基础温差。即在基础约束范围内，混凝土最高温度与基础稳定温度之差。对于基岩与混凝土弹性模量相近、混凝土28天龄期的极限拉伸值不低于0.85×10-4、施工质量均匀良好的浇筑块，基础温差一般控制不超过表2-17所列数值。
表2-17 基础容许温差ΔT 单位：℃
（2）上、下层混凝土温差。即新、老混凝土接触面处，在上、下层各l/4范围内，先浇的混凝土下层最高平均温度与新浇混凝土上层平均温度之差，当上层浇筑块高度小于0.5倍块长时，控制不超过15～20℃。
（二）温度控制措施
施工时，为达到上述温控标准和防止温度裂缝产生，可采取以下综合措施：
（1）采用低热水泥，或掺用外加剂（如粉煤灰）、塑化剂等尽量减少水泥用量，以减少水化热温升。
（2）合理安排施工季节。对易产生裂缝的部位，如基础、大孔洞结构部位，安排在气温较低的季节施工，夏季施工时，采用预冷骨料或加冰搅拌等。
（3）加强养护。混凝土浇筑初期，对坝块表面加覆盖、浇水养护；对长期暴露的重要部位，如上游坝面、溢流坝面、孔洞进出口等部位进行长期保温；气温骤降时对浇筑块表面采取保温措施等。
（4）提高混凝土的抗裂性能。高坝基础部位的混凝土不宜低于C20，坝体内部90天龄期的混凝土不低于C10 。