第三节 重力坝的材料及构造
重力坝挡水后，上游的水将通过坝体和坝基向下游渗透，渗流不仅引起漏水，还会产生渗透压力。渗透压力会使坝体应力恶化，坝基渗透压力则更会减小坝的有效重力，从而降低坝的稳定性。渗流还会对坝体材料和坝基产生侵蚀，对坝体或坝基造成破坏，影响坝的安全。水面以上的坝面因大气的影响，会受到风化、冰冻等的作用；库水位变化范围内的坝面会受到湿胀、干缩和温度变化的影响。溢流坝溢流面会受到高速水流及所挟带杂物的冲击、空蚀、磨损等的作用。重力坝的建筑材料主要是混凝土。对于水工混凝土，除强度外还应按其所处的部位和工作条件，在抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、低热、抗裂性能方面提出不同的要求。
重力坝的坝体材料除应具有必要的强度外，尚应具有抗水侵蚀性能，上游水位以下的坝面材料还须有较高的抗渗性能，以降低坝内的渗透压力，防止漏水；长期露天的坝面，应具有抗冻、抗风化的性能；库水位变化范围内的坝面，需兼有抗冻、抗渗以及抗湿胀、干缩等的性能；对于溢流面，要求有良好的耐磨、抗冲刷性能等。
一、混凝土重力坝的材料
1.混凝土的强度等级
坝体常态混凝土强度标准值的龄期一般为90d，碾压混凝土可采用180d龄期，因此在规定混凝土强度设计值时，应同时规定设计龄期。
大坝常用混凝土强度等级有C7.5、C10、C15、C20、C25、C30。高于C30的混凝土用于重要构件和部位。大坝混凝土的强度标准值可采用90d龄期强度，保证率80%，其轴心抗压强度的标准值见表4-1。
2.混凝土的耐久性
（1）抗渗性。对于大坝的上游面，基础层和下游水位以下的坝面均为防渗部位。其混凝土应具有抵抗压力水渗透的能力。抗渗性能通常用P即抗渗等级表示。GB50164《混凝土质量控制标准》根据混凝土试件在抗渗试验时所能承受的最大水压力，混凝土的抗渗等级划分为P4、P6、P8、P10、P12等5个等级。相应表示混凝土抗渗试验时一组6个试件中4个试件未出现渗水时不同的最大水压力。
大坝混凝土抗渗等级应根据所在部位和水力坡降，按表4-2采用。
表4-1 大坝混凝土强度标准值
注 混凝土强度等级和标准值可内插使用。
表4-2 大坝抗渗等级的最小允许值
注 1.表中i为水力坡降。
2.承受侵蚀水作用的建筑物，其抗渗等级应进行专门的试验研究，但不得低于P6。
3.抗渗等级是以28d龄期的标准试件，按标准试验方法进行试验时所能承受的最大水压力来确定的。
（2）抗冻性。混凝土的抗冻性能指混凝土在饱和状态下，经多次冻融循环而不破坏且不严重降低强度的性能。通常用F即抗冻等级来表示。抗冻等级一般应视气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水分饱和程度、结构构件重要性和检修的难易程度，由表4-3查取。
表4-3 大坝抗冻等级
注 1.混凝土抗冻等级应按一定的快冻试验方法确定，也可采用90d龄期的试件测定。
2.气候分区按最冷月平均气温T1值作如下划分：严寒T1＜-10℃；寒冷-10℃≤T1＜-3℃；温和T1＞-3℃。
3.年冻融循环次数分别按一年内气温从＋3℃以上降至-3℃以下期间设计预定水位的涨落次数统计，并取其中的大值。
4.冬季水位变化区指运行期内可能遇到的冬季最低水位以下0.5～1.0m，冬季最高水位以上1.0m（阳面）、2.0m（阴面）、4.0m（水电站尾水区）。
5.阳面指冬季大多为晴天，平均每天有4h以上阳光照射，不受山体或建筑物遮挡的表面，否则均按阴面考虑。
（3）抗磨性。指抵抗高速水流或挟砂水流的冲刷、磨损的能力。目前，尚未制定出定量的技术标准，一般而言，对于有抗磨要求的混凝土，应采用高强度混凝土或高强硅粉混凝土，其抗压强度等级不应低于C20，要求高的则不应低于C30。
（4）抗侵蚀性。指抵抗环境水的侵蚀性能。当环境水具有侵蚀性时，应选用适宜的水泥，尽量提高混凝土的密实性，且外部水位变动区及水下混凝土的水灰比可参照表4-4减少。
表4-4 最大水灰比
（5）抗裂性。为防止大体积混凝土结构产生温度裂缝，除采用合理分缝、分块和温控措施外，应选用发热量低的水泥、合理的掺合料，减少水泥用量，提高混凝土的抗裂性能。
二、混凝土重力坝的材料分区
由于坝体各部分的工作条件不同，因而对混凝土强度等级、抗掺、抗冻、抗冲刷、抗裂等性能要求也不同，为了节省和合理使用水泥，通常将坝体不同部位按不同工作条件分区，采用不同等级的混凝土，图4-18所示为重力坝的三种坝段分区情况。
图4-18 坝体分区示意图
（a）非溢流坝；（b）溢流坝；（c）坝身泄水孔
Ⅰ区为上、下游水位以上坝体外部表面混凝土，Ⅱ区为上、下游水位变动区的坝体外部表面混凝土，Ⅲ区为上、下游水位以下坝体外部表面混凝土，Ⅳ区为坝体基础，Ⅴ区为坝体内部，Ⅵ区为抗冲刷部位（例如溢洪道溢流面、泄水孔、导墙和闸墩等）。分区性能见表4-5。
坝体为常态混凝土的强度等级不应低于C7.5，碾压混凝土强度等级不应低于C5。同一浇块中混凝土强度等级不宜超过两种，分区厚度尺寸最少为2～3m。
表4-5 大坝分区性能
注 表中有“＋＋”的项目为选择各区等级的主要控制因素，有“＋”的项目为需要提出要求的，有“-”的项目为不需提出要求的。
三、重力坝坝体的防渗与排水设施
1.坝体防渗
在混凝土重力坝坝体上游面和下游面最高水位以下部分，多采用一层具有防渗、抗冻、抗侵蚀的混凝土作为坝体防渗设施，防渗指标根据水头和防渗要求而定，防渗厚度一般为水头的1/10～1/20，但不小于2m。
2.坝体排水设施
靠近上游坝面设置排水管幕，以减小坝体渗透压力。排水管幕距上游坝面的距离一般为作用水头的1/15～1/25，且不小于2.0m。排水管间距为2～3m，管径约为15～20m。排水管幕沿坝轴线一字排列，管孔铅直，与纵向排水、检查廊道相通，上下端与坝顶和廊道直通，便于清洗、检查和排水，如图4-19（a）所示。
图4-19 重力坝内部排水构造（单位：mm）
（a）坝内排水；（b）排水管
排水管一般用无砂混凝土管，可预制成圆筒形和空心多棱柱形，如图4-19（b）所示，在浇筑坝体混凝土时，应保护好排水管，防止水泥浆漏入排水管内，阻塞排水管道。
四、重力坝的分缝与止水
为了满足运用和施工的要求，防止温度变化和地基不均匀沉降导致坝体开裂，需要合理分缝。常见的有横缝、纵缝、施工缝。
（一）横缝
垂直于坝轴线，将坝体分成若干个坝段的缝为横缝，一般沿坝轴线每15～20m设一道横缝，缝宽的大小主要取决于河谷地形、地基特性、结构布置、温度变化、浇筑能力等，一般为1～2cm。横缝分永久性和临时性两种。
1.永久性横缝
为了使各坝段独立工作而设置的与坝轴线垂直的铅直缝面，缝内不设键槽、不灌浆，但要设置止水，缝宽应大于该地区最大温差引起膨胀的极限值1cm。夏季施工和冬季施工时所留的缝宽是不相同的。
（1）止水片（带）。止水片常用的有紫铜片、塑料带、橡胶带等。紫铜片一般1.0～1.6mm厚，做成可伸缩的“
”形状，每侧埋入混凝土的长度为20～25cm，距坝面1～2m，应保证接头焊接良好，深入基岩30～50cm。重力坝横缝内的止水与坝的级别和高度有关，一般高坝，应采用两道金属止水片，中间设沥青井；中低坝可以适当简化，其第一道止水应为紫铜片，对第二道止水及低坝的止水，在气候温和地区可采用塑料止水片，在寒冷地区可采用橡胶止水带，如图4-20（a）、（b）、（c）所示。
图4-20 横缝止水
（a）紫铜片止水与沥青止水；（b）紫铜片止水；（c）多道止水系统；（d）非溢流坝止水布置；（e）溢流坝止水布置
1—横缝；2—沥青油毡；3—止水片；4—沥青井；5—加热电极；6—预制块；
7—钢筋混凝土塞；8—排水井；9—检查井；10—闸门底槛预埋件
（2）止水沥青井。沥青井位于两止水片中间，有方形和圆形两种，边长和直径大约为20～30cm，井内灌注Ⅱ号（或Ⅲ号）石油沥青、水泥和石棉粉组成的填料。井内设加热电极，沥青老化时，加热电极将老化沥青从井底排出，重填新沥青料。
（3）缝间填料。缝间可填充软木板、沥青油毡等。缝口用聚氯乙烯胶泥、混凝土塞、沥青等封堵。
（4）排水井。在横缝止水之后宜设排水井。必要时检查井和排水井合二为一，断面尺寸约1.2m×0.8m，井内设爬梯和休息平台，与检查廊道相连通。
2.临时性横缝
临时性横缝在缝面设置键槽，埋设灌浆系统，施工后灌浆连接成整体。临时横缝主要用于以下几种情况：①对横缝的防渗要求很高时；②陡坡上的重力坝段，即岸坡较陡，将各坝段连成整体，改善岸坡坝段的稳定性；③不良坝基上的重力坝，即软弱破碎带上的各坝段，横缝灌浆后连成了整体，增加坝体刚度；④强地震区（设计烈度在Ⅷ度以上）的坝体。即强地震区将坝段连成整体，可提高坝体的抗震性。当岸坡坝基开挖成台阶状时，坡度陡于1：1时，应按临时性横缝处理。
（二）纵缝
平行于坝轴线的缝称纵缝，设置纵缝的目的，在于适应混凝土的浇筑能力和减少施工期的温度应力，待温度正常之后进行接缝灌浆。
纵缝按结构布置形式可分为：①铅直纵缝；②斜缝；③错缝。如图4-21所示。
图4-21 纵缝形式
（a）铅直纵缝；（b）斜缝；（c）错缝
1.铅直纵缝
纵缝方向是铅直的为铅直纵缝，是最常用的一种形式，缝的间距根据混凝土的浇筑能力和温度控制要求确定，缝距一般为15～30m，纵缝不宜过多。
为了很好地传递压力和剪力，纵缝面上设呈三角形的键槽，槽面与主应力方向垂直，在缝面上布置灌浆系统，如图4-22所示。
待坝体温度稳定，缝张开到0.5mm以上时进行灌浆。灌浆沿高度10～15m分区，缝体四周设置止浆片，止浆片用镀锌铁片或塑料片（厚1～1.5cm，宽24cm）。严格控制灌浆压力为0.35～0.45MPa，回浆压力为0.2～0.25MPa，压力太高会在坝块底部造成过大拉应力而破坏，压力太低不能保证质量。
纵缝两侧坝块的浇筑应均衡上升，一般高差控制在5～10m，以防止温度变化、干缩变形造成缝面挤压剪切，键槽出现剪切裂缝。
图4-22 纵缝灌浆系统布置图
2.斜缝
斜缝大致按满库时的最大主应力方向布置，因缝面剪应力小，不需要灌浆。中国的安砂坝成功地采用了这种方法，斜缝在距上游坝面一定距离处终止，并采取并缝措施，如布置垂直缝面的钢筋、并缝廊道等。斜缝的缺点是：施工干扰大，相邻坝块的浇筑间歇时间及温度控制均有较严格的限制，故目前中高坝中较少采用。
3.错缝
浇筑块之间如砌砖一样把缝错开，每块厚度3～4m，（基岩面附近减至1.5～2m），错缝间距为10～15m，缝位错距为1/3～1/2浇筑块的厚度。错缝不需要灌浆，施工简便，整体性差，可用于中小型重力坝中。
近年来世界坝工由于温度控制和施工水平的不断提高，发展趋势是不设纵缝，通仓浇筑，施工进度快，坝体整体性好。但规范要求高坝利用通仓浇筑必须有专门论证。
（三）水平施工缝
坝体上下层浇筑块之间的结合面称水平施工缝。一般浇筑块厚度为1.5～4.0m，靠近基岩面用0.75～1.0m的薄层浇筑，利于散热、减少温升，防止开裂。纵缝两侧相邻坝块水平施工缝不宜设在同一高程，以增强水平截面的抗剪强度。上、下层浇筑间歇3～7d，上层混凝土浇筑前，必须对下层混凝土凿毛，冲洗干净，铺2～3cm强度较高的水泥砂浆后浇筑。水平施工缝的处理应高度重视，施工质量关系到大坝的强度、整体性和防渗性，否则将成为坝体的薄弱层面。
五、重力坝的坝内廊道系统
重力坝的坝体内部，为了满足灌浆、排水、观测、检查和交通等要求，在坝体内需设置不同用途的廊道，这些廊道相互连通，构成了重力坝坝体内部廊道系统，如图4-23所示。
1.基础灌浆廊道
在坝内靠近上游坝踵部位设基础（帷幕）灌浆廊道。为了保证灌浆质量，提高灌浆压力，要求距上游面应有0.05～0.1倍作用水头，且不小于4～5m；距基岩面不小于1.5倍廊道宽度，一般取5m以上。廊道断面为城门洞形，宽度为2.5～3m，高度3～3.5m，以便满足灌浆作业的要求。廊道上游侧设排水沟，下游侧设排水孔及扬压力观测孔，在廊道最低处设集水井，以便自流或抽排坝体渗水。
图4-23 坝内廊道系统图
（a）立面图；（b）水平剖面图；（c）横剖面图
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
灌浆廊道随坝基面由河床向两岸逐渐升高。坡度不宜陡于45°，以便钻孔、灌浆及其设备的搬运。当两岸坡度陡于45°时，基础灌浆廊道可分层布置，并用竖井连接。当岸坡较长时，每隔适当的距离设一段平洞，为了灌浆施工方便，每隔50～100m宜设置横向灌浆机室。
2.检查和坝体排水廊道
为检查、观测和坝体排水的方便，需要沿坝高每隔30m设置检查和排水廊道一层。断面形式采用城门洞形，最小宽度1.2m，最小高度2.2m，廊道上游壁至上游坝面的距离应满足防渗要求且不小于3m。对设引张线的廊道宜在同一高程上呈直线布置。廊道与泄水孔、导流底孔净距不宜小于3～5m。廊道内的上游侧设排水沟。
为了检查、观测的方便，坝内廊道要相互连通，各层廊道左右岸各有一个出口，要求与竖井、电梯井连通。
对于坝体断面尺寸较大的高坝，为了检查、观测和交通的方便，尚需另设纵向和横向的廊道。此外，还可根据需要设专门性廊道。
3.廊道的应力和配筋
因廊道的存在，破坏了坝体的连续性，改变了周边应力分布，其中廊道的形状、尺寸大小和位置对应力分布影响较大。
廊道周边是否配筋，有以下两种处理方法。过去假定混凝土不承担拉应力配受力筋和构造筋。近来西欧和美国对于坝内受压区的孔洞一般都不配筋。位于受拉区、外形复杂、有较大拉应力的孔洞才配钢筋。
工程实践证明，施工期的温度应力是廊道、孔洞周边产生裂缝的主要原因，施工中采取适当的温控措施十分重要。为防止产生裂缝后向上游坝面贯穿，靠近上游坝面的廊道应进行限裂配筋。