第八节 重力坝的材料与构造
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、抗磨、抗侵蚀、抗裂性能方面提出不同的要求。
一、混凝土重力坝的材料
（一）混凝土的强度等级
普通混凝土强度等级是按标准方法制作养护的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度标准值确定的，混凝土强度随着龄期延长而增长。坝体常态混凝土强度标准值的龄期一般用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2－17。
表2－17 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。
（二）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W（抗渗等级）表示。
大坝混凝土抗渗等级应根据所在部位和水力坡降确定，大坝抗渗等级的最小允许值按表2－18采用。
表2－18 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W4。
3.混凝土的抗渗等级应按SL 352—2006《水工混凝土试验规程》规定的试验方法确定。根据坝体承受水压力作用的时间也可采用90d龄期的试件测定抗渗等级。
（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；不严重降低强度的性能。通常用F（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2－19查取。
表2－19 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。
6.最冷月份平均气温低于－25℃地区的混凝土抗冻等级宜根据具体情况研究确定。
7.混凝土抗冻必须加气剂时，其水泥、掺和料、外加剂的品种和数量，水灰比、配合比及含气量应通过试验确定。
（3）抗磨性。抗磨性指抵抗高速水流或挟沙水流的冲刷、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，要求较高时则不应低于C30。
（4）抗侵蚀性。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，应选用适宜的水泥和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2－20减少0.05。
表2－20 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、合理的掺和料，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2－44为重力坝的三种坝段分区情况。
图2－44 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（如溢洪道溢流面、泄水孔、导墙和闸墩等）。
分区性能见表2－21。
表2－21 大坝分区特性
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。
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。
三、重力坝坝体的防渗与排水设施
（一）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1/10～1/20水头，但不小于2m。
（二）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15～20cm。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［图2－45（a）］和排水。
图2－45 重力坝内部排水构造（单位：mm）
（a）坝内排水；（b）排水管
排水管一般为无砂混凝土管，可预制成圆筒形和空心多棱柱形［图2－45（b）］，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、水平施工缝。
（一）横缝
垂直于坝轴线，将坝体分成若干个坝段的缝为横缝，沿坝轴线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，缝宽一般为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，缝内不设缝槽、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。在温度最高时，不允许缝间产生挤压力。
（1）止水片（带）。止水片常用的有紫铜片、塑料带、橡胶带等。紫铜片一般厚1.0～1.6mm，扎成可伸缩的“
”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（或氯丁橡胶）水止带［图2－46］。
图2－46 横缝止水
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，加热从井底排出，重填新料。
（3）缝间填料。缝间可挟软木板、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，断面尺寸约为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8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，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。
纵缝按结构布置型式可分为：①铅直纵缝；②斜缝；③错缝，如图2－47所示。
图2－47 纵缝型式
（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，是最常用的一种型式，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（图2－48）。
图2－48 纵缝灌浆系统布置图
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之间，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。
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
浇筑块之间像砌砖一样把缝错开，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。但规范要求高坝通仓浇筑时必须有专门论证。
（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，在坝体内设置了不同用途的廊道，这些廊道相互连通，构成了重力坝坝体内部廊道系统，如图2－49所示。
图2－49 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
（一）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，高度为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。
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。
（二）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，还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。