| 单词 | 挡水坝 |
| 释义 | 【挡水坝】 拼译：dams 是抬高河渠水位的建筑物，用以蓄水供工业用水、灌溉用水、居民用水、用以集中落差，藉此水力发电；用于梯级渠化以利航运；用以形成人工湖泊，扩大水产养殖水域；并可改善环境，发展旅游。挡水坝的类型有：(1)混凝土坝，分为重力坝(包括宽缝重力坝、空腹重力坝)、拱坝(包括重力拱坝、空腹重力拱坝)、支墩坝(包括平板坝、大头坝、连拱坝)。(2)土石坝，分为均质土坝、分区土石坝、混凝土面板堆石坝、冲填坝、水中倒土坝。(3)钢桁架支墩帆式钢板坝以及橡胶坝、木坝等。 5000年前，埃及开始建造大块石码砌重力坝和土坝，中国、罗马、西班牙也先后建造，但由于泄洪、渗流、稳定、应力等问题没有解决，都溃决无存。只有中国公元前600年建成的安丰塘水库土坝，秦朝(公元前214年)建成的灵渠砌石溢流重力坝(在今广西兴安县)，几经维修，是世界上现存的使用最久的坝。1855年，萨雪莱(Sazilly)和戴洛克利(Delocre)研究出重力坝设计应遵循的条件：(1)不发生围绕下游坝趾边缘转动而倾覆；(2)沿着坝基或坝体任何平面不发生滑动；(3)坝体水平截面上的应力按直线分布，计算的应力不超过允许应力。这就是坝断面设计的等强度原则。1881年朗金(I．M．Rankine)指出坝内不允许产生拉应力，即坝的自重和静水压力的合力作用点应该在断面宽度的中三分点以内。以保证坝的上游面和坝踵不发生拉应力。1895年，法国布泽(Bouзeу)坝失事，利威(M．Levy)研究了失事原因是坝上游面有150kPa拉应力，是由渗透水的扬压力造成的；上游面的裂缝中存在的扬压力等于该点坝前水头的静水压力；提出上游面应保持压应力，其值不能小于该点的静水压力。这便是著名的利威准则，但是坝内扬压力的分布和坝上游面应力控制准则，一直存在着疑难和争论，至今仍值得研究。关于重力坝应力计算，材料力学法至今还是设计者采用的实用方法。1908年，希尔(E．P．Hill)发表了坝内剪应力近似分析方法，威尔逊(J．S．Wilson)和古耳(W．Gore)发表了用橡皮模型做的重力坝应力分布试验，得到了满意的成果。1909年，理查德森(L．F．Richardson)用有限差分法求解重谐和方程▽4F=0，但内结点很少，工作量很大。1914年，沃夫(K．Worf)用数解法求解刚性地基上三角形断面坝的应力。1932年，杰可比森(Jacobson)用Ritz法根据最小应变能原理求解刚性地基上重力坝的应力。1936年布拉茨(Brahtz)提出角缘函数法。1934～1938年，韦斯特加德(Westergaad)在研究胡佛(Hoover)坝时提出“拟板法”，与威尔逊和古耳的试验结果比较，结果接近。关于用弹性理论计算应力，利威(M．Levy)在1900年提出了无限楔体的弹性力学解法。布辛涅斯克(Boussinesq)提出了顶部受力的半无限体内应力应变的解法。1944年苏斯威尔(R．V．Southwell)提出了迭弛法，麦克亨利(D．MCHerry)把它应用到坝体应力分析。1945年，辛可维茨(O．C．Zienkiewicz)用迭弛法解重谐和方程，得到了完善的弹性力学解答。他求解了相同弹性模量的坝体与地基的应力分布、等主应力线、主应力轨迹线、最大剪应力轨迹线，其结果与1908年威尔逊和古耳模型试验结果基本一致。1961年，辛可维茨用上述方法研究了坝体与地基不同弹性模量对应力分布的影响。他研究了：(1)刚性地基，即Ef∶Ed=∞，μ=0及μ=0．5；(2)地基与坝体弹性模量相同，即Ef∶Ed=1；(3)地基弹性模量大于坝体，即Ef∶Ed=3，μ=0．2；④软弱地基，即Ef∶E=0。(式中Ef4为地基弹性模量，Ed为坝体弹性模量，μ为泊松比)，得到很有价值的结论。1960年，克劳夫(R．W．Clough)发表了平面应力问题的有限元方法，应用于坝的应力变形计算。上述弹性理论只能对简单边界形状、均质坝体、均质地基的结构系统求解，对有廊道、空腹、弹模分区的坝体、地基及三维问题都无能为力。现在应用有限元方法不但可求解所有上述问题，而且可求解动力问题、温度应力问题，用大型计算机只要几个小时就可得到答案。但是，关于混凝土坝体的孔隙水压力、裂缝、扬压力等问题的基本理论尚末圆满解决。关于重力坝的抗滑稳定，1855年萨雪莱和戴洛克利提出设计准则、要求坝和坝基各平面上铅垂力乘摩擦系数必须大于水平推力。1888年，人们开始认识到抗滑力包括摩擦力和粘结力(或剪断力)，要求这两种力之和大于水平推力。那时还没有发现扬压力，到1910年以后，才把铅垂力减去扬压力乘摩擦系数作为摩擦力，后来将抗滑力除以水平推力表为抗滑稳定安全系数。抗滑力中只计摩擦力的称为纯摩擦公式，安全系数要求1．0～1．1。抗滑力中计入摩擦力和剪断力的称为剪摩公式，安全系数要求各国很不相同，苏联1．3，德国1．5，中国和美国3．0。中国规定，两种公式满足其中之一即可；美国则在1967年废除了纯摩擦公式；有的国家则两者都须满足。关于摩擦系数，按岩石性质不同，各国都采用0．5～0．8。实质上，这种抗滑稳定是一种配套的经验方法，其安全系数远大于上述要求值。究竟怎样提高到科学性、合理性是值得研究的问题，采用基于概率统计原理的结构可靠度分析方法是坝工设计发展的方向。在16世纪，西班牙和意大利首先建造浆砌石拱坝。1843年法国建成高36．5m的佐拉(Zola)浆砌石拱坝，1910年美国建成高64m的帕斯芬杜(Pathfinder)块石混凝土重力拱坝及高100m的旭雄混凝土拱坝。这些坝有的按薄壁圆筒计算，有的用弹性理论厚壁圆筒计算，计算的应力比实际应力约大2倍。后来，意大利古埃狄(Guidi)和伊坡列托(Ippolito)提出纯拱法，切取独立的水平拱圈，考虑拱端为弹性支座，用材料力学方法计算拱圈的应力和变形。此法各水平拱圈互相脱离，与实际情况有出入。20年代，斯托开(Stucky)提出拱梁法，把拱坝划分为若干铅直的悬臂梁和水平的拱圈系统，在各拱和梁的交点，变位应当一致，据此，用试算法确定拱和梁分担的荷载比例，称为试载法。荷载分配以后，悬臂梁是静定结构，应力不难计算，拱的应力用纯拱法计算。另一种计算方法是求解联立方程组使交点变位一致来求得拱和梁的荷载分配。现在用电子计算机容易求解此联立方程组，但当时是很困难的。1928年建成的墨西哥高66m的卡尔斯(Calles)拱坝和1930年建成的美国高95m的埃利尔(Ariel)拱坝首先用试载法作分析。1936年建成的美国高221m的鲍尔德(Boulder)拱坝用上述所有方法作分析，而且对试载法作了补充和发展，考虑了拱和梁的切向位移和水平扭转位移在交点相同，还作了结构模型试验验证。为了简化计算，切取拱冠处的一根悬臂梁与5～7条拱圈组成拱梁系统，使这5～7个交点拱梁变位一致求得荷载分配，其他部位拱梁也按此荷载分配，称为拱冠梁法，此法可用拱和梁位移的平均值迭代逼近求解，这是雷萨尔(Resal)于1922年提出的。1938年，托尔克(F．Tolke)提出用薄壳理论计算拱坝的应力和变形，但只能对几种简化边界求得解答。1956年，阿仑(D．N．Allen)、乞旦(L．Chitty)等建议将拱坝作为三向弹性体的分析方法，理论上比较严格，只是计算工作量很大。1955～1960年，龙巴弟(J．Lombardi)、等相继提出用薄壳理论计算拱坝的方法，1962年，黄文熙提出拱梁系统的形变方程组分析拱坝应力、变形的方法，即将拱圈和梁分段，刚性地连接在交点，分段的末端建立形变方程。60年代以来，用三维有限元方法在电子计算机进行拱坝的应力变形分析已经很普遍了，对任何形状拱坝、任何复杂的地基都没有什么困难。上述各种分析方法编成程序可以在电子计算机上顺利实现。60年代，国外曾建造过1座迭板弹簧拱坝。由几个厚度不变的薄拱圈组成。薄拱之间隔以沥青，使各拱独立受力，坝的工作情况与车辆上的迭板弹簧相似，充分利用了材料的强度，十分经济。同时期，中国曾建造一座两层拱圈的拱坝，下游一层拱圈低于上游一层拱圈，两者稍离开。上游拱有孔洞向两层拱之间充水，将全水头分成两级由两拱分别承担，充分利用了材料强度且减少了坝的体积。这些新颖坝型值得推广和发展。碾压混凝土筑坝是70年代发展起来的一种筑坝新技术。由于采用干硬性贫混凝土和土石坝碾压技术，可大幅度节省水泥用量、加快施工进度、缩短建设周期。因此一经问世就引起国内外坝工界的关注。1975年在巴基斯坦塔贝拉(Tarbela)工程修补中成功地使用了碾压混凝土(RCC或Rollcrete)；1980年日本建成的第1座碾压混凝土坝为岛地川坝(坝高89m)；1982年美国建成的第1座碾压混凝土坝为柳溪(Willowcreek)坝(坝高56．8m)；中国也于1986年建成第1座坑口碾压混凝土重力坝(坝高56．8m)。与土坝有关的基本理论在18世纪就创立了。1773发表了摩尔－库伦(Mohr-Coulomb)强度理论。1857，年发表了朗金(W．Rankine)土压力理论；1856年，发表了达西(H．Darcy)渗流理论。但由于对土的基本性质缺乏研究，这些理论没有应用到土坝设计上去，所以那时建造的土坝结构很不合理，发生事故较多。1922年巴甫洛夫斯基(Лaвлoвскии)对土的渗流理论进行研究，提出土坝渗流计算方法。奠定了土坝设计的理论基础；1925年太沙奇(Karl Terzaghi)对土的物理力学性质进行研究，建立了有效应力原理和固结理论；1933年普洛克特(R．R．Proctor)的击实试验和压实理论；1936年虎根托格勒(Hogentogler)的水膜润滑理论，奠定了土坝施工压实理论基础。1916年彼德森(K．E．Peterson)提出坝坡稳定计算的圆弧条分法，后由费伦纽斯(Ferenneus)作了改进，瑞典国家委员会发表了滑裂面研究报告，称为瑞典圆弧法。1955年毕肖普(A．W．Bishop)提出考虑土条间作用力的圆弧滑动法。1965年，摩根斯坦(N．R．Morgenstern)和普拉斯(V．E．Price)提出任意形状滑裂面并考虑土条间作用力的稳定计算法。1973年，琼布(N．Janbu)提出有超载的任意土坡面任意滑裂面形状并考虑土条间作用力的计算法。这些都基于刚体极限平衡原理，没有与土的应力应变关系联系起来。60年代中期以来，应用电子计算机进行土坝非线性有限元分析，将滑裂面上的法向力减去孔隙水压力再乘内摩擦系数作为抗滑力，将滑裂面上的剪力作为滑动力，抗滑稳定安全系数由前者除以后者得到。以前，土坝的应力变形计算，只能近似地以土柱自重压应力作为竖向应力，并由此压应力按压缩曲线分层计算近似的竖向位移。1939年，布鲁格门(L．R．Bruggeman)和布拉茨(J．H．A．Braht)考虑土坝为弹塑性体，服从弹性平衡微分方程而不服从相容微分方程，并满足坝边界上应力为零，坝内任何点均保持平衡，总水平应力与总竖向应力之比等于侧压力系数3个条件，推导了修正应力函数，得出坝体应力等于土柱自重压应力减去修正应力函数。电子计算机问世以后，用有限元法计算土坝应力和变形已经没有困难。而重要的是所采用的土的本构关系及其参数的真实性和合理性。1970年，邓肯(J．M．Duncan)和张(C．Y．Chang)提出E-v非线性弹性模型及后来补充的E-B非线性弹性模型。1968年，罗斯柯(K．H．Roscoe)、旭斐尔德(A．N．Schofield)等提出剑桥弹塑性模型。1975年，拉德(P．V．Lade)和邓肯提出拉德－邓肯弹塑性模型。1976年，科斯拉(V．K．Khosla)和吴(T．H．Wu)提出科斯拉－吴弹塑性模型。70年代中期以来，碾压式堆石筑坝尤其是混凝土面板堆石坝以其经济可靠而享誉世界，为了进行应力变形计算，堆石的本构关系通过使用大型三轴仪作试验研究得到一些成果。1980年查尔斯(J．A．Charles)对碎石作了大三轴试验，表明其破坏准则为指数曲线。堆石的内摩擦角可表示为法向应力的对数函数。在三维有限元分析中，中国河海大学考虑堆石与混凝土面板、地基与混凝土防渗墙、混凝土面板接缝、坝与水体等的相互作用，提出了整套结果。【参考文献】：1 Maurice Levy，Compt rend acad Sci．，1895，8(5)2 Wegmann E．，The Design and Construction of Dams，John Wiley，Sons，19273 Flinn A．D．，Arch Dam Investigation，Am．Soc．Civil Eng．，1927，14 Creager W．P．，Engineering for Masonry Dams，John Wiley & Sons，1929，25 Ivan E．Houk，Trial Load Analysis of Curved Concrete Dam，The Eng．，1935，7(5)6 Bruggeman L R，Zangar C N，Brahtz J H A．Notes on Analytical Soil Mechanics，Tech．Mem．592，U．S．Dept．of Interior，Bur．of Recl，19397 Boulder Canyon Project，Final Report，U．S．Dept．of Interior，Bur．of Recl．，1941，48 Zienkiewicz O C．，The Stress Distribution in Gravity Dam，Jour．of Inst of C． E，1947，279 黄文熙．水利学报，1962，510 顾淦臣，张振国．水力发电学报，1988，1(河海大学顾淦臣教授撰；林益才教授审) |
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