重力壩
Gravity Dam

水力發(fā)電主要利用勢能,利用勢能必須有落差,在落差較大的河段修建攔水大壩,建立水庫蓄水提高水位,在壩外安裝水輪機(jī),水庫的水流通過輸水道到壩外低處的水輪機(jī),水流推動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,所以大壩是水電站的主要配套建筑物。

大壩有多種,根據(jù)抵抗水頭壓力的機(jī)制不同,可分為重力壩、拱壩支墩壩。重力壩顧名思義就是利用壩體自身重量來抵抗上游水壓力并保持自身穩(wěn)定;而拱壩則是像拱橋一樣,是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物,借助拱的作用將水壓力的全部或部分傳到河谷兩岸的基巖上;按筑壩材料的不同,可分為土石壩、混凝土壩、橡膠壩、鋼閘門壩等;按壩體能否活動(dòng)可分為固定壩與活動(dòng)壩,橡膠壩、鋼閘門壩屬于活動(dòng)壩。

大壩的劃分還按施工方式的不同劃分,按庫容和效益指標(biāo)劃分,按安全性劃分,這里就不再介紹了,本欄目僅介紹水電站常用的重力壩、拱壩、土石壩、支墩壩,本節(jié)介紹重力壩。

   實(shí)體重力壩

重力壩是古老的壩型,至今仍是最重要的壩型,只不過古代是用土石料填筑而成,現(xiàn)代用鋼筋混凝土筑成,現(xiàn)代說的重力壩單指混凝土重力壩。圖1是重力壩剖面示意圖,重力壩依靠自身重量壓在壩基上以摩擦力與粘附力維持壩體的穩(wěn)定,重力壩基本剖面呈三角形,見圖1左圖。右圖是一段重力壩示意圖,壩身分段筑成,段間有橫縫,各段獨(dú)立承受水的壓力。

重力壩壩體是實(shí)心的,稱為實(shí)體重力壩,重力壩對(duì)地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng),剖面大、自重大使其穩(wěn)重,分段結(jié)構(gòu)使其有較強(qiáng)的抗地震、抗戰(zhàn)爭破壞能力。

實(shí)體重力壩

圖1--實(shí)體重力壩

重力壩是大中型水電站使用最多的壩型,例如中國第一大水電站,世界第一大水電站三峽水電站壩高181米,是混凝土實(shí)體重力壩,見圖2。

三峽水電站

圖2--三峽水電站(照片來自網(wǎng)絡(luò))

中國第三大水電站,世界第五大水電站向家壩水電站壩高161米,見圖3,也是混凝土實(shí)體重力壩。

建設(shè)中的向家壩水電站

圖3--建設(shè)中的向家壩水電站(照片來自網(wǎng)絡(luò))

實(shí)體重力壩的缺點(diǎn)主要是建筑材料用量大,工程量大,而且壩中部許多材料僅起填充、加重作用,對(duì)壩體強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小。壩體與壩基接觸面積大,壩底的揚(yáng)壓力也大,不利于壩體的穩(wěn)定。

壩底的揚(yáng)壓力是上游蓄水滲透到壩體與壩基之間的縫隙產(chǎn)生的壓力,其向上的作用力會(huì)抵消部分壩體重量,影響壩體穩(wěn)定。

   寬縫重力壩

為有效利用建筑材料的強(qiáng)度,減少材料消耗,減小壩低揚(yáng)壓力,采用減少壩體中部材料的方法,這就有寬縫重力壩與空腹重力壩。

寬縫重力壩就是把壩的橫縫(內(nèi)部部分)很寬,也就是把每節(jié)壩體的內(nèi)部部分減薄,使兩節(jié)壩體間的橫縫加寬。圖4是寬縫重力壩結(jié)構(gòu)示意圖,在右邊圖中把靠前的4個(gè)壩體水平剖開,可清楚看到每段壩體間的寬縫。寬縫重力壩壩體比實(shí)體重力壩可節(jié)省建筑材料10%至20%,壩體與壩基接觸面積相對(duì)小一些,壩基中的滲透水可從寬縫處排出,使壩低揚(yáng)壓力減小。施工時(shí)可根據(jù)各壩段地質(zhì)條件采用不同的縫寬。

寬縫重力壩的主要缺點(diǎn)是施工模板的種類與數(shù)量相對(duì)實(shí)體重力壩要增加,施工難度增大,工作量增大。

寬縫重力壩

圖4--寬縫重力壩

我國新安江水電站采用寬縫重力壩,壩高105米;潘家口水電站采用寬縫重力壩,壩高107.5米;還有丹江口、古田四級(jí)、黃龍灘等水電站也采用寬縫重力壩。

潘家口水庫大壩

圖5--潘家口水庫大壩(照片來自網(wǎng)絡(luò))
 
   空腹重力壩

空腹重力壩的下部中間部分是空心的,空洞部分稱為腹孔,壩體重量通過前腿與后腿傳給壩基,見圖6,空腹重力壩比寬縫重力壩進(jìn)一步降低揚(yáng)壓力,而且可利用腹孔作為水電站廠房。

空腹重力壩的主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工技術(shù)復(fù)雜,施工模板的種類與數(shù)量多,鋼筋等材料多。

空腹重力壩

圖6--空腹重力壩

廣東楓樹壩空腹寬縫重力壩最大壩高93.3米,壩頂長418米,壩底最大寬度87.1米,空腹高31.25米,寬25.5米,水電站廠房在壩內(nèi)空腹中。

楓樹壩空腹重力壩

圖7--楓樹壩空腹重力壩(照片來自網(wǎng)絡(luò))
 
   水壩的泄水

上述的水壩能檔水但不能泄水,也稱之為非溢流重力壩,當(dāng)水庫水滿或下游需水時(shí)就必須放水,水壩必須有泄水能力,一般來說將水壩中的一段筑成有泄水功能的壩,這段壩稱之為泄洪壩段。

   溢流重力壩
   壩頂溢流式重力壩

溢流重力壩既能檔水又能泄水,采用壩頂表孔溢流,超出庫容的洪水可從壩頂泄向下游。圖8左圖是壩頂式溢流重力壩剖面圖,溢流重力壩高度比正常蓄水位略低,平時(shí)閘門下落關(guān)閉,水庫正常蓄水。需要泄水時(shí)則提升閘門,水流泄出,見圖8右圖,溢流重力壩的設(shè)計(jì)既要滿足正常蓄水的要求,又要滿足在大洪水時(shí)能充分泄去超出庫容的水。

壩頂溢流式重力壩

圖8--壩頂溢流式重力壩

圖9是溢流重力壩結(jié)構(gòu)示意圖,圖中右側(cè)是非溢流重力壩,左側(cè)4段是壩頂溢流式重力壩。溢流重力壩分成多段,每段間設(shè)有閘墩,閘墩間安裝有閘門,在閘墩上方是公路橋,在橋面上還有閘門啟閉機(jī)負(fù)責(zé)閘門的啟閉(圖中未表示)。這種壩頂溢流孔也稱為表孔。

在溢流重力壩與非溢流重力壩之間有導(dǎo)水墻,防止溢流漫到非溢流壩段。在溢流壩下游面的尾端有向前上方的挑角,可對(duì)泄出的水進(jìn)行消能減速,以保護(hù)下游河床。

溢流重力壩結(jié)構(gòu)

圖9--溢流重力壩結(jié)構(gòu)

有些水電站的溢流重力壩同時(shí)是空腹重力壩,楓樹壩水電站的溢流重力壩內(nèi)是發(fā)電機(jī)廠房,泄水從廠房上方流過,圖7顯示楓樹壩水電站有2個(gè)泄水孔在泄水。圖10是新安江水電站壩頂泄水時(shí)的照片。

新安江水電站泄水

圖10--新安江水電站泄水(照片來自網(wǎng)絡(luò))
 
   大孔口溢流式重力壩

把溢流孔設(shè)在上游正常水位線以下,溢流孔上方用胸墻攔水,見圖11左圖,升起閘門則進(jìn)行泄水,見圖11右圖,稱之為大孔口溢流式重力壩。由于孔口低,庫內(nèi)水位可調(diào)節(jié)范圍大,在大洪水來前可騰出較大的防洪庫容。

大孔口溢流式重力壩的主要缺點(diǎn)是不利于洪水中漂浮物的排出。

大孔口溢流式重力壩

圖11--大孔口溢流式重力壩
 
   壩身泄水孔

為了排泄泥沙、放空水庫、向下游供水(水位不夠溢流壩高時(shí)),在非溢流壩或溢流壩的壩體下方設(shè)置排水孔,既可排泄泥沙又可用于放空水庫,稱為深式泄水孔水壩。

壩身泄水孔比大孔口溢流式重力壩的泄水孔要底得多,整個(gè)泄水通道是從壩體下方通過,見圖12。在深孔內(nèi)安裝有弧形閘門攔住進(jìn)水,在弧形閘門上方啟閉機(jī)廊道里安裝有閘門啟閉機(jī)控制閘門的啟閉。左圖是弧形閘門關(guān)閉時(shí)的狀態(tài)示意圖,右圖是弧形閘門開啟進(jìn)行泄流時(shí)的狀態(tài)示意圖。

深式泄水孔水壩

圖12--深式泄水孔水壩

一般采用壩下泄洪深孔的大壩同時(shí)具有壩頂溢流的功能,三峽大壩的泄洪壩段就同時(shí)具有壩頂溢流表孔與壩下泄洪深孔,共有22個(gè)表孔、23個(gè)深孔,相隔而設(shè)。進(jìn)行泄流的主要方式是壩下深孔泄流,在泄流的同時(shí)把上游泥沙帶走,避免大量泥沙淤積在庫內(nèi),圖13是上游看三峽大壩的照片,此時(shí)尚未正式蓄水,可看到泄洪深孔與表孔。

三峽大壩泄洪孔

圖13--三峽大壩泄洪孔(照片來自網(wǎng)絡(luò))

圖12是三峽大壩深孔泄流的照片。

三峽水庫深孔泄水

圖14--三峽水庫深孔泄水(照片來自網(wǎng)絡(luò))
 
   廠房壩段

作為水電站的大壩還有廠房壩段,該段堤壩后(下游)有發(fā)電機(jī)廠房,有關(guān)介紹見“壩式水電站”課件。

 
 
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