混凝土坝

背景

混凝土坝有四种基本形状。混凝土重力坝以重量为强度。这座大坝的横截面呈三角形，宽底约为大坝高度的四分之三。大坝上游水库中的水水平推动大坝，重力坝的重量向下推动以抵消水压力。混凝土扶壁坝还利用其自重来抵抗水力。然而，它更窄，在下游侧的坝基或坝脚处有扶壁。这些扶壁可能是从大坝表面延伸出来的窄墙，很像支撑大教堂墙壁的“飞扶壁”，或者像沿着大坝脚趾的宽度建造的短坝一样的单个扶壁。

拱坝是最优雅的土木工程结构之一。在横截面上，大坝的宽度很窄，但从上面看，它是弯曲的，因此拱形面向水面，而曲线的碗状结构则向下游看。该设计使用混凝土的特性作为其强度。混凝土的张力不强（当它被拉或拉伸时），但它的抗压性很强（当它被推或压时）。拱坝利用其后水的重量推动混凝土并关闭任何接缝；水的力量是大坝设计的一部分。拱重力坝顾名思义是拱型和重力型的结合；它是一个更宽的拱形。多拱坝将拱和扶壁设计技术与由扶壁支撑的多个单拱相结合。

混凝土坝比填筑坝更常用于生产水力发电，因为可以在混凝土中建造闸门（也称为水闸）或其他类型的出口结构，以便以受控方式从水库中释放水。当下游需要电力、饮用水或灌溉用水时，可以打开闸门以在指定时间内释放所需的水量。水可以保持在下游河流中流动，因此鱼类和其他野生动物可以生存。混凝土水坝和填料水坝都需要有紧急溢洪道，以便洪水可以在水流过大坝顶部或顶部并可能侵蚀它之前安全地向下游排放。溢洪道将水引向下游和大坝底部或底部下方，因此大坝及其地基不会受到侵蚀。

大多数建于 20 世纪和今天正在设计的水坝有多种用途。存在超过 40,000 座高于 45 ft (15 m) 且被归类为大型水坝的水坝，其中一半以上是 1960 年以来建造的。在这些水坝中，16% 在美国，52% 在中国​​； 83% 是主要用于蓄水的蓄水坝，其余 17% 是具有多种用途的混凝土或砖石坝。产生水力发电的大坝产生了世界上 20% 的电力。

历史

填充水坝可能是一种比混凝土或砖石水坝更古老的建筑技术，但现存最古老的水坝是位于埃及开罗以南约 20 英里（32 公里）处的萨德卡法拉大坝。这座大坝实际上是由两堵砖墙组成的复合体，中间填满了砾石；它建于公元前 2,950 至 2,750 <小> 公元前

古罗马人开发了高超的砖石建造技术，但奇怪的是，他们并不经常在大坝建设中使用他们的砖石技术。一个例外是西班牙梅里达的 Proserpina 大坝，它今天仍然屹立不倒。罗马人的发展并没有被其他人忽视。在大约 550 A.D. ，罗马帝国东部边缘的拜占庭人使用罗马砖石拱门的形状建造了历史上认为是世界上第一座拱形重力坝。大坝建设是随着征服者来到美国的。在墨西哥，他们看到需要灌溉的旱地，并模仿罗马人、穆斯林和西班牙基督徒在他们家乡建造的水坝；天主教会资助建设，许多传教士都是熟练的工程师。

在工业革命之前，欧洲的水坝建设很少见。北方气候降水较多，水力自然产生，水源充足。然而，在 18 世纪，工业的兴起需要以更大的力量提供持续、可靠的水力供应，因此砖石和混凝土大坝建设在欧洲变得流行。工业革命还推动了科学和工程的发展，土木工程专业，包括设计和建造结构以提高生活质量，于 1850 年代诞生。早期的土木工程师开始研究艾萨克·牛顿爵士的物理学和其他科学理论，并将其应用于包括水坝在内的实际结构。

宾夕法尼亚州奥斯汀大坝于 1911 年 9 月 30 日失灵后的遗迹。

1911 年 9 月 30 日，位于宾夕法尼亚州中北部山区的奥斯汀镇（人口 3,200）被汹涌澎湃的山谷淹没，山谷狭窄而崎岖不平。这股力量从街道下面撕裂了煤气管道；水墙一过，一股不规则的火焰点燃了煤气，火从煤气管跳到煤气管，从一座房子跳到一座建筑物，遍布这座拥有 30 年历史的奥斯汀小镇的遗迹。最初的报告声称有 1,000 人丧生，但后来的信息显示死亡人数在 50 至 149 人之间。这种悲痛的根源也是奥斯汀的生计来源。 Bayless Pulp and Paper Mill 拥有这座混凝土坝，它建于 1909 年，为其耗水量大的制浆造纸业务提供蓄水池。这场灾难的前兆发生在 1910 年 1 月，当时在冬季强降雨和融雪之后，大坝出现裂缝。裂缝得到了修复，但并未被视为与基础、设计和结构施工相关的问题的迹象。

随着 1909-10 年冬天的临近，大坝仍在建设中。当一些混凝土浇筑时，温度低于冰点，施工的最后阶段匆忙完成。大坝于 1909 年 12 月 1 日左右竣工，建造完成时，可以看到从坝顶垂直延伸到地面的裂缝。到月底，出现了第二次裂缝。两条裂缝似乎都是混凝土收缩造成的。 1910 年 1 月 17 日，一场温暖的天气带来了大雨并导致融雪迅速，四天后，洪水从溢洪道上倾泻而下。

奥斯汀大坝的所有技术方面都很差。施工失败是显而易见的，包括在寒冷的天气中将弱的、超大的骨料放置在固化不当的混凝土中。当 1910 年 1 月的破坏发生时，表明大坝结构和基础基岩已经破坏。业主/运营商无视工程师推荐的维修是致命的印记。

原材料

混凝土坝的关键原材料是混凝土本身和钢筋。由专业承包商制造的许多其他材料和部件可用于大坝建设，包括钢闸门和隧道衬里、橡胶止水带、防止水流动的塑料填缝剂、电气控制和布线、虹吸管、阀门、发电机，各种各样的仪器，甚至是特氟龙薄膜来衬在出水口结构上，以防止湍流和气蚀（由于涡流造成的损坏）。

混凝土本身是由水泥、水和由沙子或砾石组成的统称为骨料的材料制成的。水泥具有独特的性能，必须在选择水泥、设计大坝和定时施工时加以考虑。水泥和水混合会引起化学反应，使混凝土变硬，但也会释放热量。这会导致大量混凝土内部的温度明显升高，并且当混凝土开始冷却时，它会收缩和开裂，从而可能导致泄漏。为了限制这些影响，可以在气温较低时浇筑混凝土，使用低热水泥，并且可以通过混凝土中的管道使水循环。此外，混凝土必须放置在浅层（即一次只增加几英尺或几米）和狭窄的块中；然后必须让它在指定的最短时间内固化，以便散热。根据大坝的设计，工程师会非常仔细地选择混凝土混合物（包括水泥和骨料类型）；与大型重力坝相比，薄拱坝采用不同的混凝土混合物设计。

设计

混凝土大坝的设计取决于大坝的用途和建造地点的配置。大坝有两种一般类型。溢流坝阻止溪流中的水流并利用水来发电或改善航行并提供灌溉用水。溢流坝的部件设计成可以释放水，并且通过一系列闸门、溢洪道或出口隧道来调节水库中的水位。非溢流水坝为饮用水供应、灌溉或电力储存水；它们也有溢洪道，但它的使用仅限于紧急情况，以便在洪水期间迅速降低水位。释放储存水的方法比溢流大坝要有限得多，大坝本身可能不包含任何出水口结构。取而代之的是，可以从水库的一部分泵出水用于灌溉。

有些站点最适合特定类型的水坝。拱坝最适合在高而窄的峡谷中建造，其中结构形状的拱门提供了强度。但是，也可以在更宽的峡谷上建造拱门，大坝底部的摩擦等其他影响会增加强度和运动阻力。同样，重力坝是浅而宽的峡谷的典型选择，但如果它以一定的曲率建造，拱形作用也会在更窄和更高的峡谷中加强重力坝。在河床特别宽的地方，大坝可以设计成有几个跨度，每个跨度都有不同的工程特性，这取决于地基材料的变化。单独的跨度通常在下游（空气）侧由扶壁或多个拱的延伸曲线支撑。有时，多跨大坝的跨度由支撑在桥墩上的混凝土板或钢板构成。

像填水坝一样，混凝土坝要经过多轮初步设计和可行性研究来选择和探索场地，以评估保留的水量及其价值（作为动力源或供应源）与项目成本预期的运营年数，考虑到环境变化等广泛的其他影响，并选择最佳尺寸和配置的大坝。这些研究涉及数百个因素，并且该过程通常是迭代的。选择一个设计并针对所有这些因素进行测试，直到它不能满足一个或多个因素，然后选择和研究设计的下一个变体，直到它失败或通过。

混凝土坝的设计过程通常涉及比填料坝设计更广泛学科的专业人员。为混凝土大坝设计贡献专业知识的技术专业人员可能包括地质学家、地震学家、环境科学家、岩土（土壤）工程师、土木工程师、结构工程师、计算机分析师（检查大坝强度和安全性的软件应用专家）、如果大坝要用于发电，则需要水文学家和水利工程师、机械工程师和电气工程师。更多的专家可能会研究混凝土和钢结构的腐蚀等方面。大坝设计和施工所需的团队合作至关重要，不仅因为这些项目的成本巨大，而且因为安全 典型的混凝土拱形重力坝方案示例。对下游的人员和财产要求完善。

施工过程

1. 在任何大坝开始施工之前，河床中的水必须被分流或阻止流经现场。与填水坝的情况一样，必须建造围堰（用于蓄水的临时结构），或者必须将水转移到坝址下游的另一个渠道或区域。对于大型项目，这种施工可能会在大坝开始建造之前的几个季节完成。水流在最后一刻关闭。

2. 在浇筑第一个混凝土坝之前，任何混凝土坝的地基区域都必须完好无损。至于填筑坝，这是在整个地基“足迹”和两个桥台（形成坝端的峡谷两侧）上挖掘、清洁和修复岩石的详细过程。任何发电厂、消力池或其他结构的紧邻大坝下游的场地也必须准备好。

   在某些站点，可能需要大量工作。如果地基或桥台中的岩石由于大坝及其水库施加的载荷、地震活动或岩石的性质而容易破裂，则可能需要安装广泛的岩石锚杆或地脚螺栓系统。通过潜在的断裂带灌浆到岩石中。在大坝上方的桥台上，可能需要岩栓和网系统来防止大块岩石碎片掉到大坝上。监测地下水位、联合运动、潜在渗流、斜坡运动和地震活动的仪器在地基准备的早期阶段开始安装，直至大坝竣工。

   可以在岩石中深挖一道防渗墙，或者在地基上钻孔，用于安装钢筋，称为钢筋，钢筋延伸到大坝中，并在大坝的第一次升降机内与钢筋相连。这个想法是建造一个水库，就像一个碗一样，在它的周围也同样健全。大坝处的水最深、最重（当水库接近蓄水能力时），因此大坝及其地基不能成为该周边的薄弱点。

3. 沿着大坝每个部分的边缘建造由木头或钢制成的模板。钢筋放置在模板内，并与之前安装的任何相邻钢筋相连。然后浇筑或泵入混凝土。每次提升混凝土的高度通常仅为 5-10 英尺（1.5-3 米），而要作为一个单元浇筑的每个坝段的长度和宽度仅为约 50 英尺（1.5-3 米）。 15 米）。随着大坝逐段升高并逐层提升，施工以这种方式继续进行。一些主要大坝建在称为块的部分中，带有连接相邻块以及结构钢连接的键或互锁。

   这个过程很像建造一座建筑物，只是大坝的内部空间要小得多；然而，令人惊讶的是，主要的混凝土大坝在不同层面都有观察廊，因此可以观察大坝内部的渗水和移动情况。进水和出水隧道或其他结构也穿过混凝土坝，这使得它们与尽可能少的结构穿透大坝质量的填充坝截然不同。

4. 一旦大坝的很大一部分建成，水库的蓄水过程就可能开始。这是以高度可控的方式完成的，以评估大坝上的应力并观察其早期性能。如果大坝建设时间超过一个施工季节，则建造临时应急溢洪道；漫长的建设通常分阶段进行，称为阶段，但每个阶段本身都是完全完成的，并且是一座可操作的大坝。作为临时预防措施，上游围堰可能会留在原地，但它通常不会设计为仅能容纳最少的溪流和降雨，并且会尽快拆除。根据设计，一些大坝在施工基本完成之前不会被填满。

5. 随着大坝上升，一旦达到其位置的海拔，就会添加使大坝运行的其他结构。最后的组成部分是大坝上游（水）侧（有时在出口结构底部的下游）的侵蚀保护、沿大坝顶部（顶部）的仪器以及道路、人行道、路灯和挡土墙。墙壁。像胡佛水坝这样的大坝在其坝顶有一条完整的道路；小型水坝将有维修道路，只允许车辆单列进入。

   典型的混凝土拱形重力坝横截面。高度为 280 英尺（85 米）。厚度从顶部的 16 ft (4.9 m) 增加到底部的 184 ft (56 m)。

   除了大坝本身，电厂、仪表楼，甚至大坝常驻运营商的房屋也都完工了。对大坝的所有设施进行了初步测试。

6. 随着大坝投入使用，建筑的最终细节已经完成。大坝的工作寿命的开始也作为设计项目精心安排，例如，一旦供水系统准备好向下游泵送和管道输送，水库中的水就可以使用。只要大坝存在，运营、日常维护、修复、安全检查、仪器监控和详细观察的计划将继续进行，并由法律强制执行。

质量控制

没有严格的质量控制，就没有大坝建设。仅建筑过程就涉及重型​​设备和对建筑工人和公众的危险条件。居住在大坝下游的人口必须在结构本身上得到保护；设计和建造这些项目的专业人员绝对致力于安全，他们受到地方、州和联邦机构的监督，如大坝安全部门、美国工程兵团和垦务部。

副产品/废物

尽管可能需要许多其他相关或支持设施来使项目工作，但大坝设计或建造过程中没有副产品。浪费也很少，因为材料太贵，不允许浪费。此外，地点通常偏远，将废物运离现场并进行处置的过程令人望而却步。可能从基础区域、下游场地、桥台或部分水库挖掘的土壤和岩石通常用于项目现场的其他地方。切掉或作为填充物放置的材料数量经过仔细计算以保持平衡。

未来

混凝土大坝的未来是许多争论的主题。每年有超过 100,000 人在洪水中丧生，防洪是修建大坝、保护河口免受潮汐侵袭和改善航行的主要原因。水坝也造福了人们的生活，因为它们为灌溉田和饮用水提供水源，而水力发电是一种无污染的电力来源。水库也可用于娱乐、旅游和渔业。

然而，大坝也对环境造成破坏。它们可以改变生态系统、淹没森林和野生动物（包括濒危物种）、改变水质和沉积模式、造成农田和肥沃土壤的流失、调节河流流量、传播疾病（通过建造大型水库作为病虫害的家园） )，甚至可能影响气候。也有不利的社会影响，因为人口流离失所并且没有得到令人满意的重新安置。

在中国三峡大坝于 1994 年开工建设之前的几年里，世界各地的环保主义者组织了抗议活动，试图阻止这个庞大的工程。他们没有成功，但关于这个项目的争议代表了所有拟建大坝在未来将面临的争论。必须仔细权衡满足人类对水、电和防洪的需求与保护环境免遭人类灭绝或侵占之间的平衡。