大坝的断面一个是阶梯状 一个是很平滑的坡,有什么不同吗?

【啊邦同学的回答(68票)】:

谢邀。这是个长答案。

先吐个槽，我不太喜欢在知乎上回答自己专业的问题，主要是因为从某个点写起，要加入其它点的很多东西，否则你们看不懂。

如果说答我专业的题是为了获得知识的温故而知新，那简直是扯淡——我写长了大家不会看也不会赞，就是浪费我时间，而这东西我早就知道了，温故毛线。

但由于前段老被邀请回答感情类问题，导致之前和我互相关注的几个网红大V已经把我取消关注了，

大概是他们觉得俺是个只会挑那种大众都能下口的情感问题回答并劝人分手的二百五。

所以接下来我为了露两手，马上要开始装B了。

首先，大坝的断面，嗯，上头那两个坝是重力坝，那按我习惯叫重力坝的剖面好了，重力坝剖面的设计原则是什么？

无非以下几点：

1、满足稳定和强度要求，保证大坝安全；

2、工程量最少；

3、外部形状简单，便于施工；

4、运行管理方便。

其中第一点最重要，因为大坝不安全，一出事就是国家级大新闻，必须得安全，第二第三点互补，四基于一二三。

要想大坝安全，先要满足受力条件，

一般情况下，重力坝的主要荷载有以下几种：静水压力、自重、扬压力。

当上游水位与坝顶齐平时，静水压力P与H2（其中H为最高静水头）成正比。

此时，为维持坝体自身的稳定，重力坝的主要荷载自重W也应与H2成正比。

因此重力坝的基本剖面为三角形。

基本剖面一般指：坝体在自重、水压力和扬压力三个主要荷载作用下，满足稳定和应力控制条件的最小三角形剖面。

就像下面这个图：

H——最高静水头H——最高静水头

U——扬压力

P——静水压力

W1——坝体自重

W2——坝体迎水面上水重

我说的是，主要荷载简图，如果想抬杠的话，我也可以放这种图：

扯远了。

但是，基本剖面只是数学上的理想剖面，在工程上是不会这么干的，尽管从理论上讲，基本剖面虽然经济，但不实用，主要原因有三：

1、坝顶是一个尖顶的话，不便于施工、运行管理和交通。请想象金字塔塔尖。

2、坝高不能刚好与水位齐平，必须有一定的超高。否则光一个浪打过来就漫坝，搞毛线。

3、不光要建大坝，还需要有厂房，厂房坝段需设闸门和拦污栅，上部需要做成垂直的。

于是我们引入实用剖面的概念，

实用剖面，就是工程建设中，考虑运行要求和其它荷载影响，对基本剖面进行修改之后的剖面。

简单来说，数学计算的理想剖面这玩意好，但是太理想了，空谈误国实干兴邦，现实没人这么干，我们都这么干的：

上图是非溢流重力坝三种常见的实用剖面。上图是非溢流重力坝三种常见的实用剖面。

接下来再引入一个概念，啥叫溢流？

简单来说，溢流坝重力坝——既可挡水，又可泄水的水工建筑物，非溢流坝重力坝——挡水的水工建筑物。

实用剖面的基本三角形顶点一般在上游最高水位附近。

说到这里，我们先来看下方那张黑色的图，像素比较低，看不清楚，说实话我学艺不精，没见过下图那个坝出自哪里，主要从图中观察出以下特点：

1，坝体相对肥大，耗材较多，应为重力坝。

2，坝顶有防浪墙，有过道。

3，坝趾处有桥，没发现最低水位，说明不过水，应为建设年代较久远、不过水的非溢流坝。

那么问题来了，为啥搞成一个阶梯式的呢？

我认为有以下几点原因：

1，坝身不过水，单纯作为非溢流重力坝。坝主要的任务是挡水，因此首要需满足挡水的受力条件。

那么，什么样的断面可以满足受力条件呢？倒金字塔形可不可以呢？

得算了才知道。

在此我们对重力坝做个应力分析（简单来说就是看它如何受力，受多少力）

用最简单的材料力学法分析，先做个基本假定：

（1）坝体材料为均质、连续、各向同性的弹性材料。

（2）坝段为固结于地基上的悬臂梁，各坝段独立工作，横缝（各坝段之间连接的缝）不传力。

（3）地基的变形对坝体的应力没有影响。

（4）水平截面上的垂直正应力呈直线分布。

如图：

图可以不用看，只是为了假设。

假设水平截面上的边缘垂直正应力σyˊ 和σy 〞，分别代表上下游，不考虑扬压力的时候。

那么假定任一水平截面上的垂直正应力σy呈直线分布，就可用材料力学偏心受压公式计算了。

计算省去，反正大家看不懂。

最后如图：

看上图，得出两个结论如下：看上图，得出两个结论如下：

1）水平截面的宽度T的中间三分之一是“截面核心”，当合力R作用线交于“截面核心”以内时，上下游边缘的垂直正应力均为正值，即压应力；

2）当合力R作用线交于“截面核心”以外时，靠近交点一侧的边缘上垂直正应力为压应力，远离交点一侧边缘上的垂直正应力为拉应力。

上面两个结论对重力坝的设计十分重要。

什么意思呢？

简要来说就是，当W也就是自重大的时候，合力R在截面核心之内，此时，坝体水平截面的的上下游处垂直正应力均为压应力。

而当W不够大，或者说P太大的时候，远离核心的地方的垂直正应力是拉应力，出现的地方往往是上游。

而上游出现垂直正应力是拉应力是非常不利的，简单来说，坝会翻。

为了防止坝翻，大家的第一想法大概都是，加厚，加重，对吧，对的，理论上把坝做得和地球那么大就不会翻了。

开玩笑。

所以，上面黑图的那个坝，之所以做成阶梯状那么肥大，首先是为了满足在技术条件不成熟的情况下大坝自身的稳定和安全。

第二个原因是方便制模和浇筑。

重力坝断面较大，需要分期分缝分块浇筑，比如说纵缝，施工时由于受到混凝土浇筑能力的限制和温度控制的要求，常须设置平行坝轴线方向的纵缝将坝段分成若干块浇筑，并在适宜的时间进行纵缝灌浆使坝成为整体，然后水库才开始蓄水。

在浇筑过程中是需要相当严格而精湛的浇筑技术的，显然阶梯状的坝体更利于在技术不达标的时候连续作业。

因为浇筑的时候是需要制作模具的。

再说说第一张图，首先抱歉，这个应该不叫做平缓的坡，上面那个虽然通行，但也不叫桥，

而是这个东西，从教材上拿的：

黄色那张图空空的应该是闸门。黄色那张图空空的应该是闸门。

那么，第一张图的大坝的断面为什么要设计成这个坡呢？

因为，溢流重力坝既是挡水建筑物，又是泄水建筑物，既要满足稳定和强度的要求，又要满足水力条件的要求。

其中水力条件要求包括以下几点：

1）足够的泄流能力；

2）使水流平顺地流过坝面，避免产生振动和空蚀；

3）应使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷，不影响枢纽中其它建筑物的正常运行。

如果像黑色那张图那么搞，不行，流速一大的话，绝对要使坝体震动并且空蚀，

时间一长，大坝就完蛋了。

我们老师说98年隔河岩泄流的时候，整个大坝坝体就像地震一般抖动，声若响雷，虽然隔河岩那是拱坝，

不过，共性而言，大坝泄流其实是非常恐怖的一件事情，因为高速水流的动能和势能都非常大，混凝土在它面前根本不经刷。

再说到图1，这是典型的坝顶溢流式重力坝，

坝顶溢流式重力坝又可分为非真空剖面堰和真空剖面堰两种类型。

目前，我国水利水电工程中应用较广的是非真空剖面堰，这样可以有效防止泄流时候的空蚀。

其坝面曲线有克—奥曲线和幂曲线（或称WES曲线）两种，在某种情况下克—奥曲线定出的重力坝剖面较肥大，常超出稳定和强度的需要，简而言之，浪费钱，所以我国现在设计多用WES曲线。

比如说，第一张图的”平缓的斜坡“，其实就是WES曲线。

整体像这样

它主要包括以下部分，

1.堰顶上游堰曲线（ao段）：一般采用三心圆曲线或椭圆。

像这样：

2.ob曲线：一般采用WES曲线或克—奥曲线。

3.bc直线段：坡度与一般非溢流坝一致。

4.cd反弧段：应使水流平顺进入下游消能段。

5.衔接段de，若是挑流消能段。其实主要由溢流坝下游消能型式确定，像这样。

所以，黄色那张图的缓坡之所以这么设计，主要原因是，它是溢流重力坝，因此：

1，高水头溢流坝泄水时，由于流速很高（可达30～40m/s），产生了一系列问题如空蚀、掺气、脉动等，设计时必须予以考虑，减缓这些不利因素。

2，通过坝体的下泄水流具有很大的能量，例如，当单宽流量q=100m3/s·m，上下游水头差H=50m，则在1m宽的河床上水流的势能差约50MW，q、H越大，势能差也越大，所以必须要考虑与下游的衔接，通过水流的内部损耗，如摩擦、冲击、紊动、漩涡，以及水流与固体边界作用，如摩擦、冲刷等进行消能防冲。

其实这么做，说到底，还是回到我刚才说的重力坝的设计原则第一条：1、满足稳定和强度要求，保证大坝安全；

感谢阅读。

【王守光的回答(6票)】:

谢邀。

两幅图坝体上游面都做成略向上游倾斜，这样做是为了利用水重，增加坝体竖向受力，增强坝基抗滑稳定性。下游面区别较大，我觉得它们主要有以下几个不同：

1.受力形式。水的压强是与水深成正比的，重力坝上游面受水的水平压力呈三角形分布，见图：

由于水压力从上到下线性增加，坝体的水平宽度应该相应地也是从上到下线性增加，这样可以充分利用材料受力，实际上重力坝的理论断面就是一个三角形，所以这是一种最常见的坝型，就是问题里的图一。###题主说这是一个很平缓的坡，我看不出它哪里平缓...这坡还是挺陡的呀...###

至于图二，下游面做成不连续的阶梯状实际上是对材料的浪费。阶梯凸出的混凝土区域应力很小，根本发挥不出受力性能。

2.溢流形式。重力坝坝体常常要具备溢流能力。图一是溢流坝段，水顺着斜坡滑下来，接底流消能、面流消能或者挑流消能等等。图二是不能溢流的，有人说阶梯不是正好抵消水跌落的能量吗？确实可以抵消，但这会引起坝体严重的空化空蚀，长期下去是很危险的，坝身被破坏那水库就失去了存在的根基，所以消能不可能直接放在坝身上。

3.交通形式。图一坝体上面是桥，坝左右两岸通行只能走桥上走。图二坝顶是过道，坝下游面阶梯还可以产生很多条过道，因此有很多条路连接左右两岸，交通是很方便的。

两种坝体浇筑方式实际上是差不多的，都是要分仓分块浇筑，但是图二由于下游面竖直所以要稍微容易一些。

总的来说，这两种坝体断面形式各有千秋，具体使用什么断面要根据工程任务和工程规模来确定，但图一的断面形式更常见，从以上叙述中也可以看出图一的优点比图二也要多很多。

【蓝文的回答(7票)】:

上图是溢流坝段。

下图是非溢流坝段，理由：1、坝顶上游侧是防浪墙，下游侧是防护栏杆，显然是过道；2、溢流堰顶不会做成锐角，会产生空蚀；3、溢流坝段底部不会再布置引水管道。

下图的非溢流坝段，可以看出来是重力坝，做成台阶状，主要是从施工方便考虑，垂直模版比倾斜的模版更容易安装，混凝土振捣时，也更容易到位。

【二崽子的回答(5票)】:

增加水流与坝面接触长度。消能。

【林巨的回答(0票)】:

这两种坝体断面形式各有千秋，具体使用什么断面要根据工程任务和工程规模来确定，但图一的断面形式更常见，从以上叙述中也可以看出图一的优点比图二也要多很多。

【花儿的回答(0票)】:

重力坝坝体常常要具备溢流能力。图一是溢流坝段，水顺着斜坡滑下来，接底流消能、面流消能或者挑流消能等等。图二是不能溢流的，有人说阶梯不是正好抵消水跌落的能量吗？确实可以抵消，但这会引起坝体严重的空化空蚀，长期下去是很危险的，坝身被破坏那水库就失去了存在的根基，所以消能不可能直接放在坝身上。

【FangChouHe的回答(0票)】:

@啊邦同学 和@蓝文 的答案很好，不过我觉得合并起来答案才完整。

即1.大坝设计成类似三角形的原因（见阿邦同学的答案）和2.为什么（非溢流坝段是）阶梯状（蓝文的答案）。

第二张图是非溢流坝段，使用阶梯形状可能更多是考虑施工浇筑使用模板的简单方便。

事实上，图一的形状更多是考虑水流能否平顺地流过坝面，不给坝面带来破坏，故往往断面曲率会有一些变化（不同体型的选择）。而过坝水流消能往往在下游通过挑流、底流、面流等方式消能。图二是非溢流坝段，故不用考虑坝面的平整度。因为不用过水没有气蚀破坏。而对于图一而言，因为过水，施工时要求较高，溢流坝面必须要光滑，才能减少气蚀破坏，这样施工既不方便，造价也会提高。

另外，溢流坝段也有做成阶梯式的，不过考虑到气蚀的影响和大坝的稳定性，一般低水头用的较多，类似的新型消能工国内其实已经有一些研究啦，重在如何防止气蚀破坏及提高消能效率。

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