不要太相信感觉

——谨以此篇献给新的一年2010年

朱诗鳌

  

                           (一)

现代重力坝的断面形状大都是三角形的，比如我国的三峡大坝、丹江口大坝，又如埃及的阿斯旺坝、瑞士的大狄克逊坝等等都是如此。

基于这一事实，也是一个基本原则，我们现在在设计一座新建的重力坝时，首先就要初拟一个呈三角形形状的“基本断面”，然后用有关坝工设计理论对这个基本断面进行有关计算并进行调整，最后根据实际情况修改成“实用断面”。

这里就提出了一个带根本性的问题: 现代重力坝的断面为什么要采用三角形断面？

对这一问题,一本高校的《水工建筑物》教材用了这样一段文字作了解释：“ 因为作用于(坝体)上游面的水压力呈三角形分布, 所以重力坝的基本剖面是三角形。”

如果我们将上述文字的意思用图1所示的图形表示则更直观。由图可知,两者是对称的: 三角形分布的水压力，由三角形形状的坝体来抵挡。乍一看图, 上述教材中那段文字的意思似乎是理所当然的,也无可非议。

图1  重力坝断面与作用在坝面上的库水压力分布图

 

然而, 真实情况并非如此。我们现在之所以将重力坝坝体断面取为三角形, 绝不是简单的因为作用于坝体上游面的水压力呈三角形分布的缘故, 而是有着漫长而复杂的认识和实践过程,是过去许多力学专家和坝工工程师们悉心研究的结晶。

为了说明这一问题, 我们不妨回顾一下历史。

 

                        (二)

重力坝的历史可以追溯到约5000年以前, 但在绝大部分的时间里,重力坝都是凭经验建造的。当时建坝者的主要观念是坝体越厚实则越稳定、越安全。因而,在古代建造的重力坝,其断面都是呈厚实的块体形,如图2(a)所示是1579年建成的西班牙的蒂比(Tibi)坝,坝断面就是很厚实的矩形,该坝坝高42.7m。可想而知, 更早时期的重力坝断面更是厚实的。有意思的是, 到了科学发达的18、19世纪,这种厚实的块体形断面依然在设计中采用。当时的西班牙和法国可谓以建砌石重力坝著称于世,然而它们当时所建的重力坝,几乎与二三百年前所建重力坝的断面如出一辙,仍然是厚实的块体形,如 图2(b)～2(e)。

          

(a)           (b)           (c)        (d)         (e)

图2  重力坝断面发展历程——块体形阶段(19世纪中期以前)

(a) 西班牙的蒂比坝,坝高42.7m,1579年建成;

(b) 西班牙的沃尔德因菲诺(Val de Infierno)坝,坝高35.5m,1786年建成;

(c) 法国的维阿鲁(Vioreau)坝,坝高11.0m,1833年建成;

(d) 法国的格洛梅耳(Glomel)坝,坝高13.1m,1833年建成;

(e) 西班牙的尼加尔(Nijar)坝,坝高27.5m,1843年建成

 

                       (三)

然而,到了19世纪中期,科学技术的力量显示了其强大的威力,使重力坝断面形状彻底改观。

到19世纪中期，欧洲的工业革命得到进一步发展，运输、城市与工业用水等都要求兴建更多更高的坝。面对这一社会需要，对坝的建造进行理论研究就势在必行；而当时进行理论研究应具有的背景条件也日臻成熟，主要是材料力学基础理论的进步。关于梁的弯曲应力研究中有关中性轴位置的问题，在经历了长达两个世纪的争论之后，直到19世纪初期才由法国工程师纳维（Navier)确定下来。之后，简支梁以及悬臂梁的应力计算在各个领域中得

 

 

   (a)        (b)        (c)       (d)      (e)      (f)      (g)

图3  重力坝断面发展历程——曲边三角形阶段(19世纪中期至后期)

     (a) 理论上的曲线形断面;

(b) 塞兹利推崇的台阶形断面;

(c) 德娄克建议的折线形断面;

(d) 法国的富伦斯坝,坝高56.0m ,1866年建;

(e) 法国的伯恩坝,坝高46.3m, 1870年建;

(f) 西班牙的希加尔(Hijar)坝,坝高43.0m,1880年建;

              (g) 阿尔及利亚的格林丘尔法斯(Gran Cheurfas)坝, 1884年建

 

到应用。到19世纪中期，法国工程师塞兹利(De.Sazille)率先提出用悬臂梁理论计算重力坝应力并设计断面。在重力坝设计中引入“应力”概念，就使重力坝的建造迈进到一个崭新的阶段。

塞兹利1853年发表了关于重力坝设计理论的重要论文,提出了砌石重力坝的安全取决于两条基本原则:一是砌石体或地基所承受的压应力,不能超过某一安全极限值;二是坝体的一部分不允许沿着其下面的坝体滑动,或者整个坝体不允许沿着坝基滑动。按照这两条基本原则建立的微分方程式积分后所解得的坝体上、下游面的形状理应都是曲线形,如图3(a)所示。遗憾的是,上述微分方程式在当时苦于条件的局限不能对其积分。后来就采用分层求解法求解,因而所求得的坝体边缘线为有若干转折点的折线形。但塞兹利认为这种多转折点的折线形断面有许多弊端,而推崇台阶形断面,如图3(b)所示。法国另一位著名的坝工工程师德娄克(Delocre, M.)认为,采用转折少的折线形断面,也不失为理想的断面,而且比台阶形断面更经济。他建议在坝的1/4左右处转折,如图3(c)所示。

在众多坝工工程师们对重力坝设计理论长期缜密研究的基础上,在坝工历史上终于跨出了具有里程碑性质的一步——1866年在法国建成了用严格坝工理论设计的富伦斯(Furens)坝,如图3(d)所示。富伦斯坝的科学性、经济性,它的坝工美学价值,都令人折服。自此以后,人们再也没有回头建造厚实的块体形重力坝了,取代它的曲边形重力坝便风行于世, 相继建成的有法国的伯恩(Ban)坝等,如图3(e)～(g)。

从块体形重力坝阶段迈入曲边三角形重力坝阶段是何等的艰难！但也很有趣！

 

(四)

然而,在此后的坝工实践中,人们逐渐认到曲边三角形断面还存在有一些弊端。到19世纪后期和20世纪初期,就有人建议过(直边)三角形断面。这些人是力学大师利维(Levy,M.,1895年)、雷克菲尔德(Lieckefeldt,1898年)、林克(Link,1910年)和朗肯(Rankine,W.J.M.,1872年)等。

1923年法国政府内阁还正式推荐三角形断面。翌年,法国政府曾派出一个工程师代表团到美国介绍有关砌石坝设计问题。他们在报告中明确指出:对于砌石重力坝应该采用三角形断面,上游坝面用较陡的坡,而下游坝面用较缓的坡,上下游坝面线相交于最高库水位。当时还有其他一些国家的坝工工程师也得出了同样的结论——从而为现代重力坝三角形断面设计奠定了思想基础,使重力坝断面形状由曲边三角形逐渐向三角形演进。

 

    (a)       (b)     (c)      (d)        (e)

图4  重力坝断面发展历程——三角形阶段(20世纪初期以后)

(a) 美国的渡口峡(Canyon Ferry)坝,坝高69m,1953年建成;

(b) 瑞士的大狄克逊(Grande Dixence)坝,坝高285m,1962年建成;

(c) 日本的玉川(Tamagawa)坝,坝高100m,1990年建成;

(d) 我国的石漫滩坝,坝高40.5m,1994年建成;

(e) 我国的江垭坝,坝高131m,1999年建成

 

重力坝断面由曲边三角形演进成三角形的原因为:

●  曲边三角形断面的轮廓线不能用数学曲线表示,设计繁复;而三角形断面则相反。

●  二者在施工上的难易差别也是很明显的。特别是对后来出现的混凝土重力坝, 曲边三角形断面的立模很麻烦。

●  随着坝工实践的发展,在坝工领域提出了许多更为重要的问题需亟待解决,如温度变化及混凝土收缩所产生的应力等等问题, 因而人们无意花更多的精力与时间去注意由纯理论推导的曲线形断面,希望有一种简单的断面取代之。

● 三角形断面在理论上的可行性与优越性。对于这一点,近代坝工泰斗韦格曼(Wegmman,E.)曾作过系统而详尽的论述与总结。^[1]

于是,三角形断面的优越性很快得到公认,按三角形断面设计的重力坝则如灿烂的鲜花在全球开放,而风靡一时的、在坝工发展史上具有划时代意义的曲面三角形断面则不再出现。图4所示是迄今为止所建的一些典型的三角形断面重力坝。

从曲边三角形重力坝阶段迈入三角形重力坝阶段同样是艰难的！也同样很有趣！

 

(五)

由上可见, 那种认为重力坝断面之所以为三角形是缘于作用于坝体上的水压力是三角形的看法,实际上是一种感觉上的错误,错误地感觉到两者间存在着直接的因果关系。

我们不要太相信感觉！

 

(六)

此外,我们还可以进一步看出, 过去的坝工工程师们在处理坝工设计问题时,并非片面地追求理论上的完美与精确, 而是将理论与实践结合起来,有效地解决实际问题, 从而形成了坝工技术的独特设计思想与设计风格。它看起来似乎不尽合理,实际上是最合理的,因为它既重视了理论,又联系了实际,是在长期的坝工设计与坝工实践中逐渐形成的经验总结。^[2]

 

 

                             参 考 文 献

[1] Wegmann,E. The Design and Construction of Dams. New York, Wiley and Sons,1927

[2] 朱诗鳌著. 坝工技术史. 水利电力出版社,1995

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