漫谈预应力坝(四)

                                       朱诗鳌

4. 形态各异的施加预应力方法

前面简单地谈了重力坝在坝顶张拉锚缆施加预应力的方法，其实对重力坝施加预应力还有其他的方法。此外，对坝体施加预应力也不只限于重力坝，对支墩坝和拱坝等坝型也可施加预应力。现将各种坝型的不同施加预应力的典型方法（包括由一些坝工工程师推荐的方法）汇集如下。这些形态各异的方法，可谓百花齐放，皆有可观。  

                                                 坝体施加预应力的方法

                   1—锚缆； 2—锚根； 3—锚头； 4—预应力（正应力）分布图； 5—加压室； 6—铰；

                     7—平衡重；  8—悬臂梁；  9—支座；  10—第二期施工坝块； 11—扁千斤顶；

                   12—密封容器； 13—桁架； 14—土工薄膜； 15—注水； 16—水压力分布图； 17—拱圈；

                       18—径向张拉钢筋； 19—堆石； 20—混凝土面板； 21—钢筋； 22—张拉板

          1. 张拉锚缆法 （1）机械张拉法

                    （2）水力张拉法

                    （3）重力张拉法：坝的头部自重张拉法、平衡重张拉法、悬臂梁张拉法

          2. 施工分块法               

          3. 推力法

          4. 浮力法

          5. 挤胀法

          6. 内拉法

    下面结合不同坝型谈谈这些方法。

图1——重力坝，机械张拉法(一)

这一方法即在重力坝坝顶用千斤顶张拉锚缆对坝体施加预应力。锚缆可以是钢缆或钢筋，其下端锚固在岩石地基中的锚根上，上端固定在坝顶的锚头上，如图1所示。

图中沿坝底水平截面所绘影线图，为该截面施加预应力后所产生的垂直正应力图（不包括由其他荷载在该截面产生的应力，下同），截面以下的为压应力，截面以上的为拉应力，由图可知，施加预应力后在坝踵处产生的压应力较大。施加预应力旨在坝踵获得较大的压应力，以抵消蓄水后在坝踵产生的拉应力。

图2——重力坝，机械张拉法(二)

如果坝踵应力状况良好不需借助预应力予以改善，但欲改善坝身某些部位上游面的应力状况，那么，锚缆的下端也可只锚固在坝身中，如图2所示。

图3——重力坝，机械张拉法(三)

    这是法国著名的拱坝设计师科因（A.Coyne）推荐的一种方法，也是一种重力坝机械张拉锚缆的方法，与前述不同的是，锚缆不是放在坝体的孔洞中，而是裸露在坝体的上游面，坝内不需设孔洞，因而简化了施工程序，维修也较方便。科因的另一考虑是，由于在锚缆施加张力时，在坝体上部的下游侧有可能产生较大的拉应力。为消除这一拉应力，他建议在坝体上部的下游侧用锚缆施加预压应力，如图3所示。但这一方法需要考虑裸露在坝体上游面的锚缆的防水问题，此外，当水库水位降低后，锚缆受力要受到气温变化的影响。

图4——重力坝，水力张拉法

首先在坝头部的活动坝块（如图4虛线所示）与其下的坝体间设置一个加压室，并在其四周布置止水，通过管道将高压水注入加压室，水压就使加压室上部的活动坝块沿铰向上游方向转动至设计位置，锚缆因而受到张力，然后用垫块将转动后的位置固定下来，最后用低压水泥砂浆填充加压室，待水泥砂浆凝固后，锚缆所受拉力即可保持下来。

也可直接将高压水泥砂浆注入加压室，代替高压水转动活动坝块，同样，加压室上部的活动坝块在高压水泥砂浆作用下沿铰向上游方向转动至设计位置。这一方法的优点在于，由于加压室内部水泥砂浆的硬化本身就可以将这种应力状态保持下来，因而不需要另用垫块来固定活动坝块转动后的位罝了。

图5——重力坝，坝的头部自重张拉法

这一方法是借用坝的头部坝块（如图5虛线所示）的自重来张拉锚缆。头部坝块与下部坝体用铰连接，头部坝块混凝土施工时，便在下游方向的空隙处置以支撑设备，支撑头部坝块混凝土。支撑设备要容易拆除，以便在张拉锚缆时用高压水或其他方法能将其拆除。最后用混凝土将空隙填实。

图6——重力坝或支墩坝，平衡重张拉法

    这一方法是由外加的平衡体的重量对锚缆施加张力，如图6所示。由这种方法使锚缆所产生的张力大小是不变的，与混凝土的变形和钢筋的变形无关。按杠杆原理，锚缆所受的力大于平衝体的自重。这种方法适用于具有空腹的重力坝或支墩坝。

图7——重力坝，悬臂梁张拉法

    这一方法是利用位于坝的下游侧的悬臂梁的自重张拉锚缆，锚缆的上端固定在梁内，靠锚缆的下游侧设支点，梁可绕支点自由转动，因杠杆原理使锚缆产生张力，如图7所示。这一张力的大小也是不变的。

图8——重力坝，施工分块法(一)

    这一方法是先施工靠上游侧的重量较大的坝体，使得在坝踵处预先产生较大的压应力，然后施工其他部分的坝体，待完建后将各分块间的缝灌浆，形成整体蓄水，如图8所示。

图9——重力坝，施工分块法(二)

    重力坝这一施工分块方法的优点是，在浇第二期坝块前，坝体可以提前蓄水，如图9所示。

图10——重力坝，施工分块法(三)

    这是重力坝的另一种施工分块方法，是让更多的坝体重量集中在坝踵处，使坝踵在更大程度上获得较大的预压应力，如图10所示。

图11——支墩坝，推力法

    在支墩坝坝体下游处直接用千斤顶施加推力，使上游坝踵处产生较大的压应力，如图11所示。

图12——拱坝，推力法

   马勒（J.Muller）曾建议在拱坝悬臂梁的底座下游端施加推力，以期在坝踵的上游坝面产生垂直压应力，如图12所示。

图13——重力坝，浮力法（一）

    “水可载舟，亦可覆舟”，这是众人皆知的哲理，但如果说“水可毁坝，亦可强坝”，则似乎不可思议。可是就有人提出利用水的浮力对坝体施加预应力的有趣建议。图13是俄罗斯的巴塞维奇（A.Z.Basevich）提出的方法：在重力坝的上游坝面开设一系列的凹槽，在凹槽内设置密封容器使之与坝内的锚缆相连，锚缆则因密封容器受到的浮力而被张拉。

图14——重力坝，浮力法（二）

    俄罗斯科学家阿巴德赞（K.A.Abadzhan）也提出了用浮力施加预应力的方法：在坝前设置密封容器，其顶部与坝顶上的桁架杠杆的一端相连，桁架杠杆的另一端与锚缆和转动支座相连。密封容器的底部套在槽座内，如图14所示。当水库蓄水后，密封容器受浮力上升，桁架杠杆因而绕支座转动，使锚缆受到张拉。

图15——重力坝，浮力法 (三）

    俄罗斯的兰岛（Yu.A.Landau）建议：用设在水库中的斜拉锚缆施加预应力，斜拉锚缆中间连接一个密封容器，水库蓄水后，密封容器所受浮力将使锚缆受到张力，如图15所示。值得特别注意的是，斜拉锚缆所受的张力，远大于密封容器所受的浮力。

图16——重力坝，浮力法（四）

    由波亚尔斯基（V.M.Boyarskii）领导的一个俄罗斯工程师团曾建议：用一锚固在地基中的转向装置，将设在水库中的斜拉锚缆与一组密封容器相连，这组密封容器所受的浮力即可转化为锚缆的张力——这组密封容器宛若潜浮在水库中、装饰着水库景观的一串花灯，如图16所示。

图17——拱坝，挤胀法

   在拱坝两个坝块之间的横缝中嵌入若干个扁千斤顶，用液压使扁千斤顶膨胀后，就使拱坝坝块之间产生了沿坝轴线方向的压应力，以改善坝体的受力状态。施加预应力后，再沿横缝灌注水泥浆，如图17所示。

图18——土坝，挤胀法

奥地利坝工专家史科布尔（W.Schober）曾经建议，在土坝的中心部位设置两层土工薄膜，土坝竣工后、蓄水前，在两层土工薄膜之间注水，借水压力使两侧土体产生预压应力并向两侧变形，如图18所示。最后在两层土工薄膜之间填以筑坝材料，两层土工膜同时也成了防渗体。史科布尔认为，釆取这一预应力措施，就可大大減小土坝在蓄水后可能出现的变形，从而提高了坝的安全性。

图19——拱坝，内拉法

    这是马勒推荐的另一种方法：在拱坝的拱内圈施加径向预压应力，以改善拱圈的应力状态，如图19所示。

图20——堆石坝，内拉法

    用钢筋做加筋件建造的加筋面板堆石坝，如果将钢筋施加预拉应力，相应地使堆石体受到预压应力，从而可以进一步使坝的边坡变陡，缩小坝体断面，节省造价，钢筋强度也可得到充分发挥，如图20所示。