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石坝坍塌原因及预防策略

时间:2023-11-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:像墙一样,石坝的坍塌通常不是由于强度不够,而是因为稳定性不够;此外,它们也很容易倾倒。坝和普通建筑物不同,根本无法随意使用“中间三分之一”的准则。当然,这些水坝的崩塌的确给鲁尔区造成了巨大的损失。在和平时期,水坝的崩塌也是工程师的噩梦。沿坝顶放置一排重雕像无疑是有效的,看上去可能也相当漂亮,但恐怕到头来它们会比钢筋更贵。这等效于在坝顶施加额外重量,可以限制推力作用线的移动

石坝坍塌原因及预防策略

像墙一样,石坝的坍塌通常不是由于强度不够,而是因为稳定性不够;此外,它们也很容易倾倒。坝受到的侧向推力源于蓄水的压强,通常堪比作用于其自身的砖石重量。基于这个原因,积极推力作用线的位置在“满水”和“无水”状态之间容易产生非常大的变动。坝和普通建筑物不同,根本无法随意使用“中间三分之一”的准则。关键点在于,砖石结构上不应该有任何裂缝,尤其是靠上游的一边。如果有裂缝,水在压强作用下可能会进入坝体结构内部,这会造成两个结果,而且都很糟糕。

第一个结果是水流会破坏砖石结构,为了对抗任何渗漏,通常要在大坝内部设置排水道。第二个结果更夸张。裂缝内的水压会产生垂直升力(在100英尺深的地方约为每平方英尺5吨,即在30米深的地方约为0.5 MN/m2),该力作用于已近乎临界的位置,会导致水坝倾覆。

1943年,英国皇家空军摧毁默讷河水坝和埃德尔河水坝的行动,可能是分成时间间隔较短的两个步骤完成的。第一步,将巴恩斯·沃利斯(Barnes Wallis)发明的炸弹投掷在水坝的上游水面,它们在爆炸前下沉。第二步,当炸弹爆炸时,坝体结构会在深处开裂,短暂的时间延迟之后,渗透进裂缝的高压水造成坝体的实际倾覆。读过该行动报告的人会记得,在炸弹爆炸和坝体可见的崩溃之间存在一个明显的时间停顿。当然,这些水坝的崩塌的确给鲁尔区造成了巨大的损失。

在和平时期,水坝的崩塌也是工程师的噩梦。即便水坝不是用石块而是用无钢筋的混凝土建成的,寄希望于任何可靠的抗拉强度仍非明智之举。因此,对所有无钢筋的坝体,推力作用线在无水状态下一定不能向上游移动并超过“中间三分之一”处,在满水状态下也一定不能向下游移动并超过“中间三分之一”处,还好一切都在掌控之中。这些要求一般会导致上小下大的不对称形状,我们大多数人对它都很熟悉(见图9-11)。

图9-11 无钢筋的砌筑坝(www.xing528.com)

然而,水坝相较于它储存的水的价值是很昂贵的,工程师一直在寻找更便宜的筑坝方法。大幅度减少重量和水泥成本往往可通过用钢筋加固混凝土来实现,尤其是在钢筋受到张力作用时。但是,除非钢筋被锚定在坝基下面的坚硬岩石上,否则确实很危险,整个坝体、钢筋乃至一切都会被连根拔起以致倾覆。

应对这种情况的一个办法如图9-12所示。将简单的垂直钢制拉杆锚定在坝下岩石上,并贯穿混凝土直达坝顶,在那里它们被起重装置拉伸。显然,这些拉杆的作用其实同主教座堂的天使雕像和尖顶相同。当然,所有传统的重型砖石建筑均可被视为一种因自重而“具有预应力” 的结构。沿坝顶放置一排重雕像无疑是有效的,看上去可能也相当漂亮,但恐怕到头来它们会比钢筋更贵。

图9-12 用钢筋加固的水坝。我们有时可以通过使用锚定在坝下岩石上有预应力的钢筋,来建造更薄和更便宜的水坝。这等效于在坝顶施加额外重量,可以限制推力作用线的移动

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