江河大堤与水库大坝

一般河堤和水库大坝的横截面如图1a和b所示。

图1

比较以上两个数字，不难发现它们都有着相同的特点:窄顶宽底。不同的是，河岸向水面有缓坡，向背水面有陡坡，而水库大坝则相反，向挡水面有陡坡，向背水面有缓坡。

首先，为什么河流和水库建得顶部窄，底部宽？

河堤和水库大坝都建得顶部窄，底部宽，主要目的是“三防”

1.防水压力

根据液体内压的公式P = ρ GH，坝内的水离坝底越近，水深H越大，水产生的压力越大。大坝较低的宽度可以承受较大的水压，以确保大坝的安全。

2.防漏

大坝下部的水压越大，水就越容易渗入大坝。如果下部较宽，大坝中水的渗流路径将延长，渗流阻力将增加，从而提高大坝的防渗性能。

3.防滑

大坝中的水压总是倾向于将大坝水平向外推，并将大坝向下游推。坝基需要静摩擦力来保持大坝平衡。加宽大坝下部不仅会增加大坝的重力，还会增加上游表面(挡水面)水的垂直向下压力。因此，可以增强坝体与坝基之间的最大静摩擦力，防止大坝滑动。

第二，为什么河堤和水库大坝两侧的斜坡如此陡峭和缓慢，以至于它们正好相反

对于两岸均有水阻隔的堤防，湍急河水的冲击力面向下游，水对堤防的作用力主要是压力。如图2a和b所示，水压垂直于路堤表面。根据力的分解知识，FX = fsinθ，fy = fcos θ。因此，对于相同尺寸的水的压力f，缓坡路堤表面受到较小的水平压力，即FX fy’。因此，对于河堤而言，面对水面的坡度较慢，水对河堤的水平向外推力FX较小。同时，垂直向下的力fy较大，有利于增加堤基与堤防之间的静摩擦力，即抗滑性。

图2图3

对于水库大坝的应力分析，如图3所示，根据液体压力公式p = ρ GH，水库大坝挡水面上的压力与水深成正比，并呈三角形分布，因此总水压与坝底h/3由压力的三角形分布分开。水库大坝的总重力设置为g，重心设置为o’。为便于分析，大坝上水库水的总压力f水平向外(大坝外)设置，如右下图所示。由于水压f的作用，坝体倾向于以水库外侧坝脚为支点顺时针翻转，其翻转力矩为MF = f× h/3。大坝依靠自身重力*生的抗倾覆力矩mg = GD。沿背水面在较低坡度处修复坝体，可以达到既增加重力又增加力臂d的效果，从而达到增加抗倾覆力矩mg的效果。

由此可以看出，在不增加堤坝建设土石方的前提下，在材料和成本相同的情况下，临水面比背水面平缓的河堤更坚固，挡水面比背水面较陡的水库大坝更稳定。