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文檔簡介

1、第二章重力壩學(xué)習(xí)要求目的:1.掌握混凝土重力壩的特點(diǎn)和類型,國內(nèi)外發(fā)展概況和趨勢。2.掌握重力壩的荷載及其計(jì)算方法,荷載組合。3.理解重力壩穩(wěn)定的概念及影響因素,掌握重力壩的穩(wěn)定分析方法、安全系數(shù)指標(biāo)的選用及評價(jià),提高穩(wěn)定性的工程措施。4.掌握重力壩應(yīng)力分析的目的和內(nèi)容,應(yīng)力分析方法,材料力學(xué)法及其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn),了解影響壩體應(yīng)力分布的主要因素,(地基變形和施工方法等)及影響范圍和程度。5.理解擬定重力壩剖面的基本原理,掌握非溢流重力壩的基本剖面及實(shí)用剖面的擬定和溢流重力壩的剖面的擬定方法;溢流重力壩的下游消能方式的選擇;四種泄水消能方式的特點(diǎn),運(yùn)用條件。6.了解重力壩對材料的要求,建筑材料的種

2、類特性及使用條件;壩體斷面混凝土標(biāo)號的分區(qū)。掌握重力壩的細(xì)部構(gòu)造要求,壩縫、止水;壩身排水、廊道的布置及溢流重力壩壩頂?shù)臉?gòu)造等。7.了解重力壩對地基的要求;掌握壩基處理的開挖、灌漿(固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、接觸灌漿)及排水設(shè)計(jì)要求;壩基軟弱破碎帶的處理。l 重點(diǎn):1.混凝土重力壩的工作原理和特點(diǎn),設(shè)計(jì)要求,分類。2.重力壩的荷載及其計(jì)算方法。3.重力壩的穩(wěn)定分析方法。4.重力壩應(yīng)力分析的材料力學(xué)法及其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。5.非溢流重力壩的基本剖面及實(shí)用剖面的擬定;溢流重力壩的剖面的擬定。6.重力壩的細(xì)部構(gòu)造要求,重力壩對材料的要求,溢流重力壩壩頂?shù)臉?gòu)造。7.固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、壩基排水。l 難點(diǎn):1.混

3、凝土重力壩的設(shè)計(jì)要求和類型。2.揚(yáng)壓力的計(jì)算,重力壩的荷載組合。3.重力壩穩(wěn)定的概念及影響因素,安全系數(shù)指標(biāo)的選用及評價(jià)。4.壩體邊緣應(yīng)力的計(jì)算。5.擬定重力壩剖面的基本原理,溢流重力壩的剖面的擬定。6.重力壩的細(xì)部構(gòu)造要求,溢流重力壩壩頂?shù)臉?gòu)造。7.固結(jié)灌漿、帷幕灌漿。學(xué)習(xí)要點(diǎn)l 章節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容:1.混凝土壩的類型,國內(nèi)外發(fā)展概況和趨勢。2.重力壩的工作原理和特點(diǎn),以及其優(yōu)缺點(diǎn)。3.重力壩的荷載及其計(jì)算方法(包括自重、水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、冰壓力、土壓力、泥沙壓力、地震荷載等),荷載組合的概念及確定。4.重力壩的穩(wěn)定分析。穩(wěn)定的概念及影響因素,穩(wěn)定分析方法、安全系數(shù)指標(biāo)的選用及評價(jià),提高穩(wěn)定

4、性的工程措施。5.重力壩應(yīng)力分析的目的和內(nèi)容。應(yīng)力分析方法綜述,材料力學(xué)法及其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn),影響壩體應(yīng)力分布的主要因素,(地基變形和施工方法等)及影響范圍和程度。6.擬定重力壩剖面的基本原理,重力壩的基本剖面及實(shí)用剖面,剖面優(yōu)化的概念。7.泄水重力壩的剖面及布置,泄水重力壩的工作特點(diǎn)及泄水方式(壩頂溢流式,大孔口溢流式,深式泄水孔);溢流重力壩的剖面設(shè)計(jì);泄水孔的布置;設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定;單寬流量的選擇;堰頂高程,溢流前緣長度;孔口尺寸及其位置的確定;溢流壩段結(jié)構(gòu)簡介;泄水重力壩的下游消能;四種泄水消能方式的特點(diǎn),運(yùn)用條件。8.重力壩對材料的要求,材料的種類特性及使用條件及壩體斷面混凝土標(biāo)號的

5、分區(qū)。9.重力壩的細(xì)部構(gòu)造。壩縫(橫縫、縱縫、水平施工縫)、止水;壩身排水、廊道的布置及構(gòu)造等。10.重力壩的地基處理。重力壩對地基的要求;壩基處理的開挖、灌漿(固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、接觸灌漿)及排水設(shè)計(jì);壩基軟弱破碎帶的處理。l 學(xué)習(xí)要點(diǎn):1.重力壩的工作原理和特點(diǎn)2.重力壩的荷載及組合3.重力壩的穩(wěn)定分析4.用材料力學(xué)法進(jìn)行重力壩的應(yīng)力分析5.重力壩的剖面設(shè)計(jì)6.重力壩的構(gòu)造要求及壩體材料7.重力壩對地基的要求及地基處理第一節(jié)概述一、混凝土重力壩的概述在水利水電工程建設(shè)中,混凝土重力壩是最廣泛采用的一種形式,在高壩樞紐中仍占有顯著的優(yōu)勢。我國壩高100M以上的典型混凝土重力壩如下表所示。壩高

6、100M以上的典型混凝土重力壩序號大壩名稱地點(diǎn)河流壩高(m) 壩型建設(shè)年代1 新安江浙江新安江105.0 寬縫重力壩195719602 劉家峽甘肅黃河147.0 重力壩196419743 黃龍灘湖北漢江107.0 重力壩196919754 三門峽河南黃河106.0 重力壩195719735 水豐遼寧鴨綠江106.0 重力壩193719436 寶珠寺四川白龍江132.0 重力壩19807 安康陜西128.0 重力壩八十年代8 漫灣云南瀾嗆江132.0 重力壩八十年代9 萬家寨內(nèi)蒙山西交界黃河105.0 重力壩八十年代10 沙牌四川132.0 重力壩八十年代11 龍灘廣西紅水河192216.5 碾

7、壓混凝土重力壩九十年代12 江埡湖南128.0 重力壩九十年代13 三峽湖北長江175.0 重力壩200314 向家壩四川金沙江163.0 重力壩擬建二、砼重力壩的特點(diǎn)1.2.1壩體材料抗沖性能好,泄洪和施工導(dǎo)流問題容易解決壩體材料抗沖性能好,泄洪和施工導(dǎo)流問題容易解決泄洪:可從壩頂、壩身泄洪導(dǎo)流:可通過較低的壩塊、底孔和預(yù)留的底孔導(dǎo)流1.2.2斷面形狀簡單,結(jié)構(gòu)作用明確,施工方便,安全可靠垂直壩軸線方向的橫縫將重力壩分為若干個(gè)獨(dú)立的壩段,各壩段獨(dú)立工作,受力明確。1.2.3適合于在各種氣候條件下修建可以在各種氣候條件下修建,但在:冬季:當(dāng)溫度低于-3,混凝土中水會(huì)結(jié)冰,需采用加熱、保溫、防凍

8、措施等;夏季:當(dāng)溫度高于30,需采用低熱水泥、低溫水、加冰屑、預(yù)冷骨料,摻外加劑延長初凝時(shí)間。1.2.4對地基的要求比拱壩低,但比土石壩高1.2.5有豐富的建設(shè),設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)工作可靠,使用年限長,施工放樣、擴(kuò)建,維護(hù)簡單:便于機(jī)械化施工,可采用定型模板,重復(fù)作用。1.2.6壩體工程較大,材料的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮邊緣應(yīng)力是控制條件,故內(nèi)部應(yīng)力:1.2.7水泥用量大,施工時(shí),水化熱不易消散,易產(chǎn)溫度裂縫。水化熱:水泥的水化是放熱反應(yīng),水泥在凝結(jié)硬化過程中放出大量熱。危害:使內(nèi)外混凝土產(chǎn)生較大的溫差,而產(chǎn)生溫度應(yīng)力,引起表面開裂。措施:設(shè)置溫度伸縮縫。1.2.8受揚(yáng)壓力影響大揚(yáng)壓力:在上下游水位差的作用下

9、,水滲入壩體的孔隙內(nèi),形成孔隙水壓力。所取截面上向上的孔隙水壓力為揚(yáng)壓力。危害:抵消了部分壩體的重量,對壩體的穩(wěn)定不利減少了上游壩踵的壓應(yīng)力,對壩的壓應(yīng)力不利。三、重力壩的設(shè)計(jì)內(nèi)容(1)剖面設(shè)計(jì)參照已建工程經(jīng)驗(yàn),擬定剖面尺寸。(2)穩(wěn)定計(jì)算驗(yàn)算壩體沿建基面或地基中軟弱結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定安全度。(3)應(yīng)力計(jì)算使應(yīng)力條件滿足設(shè)計(jì)要求,保證大壩和壩基有足夠的強(qiáng)度。(4)溢流重力壩和泄水孔的孔口尺寸的設(shè)計(jì)孔口尺寸的設(shè)計(jì),包括泄水建筑物體型、堰頂或泄水孔進(jìn)口的高程、溢流重力壩前沿的寬度和泄水孔口的寬度。(5)構(gòu)造設(shè)計(jì)根據(jù)施工和運(yùn)行要求,確定壩體的細(xì)部構(gòu)造,如廊道系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等;(6)地基處理根據(jù)地質(zhì)條件,進(jìn)

10、行地基的防滲、排水、斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的處理。(7)監(jiān)測設(shè)計(jì)包括壩體內(nèi)部和外部的觀測設(shè)計(jì)。四、重力壩的分類1、按壩頂是否溢流的條件分類溢流壩即可擋水,又可泄水的水工建筑物非溢流壩擋水建筑物2、按結(jié)構(gòu)型式分類實(shí)體重力壩寬縫重力壩特點(diǎn):減少揚(yáng)壓力改善砼澆筑時(shí)的散熱條件施工復(fù)雜,模板用量多支墩壩空腹重力壩特點(diǎn):減少揚(yáng)壓力,節(jié)約砼方量改善壩體應(yīng)力施工復(fù)雜古田四級空腹重力壩預(yù)應(yīng)力重力壩特點(diǎn):利用受拉鋼筋或鋼桿對重力壩施加預(yù)應(yīng)力,改善壩體應(yīng)力;加大抗滑穩(wěn)定性;施工復(fù)雜,鋼筋用量多。第二節(jié)重力壩的荷載及組合一、荷載計(jì)算2.1.1自重:壩體及其上永久性設(shè)施重W=(iVi)2.1.2上、下游壩面的靜水壓力2.1.

11、3溢流壩反弧段上的動(dòng)水壓力溢流壩反弧段上的動(dòng)水壓力(離心力)合力的水平及垂直分力可按下式計(jì)算:作用點(diǎn):反弧段最低點(diǎn);方向:圖示為正。2.1.4揚(yáng)壓力滲透壓力:在下、下游水位差的作用下,庫水經(jīng)過壩體和壩基的孔隙向下游滲透而形成滲透水流,滲透水流對計(jì)算截面產(chǎn)生的垂直指向該截面的水壓力為滲透壓力。浮壓力:若計(jì)算截面在下游水位之下,由下游水深對該截面產(chǎn)生的垂直指向該截面的水壓力為浮壓力。1)壩基面上的揚(yáng)壓力不設(shè)防滲排水設(shè)施的實(shí)體重力壩設(shè)有防滲帷幕和排水設(shè)施的實(shí)體重力壩防滲帷幕:在壩基土巖中鉆孔灌槳而形成一道連續(xù)的地下墻。排水幕:在壩基土巖中鉆孔灌渠而形成一排水孔。作用:阻止?jié)B透水流,降低滲透壓力,延長

12、滲徑;滲透水流能自由逸出。設(shè)有抽排降壓設(shè)施的實(shí)體重力壩。抽排降壓:在基礎(chǔ)灌漿廊道下游設(shè)置,一道排水廊道、鉆設(shè)排水孔,由抽水設(shè)備定時(shí)抽排。1揚(yáng)壓力折減系數(shù)2殘余物壓力系數(shù)2)壩體內(nèi)部的揚(yáng)壓力壩體內(nèi)有排水管壩體內(nèi)無排水管討論:揚(yáng)壓力是一種孔隙水壓力,始終垂直作用于計(jì)算截面。揚(yáng)壓力的作用面積,近似作用在100%的面積上。當(dāng)壩基條件復(fù)雜,需經(jīng)專門研究確定揚(yáng)壓力分布。2.1.5冰壓力2.1.6泥沙壓力壩前的淤砂高程應(yīng)按河流的特性和工程的具體情況計(jì)算確定,一般計(jì)算年限可采用年。對于多泥砂河流應(yīng)經(jīng)研究確定;當(dāng)有可靠的排砂措施時(shí),應(yīng)考慮其作用。水平泥砂壓力強(qiáng)度:式中:Pn:計(jì)算點(diǎn)上的水平泥砂壓力強(qiáng)度;:泥砂的

13、浮容重,:泥砂的干容重;:水的容重;:泥砂的內(nèi)摩擦角,粗砂=1820細(xì)砂=1214;極細(xì)顆粒=0hn:計(jì)算點(diǎn)以上的淤砂厚度。水平泥砂壓力的合力:垂直泥沙壓力的合力:=2.1.7浪壓力說明:(1)水對波浪的阻力大于空氣對波浪的阻力,所以波浪的中心線高于靜水位。(2)壩前自由波與反射被的疊加形成駐波。1)使波浪破碎的臨界水深:Hk=(35)h1H1L1:波浪的運(yùn)動(dòng)不受庫底的約束,深水波;HkH1L1:波浪的運(yùn)動(dòng)受庫底的影響,淺水波;H0yd(計(jì)入或不計(jì)入揚(yáng)壓力)R2施工期yd允許有不大于0.1Mpa的拉應(yīng)力4.3.2壩體應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)1運(yùn)用期u(計(jì)入揚(yáng)壓力)0u(不計(jì)入揚(yáng)壓力)0.25rHH:計(jì)算

14、點(diǎn)的靜水頭2施工期壩的任何截面上的主壓應(yīng)力不得大于砼的容許壓應(yīng)力值,壩的下游面允許有不大于0.2Mpa的主拉應(yīng)力。第五節(jié)重力壩的剖面設(shè)計(jì)重力壩樞紐一般有非溢流壩段和溢流壩段組成一、非溢流重力壩剖面設(shè)計(jì)5.1.1基本剖面重力壩的主要荷載,靜水壓力p與H2成正比;為維持壩體自身的穩(wěn)定,重力壩的主要荷載自重W也應(yīng)與H2成正比。重力壩的基本剖面為三角形。其中H為最高靜水頭。三角形的基本參數(shù)有:H、T、n、m根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),一般上游壩坡n取00.3,下游壩坡m取0.60.85,底寬取T(0.70.9)H(壩高)。5.1.2實(shí)用剖面1)壩頂?shù)膶挾扔墒┕ぁ⒔煌?、設(shè)備安裝等條件確定:式Bmin=(810)%H由

15、漂浮場,冰壓力的沖擊力確定2)壩頂高程壩頂超高靜水位的高度:h=2h1+h0+hc2h1:波浪高度h0:波浪的中心線超過靜水位的高度hc:安全加高3)實(shí)用剖面的型式地基條件較好,f較大,壩體剖面由強(qiáng)度條件控制。地基條件較差,f較小,壩體剖面由穩(wěn)定條件控制。壩體剖面由穩(wěn)定條件控制,同時(shí)有利于利用水重和布置壩體泄水孔。二、溢流重力壩剖面設(shè)計(jì)1、泄水方式E:精品課程湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院水工建筑物資料課件chap02swf5.2.swf(1)壩頂式溢流特點(diǎn):,超過能力大;閘門承受水壓力小,孔口尺寸可大些;工作可靠,操作、檢修方便;排泄冰凌和其它漂浮物;不能提前預(yù)泄;(2)大孔口式溢流采用活動(dòng)的胸墻

16、:同壩頂溢流(3)深式泄水孔:作用:預(yù)泄洪水、排放泥砂、向下游供水、導(dǎo)流2、洪水標(biāo)準(zhǔn)洪水標(biāo)準(zhǔn)包括:洪峰流量和洪水總量。洪水標(biāo)準(zhǔn)是確定孔口尺寸進(jìn)行水庫調(diào)洪演算的重要依據(jù)。洪水標(biāo)準(zhǔn)有:3、孔口尺寸的選定通過水庫調(diào)洪演算確定,其步驟為:收集計(jì)算基本資料:洪水過程線、水庫水位容積曲線、上游最高限制水位、下游最大允許下泄流量、其調(diào)水位等。擬定幾組的若為導(dǎo)流建筑物尺寸設(shè)計(jì),擬定幾組擬定的孔口尺寸及基本資料,繪制下泄流量與水庫水位的關(guān)系曲線:Q下泄H;采用試算法或單輔助線法,求解不同孔口尺寸條件下的:4、溢流壩剖面溢流壩剖面組成:bc直線段:坡比與非溢流壩一致;cd反弧段:使水流平順進(jìn)入下游消能段de挑流消

17、能段:由溢流壩下游消能形式確定。5、溢流重力壩的下游消能消能方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用條件挑流消能工程量小沖刷大、霧氣大基巖好、H大底流消能消能穩(wěn)定Fr=4.59工程量大基巖條件差,H下變幅大面流消能工程量小出流態(tài)不易控制尾水變幅不大消力戽消能工程量小消能效率高出流態(tài)不易控制尾水變幅不大第六節(jié)重力壩的構(gòu)造及壩體材料一、重力壩的構(gòu)造及壩體材料1、重力壩的分縫在水工建筑物中,為適應(yīng)施工期和運(yùn)行期的溫度變化、地基不均勻沉降、施工時(shí)混凝土的澆筑能力及散熱要求以及結(jié)構(gòu)布置要求等設(shè)置的接縫構(gòu)造??p的類型按作用可分為溫度縫(又稱伸縮縫)、沉陷縫和施工縫,按使用期限可分為永久縫和臨時(shí)縫。溫度縫和沉陷縫多為永久縫,施工縫

18、多為臨時(shí)縫。1)橫縫設(shè)置:垂直于壩軸線,將壩體分成若干壩段作用:減少壩體的縱向約束,以適應(yīng)運(yùn)用期地基的不均沉降及溫度變化。縫的特性:永久性縫。間距:12m20m??p面的處理:必須有可靠的止水設(shè)備,為適應(yīng)縫的變形,縫中填沖瀝青油氈,瀝青麻片或其它填料。2)縱縫:設(shè)置:平行于壩軸線方向,將壩段分成壩塊作用:適應(yīng)砼的澆筑能力,滿足散熱要求縫的形式:錯(cuò)縫:澆筑塊尺寸小,適用于低壩縱縫:縫面設(shè)置鍵槽灌漿斜縫:沿主應(yīng)力軌跡布置通倉澆筑:澆筑能力大,溫度應(yīng)力大,是發(fā)展方向,整體性好間距:一般為1530m,取決于混凝土澆筑能力及溫度控制要求。縫面的處理:待壩體溫度降到穩(wěn)定溫度時(shí),接縫灌漿。3)水平施工縫下、上

19、層澆筑塊之間的新老砼的結(jié)合面,間歇:37天處理:鑿毛、沖洗;在已清理的干燥表面上敷一層23cm的富水泥砂漿,用鋼絲刷抹后,立即澆上層砼;上層砼需防止振搗過度,水泥砂漿泌出。2、壩體排水作用:減少滲水對壩體的危害間距:沿壩軸線方向,23m布置一根排水管。離上游壩面距離:(1/101/20)壩前水深防止?jié)B水溶濾作用3、廊道系統(tǒng)作用:用于基礎(chǔ)灌漿、排水、觀測、檢查、交通1)基礎(chǔ)灌漿廊道:用于防滲帷幕及排水幕的施工。離上游壩面距離:(1/101/20)壩前水深。在基巖面以上應(yīng)有1.5倍廊道寬度的距離。廊道的斷面形式:城門洞型。2)檢查、觀測、交通、排水廊道布置:沿壩高每隔15m20m高程設(shè)置一層。二、

20、溢流壩壩頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)布置1)閘門:工作閘門:調(diào)節(jié)下泄流量,在動(dòng)水中啟閉,啟閉力要求較大;閘門的形式為弧形閘門或平板閘門圖(錄象)檢修閘門:用于短期擋水,以便對工作閘門及機(jī)械設(shè)備檢修。在靜水中啟閉,啟閉力較小;閘門的形式一般采用平板閘門,各閘孔可交替使用平板檢修閘門。當(dāng)庫水位在檢修期低于壩頂高程時(shí),可不設(shè)檢修閘門。2)閘墩作用:分隔閘孔。承受傳遞水壓力。支承閘墩上部結(jié)構(gòu)重量。平面形式:高度、長度:滿足閘門、工作橋、交通橋、啟閉設(shè)備的布置和運(yùn)行要求。厚度:強(qiáng)度、穩(wěn)定條件決定3)邊墩和導(dǎo)墻邊墩分隔溢流壩段,非溢流壩段導(dǎo)墻邊墩向下游的延續(xù)、分隔下泄水流與壩后電站的出水水流。高度:高出摻氣后的溢流水面1.0

21、1.5m4)胸墻結(jié)構(gòu)型式:板式、板梁式與閘墩連接:簡支、固結(jié)三、重力壩的材料建筑重力壩的材料一般為:混凝土、漿砌石重力壩材料分區(qū)1區(qū):上下游水位以上壩體表層混凝土;2區(qū):上下游水位變化區(qū)的壩體表層混凝土;3區(qū):上、下游最低水位以下壩體表層混凝土;4區(qū):壩基部位混凝土;5區(qū):壩體內(nèi)部混凝土;6區(qū):有抗沖刷要求部位的混凝土。各區(qū)對混凝土性能的有不同的要求。第七節(jié)重力壩對地基的要求及地基處理7.1力壩要求建壩地基具有1強(qiáng)度:具有一定的承載能力,不發(fā)生顯著的變形。2抗?jié)B性:不發(fā)生管涌等滲透破壞。(管涌:壩基中的細(xì)土壤顆粒被滲流帶走形成滲流通道的現(xiàn)象)天然地基經(jīng)過長期的地質(zhì)作用,一般都有風(fēng)化、節(jié)理、裂隙

22、等缺陷以及斷層、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面。重力壩的地基處理的任務(wù):提高地基的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和抗?jié)B能力。7.2壩基的開挖和清理開挖:挖出覆蓋層,風(fēng)化破碎的巖石。開挖深度應(yīng)根據(jù)大壩的工程等級、高度和基巖條件確定:70m以上的高壩,應(yīng)建在新鮮、微風(fēng)化基巖上;70m30m的中壩,可建在微風(fēng)化至弱風(fēng)化上部基巖上。清理:在澆筑混凝土之前,需進(jìn)行徹底地清理、沖洗。封堵勘探的鉆孔、井洞。7.3壩基的固結(jié)灌漿a固結(jié)灌漿:在壩基受力較大范圍內(nèi),鉆孔進(jìn)行淺層低壓灌漿,用壩整體加固地基目的:1)改善地基的強(qiáng)度、整體性、提高基巖的不透水性;2)壩實(shí)在溶洞、斷層中充當(dāng)?shù)捻排c基巖間的裂隙;3)有利于提高帷幕灌漿的壓力。范圍:壩趾、壩基鉆孔布置:梅花形、方格形孔距:排距3m、2m4m孔深:515m灌漿壓力;以不掀動(dòng)基巖為限。7.4帷幕灌漿帷幕灌漿:在壩踵附近鉆孔,進(jìn)行深層高壓灌漿,充填地基中的裂隙和滲水通道,形成一道連續(xù)的砼地下墻。作用:減少壩

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