为什么江河大堤与水库大坝有所不同

叶石源

有学生向我提出这样一个问题：“老师，我这次出外旅游发现一个这样的问题，江堤的迎水面和背水面与水库堤坝的迎水面和背水面的坡度不相同，江堤的迎水面坡度缓和，背水面坡度很陡；而水库大坝的迎水面坡度很陡，背水面坡度缓和。您说这是什么原因，能不能用我们所学的物理知识进行解释。”对于这个问题我们要从堤坝的主要功能和受力两个方面来说明。

一般江河大堤和水库大坝的横截面如图1和图2所示。比较上面两图，不难发现，它们的共同之处都是上窄下宽，不同的是江河堤的迎水面坡度缓，背水面坡度陡，而水库坝则恰恰相反，挡水面坡度陡，背水面坡度缓。

1.为什么江河大提与水库大坝都修成上窄下宽无论是江河大堤，还是水库大坝都修成上窄下宽，其目的主要是为了“三防”

1.1防水压。根据液体内部压强公式p=ρgh可知，堤坝内的水越靠近堤坝底，水深h越大，水产生的压强也越大.堤坝下宽能承受较大的水压，确保堤坝的安全。

1.2防渗漏。堤坝下部受水的压强越大，水越容易渗进坝体.把下部修得宽些，就可以延长堤坝内水的渗透路径，增大渗透阻力，堤坝中间还有核心墙，它是用黏土或钢筋水泥筑成，从而提高堤坝的防渗透性能。

1.3防滑动。堤坝内水的压力总有将大堤向外水平推动和将大坝推向下游的运动趋势，堤坝基底需要有与之抗衡的静摩擦力，才能保持堤坝平衡.将堤坝下部修宽既可增大坝体的重力，也可增大迎水面（挡水面）上水对坝体竖直向下的压力，因此，可以增强坝体与坝基间的最大静摩擦力，达到防止堤坝滑动的目的。

2.为什么江河大堤坡度陡缓与水库大坝两边的状况修得恰恰相反

对于江河两岸拦水的大堤来说，奔腾的江河水的冲击力方向朝下游，水对堤坝的作用力主要是压力，如图3和图4所示，水的压力垂直于堤面，根据力的分解知识有：Fx=Fsinθ，Fy=Fcosθ，因此，对于同样大小的水的压力F，坡度平缓的堤面所受横向水平压力较小，即FxFy′。所以对于江河大堤，迎水面坡度缓，水对大堤水平向外的推力Fx小.同时竖直向下的力Fy大，有利于增大堤坝基底与堤坝的静摩擦力，即可以防滑。

对于水库大坝受力分析，如图5所示，根据液体压强公式p=ρgh，水库大坝的挡水面各处承受的压强跟水深成正比，呈三角形分布，故总压力通过压强的三角形分布距坝底H/3。设水库大坝的总重力为G，重心在O′处，为便于分析，设水库中水对大坝的总压力F水平向外（大坝外侧），如图6所示。因受水的压力F的作用，坝体会以水库外侧大坝的坝脚O为支点有沿顺时针方向倾覆的趋势，其倾覆力矩为MF=F×H/3。而大坝依靠自身的重力G产生的抗倾覆力矩MG=Gd。把坝体修得沿背水面坡度缓一些，能够达到既增大重力，又增大力臂d的效果，从而达到增大抗倾覆力矩MG的效果。

由此可见，在不增加建设大堤和大坝的土石方，用料及造价相同的前提下，迎水面比背水面缓的江河大堤更牢固，挡水面比背水面陡的水库大坝更稳定。