倾听学生质疑促进相互成长——再谈大坝的“上窄下宽”

田 川 梅家烨

(重庆市第八中学校，重庆 400030)

1 引言

一次试题讲评课后，有学生对大坝修建成上窄下宽的原因的参考答案提出了不同的看法.他指出，假如液体压强与深度无关，如图1(甲)所示的挡水坝也可能会被水压推翻，因此即使液体压强不随深度的增大而增大，大坝也还是会被修建成图1(乙)所示的“上窄下宽”，利用力矩的相关规律，可以看出图1(乙)的形状更有利于坝体的稳定.所以，大坝被修建成“上窄下宽”与液体压强随深度的增大而增大并不存在逻辑上的因果关系.

图1

听完这位学生的质疑，笔者想了想，好像很有道理.这位学生的质疑，是促使笔者对该问题展开进一步思考的重要原因.为此笔者网购了6本关于大坝修建的书籍，通过研读这些专业书籍旨在弄明白一个问题，大坝修建成上窄下宽的原因究竟是什么？

2 大坝的种类

拦河大坝的种类很多，主要有重力坝、拱坝、填筑坝.下面分别对这三种坝型进行介绍.

2.1 重力坝

所谓重力坝就是主要依靠大坝本身重量维持稳定的坝体，世界上超过53%的坝体都是重力坝.重力坝使用的材料通常为混凝土和石料.重力坝是如何实现稳定的呢？

如图2所示，坝体的巨大重量保证坝体的任意层面存在足够的摩擦力以抵抗巨大的水压.

图2 重力坝上游(左图)和下游(右图)外观

将重力坝断面设计成三角形，不仅符合力学上的要求，而且施工也简单.但是实际的坝体上游面是一个折坡面，折坡点一般位于1/3至2/3坝高处，[1]如图2所示，这是为什么呢？

坝体上游上端设计成铅直面，主要是为了便于施工、布置进水口、安置闸门、安装拦污设备.[2]坝体上游的下端设计成斜坡坝面，主要是想利用图3中阴影部分的水体对斜坡的巨大的斜向下的压力来增进坝体的稳定，从而巧妙地节省了部分混凝土.[3]当坝体基部摩擦系数较小时，还可以通过减小折坡的坡度，利用类似于自锁效应的方式增强坝体的稳定.

图3

图4

1.2 拱坝

拱坝是凸向上游的拱形挡水坝，这种坝无需上窄下宽，因此又将这种坝叫做薄拱坝，相比重力坝，这种坝最多可节省85%的混泥土.如图5(甲)所示.通过力的分解使得承力对象变成河谷两岸的基岩，如图5(乙)所示.与重力坝相比，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用来支承.因此设计这种坝需要对两岸基石作出要求，由于坝体内应力大因此对混凝土的标号要求高，建造难度大.为了减少底部基石受到的应力，往往把拱坝底部修得稍宽.

由此可知，拱坝不需要修建成“上窄下宽”，底部稍宽是为了减小基础承受的压强.

图5

1.3 填筑坝

填筑坝是将土石料(土和石块)压实在一起构成的大坝.填筑坝的建造成本通常比混凝土坝低，因为在坝址处土和石块都是现成的，由于可获得廉价材料，低造价和块体的稳定性等原因，填筑坝通常都建造在较宽的水域.大坝在自重和水的压实下保持大坝稳定，因此填筑坝迎水面的坡度较缓，便于利用巨大的水压.由此可知，缓坡的填筑坝恰恰要利用巨大的水压.

图6

粗糙的碎片和鹅卵石也被用于大坝的建造，但通常是作为外保护层，如图6所示.建造现代的填筑坝是将岩石碎块铺成水平层.这种工艺能使毛石料得以利用，进一步降低材料成本.利用毛石料时，应限制颗粒尺寸(粒径<5 mm)，含量应占20%.[5]土壤在自重和巨大水压的压实下保持稳定，土的空隙越小越不易渗水，坝体就越安全.[6]

2 大坝的防渗

混凝土的抗渗性是指抵抗高压水穿过的能力，分为6个等级，记为S2、S4、S6、S8、S10、S12.S12的含义是15 cm直径的圆柱体试件在120 N/cm2的水压强下，经过规定的时间，试件中不出现渗水.混凝土水下部分对混凝土的抗渗性是有要求的，抗渗层的厚度一般2米起步，对于100 m深的坝体，抗渗层的厚度常常不小于水深的0.1，水深100 m时，抗渗标号不能低于S8.若水质有侵蚀性，相应的抗渗标号要提高一级.[7]

3 教材插图的比较研究

各版本教材对大坝描述的比较分析，如表1所示.

表1

4 结束语

物理学科与生产生活有着密切的联系，物理教材中融入有大量的工程技术内容，因此在编写教材时要注意物理与相关领域的联系，最好做到实地考察，理论联系实际，实事求是，切忌闭门造车，主观臆想.

王建忠老师在《物理课堂上的“让”》一文中指出：“教师及专业技术人员由于反复地接触学科知识，容易形成思维定势，容易局限于常规的理解，有时会失去发现问题的敏锐眼光.相反，初学的学生，认知的角度往往更加多元.”因此，教师在教学的过程中和学生保持平等的沟通，倾听学生的不同看法，从中往往会获得一些意想不到的启发，从而成长学生也成长自己.