傾聽學生質疑促進相互成長
——再談大壩的“上窄下寬”

田 川 梅家燁

(重慶市第八中學校，重慶 400030)

1 引言

一次試題講評課后，有學生對大壩修建成上窄下寬的原因的參考答案提出了不同的看法.他指出，假如液體壓強與深度無關，如圖1(甲)所示的擋水壩也可能會被水壓推翻，因此即使液體壓強不隨深度的增大而增大，大壩也還是會被修建成圖1(乙)所示的“上窄下寬”，利用力矩的相關規律，可以看出圖1(乙)的形狀更有利于壩體的穩定.所以，大壩被修建成“上窄下寬”與液體壓強隨深度的增大而增大并不存在邏輯上的因果關系.

圖1

聽完這位學生的質疑，筆者想了想，好像很有道理.這位學生的質疑，是促使筆者對該問題展開進一步思考的重要原因.為此筆者網購了6本關于大壩修建的書籍，通過研讀這些專業書籍旨在弄明白一個問題，大壩修建成上窄下寬的原因究竟是什么？

2 大壩的種類

攔河大壩的種類很多，主要有重力壩、拱壩、填筑壩.下面分別對這三種壩型進行介紹.

2.1 重力壩

所謂重力壩就是主要依靠大壩本身重量維持穩定的壩體，世界上超過53%的壩體都是重力壩.重力壩使用的材料通常為混凝土和石料.重力壩是如何實現穩定的呢？

如圖2所示，壩體的巨大重量保證壩體的任意層面存在足夠的摩擦力以抵抗巨大的水壓.

圖2 重力壩上游(左圖)和下游(右圖)外觀

將重力壩斷面設計成三角形，不僅符合力學上的要求，而且施工也簡單.但是實際的壩體上游面是一個折坡面，折坡點一般位于1/3至2/3壩高處，[1]如圖2所示，這是為什么呢？

壩體上游上端設計成鉛直面，主要是為了便于施工、布置進水口、安置閘門、安裝攔污設備.[2]壩體上游的下端設計成斜坡壩面，主要是想利用圖3中陰影部分的水體對斜坡的巨大的斜向下的壓力來增進壩體的穩定，從而巧妙地節省了部分混凝土.[3]當壩體基部摩擦系數較小時，還可以通過減小折坡的坡度，利用類似于自鎖效應的方式增強壩體的穩定.

圖3

圖4

1.2 拱壩

拱壩是凸向上游的拱形擋水壩，這種壩無需上窄下寬，因此又將這種壩叫做薄拱壩，相比重力壩，這種壩最多可節省85%的混泥土.如圖5(甲)所示.通過力的分解使得承力對象變成河谷兩岸的基巖，如圖5(乙)所示.與重力壩相比，在水壓力作用下壩體的穩定不需要依靠本身的重量來維持，主要是利用拱端基巖的反作用來支承.因此設計這種壩需要對兩岸基石作出要求，由于壩體內應力大因此對混凝土的標號要求高，建造難度大.為了減少底部基石受到的應力，往往把拱壩底部修得稍寬.

由此可知，拱壩不需要修建成“上窄下寬”，底部稍寬是為了減小基礎承受的壓強.

圖5

1.3 填筑壩

填筑壩是將土石料(土和石塊)壓實在一起構成的大壩.填筑壩的建造成本通常比混凝土壩低，因為在壩址處土和石塊都是現成的，由于可獲得廉價材料，低造價和塊體的穩定性等原因，填筑壩通常都建造在較寬的水域.大壩在自重和水的壓實下保持大壩穩定，因此填筑壩迎水面的坡度較緩，便于利用巨大的水壓.由此可知，緩坡的填筑壩恰恰要利用巨大的水壓.

圖6

粗糙的碎片和鵝卵石也被用于大壩的建造，但通常是作為外保護層，如圖6所示.建造現代的填筑壩是將巖石碎塊鋪成水平層.這種工藝能使毛石料得以利用，進一步降低材料成本.利用毛石料時，應限制顆粒尺寸(粒徑<5 mm)，含量應占20%.[5]土壤在自重和巨大水壓的壓實下保持穩定，土的空隙越小越不易滲水，壩體就越安全.[6]

2 大壩的防滲

混凝土的抗滲性是指抵抗高壓水穿過的能力，分為6個等級，記為S2、S4、S6、S8、S10、S12.S12的含義是15 cm直徑的圓柱體試件在120 N/cm2的水壓強下，經過規定的時間，試件中不出現滲水.混凝土水下部分對混凝土的抗滲性是有要求的，抗滲層的厚度一般2米起步，對于100 m深的壩體，抗滲層的厚度常常不小于水深的0.1，水深100 m時，抗滲標號不能低于S8.若水質有侵蝕性，相應的抗滲標號要提高一級.[7]

3 教材插圖的比較研究

各版本教材對大壩描述的比較分析，如表1所示.

表1

4 結束語

物理學科與生產生活有著密切的聯系，物理教材中融入有大量的工程技術內容，因此在編寫教材時要注意物理與相關領域的聯系，最好做到實地考察，理論聯系實際，實事求是，切忌閉門造車，主觀臆想.

王建忠老師在《物理課堂上的“讓”》一文中指出：“教師及專業技術人員由于反復地接觸學科知識，容易形成思維定勢，容易局限于常規的理解，有時會失去發現問題的敏銳眼光.相反，初學的學生，認知的角度往往更加多元.”因此，教師在教學的過程中和學生保持平等的溝通，傾聽學生的不同看法，從中往往會獲得一些意想不到的啟發，從而成長學生也成長自己.