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试论拱坝设计的步骤与方法 摘要:现代水工设计中,拱坝的优化设计已日趋成熟。但是,拱坝设计中要应对的因素也是千变万化的。文章主要基于实际经验出发,分析认为拱坝设计应遵从科学规律,从而达到设计优化的目的。 下载 关键词:拱坝设计;拱坝坝体;坝内布置 一、拱坝坝体布置的步骤与方法 第一,确定拱坝轴线、顶拱和拱圈形式。 第二,确定拱冠梁的剖面形式和尺寸。在拱坝轴线、顶拱和拱圈形式确定之后,即可确定拱冠梁的剖面形式和尺寸,包括坝顶部厚度、坝底部厚度和剖面形状(或上游面曲线)。 第三,坝体平面布置。坝体平面布置的一般步骤如下:(1)根据坝址地形地质资料,确定开挖深度,绘出利用岩石面(开挖后的表面)的等高线平面图;(2)综合考虑坝址地形、地质、水文、施工及运用条件等,选择适宜的拱坝坝型;(3)按照前述方法初步拟定拱冠梁断面形式和尺寸;(4)在地形图上进行拱坝平面位置的初步布置,要求拱弧近似对称于中心线,初步选定中心角及半径,中心角一般为90100左右。选定中心角后,先定坝顶拱圈,再绘制坝底拱圈,然后初拟圆心轨迹线,并从上往下绘制各层拱圈;(5)在拱坝布置图上截取几个剖面,检查悬臂梁外部轮廓是否光滑,倒悬是否过大,在总体上是否遵循连续原则。当实际地形变化不连续时,可采取适当的结构措施,如布置重力墩、推力墩、垫座和开挖处理等方法调整地形;(6)根据所拟拱圈尺寸,进行坝体工程量计算、应力分析稳定审核,根据计算成果,再按需要修改各部分尺寸,重复上述工作,直至获得符合技术经济要求的坝体轮廓布置为止。 二、拱坝设计分析 (一)拱坝坝体的应力分析 1.拱坝的荷载。拱坝的荷载包括静水压力、动水压力、自重、泥沙压力、冰压力、浪压力、扬压力、温度作用以及地震作用等,基本上与重力坝相同。但由于拱坝本身的结构特点,有些荷载计算方法及其对坝体应力的影响与重力坝不尽相同,设计中需要注意。 2.荷载组合。混凝土拱坝设计荷载组合可分为基本组合和特殊组合,荷载组合应按表1的规定确定: 3.拱坝的应力分析。拱冠梁法是按中央悬臂梁(拱冠梁)与若干层水平拱在其相交点变位一致的原则下分配荷载的拱坝应力分析方法,是简化了的拱梁分载法。一般是沿坝高选取57层水平拱圈,仅考虑承受径向荷载,并假定荷载沿拱圈为均匀分布。 (二)拱坝坝肩岩体抗滑稳定分析 在完成拱坝平面布置和应力计算之后,应对坝肩岩体进行抗滑稳定分析,这是许多国家拱坝设计规范中都明确规定的。 1.坝肩岩基的危险滑动面。在进行稳定计算时,首先应把坝轴线附近基岩的节理、裂隙以及各种软弱结构面的产状调查清楚,才能判断可能滑动面的位置。如果节理走向大致平行于河流,而倾角大致平行于或缓于山坡,则对稳定极为不利,特别是对于张开的节理,其间有软弱充填物存在时,这种节理往往是危险的滑动面。岩基中往往有许多组节理存在,并相互交错,把基岩分成各种形状的块体,情况很复杂。进行稳定分析时,可假定几种不同的滑动面,计算其相应的安全系数。 2.局部抗滑稳定与整体抗滑稳定分析。抗滑稳定计算,首先进行局部抗滑稳定验算。即在高度方向设定n个典型高程(一般取应力计算时的几个水平拱圈高程),在每个典型高程处取单位高度的拱圈进行分层校核,如各层拱的稳定性均无问题,则整个坝体必然是安全的。局部稳定不满足要求时,就必须进一步分析整体的稳定性。 3.改善措施。坝肩稳定是拱坝设计中一个关键性的问题。通过校核计算和地质分析,如坝肩的抗滑稳定不能满足要求时,应采取以下改善措施: (1)加强地基处理,对不利的节理进行有效的冲洗和固结灌浆,以提高其抗剪强度;对可能滑动的软弱结构面,设置抗滑混凝土塞或置换混凝土;设置支撑桩,将推力转移至坚固的岩体。 (2)将拱端向岸壁深挖嵌进,以扩大下游的抗滑岩体。 (3)在拱圈布置时,尽量使拱端推力接近垂直于节理走向,以增强摩擦力,并减少滑动力,或改进拱圈形式,使拱端推力尽可能趋向正交于岸坡。 (4)如基岩承压较差,可局部扩大拱端或采用推力墩。 (三)拱坝的坝身泄水 拱坝坝身泄水方式。根据拱坝坝身泄水结构布置的特点,拱坝坝身的泄水方式可以归纳为坝顶自由跌流、坝顶小鼻坎挑流、坝面泄流、滑雪道泄流和坝身孔口泄流等。 1.坝顶自由跌流。对于较薄的双曲拱坝或小型拱坝,常采用坝顶自由跌流的方式,如图1(a)、(d)所示。溢流头部可做成平顶式,如图1(a)、(b)所示,也可做成非真空的标准堰形,如图l(c)、(d)所示。这种形式适用于基岩良好、单宽泄流量较小的情况。由于落水点距坝址较近,坝下必须设有护坦等防护措施。 2.坝顶小鼻坎挑流。该形式是在坝顶溢流堰曲线末端以反弧段连接成为挑流鼻坎,如图1(e)、(f)所示。挑流鼻坎多采用连续式结构,挑坎末端与堰顶之间的高差一般不大于68m,为堰顶设计水头Hd的1.5倍左右;坎的挑角100a25;反弧半径R与Hd大致接近。差动式齿坎可促使水流在空中扩散,增大与空气的摩擦,减少单位面积的入水量,但在构造与施工上都较复杂,且宜受空蚀破坏。过堰水流经鼻坎挑射后,落水点距坝址较远,适用于泄流量较大的较薄拱坝。 3.坝面泄流。坝面泄流是指将水流顺坝面下泄至底部后。经挑流底坎或消力池消能的泄水方式,一般只适用于断面较厚,而且下游面坡度比较规则的重力拱坝。 4.滑雪道泄流。滑雪道泄流是拱坝特有的一种泄洪方式,其溢流面由溢流坝顶和与之相连接的渡槽组成。水流过坝以后。流经渡槽,由槽末端的挑流鼻坎挑出,使水流在空中扩散,下落到距坝址较远的地点。挑流坎一般都较堰顶低很多。落差较大。因而挑距较远,适用于泄洪量较大的拱坝。 5.坝身孔口泄流。坝身孔口的泄水通道通常布置为水平或大体水平的,但有时因某种要求,例如下游落点控制、立面水流碰撞或结构布置要求,也可设计为上仰或下俯的。例如我国二滩拱坝有6个中孔,出口就分布在3个不同的高程。坝身开孔泄流的优点是能够将射出水流送得很远,同时也可以做到对水流落点、挑射轨迹的人为控制,而且高速水流流道短,初泄流量大,对调洪有利。 三、坝内布置规划和构造设计 (一)拱坝坝缝 当坝顶厚度大于40m时,可考虑设计纵缝。纵缝基本上平行于坝轴线布置,其作用主要是防止混凝土沿上下游方向收缩而产生裂缝。横缝宜采用径向或接近径向布置,间距为1525m,其主要作用是防止混凝土沿坝轴线方向收缩而产生裂缝。纵、横缝将坝体切割为若干柱状体,混凝土按此柱状体浇筑上升。纵、横缝面上一般设有键槽,并进行接缝灌浆,以保持坝的整体性。纵、横缝的设置需考虑多种因素统筹安排。由于纵、横缝不仅给施工带来很多不便,而且缝面只能传递压剪应力,一般难以传递拉应力,是坝体的薄弱部位。因此,在满足设计与施工的情况下,应尽量减少纵、横缝数量。 (二)拱坝廊道 纵向廊道距上游面不宜太近,应布置在压应力区,且不过分恶化坝体应力,同时应满足防渗要求。廊道上游壁坝体厚度一般为0.050.1倍该处水库水头,且不小于3m。对于低坝或薄拱坝,可不设廊道,常在坝后或混凝土浇筑面上进行帷幕灌浆,后者将影响大坝浇筑进度。 (三)坝顶布置 坝顶布置包括坝顶高程、坝顶宽度的确定;解决好坝顶交通、闸门启闭设备、观测设备、照明设备、排水及动力电缆沟等布置以及相互关系,以满足施工、运行及防洪等要求。拱坝坝顶的超高值与重力坝相同,其结构形式和尺寸应按使用要求来确定;坝顶结构尺寸应满足运行、交通、观测、照明等要求。非溢流坝段,坝顶实体宽度是由拱坝体形设计确定,不宜小于3m;溢流坝段或厂房坝段,应结合泄水和引水建筑物进水口布置,满足启闭设备操作运行要求;如有公路通过,还应满足行车和人行道要求及坝顶照明、电缆布置要求。 (四)坝体排水布置 坝内一般采用竖向排水管,管间距宜为2.53.5m,管内径宜为1525cm。排水管的水,一般排至纵向廊道的排水沟内,各层纵向廊道的渗漏水,与基础排水统筹安排形成一个排水系统,或自流排到坝外,或集中引到排