第二章 拱 坝.doc

第二章 拱 坝第一节 拱坝的特点、类型一、特点1、拱坝在水平外荷载作用下的稳定性主要是依靠作为拱座的两岸岩体的反力，并不全靠坝体自重来维持稳定，这是拱坝的一个主要工作特点。2、拱坝可比重力坝节省工程量1/32/3；另外还可减少基础开挖，缩短泄水(引水)渠道和导流洞的长度。3、拱坝超载能力很强，其破坏时所达到的荷载可达设计荷载的711倍(只要拱肩有足够的稳定性)。4、拱坝的抗震性能好。(世界坝高100m以上的拱坝有40座建在78度以上的地震区)。5、拱坝砼的标号一般高于重力坝，(百米高以上的拱坝常用200300号砼，百米以下的拱坝常用200号砼，重力坝则用150号砼)，但每方砼增加的单价一般不会超过重力坝的1015。6、近年来，拱坝坝顶或表孔大流量泄洪已趋普遍，单宽流量已超过200m3/s。7、温度荷载应列为拱坝的主要荷载，扬压力对坝体应力的影响则小，对薄拱坝可忽略之。但在计算拱肩稳定时，则应考虑扬压力。因此拱坝应力计算中三个最主要的荷载为：水平水(砂)压力、温度荷载、自重。二、拱坝的适用条件(一)地形条件1、理想的地形条件：河谷断面狭窄对称，山体雄厚，坝址上游较为宽阔，顺河流方向河谷逐渐变窄，呈“漏斗”状。2、地形条件指标河谷宽高比/3.0时，厚拱坝虽然目前已认为L/H=57左右，拱坝仍可能有较好的经济性。但到1990年为止，国外高于120米已建的拱坝中，L/H5的仅3座，L/H3的仅21座，说明拱坝(特别是高拱坝)应选在河谷狭窄处，中低拱坝的应力较小，L/H可放宽一些。、形河谷与形河谷的区别形河谷大部分荷载由梁承担，坝体较厚。形河谷大部分荷载由拱承担，坝体较薄。(二)地质条件理想的地质条件是：构造简单、岩体坚硬、完整、均一、有足够的强度、透水性小、抗风化能力强。三、拱坝发展现状120m以上高拱坝中，以瑞士，美国，意大利，西班牙等国较多。目前最高的俄英古里拱坝，H=272m，L/H=2.8，T/H=0.33地震烈度(设计)为9度；意大利拱坝建的较多，设计大胆轻巧，高而薄。最薄的拱坝法国的托拉，H=80m，底厚T=2m，T/H=0.023我国较薄的拱坝有广东泉水，H=80m，T/H=0.11。世界上高于100米的大坝中，土石坝占1/2，拱坝1/3，重力坝1/5；但在200m以上的高坝中，拱坝超过50，居各类坝型之首。高实上坝越高，拱坝的经济性和安全性愈显著。四、拱坝设计步骤1、选择拱坝的体型(拱轴形式、单或双曲)2、拟定坝体基本尺寸3、进行平面布置及悬臂梁切片检查4、应力计算5、稳定计算6、坝体的细部构造设计按垦务局拱冠梁剖面，拱坝的体积V可按下式估算:V=V1+V2V1=0.000177H2L2(H+0.8L1)2/(L1+L2)V2=0.0108HL1(H+1.1L1)V1，V2为顶拱及坝底以上0.15H处开挖后河谷宽。第二节 拱坝的布置一、拱坝的体型1、按坝高仍分为低、中、高坝(与重力坝、土石坝分法一致)H30，3070，H70cm。2、按坝体曲率分：单拱或双曲拱坝。3、按水平拱圈形状分：圆弧拱：三圆心拱、抛物线拱、椭圆拱、对数螺旋。4、按厚高比分：/0.35，厚拱坝、按坝体结构型式分：一般拱坝、周边缝拱坝、底缝拱坝等、按水平拱圈的厚度变化分：等厚拱坝和变厚拱坝。二、拱圈形状及参数拟定(一)拱圈形状选择由地形和地质条件确定。(二)圆拱形状参数拟定：中心2A，半径，拱圈厚度/(2sinA)、拱坝中心角的选取(1)、应力条件跨度L=2 RsinA拱圈厚T = PR / () 圆筒公式将L=2RsinA代入上式R得:(由90A30 得中心角2A120 )T=P L /2()sinA使圆弧拱圈体积V=2ART最小，得最经济中心角2A=13334以上是仅考虑应力条件导出的结果。注：圆筒公式中的允许应力只能取较小值，砼()=2.53.5Mpa，浆砌石拱坝上式中，()仅取22.5Mpa ，()为拱厚T上的平均应力。(2)、稳定条件过大的中心角将使拱端推力趋向下游，对稳定不利。一般要求拱轴线两端的切线与可利用基岩等高线的夹角大于3035，最好大于40，即当基岩等高线与河流平行时，2A不宜大于110120，最好不大于100对于下游收缩的漏斗形地形，可选用略大一些的中心角。过大的中心角还会增大坝肩的开挖量。多数拱坝，顶拱中心角2A=90110，底拱(倒数第二层或0.15H处)中心角2A=5080，其余拱圈介于二者之间。近代大型拱坝更多采用变曲率，偏平化，变厚度的拱圈，顶拱中心角7590左右，比过去减少20，使拱推力向山体转动10，以提高稳定性。三、拱坝基本尺寸的拟定1、坝顶厚度按交通和构造要求定(最小厚度23m)2、坝底厚度TB这是个拱坝剖面的控制性尺寸，对拱坝安全及坝体方量影响较大， 1)朱伯芳公式TB=K(L1+L2)H/()L1，L2顶拱及坝底以上0.15H处开挖后的河谷宽度K经验系数，取K=0.35；H为坝高浆砌石()=34Mpa，砼拱坝()=57Mpa2)任德林公式TB/H=0.132(L/H)0.269+2H/1000 中低坝TB/H=0.0832(L/H)0.632+2H/1000 中高坝3)垦务局TB=(0.0012HL1L2(H/122)H/122)1/33、拱冠梁剖面的拟定四、拱坝布置的原则及步骤(等截面圆弧拱)(一)布置原则：在满足稳定和建筑物运用的条件下，通过调整拱坝的外形尺寸使坝体材料的强度得到充分发挥，不出现不利的拉应力而坝的工程量最省。(二)步骤1、定出开挖深度，绘出可利用基岩面等高线的地形图。2、在可利用基岩面等高线地形图上布置顶拱，顶拱中心角取90100左右。可将顶拱轴线绘在透明纸上以便在地形图上移动调整位置。使拱端与等高线夹角不小于35，并使两端夹角大致相近。3、绘制沿坝轴线(顶拱外弧)展开的河谷断面图、看河谷断面是否对称。必要时可加大局部开挖或填补，使之满足对称和坡度的要求。4、绘制拱冠梁剖面图。5、布置底层拱圈(0.15H处)，其中心角应为5060左右，然后再布置的各层拱圈。要求各层拱圈左右半中心角相差应510，在垂直面上各圆心中心连线应光滑。6、坝面检查：切取若干个悬臂梁，检查坝面是否光滑，倒悬度是否小于0.20.25(砼拱坝可达0.3)。7、校核应力及稳定，计算坝体方量。第三节 拱坝应力计算一、荷载(一)、温度荷载砼拱坝分块浇筑，待砼充分冷却后，当气温达年平均气温或低于年平均气温时，进行灌浆封拱。相对于封拱时的温度变化即为拱坝的温度荷载。一般正常蓄水位+温降对拱坝的应力最不利(拉应力大)；校核洪水位+温升使拱端推力加大，对稳定可能最不利。中小拱坝温度荷载(温度):t1=47/(T+3.39) (2-6)或t1=(12.52-0.672T) (2-7)T计算高程处拱厚，t1-该拱圈最大温度变幅(均匀温变)按(2-7)式计算出的温度变幅t1比(2-6)式偏大1/3左右，不宜采用补充：温度荷载的更合理算法(天大P114)1、均匀温变幅t1=0.5(A1+A2)(A2+B2)(26)式中A1，A2上游水温和下游气温的年变幅()A2，A2查天大P114表2、温变梯度t2=0.5(A2-A1) (26b)按此计算出的坝体拉应力与式(2-6)相比，在拱坝上部大了，下部相接近。(二)、荷载组合基本组合正常挡水水压力+自重(和垂直水压力)+温降+沙浪压力设计洪水位水压力+自重及垂直水压力+温降(升)+沙浪压力校核组合校核洪水位+自重及垂直水压力压力+温降+沙浪压力抗震情况峻工(施工期)二、应力控制标准 (拱梁法)(一)浆砌石拱坝允许拉应力一般在1.01.5Mpa(本省可取1.2MPa)基本组合允许压应力34Mpa(二)砼拱坝允许压力5-7Mpa (90天龄期)，K(安全系数)3.54允许拉应力基本组合1.2Mpa特殊组合1.5Mpa，K l =1.0国外高拱坝允许压力多为710Mpa，抗震时可达15Mpa(k=3)k=(2或1)一般中等高度(如50m)以下的拱坝，强度(应力)常不是控制条件，而应注意拱肩稳定、抗渗、消能防冲。书中规定的许用应力、一般指多拱梁的主应力，采用拱冠梁法只能求出拱向及梁向正应力，考虑到正应力最大值一般略小于最大主应力，以上应力控制标准还应留有裕度。三、拱冠梁法1、基本方程拱梁交点径向变位一致(第i层)i=1，2n(分层数n可分为5手算，电算n= 6层拱圈或更多)a ij x j +w i= (pi-x i ) i + c i (231)式中Pi 作用于第i层拱圈中面高程上的总水平荷载强度，包括水压力，泥沙压力等(水平地震力认为直接由拱承担，不分配)xi 拱冠梁在第i层拱高程上分配承担的水平荷载pi-x i 为第i层拱分担的水平荷载强度xj梁的j点所受的荷载aij梁的变位系数，表示拱冠梁j点的单位荷载在另一点i上产生的径向变位。所谓单位荷载就是在作用点(如j点)上强度为1(kN/m2)，在上下h处强度为0的三角形分布荷载。i拱的径向变位系数，表示第i层水平拱圈在单位强度的径向荷载(水压力)作用下，在拱冠处产生的径向变位Ci由于均匀温变t1使第i层拱圈在拱冠处产生的径向变位wi拱冠梁i高程处在垂直荷载(垂直水压力，梁自重砼拱坝不计之)作用下产生的水平径向变位。2、几个注意点1)计算系数a ij，wi，i，c i 时均要计入地基变形的影响2)要先将作用于坝上游面上的水压力转化为作用在拱中面(梁中面)处的荷载，若第i层拱，水深为h i ，则坝面水压力pi=水h i 换算为拱轴(中面)处的水压力pi= piR u i /R i。Ru i 和Ri 分别第i层拱圈的外径及中面半径。此后荷载分配和内力计算均用中面荷载p i 进行。3)梁的径向变位a ij 及wi可按下式分段累积列表计算(由梁底向上)式中r由梁底算起第m层拱梁交点处梁的径向变位。M、Q及A、I为梁各段的力距、剪力(径向力)，断面积、惯性矩梁的基础的转角f 及梁基础径向变位r可用伏格特公式计算f =MB+QB2rf =QB+MB2 (212)近似计算中f = 5.05 MB/(E fTB2 )rf=1.785B/Ef (213)MB，QB为基底弯矩和剪力，2，为地基常数E f 为地基弹模。4) 梁在铅直荷载作用下(自重，垂直水压力，淤砂垂直压力)第i截面产生的径向变位wi 的计算时：对砼拱坝一般可不计自重的影响，对整体砌筑的双曲(如浆砌石)拱坝，则iw 要同时考虑梁自重，垂直水砂压力的影响。薄拱坝扬压力影响可不计。四、拱冠法计算拱坝应力的步骤1、列出梁拱变位协调方程，(231)或(232)，计算系数a ij，wi，i，ci ，对等截面圆弧拱i 及c i 一般可以直接查表得。2、求解联立方程，得到拱冠梁各高程的荷载(水平荷载)分配xi及各层拱圈所分配的水平荷载pi -x i i=1，2.n3、由拱所分配的水平荷载p i-x i 和温度荷载，用纯拱法计算各层拱圈的应力(内力)。4、由拱冠梁所分配的水平荷载x i (i=1，2.)，梁的自重及垂直水砂压力计算拱冠梁的应力。第四节 拱坝的稳定分析一、平面稳定分析先截取单位高度的拱圈分层进行局部稳定分析，若各层拱圈均符合稳定要求，则认为整个拱坝是稳定的。若个别拱圈不够稳定，可调整开挖深度，局部坝肩多开挖，增强局部稳定性。此法缺点：个别拱层稳定性不足时，不意味整体滑动(此时应分析几个拱圈联合一起的稳定性)二、滑动面1)从作用力的方向看，最可能的滑动方向是沿拱端推力的方向或大致平行河谷的方向。因此平行于河流方向或向河中倾斜的节理是最不利滑动面之一。2)当不易确定最不利滑动面时，可假设几个滑裂面分别计算，取其最不利。三、稳定分析的内容1、计算坝肩稳定岩体线，确定开挖深度。沿某一滑移面ab所需的坝肩稳定岩体长度Lk，按享奈公式计算:LK=T(Kccosa-fsina)/-0.5uH+。式中T滑移面的法向力N和切向力s的合力Kc稳定安全系数，取为3.0N垂直于滑移面的总法向力S平行于滑移面的滑移力f摩擦系数，上坂取1.1滑移面的抗剪强度，上坂取1000KN/m2u滑移面裂隙水的压力系数，上坂取u=0.50水的容重H裂隙水压力水头(m)，取为计算层的上游水头a合力T与滑移力s的夹角2、坝肩岩体稳定安全系数Kc切取高度为1m的拱圈，用拱梁法计算出拱端推力H a 及剪力Vv (此时Va 应包括悬臂梁底部的水平力)；或用纯拱法求出H a 及v a ，设底裂面为水平，侧裂面与水平夹角60，则沿ab滑动的稳定安全系数kc=f1R1+f2R2+C1L1/sin+C2L(tgctg)/总抗滑力Q式中R1=N/sinU1N = H a sinVa cosR2=(G+W)NctgU2Ha拱端传来的轴向力Va拱端和梁底传来的剪力N法向压力R1滑移面上的反力U1滑移面上渗压力U2滑裂体顶底两面的渗压力差值(简化计算可近似取U2=0)W+G-梁基底反力和滑裂体自重，有时为了简化计算，滑裂体自重W不计，偏安全f1侧向滑移面的摩擦系数，f1=0.6，c1=0f2上下岩石间的摩擦系数，f2=1.1，c2=1.0Mpa 上坂L侧向滑移面长度，侧滑面的倾角，=75上坂Q=s1+s2，s1=f1R1/Kc+c1L/Kcsins2=f2R2/Kc+c2(tg-ctg)L/KC以上是等稳定算法，一般算法时侧滑面上的抗滑力s1=f1R1+c1L/sin底滑面上的抗滑力s2=f2R2+c2L(tg+ctg)总抗滑力Q=s1+s2四、提高坝肩抗滑稳定的措施1、调整拱坝体形，采用三圆心拱或抛物拱，使推力转向山体。2、局部深挖使拱端嵌入基岩以提高c，f值，深嵌还可增加抗滑岩体重量，避开不利滑裂面。这是最有效措施。3、局部加大拱端厚度，加强固结灌浆，或采用推力墩。拱坝的坝基开挖量可达1/31倍坝体方量，一般约为其5060。第五节 拱坝坝身泄洪一、拱坝坝身泄洪方式1、挑坎式，2、自由跌落式，3、滑雪道式，4、坝身泄水孔二、坝顶自由跌落式泄洪：适用于坝高H=1030m，单宽泄流量q2030m3/s的低坝溢流面的宽度b(即坝顶厚度最大处)约为2.55m，挑距一般在坝脚20米以内。堰上水头低时不能起挑，宜在坝后设1030m的钢筋砼短护坦。三、坝顶低落差挑坎特别适用于H=3070m中等高度的拱坝，挑距(最大)一般要比坝顶自由跌落式远2580，可达2040m左右。设计要点1、反弧半径R约为堰顶设计水头Hd，通常取R=36m；挑角=10252、挑坎落差S约为1.5Hd，通常S68m(薄拱坝)3、堰上水深(设计水头Hd)多在28m，堰顶宽度b约为堰顶最大水头Hmax的22.5倍左右，或b/s=1.22.5左右。4、堰面宜用较瘦的幂曲线x n =KH dn-1y(K，Hd 小，n大则堰面较瘦)对拱坝取Hd =0.70.8Hmax或Hd等于设计洪水位时的堰上水深。例如K=1.5163 n=1.8488龙下岭拱坝y=(1/3.88)x1.85=0.275x1.85南溪拱坝y=0.1172x1.85上坂Y=0.1527X1.8487Hmax=4.39Hd=4.2M，K=1.5163n=1.8488堰顶宽b=9.69M 落差S=3M5、对于厚拱坝，可采用高落差挑坎，S=1520m，6、挑流消能的挑距，冲坑深计算见重力坝一章(式144)四、拱坝泄洪的消能防冲措施1、促使水流扩散：a：使顶拱曲率减小，减小水流的向心作用，即拱坝布置时减小顶拱中心角。b：将边墩，导墙不沿径向布置，而略转向岸边或平行于河道。2、下游建二道坝或护坦消力池在坝下游70200m之间设1020m高的二道坝，对中小流量可减少冲刷深度1020；但对泄大流量效果就不一定同样显著，因为大流量时水垫深度相对不够。3、布置高低泄水孔(坎)，上下或左右岸对冲，可加强水流的扩散消能。4、先不作保护，让挑流形成一定冲坑后，在坑中改建消力池或设护坦。5、堰上水深小时，可能不能起挑而跌入坝脚。因此坝脚处可考虑先用砼保护。若坝顶挂闸，可部份克服这一问题。注：1)估算冲坑深时，q应采用挑流跌入下游水面处的单宽流量。2)中孔泄洪：当拱坝坝身泄流量较大时，可考虑采用中孔与表孔(坝顶溢流)联合泄洪的方式，中孔的优点是水舌射距较远，且可予泄。中孔也可以采用收缩式窄缝挑坎挑流，使水舌纵向扩散，减小冲坑深。当表孔采用020度挑角，中孔采35度左右挑角时，上下二层水舌空中冲击消能率可达25，更重要的是冲击后水舌的掺气和扩散，更好地提高了消能效果。第六节 拱坝的构造及地基处理一、拱坝对材料的要求我国砼重力坝，拱坝的抗压极限强度一般是指90天龄期，国外有的用180天龄期，有的(如美国)采用365天龄期。抗拉极限强度一般为极限抗压强度的1/101/15(基本组合1.2MPa，特殊组合时允许拉应力为1.5MPa)。中等高度的拱坝(70m以下)，强度(应力)常不是控制条件，一般为200号砼即可。坝面(外部)每m3水泥用量240270kg，内部大体积200kg左右。但薄拱坝趋向于内外均用同一标号的砼。坝面一般不配筋。二、拱坝构造1.薄拱坝坝体不设排水；坝下游面可设工作桥，以作检查、观测、交通、坝缝灌浆之用。2.坝基帷幕灌浆、固结灌浆、排水孔见重力坝一章。3.重力墩、推力墩、垫座拱坝的基岩开挖量一般可达坝体方量的1/31/2。4.喷砼护坡，防止岸坡岩体风化崩落，在上游岩壁喷砼还可以阻水防渗。厚度一般515cm。5.横缝与纵缝：都是临时施工缝，蓄水前需进行处理。横缝的间距1220m，薄拱坝不设纵缝，厚拱坝纵缝间距2020m，予埋灌浆管和出浆盒，在坝体冷却后蓄水前进行压力灌浆。浆砌石拱坝砌筑时分段，但一般可不设永久性横缝。6.周边缝：坝体与垫座之间的永久缝。7.坝内廊道与交通目的：为满足拱坝灌浆、排水、观测、检查和交通等要求。8.坝体止水与排水：横缝上游侧应设止水，下游设排水。三、不利的地形地质条件的处理、垫座定义：垫座是坝址地形地质条件存在缺陷，采取的一种补强加固措施。设置在坝体与基岩之间。作用：在于控制河谷断面形状与尺寸，改善坝基应力状态。、重力墩和推力墩当坝址两岸的可利用岩面高程偏低，形成加大的台阶，为了缩窄或调整坝址河谷断面形状，可设置重力墩和推力墩作人工拱座，使拱端推力通过它们传至基岩。重力墩属于重力式结构，将拱端推力通过其底面传至基岩，用于拱端与两岸可利用岩面的距离较大，拱座基岩承载能力较低的情况。推力墩是拱座与两岸基岩间的一种过渡结构，将拱端作用力沿水平方向传给拱座。、基础拱桥当河床具有较深的覆盖层时，为了减少坝基开挖量，修建跨越河谷的基础拱桥。、坝基处理措施()加强拱座的防渗处理与排水。()预应力锚索并辅以灌浆，提高基岩的整体性，增加抗滑稳定性。第七节 浆砌石拱坝的特点一、结构特点、体形特点()顶拱中心角80110度()坝顶厚度1.05.0m一般大于3.0m()拱冠梁剖面倒悬度允许值为0.3:1剖面尺寸可依表2-19经验数据确定p134。、受力状态方面坝体一般由砌石和混凝土防渗体两部分组成，使坝体具有不同的弹性模量，具有非均一与各向异性的力学性质。二、构造特点(一)对筑坝材料的要求选择使砌体强度高，整体性好的材料。(二)坝体防渗设备及溢流面构造与浆砌石重力坝相似。(三)砌体分缝与封拱、拱端附近设置宽缝：缝宽0.81.0m，对防止拱端开裂有利。、混凝土防渗体分缝，砌体不分缝。、混凝土防渗体和砌体均按一定距离分缝。横缝间距为1020m。、不设横缝，整体上升。三、应力允许值根据材料和计算方法的差别参照表2-20、2-21，p135。四、浆砌石拱坝为防止开裂可采用以下方法施工1.当气温接近于年最高气温时，停止砌筑。在气温超过年平均气温的季节，可分段砌筑。当气温低于年平均气温时，施工不分缝。在气温接近于年最低气温时封拱。分段长度约20m左右。2.坝体全年施工，砌筑时分块，夏季可在上午8:00之前，下午5:00之后砌筑，在当日气温最低时(一般为清晨)封拱。逐层上升。后一种方法更常用。五、砌石拱坝的材料及施工(参见重力坝)1.水泥:比重为30503200，松散状态下的容量为0.91.3t/m3。2.砂质量要求：a粘土：泥的含量不宜超过百分3，对于内部砌体不宜超过百分5。b比重：要求大于2.55;c容重：干砂在天然状态下，容重为1.41