河海大学水工建筑物复试-拱坝

1 拱拱 坝坝 一 一 拱坝的特点拱坝的特点 1 固结于坝基的空间壳体结构 平面上呈拱形固结于坝基的空间壳体结构 平面上呈拱形 2 既有拱的作用又有量的作用既有拱的作用又有量的作用 3 应力分布均匀 有利于材料强度发挥 节约工程量应力分布均匀 有利于材料强度发挥 节约工程量 4 高次超静定结构 局部应力屈服时应力 拱梁可以应力重分配 超载能力强高次超静定结构 局部应力屈服时应力 拱梁可以应力重分配 超载能力强 可 以达到设计荷载的 5 15 倍 5 坝身不设永久缝 温度荷载影响显著坝身不设永久缝 温度荷载影响显著 6 坝肩稳定很重要坝肩稳定很重要 7 几何形状复杂 施工有难度 材料强度和防渗要求高几何形状复杂 施工有难度 材料强度和防渗要求高 二 拱坝坝址的地形和地质条件二 拱坝坝址的地形和地质条件 一一 对地形的要求对地形的要求 地形条件是决定拱坝结构形式 工程布置以及经济性的主要因素 理想的地形应是左理想的地形应是左 右两岸对称 岸坡乎顺无突变 在平面上向下游收缩的峡谷段 坝端下游侧要有足够的岩右两岸对称 岸坡乎顺无突变 在平面上向下游收缩的峡谷段 坝端下游侧要有足够的岩 体支承 以保证坝体的稳定体支承 以保证坝体的稳定 1 河谷的形状特征常用坝顶高程处的河谷宽度 河谷的形状特征常用坝顶高程处的河谷宽度 L 与最大坝高与最大坝高 H 的比值 即的比值 即 宽高比宽高比 来表示 拱坝的厚薄程度 常以坝底最大厚度来表示 拱坝的厚薄程度 常以坝底最大厚度 T 和最大坝高和最大坝高 H 的比值 即的比值 即 厚高比厚高比 HL 来区分来区分 HT 二 对地质的要求 理想的地质条件是 基岩比较均匀 坚固完整 有足够的强度 透水性小 能抵抗水的理想的地质条件是 基岩比较均匀 坚固完整 有足够的强度 透水性小 能抵抗水的 侵蚀 耐风化 岸坡稳定 没有大断裂等 侵蚀 耐风化 岸坡稳定 没有大断裂等 实际上很难找到没有节理 裂隙 软弱夹层或 局部断裂破碎带的天然坝址 应采取妥善的地基处理措施 拱坝的荷载及其组合拱坝的荷载及其组合 一 拱坝的设计荷载一 拱坝的设计荷载 拱坝的设计荷载包括 静水压力 动水压力 自重 扬压力 泥沙压力 冰压力 浪压力 温度作用温度作用以及地震荷载等 基本上与重力坝相同 但由于拱坝本身的结构特 点 有些荷载的计算及其对坝体应力的影响与重力坝不尽相同 本节只介绍这些荷裁的不 同持点 一一 一般荷载的特点一般荷载的特点 1 水平径向荷载水平径向荷载 水平径向荷载包括 静水压力 泥沙压力 浪压力及冰压力 2 自重自重 自重产生的变位在施工过程中已经完成 全部自重应由悬臂梁承担全部自重应由悬臂梁承担 悬臂梁的最 终应力是由拱梁分载法算出的应力加上由于自重而产生的应力 灌浆前的自重作用应由梁系单独承担 灌浆后浇筑的混凝土自重参加供梁分载法中的变位灌浆前的自重作用应由梁系单独承担 灌浆后浇筑的混凝土自重参加供梁分载法中的变位 调整 有时为了简化计算 也常假定自重全由梁系承担 调整 有时为了简化计算 也常假定自重全由梁系承担 3 水重水重 4 扬压力扬压力 二二 温度作用温度作用 当坝体温度低干封拱温度时 坝轴线收缩 使坝体向下游变位 见图当坝体温度低干封拱温度时 坝轴线收缩 使坝体向下游变位 见图 4 12 a 当坝体温 当坝体温 度高于封拱温度时 坝轴线伸长 使坝体向上游变位 见图度高于封拱温度时 坝轴线伸长 使坝体向上游变位 见图 4 12 b 在一般情况下 温 在一般情况下 温 阵对坝体应力不利 温升将使拱端推力加大 对坝肩岩体稳定不利 阵对坝体应力不利 温升将使拱端推力加大 对坝肩岩体稳定不利 2 三三 地震荷载地震荷载 地震荷载包括 地震惯性力 地震动水压力和动土压力 三心圆拱由三段圆弧组成 通常是两侧弧段的半径比中间的大三心圆拱由三段圆弧组成 通常是两侧弧段的半径比中间的大 从而可以减小中间弧段的从而可以减小中间弧段的 弯短 使压应力分布趋于均匀 改善拱端与两岸的连接条件 更有利于坝肩的岩体稳定 弯短 使压应力分布趋于均匀 改善拱端与两岸的连接条件 更有利于坝肩的岩体稳定 当河谷地形不对称时 可采用人工措施使坝体尽可能接近对称 方法有当河谷地形不对称时 可采用人工措施使坝体尽可能接近对称 方法有 在较陡的一在较陡的一 岸向深处开挖 岸向深处开挖 在较缓的一岸建造重力墩 在较缓的一岸建造重力墩 设置垫座及周边缝等 在有的情况下也可设置垫座及周边缝等 在有的情况下也可 采用不对称的双心圆拱布置 采用不对称的双心圆拱布置 拱坝布置基本原则是 坝体轮廓力求简单 避免有任何突变拱坝布置基本原则是 坝体轮廓力求简单 避免有任何突变 二二 拱端的布置原则拱端的布置原则 三三 坝面倒悬的处理坝面倒悬的处理 由于上 下层拱困半径及中心角的变化 坝体上游面不能保持直立 这种上 下层的 错动距离与其间高差之比称之为倒悬度 大致可归纳为以下几种方式 大致可归纳为以下几种方式 1 使靠近岸边的坝体上游面维持直立 这样 河床中部坝体将俯向下游使靠近岸边的坝体上游面维持直立 这样 河床中部坝体将俯向下游 2 使河床中间的坝体上游面维持直立 而岸边坝体向上游倒悬 见图使河床中间的坝体上游面维持直立 而岸边坝体向上游倒悬 见图 b 3 协调前两种方案 使河床段坝体稍俯向下游 岸坡段坝体稍向上游倒悬协调前两种方案 使河床段坝体稍俯向下游 岸坡段坝体稍向上游倒悬 拱坝的应力分祈拱坝的应力分祈 一一 纯拱法纯拱法 纯拱法假定坝体由若干层独立的水平拱围叠合而成 每层拱围可作为弹性固端拱进行计算 由于纯拱法没有反映拱之间的相互作用 假定荷载全部由水平拱承担 不符合拱坝的实 际受力状况 因而求出的应力一般偏大 尤其对重力拱坝 误差更大 二二 拱梁分载法拱梁分载法 供梁分载法是将拱坝视为由若干水平供困和竖直悬臂梁组成的空间结构 坝体承受的 荷载一部分由拱系承担 一部分由梁系承担 拱和梁的荷载分配由供系和梁系在各交点处 变位一致的条件来确定 荷载分配以后 梁是静定结构 应力不难计算 拱的应力可按纯 拱法计算 供冠梁法是一种简化了纳拱梁分载法 它是以拱冠处的一根悬臂梁为代表与若干水平 拱作为计算单元进行荷载分配 然后计算拱冠梁及各个拱圈的应力 计算工作量比多拱梁 分载法节省很多 供冠梁法可用于大体对称 比较狭窄河谷中的拱坝的初步应力分析 三三 有限元法有限元法 有限单元法适用性强 可用于解算体形复杂 坝内有较大的中孔或底孔 设有垫座或 重力墩以及坝基内有断层 裂隙 软弱夹层的供坝在各种荷载作用下的应力和变形 还可 以求解地震对坝体 坝基 库水相互作用的动力反应 是拱坝应力分析的一种有效方 法 四四 壳体理论计界方法壳体理论计界方法 五五 结构模型试验结构模型试验 拱坝的坝身泄水拱坝的坝身泄水 一 拱坝坝身泄水方式一 拱坝坝身泄水方式 拱坝坝身的泄水方式为 自由跌流式 鼻炊挑流式 滑雪道式及坝身泄水孔式等 拱坝坝身的泄水方式为 自由跌流式 鼻炊挑流式 滑雪道式及坝身泄水孔式等 一一 自由跌流式自由跌流式 3 适用 对于比较簿的双曲拱坝或小型拱坝 溢梳头部通常采用非真空的标准堰型 这适用 对于比较簿的双曲拱坝或小型拱坝 溢梳头部通常采用非真空的标准堰型 这 种型式适用于基岩良好 单宽泄洪量较小的情况 且坝下必须设有防护设施 种型式适用于基岩良好 单宽泄洪量较小的情况 且坝下必须设有防护设施 二二 鼻坎挑流式鼻坎挑流式 特点 为使泄水跌落点远离坝脚 常在溢流堰顶曲线末端以反弧段连接成为挑流鼻坎 特点 为使泄水跌落点远离坝脚 常在溢流堰顶曲线末端以反弧段连接成为挑流鼻坎 三三 滑雪道式滑雪道式 特点 滑雪道式泄洪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特点 滑雪道式泄洪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 的泄槽和调流鼻坎组成 而泄槽为坝体轮廓以外的结构部分 的泄槽和调流鼻坎组成 而泄槽为坝体轮廓以外的结构部分 优点 挑距较远 泄槽下可布置电站厂房 优点 挑距较远 泄槽下可布置电站厂房 适用 用于流量大的薄拱坝适用 用于流量大的薄拱坝 四四 坝身泄水孔式坝身泄水孔式 拱坝的构造拱坝的构造 二 拱坝分绕与接缝处理二 拱坝分绕与接缝处理 拱坝是整体结构 为便于施工期间混凝土散热相降低收缩应力 防止混凝土产生裂缝 需要分段浇筑 各段之间设有收缩缝 在坝体温凝土冷却到年平均气温左右 混凝土充分 收缩后 再用水泥浆封填 以保证坝的整体性 类别 收缩缝有横缝和纵缝两类类别 收缩缝有横缝和纵缝两类 布置布置 横缝是半径向的 间距一般取 15 20m 在变半径的拱坝中 为了使横缝与半径向一 致 必然会形成一个扭曲面 缝内设铅直向的梯形键槽 以提高坝体的抗剪强度 拱坝厚 度较薄 一般可不设纵缝 为方便施工 一股采用铅直纵缝 到缝顶附近应缓转与下游坝 面正交 避免浇筑块出现尖角 六 垫座与周边缝六 垫座与周边缝 对于地形不规则的河谷或局部有深槽时 可在基岩与坝体之间设置垫座 在垫座与坝 体间形成周边缝 周边缝一般做成二次曲线或卵形曲线 使垫座以上的坝体尽量接近对称 在径向断面上 周边缝多数为圆弧曲线 也有的做成一般弧线 或直线 垫座与周边缝的作用 垫座与周边缝的作用 改变坝体与坝基面直接连接的边界条件 消除河谷形状和地基地质条件上的缺陷改变坝体与坝基面直接连接的边界条件 消除河谷形状和地基地质条件上的缺陷 有利于深入比较选定坝的体形有利于深入比较选定坝的体形 改善坝体上游面的应力状态 减小上游面的竖向拉应力和弯