第十章拱坝分解.ppt

第十章拱坝10-1概述一、拱坝的特点拱坝是一个凸向上游的空间壳体结构，在平面上呈拱形。建坝材料可用混凝土或浆砌石。作用于坝身的上游水压力和泥沙压力等外荷载，大部分是通过拱的作用传给两岸基岩，另一部分经拱的底部传到坝底基岩。而坝体的稳定性主要是依靠两岸坝端的反力作用，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。拱坝内力以压应力为主，断面应力分布较均匀，因,而可以充分发挥脆性材料抗压强度高的特点。拱的作用利用越充分，材料的强度特点就更能发挥，坝体厚度可以减薄，可以节省工程量。对于同一坝址，拱坝体积比同一高度的重力坝大约可节省1/32/3，所以从经济意义上讲，拱坝是一种优越的坝型。拱坝除坝顶以外，周边都嵌入河岸和河底的基岩，成为固定连接，所以坝体是一个高次超静定结构。有较大的承受超载的能力，因为当外荷载增大或坝的某一部位发生局部开裂时，坝体的梁作用和拱作用将自行调整。例如，当梁的负担过大时，由于整体变位的相互制约，荷载也可转移一部分到拱圈，使坝应分出现重分布，原来应力较低的部位将承受增大的应力。在极端情况下，如拱坝已发生水平裂缝，只要拱的作用能,保证坝体承载能力还是存在的。根据国内外拱坝结构模型试验研究表明，拱坝的超载能力可以达到设计荷载的511倍。在抗震性能上，由于拱坝是整体性的空间结构，坝体比较轻韧，弹性较好，只要基岩稳定，拱坝抗震能力是比较好的。意大利的柯尔费诺拱坝，高40m，曾遭受破坏性地震，附近市镇的建筑大都被毁，这个坝却没有裂缝和伤损。我国河北省邢台地区峡沟水库的浆砌石拱坝，高78m，在满库情况下曾经受1966年3月的强烈地震，震后检查坝体，并未发现任何裂缝和损坏。,坝身不设永久性伸缩缝，因此温度变化基岩变形对拱坝应力的影响比较显著。在设计拱坝时，温度荷载必须列为一项主要荷载。保证拱坝坝肩岩体稳定是拱坝设计、施工和运行中的重要问题。二、拱坝的地形和地质条件（一）地形条件地形条件往往是决定拱坝结构型式、工程布置以及经济性的主要因素。理想的地形条件应是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面（地形）上向下游收缩的峡谷段。二、地质条件,地质条件是修建拱坝的一个关键问题。河谷两岸的基岩必须能承受由拱端传来的巨大推力，在任何工作情况下都能保持稳定，不致危坝体的安全。理想的地质条件是基岩比较均匀、坚固完整、有足够的强度、透水性小而且能抵抗风化等。实际上很难要求坝址地基完全没有节理裂隙或局部的断层破碎带，但必须经过严格的地基处理。三、拱坝的形式河谷地形对拱坝的几何形状有很大的影响。区分不同形式拱坝的主要参数是：拱弧半径、拱中心角、拱坝厚度。按照坝体的拱弧半径和拱中心角，通常可分为（1）等半径式拱坝；（2）定角式拱坝；（3）变半径式拱坝等。,拱坝按其基本剖面形态分为单曲拱坝、双曲拱坝两大类。单曲拱坝的垂直横剖面至少有一侧（上游面）保持铅直，它适用于U形河谷。双曲拱坝是坝面在垂直方向也有一定曲率，它适用于V形河谷。10-2拱坝的布置拱坝布置的任务是结合坝址地形、地质、水文和施工条件选择坝型，拟定坝体基本尺寸，作为坝体应力公析的依据。然后反复修改以求得安全可靠、经济合理的设计方案。一、拱坝的几何尺寸,现取单位高度的等截面圆拱来说明坝体几何尺寸的特点。在沿外弧均布的压力p的作用下，设拱圈厚度为T，外弧拱半径为Ru，拱形中心角为2A。假定拱圈两端与河岸的支承条件为滚动支座，拱圈内部只存在沿拱轴线方向的均布压应力。支座反力N的方向拱端轴线方向相切。坐标轴y为拱圈的对称轴，沿y轴方向按力的平衡条件可列出下列平衡方程：即如坝体的容许应力为，按强度条件N/A，可得出所需要的拱圈厚度T为：,由此可知，拱圈的厚度取决于荷载强度p及拱圈外半径Ru。设拱圈两端的直线距离L为一定时，Ru越小，相应的2A越大，拱圈弧长越大，所需的厚度T越小。以拱圈的体积最小为目标，可求出最佳中心角2A=13334。合理的拱弧中心角或拱弧半径R不能仅以坝体工程量的多少为准，还要考虑拱端推力的方向是否对坝肩岩体的稳定有利。当拱弧中心角越大，即拱弧半径越小时，找拱端推力的方向越趋向于平行河岸线，这对坝肩岩体稳定性非常不利；相反，,当拱弧中心角越小，即拱弧半径越大时，拱端推力越趋向于垂直河岸线，对坝肩岩体稳定性越有利，但这时拱的效应降低，而坝体要显著增厚。考虑到这两者之间的关系，在布置拱坝时，坝顶拱弧中心角的适用范围是75-110（90-130），坝底拱弧中心角的适用范围是60-90。拱顶中心角常常是一项控制性的指标，它影响到整个坝体的曲率，设计时必须结合河谷具体条件及工程布置要求来考虑。二、拱坝的布置（一）U形河谷的适用坝型U形河谷的上下宽度相差不显著，一般可选用单曲拱坝。拱坝的上游面为铅直圆筒面。由于不同,高程的拱圈受到不同的水压力，所以，从坝顶向下，坝体厚度也要逐渐加大。这种坝型构造简单、施工较方便，上游坝面垂直也有利于布置泄（引）水孔。但坝体一般较厚，材料用量较大。（二）V形河谷的适用坝型对于底部狭窄的V形河谷，为了不致降低拱的效应，宜将各层拱圈的外半径从上到下逐步减小，使各层拱圈的中心角基本上保持一致。但要使中心角完全保持一致很难实现，所以在实标工程中广泛采用上下拱圈的外半径和中心角都不相等的“变半径、变中心角”式的拱坝坝型。,三、拱坝的泄水方式拱坝的泄水方式主要有：自由跌流式、鼻坎挑流式、坝身泄水孔等方式。（一）自由跌流式将拱坝坝顶做成非真空的标准堰型，水流经溢流堰自由跌落至下游河面。这种形式的特点是工程量小且结构简单，适用于坝址河床基岩良好的薄拱坝或小型拱坝。（二）鼻坎挑流式在自由跌流式堰顶曲线的未端，采取以反弧段连接方式，就成为坝顶鼻坎挑流式。水流经过这种鼻坎挑流后，跌落点距坎脚比自由跌流更远些。鼻坎挑流式适用于单宽流量较大，或坝体较,厚的重力拱坝。（三）坝身泄水孔式坝身泄水孔是指位于库水面以下一定深度的中孔和低孔。一般是靠近坝体中部或上部的泄水孔称为中孔，多用于泄洪；位于坝体下半部的泄水孔称为低孔，多用于放空水库、辅助泄洪、排沙以及施工期的导流。拱坝泄水孔的水流一般都是压力流，比坝顶溢流式流速大，出口水流挑射的距离更远，有利于坝基的安全。拱坝的下泄水流对下游的河床有冲刷破坏作用，也必须采取必要的坝下消能措施。,10-3拱坝的荷载及应力分析一、拱坝上的作用拱坝的荷载与重力坝基本相同。但由于拱坝本身结构的特点，有些荷载的计算以及对坝体应力的影响和重力坝不完全一样。温度变化引起拱坝内力的变化很大，因而在拱坝设计中，温度作用是拱坝的一种主要作用。在拱坝施工中，要先分块浇筑，在充分冷却，使坝体温度已趋于相对稳定之后，再向分块的缝隙灌浆封拱，使拱坝成为整体。封拱时的气温即为坝体升温、降温的计算基准。一般拱坝封拱选在年平均气温时进行。当坝体温度随外界气温和水温变化时，其体积,就要发生胀缩，由于坝体和坝基嵌固而不能自由伸缩，就要引起约束变形。当坝体温度上升到高于封拱温度时，坝轴线伸长，使坝体向上游面变位，结果使拱端上游受压，下游受拉；拱冠则上游面受拉，下游面受压。当坝体温度低于封拱温度时，坝轴线收缩，使坝体向下游变位，其结果使拱端上游面受拉，下游面受压；拱冠则是上游面受压而下游面受拉。温升将使拱端推力增大，对肩基岩的稳定性不利；温降将使拱冠下游面增大拉应力，对坝体的应力状态不利。二、拱坝应力分析拱坝的应力分析，属于弹性壳体的应力分析范围，可用有限单元法进行计算。若作适当的简化假,定后，也可以用一般结构力学方法求出近似的又是可实际应用的结果。再就是根据相似理论，进行结构模拟试验，求得坝体各部位的应力。三、拱坝的应力控制指标拱坝主要以受压为主进行考虑，因此规定的压应力安全系数较大，而拉应力安全系数较小。混凝土容许压应力，对于基本荷载组合，安全系数取4.0；对于特殊荷载组合，安全系数取3.5。混凝土容