水工建筑物拱坝yingli汇总

1、4 拱 坝4.1 概述4. 2拱坝的荷载和设计标准4.3 拱坝的布置4.4 拱坝的应力分析4.6 拱坝的坝身泄水4.7 拱坝的构造和地基处理4.1 概述一、拱坝的工作特点(板书)1、拱与梁的共同作用；2、稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用，因而对地基的要求很高；3、拱是一种推力结构，承受轴向压力，有利于发挥砼及浆砌石材料的抗压强度；4、拱梁所承受的荷载可相互调整, 因此可以承受超载；5、拱坝坝身可以泄水；6 、不设永久性伸缩缝；7、抗震性能好；8、几何形状复杂，施工难度大。4.1 概述拱坝平面、剖面示意图4.1 概述二拱坝的分类1、按高度分： 高（H70m）、中、低（H30m）2、按厚高比分：

2、TB/H0.2 薄拱坝；中厚拱坝； 0.35 厚拱坝或重力拱坝3、按结构分：周边固定拱坝、周边缝拱坝、有重力墩的拱坝、空腹拱坝、铰拱坝、预应力拱坝、拱上拱拱坝、上重下拱拱坝4、按坝体曲率分：单曲拱坝、双曲拱坝5、 按水平拱的形式分：(板书)圆弧拱坝，二心圆拱坝；三心圆拱坝；抛物线拱坝；椭圆拱坝；对数螺旋线拱坝；双曲线拱坝。 4.1 概述4.1 概述4.1 概述4.1 概述三、对地形的要求(板书)拱坝对地形的要求主要从四个方面考虑：1、河谷狭窄:用来描述河谷宽窄的参数是河谷的宽高比 n=L/H=坝顶处河谷的宽度/最大坝高当n小时，河谷狭窄，拱的作用大，因此坝可以修的很薄根据一般经验有：n时，适于

3、修建薄拱坝T/Hn=1.53时，中厚拱坝 T/Hn时，厚拱坝 T/H n时，重力坝或拱形重力坝4.1 概述2、 河谷的断面形状V形河谷：上宽下窄，在下部虽然水压力较大，但拱的跨度较小，拱承担的荷载较大，拱作用发挥较充分，因此坝可以修的较薄、经济。U形河谷：梁承担的荷载较大，因此坝较厚梯形河谷介于二者之间 图4-5 河谷形状对荷载分配和坝体剖面的影响(a)V形河谷 (b)U形河谷 4.1 概述3、 河谷顺河流方向的形状以平顺河流或呈收缩形河流交好，要避免河道的出口和转弯处。4、河谷对称性。河谷对称，拱坝的应力、稳定比较均匀平顺，局部不对称的河谷，往往造成应力集中，因此拱坝一般比较适合于对称河谷，

4、当河谷不对称时，可以经过一定的处理使之对称。四、拱坝对地质的要求由于拱坝的安全的关键是拱座的稳定问题，而且拱座的位移将引起坝内较大的应力。特别是不对称位移会产生较为不利的应力，因此，拱坝从一开始就对两岸的地质条件提出了严格的要求，较理想的地质条件是： 4.1 概述基岩比较均匀、坚硬完整、有足够的强度、透水性小，抗风化。二岸拱座附近河岸边坡稳定，整体性好，没有大的断裂构造和软弱夹层，在荷载作用下不产生大的变形。随着拱坝建设的不断发展，拱坝的地形、地质条件越来越复杂。搞清各种地形、地质条件对拱坝应力、稳定及变形的影响以及相应的处理措施，是我们拱坝设计人员的首要任务，在这方面国内外已经积累了大量的经

5、验，应在实践中不断学习。1、变形参数E、u：均匀2、强度参数Rc、C、f：有足够的强度3、抗渗性K、J：渗透性小4、耐久性：抗侵蚀、抗风化以上四方面均要求无地质缺陷：没有大断裂构造和软弱夹层等。 4.1 概述五、拱坝的建设情况1、拱坝发展阶段1.1 拱坝建设的萌芽阶段（1854年以前）在年以前，所有修建的拱坝水平截面虽为拱形，但由于缺乏理论指导，并没有真正认识到利用拱结构的优点，只能说是一种似拱坝结构。但该阶段的拱坝实践为后期拱坝的发展积累了经验，可以称之为拱坝的萌芽阶段。1.2 拱坝建设的起步阶段（18541917年）1854年，法国工程师左拉(Zola)在普罗旺斯地区艾克斯设计建成米高的左

6、拉拱坝。该拱坝以圆筒公式为指导，主要利用水平拱的作用来保证大坝的安全。这是拱坝建设起步的标志。 4.1 概述 拱坝建设的成熟阶段（19171960年）美国的维切尔()和瓦格纳（），在年校核熊谷拱坝及甜水（Sweetwater ）拱坝时引入了拱冠梁的概念，并利用拱冠梁与水平拱在共轭点上的径向变位一致的条件，将径向压力分配到拱和梁上，从而初步形成了拱梁分载的概念。1917年瑞士坝工专家格伦纳（）和两位助手史图基（）和济科（ ）在设计瑞士第一座拱坝蒙特萨耳文斯（Montsalvens）拱坝时（H=55m），正式提出多拱梁分载的概念。并采用拱梁径向变位一致的多拱梁法进行了该坝的应力计算。该坝的设计及建

7、造，标志着拱坝的建设已从起步阶段进入了成熟阶段4.1 概述 拱坝建设的熟练阶段（1960年至今）经过拱坝建设成熟阶段的发展，人们无论在拱坝的安全准则、还是在应力稳定分析方法上均已成熟，已达到建设200米以上拱坝的水平。1960年完成的意大利瓦依昂（Vaiont）拱坝（H=262m）标志着拱坝建设已进入熟练阶段。1、 世界拱坝建设的时空分布(板书)在空间上，自从1854年止1986年底：全世界已建1608座高度大于15米的拱坝。主要分布在中国、美国及西欧的阿尔卑斯山地区的法国、意大利及瑞士等国。拱坝在各类大坝中所占的比例随坝高的增加而增加，如在100-150米大坝中拱坝约占30% ；对150-2

8、00米的大坝约占45%；对200米以上的大坝约占。 4.1 概述 在时间上，拱坝建设有三个高峰期：第一个高峰期为1920-1930年，10年时间共建成200余座拱坝，建设的地点主要集中在美国，特别是集中在加利福尼亚州；第二个高峰期为1950-1960年，10年时间共建成150余座拱坝， 建设的地点主要集中在西欧的阿尔卑斯山地区的法国、意大利及瑞士等国；第三个高峰期为1970-1980年，10年时间共建成500余座拱坝，建设的地点主要集中在中国。3、世界拱坝之最已建国外最高拱坝：英古力拱坝H=272m，n=2.8，T/H=0.15；已建中国最高拱坝：小湾拱坝H=292m，n=2.83，T/H=0

9、.238；在建的最高拱坝：锦屏拱坝H=305m，n=1.6，T/H=0.19。4. 3拱坝的荷载和设计标准 一、荷载1、所受荷载作用在拱坝上的荷载主要有：水压力（静水压力和动水压力）、温度荷载、自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、冰压力和地震荷载（地震惯性力和地震动水压力）等。一般荷载的计算的方法与重力坝基本相同，这里只强调作用在拱坝上荷载的不同特点。2、 荷载的分配在横缝灌浆之前，只有梁的作用，此时所受的荷载全部由梁承担在横缝灌浆之后，拱坝形成整体，具有拱梁作用，此时所受的荷载由拱和梁共同承担 4. 3拱坝的荷载和设计标准2、 荷载计算(板书)（1）自重荷载：(板书)根据施工程序的不同分两种情况

10、：先浇筑后一次封拱，由梁单独承担有下列情况之一者，由拱梁共同承担：需提前蓄水，要求坝体浇注到某一高程后提前封拱对具有显著竖向曲率的双曲拱坝，为保持坝块稳定，需要在其冷却后先行灌浆封拱为了度汛，要求分期灌浆不分缝的浆砌石拱坝截面A1、A2间的坝体自重G可按辛普森公式进行计算： 4. 3拱坝的荷载和设计标准图4-6坝块自重计算图 4. 3拱坝的荷载和设计标准（2）温度荷载(板书)这是拱坝设计中的主要荷载之一，在水压力和温度荷载共同引起的径向变位中，温度荷载约占1/31/2，在靠近坝顶部分，温度变化的影响就更大。拱坝分块浇筑并充分冷却后，施工期混凝土所产生的热量已基本上散发完毕，坝体温度已趋于相对稳

11、定，然后在缝中灌浆封拱，形成整体。封拱温度即为坝体温升和温降的计算基准，一般沿不同高程进行灌浆分区，根据坝体温度场定出各区的封拱温度，封拱温度低，有利于降低坝的拉应力。封拱温度一般为年平均气温或略低。运行期温度荷载运行期坝体温度场封拱温度场 4. 3拱坝的荷载和设计标准特点：随时间在变，计算时选取最不利的温度荷载。运行期温度荷载是可以人为改变的：选择合适的封拱时机；通过人工冷却方法改变封拱温度场，使之对拱坝的应力及稳定最为有利，封拱温度一般取为多年平均温度或约低。 4. 3拱坝的荷载和设计标准运行期温度荷载的分解：均匀温度变化 等效线性温差非线性温度变化拱坝温度荷载计算通常只考虑Tm 和Td

12、图4-9 坝体温度变形图(a:温降, b:温升) “+”压应力 “-”拉应力4. 3拱坝的荷载和设计标准* 温升：温度高于封拱温度。温升对坝肩稳定不利，对应力有利；* 温降：温度低于封拱温度。温降对坝肩稳定有利，对应力不利。 （3）地震荷载(板书)地震荷载包括：惯性力、地震动水压力地震荷载方向：顺河向，垂直河流向，铅直方向（4）扬压力(板书)在拱坝的应力计算中，坝体混凝土中的扬压力一般不起控制作用，基础面上的扬压力对薄拱坝来说数值不大，对整体应力和变形影响较小，一般可不予考虑。4. 3拱坝的荷载和设计标准在拱坝的稳定分析中，扬压力是一个重要的因素，在抗滑稳定计算中，必须考虑扬压力的作用，扬压力

13、分布在任意滑动面的全部面积上，并垂直于滑动面，坝体内部和坝基面上的扬压力分布同重力坝相似。2、 荷载组合(板书)与重力坝相比，关键是注意温度荷载正常蓄水时，一般与温降组合(从可能最不利原则出发）校核洪水时，一般与温升组合，因为汛期不可能出现温降计算应力时，一般取“正常蓄水+温降”计算稳定时，一般应计算 (a）“正常蓄水+温降”（在坝较高，且正常蓄水位与校核洪水位相差不大时）(b)“校核洪水+温升”（在坝较低，且正常蓄水位与校核洪水位相差较大时） 4.4 拱坝的应力分析 一、方法综述: (板书)前面我们讲过，拱坝是一个变厚度，变曲率的，边界条件荷载条件均特别复杂的一个空间整体的壳体结构，要想求出

14、满足平衡、边界、几何、物理及相容方程的精确解答是不可能的。下面我们所讲的均只能是一些近似处理办法。根据处理问题的出发点不同，拱坝应力分析方法大致可分为以下的几种：计算方法： 1、杆件结构力学计算方法：纯拱法、拱梁分载法、拱冠梁法等（1）纯拱法：T/R1/5，剪力不能忽略；轴力引起的拱圈压缩变形比较大；地基变形影响显著。 （2）拱梁分载法：若干水平拱圈与悬臂梁组成，荷载由拱和梁承担，荷载分配由拱系和梁系在各交点处变位一致的条件确定。 （3）拱冠梁法是特例，选拱冠梁与若干水平拱圈组成，荷载分配类似上面。2、FEM方法：（1）可以求解复杂结构、开孔等；（2）分析复杂坝基对坝体应力影响与稳定；（3）考

15、虑坝体材料非线性；（4）模拟分析坝体施工过程和运行工况；（5）分析渗流、温度场等；（6）地震问题分析坝体、坝基、库水联合效应。3、壳体理论 20世纪30年代发展起来的理论，因拱坝结构复杂，应用受限。4、模型试验：很有效的手段。应力分析目的校核or修正拱坝布置及尺寸为坝体强度校核和坝肩稳定提供依据为布置坝内孔口及孔口周边配筋提供依据二、拱坝应力分析的结构力学方法纯拱法、拱梁法、拱冠梁法都属于结构力学方法，基本假定：（1）坝体、坝基材料均匀、各向同性；（2）忽略库岸、库底在水库水压力作用下的变形；（3）拱坝的法向截面在变形后任然保持平面；（4）用伏格特（）公式计算地基变形。三、地基位移伏格特方法1

16、、基本假定：1）地基位移与坝基表面形状无关2）不考虑坝基上各点作用力的不等及位移互相影响3）不计库水对坝基位移的影响于是可将坝基展开、摊平，然后按面积相等、长宽比近似的原则，用一当量矩形来代替，此矩形与坝基有相同的长宽比b/a。对于一座特定拱坝，b/a是一个常数。若在任意位置取一单元面积1T，其受载后的位移=相同荷载均布在面积（ab，a=T)上产生的平均位移。由此可求得单位荷载作用下的地基位移，即地基位移系数。单位荷载单位弯矩M=1、法向力N=1、剪力S=1、扭矩Mt=12、地基位移系数M、S交叉位移计算、时，K1K5由b/a和岩基泊桑比值，插图求出（水工设计手册）：大多拱坝为V形河谷，岸壁为

17、倾斜面，拱端截面（径向铅直面）、悬臂梁截面（水平截面）与坝基面斜交，此时拱端力系、梁底力系并非与基面垂直或平行。计算地基位移时，需先将力系投影到基面上，与基面垂直或平行，求得地基位移后，再投影回到拱端截面或梁底截面式，即二次投影。设1m高拱圈传来的拱端力系：Mz、Ha、Va，相应方向位移：z、s、 r梁底力系Ms、Hb、Vb，相应方向位移：s、z、 r1、拱座位移计算Mz产生的z：Va产生的z： z= Va cos2 上述二者叠加：z=Mz(cos3+sin2cos)+Va cos2Va产生的拱端径向位移：r =VacosMz产生的拱端径向位移：r=Mzcoscos 上述二项叠加：r=Va c

18、os+Mz coscos N产生的拱端切向位移:S=-Ha(sin2cos+cos3)“-”变位与拱端截面外法线相反。综上可得拱座位移： z、 r、S（式4-18）2、梁基位移计算（方法同上，见式4-19,略）四、纯拱法计算拱坝应力1、基本公式一般沿坝高分为5-7层，每层取1m高水平拱圈，静水压力p=H全由拱圈承担，重力不计，按两端固定的弹性拱计算，并计入地基位移。2、解出拱内任意截面处内力（以左半拱为例）：3、拱圈应力按偏向受压计算（式4-22）4、厚拱考虑曲率影响式4-235.拱梁法原理从坝体任取单元体，径向截面和水平截面各有6个内力，共计12个内力。纯拱法涉及 Mz、H、Vr三个力而拱梁

19、法中经实际研究表明：Vz较小、两个面上Mr可忽略、扭矩Ms和Mz可一并计入力矩Ms和Mz中，于是：水平面内只剩 G、Ms、Qr-悬臂梁内力径向面内只剩H、Mz、Vr-拱圈内力空间任意一点变位6个： z、r、s、s、z、r在6个变位中以r最大，其次是s，s，z。 Z,r一般较小因此可以忽略r，z方向的变位一致。同时在壳体中，z，s具有一定的关系，不是独立的。因此s可用z表示。这样，在进行变位调整时，就只需要3个参数：r，s，z。即三向调整法。五、拱冠梁法计算拱坝应力1、原理与步骤1）原理将坝体分为5-7层，每层内取1m高拱圈，及中面宽度为1m的拱冠梁作为计算单元，根据二者交点处的径向变位一致条件

20、建立荷载分配方程组，求解拱梁的径向荷载分配比例。荷载分配后，假定荷载沿拱圈均匀分布，按纯拱法计算应力，梁按静定悬臂梁计算应力。2）步骤：按拱梁交点径向变位一致条件、各交点处拱梁径向荷载之和=总径向荷载条件建立位移协调方程，即荷载分配方程组把交点分别看作拱上和梁上的点计算径向变位将变位代入方程组求解拱、梁分配荷载荷载分配后，分别计算拱梁内力2、荷载分配方程组对图示拱坝自顶至底分层n（n=5)层，各层拱与拱冠梁交点：1、2、3、4（i=4）、5据经验，拱梁分担的部分如图示：考虑任一i点，总水压力pi，设梁承担xi，则拱承担的pi-xi；又设拱径向位移ig，梁的径向位移iL，按变位一致条件有：ig=

21、iL （1）对应拱上i点，径向变位ig可由纯拱法查表求出：ig=i（pi-xi）+ Aii第i层拱圈在单位荷载强度（pi-xi）=1时拱冠处径向变位Ai均匀温变tm下的拱冠径向变位对梁上的曲线荷载化成若干三角形荷载x1-x5叠加梁上i点在每一个三角形荷载下都产生径向位移，同时竖向荷载的径向位移iwiL=i1+i2+i3+i4+i5+iw在弹性范围内，x1在15点位移等于当x1=1时产生的位移a11、a21与x1之积，所以：iL=i1+i2+i3+i4+i5+iw =ai1x1+ai2x2+ai3x3+ai4x4+ai5x5+iw =aijxj+iw于是荷载分配方程组ig= iL成为： i（pi

22、-xi）+ Ai= =aijxj+iw （4-25）4.5坝肩岩体稳定 一拱坝稳定的特点及重要性(板书)1特点：(板书)1）失稳形式(板书)a)坝肩岩体在拱端推力等外荷载作用下的滑动失稳，包括：局部，整体，局部整体等b) 坝肩岩体在拱端推力等荷载作用下变形过大致使坝变形失稳c) 拱坝支撑不能提供足够的阻止上滑的能力，沿坝基石上滑失稳本课程主要讲第一种失稳,对第二种失稳一般只能用FEM或模型试验，对于第三种近来才提出，工程中应用很少。2）维持稳定的力 (板书) 拱坝维持坝肩稳定的力主要是：岩体自重，拱端推力，其次才是坝体自重等3）失稳过程及解决途径 (板书) 点屈服面屈服滑动失稳时滑动面上合力不

23、变点屈服面屈服位移影响荷载分配及拱端力影响其他拱端的稳定整体失稳由上可见，要解决上述失稳必须将应力，稳定，变形三者统一起来考虑4）水荷载在拱端也产生阻滑力。(板书)如何充分利用水荷载自身维持稳定，是拱坝体形设计研究的主要问题2重要性(板书)1）局部应力过大，会导致局部破坏和应力重分布。 如：拱向拉应力过大，形成次生拱，其结果是曲率变大，从而应力将得到改善，不至于继续失稳又如：面拉应力过大，开裂，刚度较小，承担的荷载就小，从而不致于大的破坏。 2）一端拱座失去支撑时，由拱结构变成悬臂曲梁，其荷载能力将大大减小，以致破坏。因此拱座稳定是拱坝安全的前提，是非常重要的。这一点也被工程实践证实：据统计到

24、80年为止，国内外曾发生过得影响拱坝安全运行，破坏的实例共有45起，其中坝身开裂，漏水，冻融剥落或骨料碱性反应引起的拱坝等实例共17起，占38，稳定出问题共28起，占62 到85年为止，遭到破坏以致完全不能使用的拱坝共有6座，全是由稳定引起的，因此稳定是相当重要的问题。一可能滑动面的位置及形成。(板书)1失稳原因(板书)1） 存在可能的滑动体（由结构的切割面处）2） 有作用力由此可见要搞清稳定，首先必须分析可能滑动体及起作用的力2构成可能滑动体的结构面(板书)1） 底裂石2） 侧裂石3） 上滑开裂石4） 监察石上述结构面可以是平面，也可以是曲面3各种结构形状对稳定的影响(板书)4可能滑动体的几

25、种形式(板书)1）单种陡倾角结构和缓倾角结构面组合而成2）成组陡缓倾坝角结构的组合3）混合组合，即单陡与组缓或单缓与组陡4）多刚体组合-地质模型试验一稳定分析方法(板书)试验计算：FEF 刚体极限平衡法：概率方法稳定可靠度 图解法 三维分析法 数解法：空间整体 平面稳定 整体转动本课程主要介绍：刚体极限平衡法中的数解法。 四、刚体极限平衡法(板书)1基本假定：共4条，其中1，2，4是刚体本身的假定。3是对拱坝具体问题做的假定。2平面稳定分析 认为拱肩岩体内成组的陡倾角和组成的缓倾角结构面所切割，致使整个拱坝带的部分岩体一起向下滑动。计算稳定时，只在几个特定的切取一定高度的水平拱出来进行分析。如

26、当沿组成的铅直和水平面切割时，计算简图： Fz=0，R2=(G+W)tg-U2 Fy=0，R1=N-U1 Fz=0，S1 +S2=Q 其稳定安全系数： 3整体稳定分析：(板书) 设坝肩有如图所示的可能滑动体，其作用的力有：坝体传来的3个力，岩体自重，滑面上的反力，滑面上的压力。 如果这些力均能求及，则稳定问题也就解决了。下面看坝体传给岩体的力的求法：关键是不同失稳拱端作用力方向不一致，因此求时不能直接求代数和，具体办法可采用：已知：特定失稳拱端力HVVG求GN步骤：1）将各层拱端力均向G,N,Q方向投影 2）做G,N,Q随Z的变化图形 3）求阴影部分的面积，即为N求出GQN后，则可以求出R1,

27、，R2 S1+S2求的结果，R1可能大于0，也可能小于0，即可能为拉，当小于0时表明侧裂面上不产生抗滑力，这时为单面滑动，应考虑侧裂面为拉列面。当R1大于0时，表示滑动为双面滑动，其滑动方向为两个面的交线方向。 4公式选用及允许安全系数(板书)1） 规范规定：对类工程和高坝用抗剪公式，其他可用抗剪或摩擦公式2） 允许安全系数【Kc】。具体使用时查规范3） 安全判别K【Kc】5改善稳定的措施(板书) 主要有三方面：1） 改变拱座承受荷载，包括：改变拱坝坝型或拱圈的平面布置及尺寸等，采用对稳定较有利的坝型及布置，如：变厚度，变曲率的扁平拱等 做好坝肩的防渗排水设置，组成为U 人工扩大基础或加深开挖

28、，以增大滑动体的自重. 2) 加强坝肩岩体的抗滑能力 改善岩体结构的物理力学性能指标，如：开挖，灌浆 采用混凝土置换的方法，提高滑动面的fc法 控制总体变形，如：挡墙，撑竿，锚杆，应力锚固等 4.6 拱坝的坝身泄水 一、拱坝泄洪水消能所要解决的问题及特点1、与重力坝相同的问题：(板书) 泄洪型式选择 孔口尺寸及布置 体形设计 泄洪能力 消能防冲 高速水流的问题4.6 拱坝的坝身泄水2、特有的问题：(板书) 单薄A、 不能形成完整的溢流面产生新的型式B、 坝体削弱C、 泄水振动 曲线向心集中产生新的消能型式高？坝平面对冲拱坝一般地处高山峡谷，要解决？及泄洪冲刷岸坡的问题。 4.6 拱坝的坝身泄水二、泄水方式：(板书)1、型式：(板书)1) 坝顶溢流：自由跌落式，鼻坎挑流式2) 坝身孔口泄流：中孔、低孔3) 坝身一边或二边滑雪道式泄流4) 坝后厂顶溢流(厂前挑流)2、选择考虑因素：(板书)拱坝体形、坝高、泄洪量、厂房位置、可考虑的其它泄洪方式