[讲义]水电水电工程拱坝知识PPT讲义47页

1、拱坝第一节 概述 拱坝是固结于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠梁剖面呈竖直或向上游凸出的曲线形。 坝体结构可近视看作是由一系列水平拱圈和一系列竖向悬臂梁所组成，其承受的荷载一部分通过拱的作用传至两岸的基岩，一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。 与重力坝相比，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用来支承。拱圈截面上主要承受轴向反力，可充分利用筑坝材料的强度,是经济性和安全性都很好的坝型。拱坝平面及剖面图一、拱坝的特点 1、荷载由拱与梁共同作用。2、稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用。 拱坝对地质地形条件要求较高，对地基处理要求较严格。3、

2、充分发挥砼及浆砌石材料的抗压强度；拱是一种推力结构， 拱圈截面主要承受轴向压力，弯矩较小。4、拱坝属于高次超静定结构，超载能力强，安全度高。5、拱坝坝身可以泄水。6、不设永久性伸缩缝， 周边通常固结于基岩上。7、抗震性能好。8、几何形状复杂，施工难度大。 二、地质地形条件 1、地形条件理想地形：左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的“V”或“U”形峡谷地形。2、地质条件 理想地质：基岩均匀单一，有足够的强度、透水性小、耐久性好，两岸拱座基岩坚固完整，边坡稳定。 上述条件不能满足时，需进行固结灌浆以增加地基的整体性和牢固程度。向下游收缩:B-B坝址虽然河谷狭窄,地形位于向下游扩散的喇

3、叭口处,两岸拱座单薄,对稳定不利. A-A处坝址两岸拱座厚实, 拱轴线与等高线接近垂直, 因此应将A-A处选为坝址.宽高比与厚高比（a）宽高比：河谷宽度L与坝高H的比值，（b）厚高比：坝厚T与坝高H的比值。L/H1.5,河谷窄而深， 薄拱坝；L/H=1.53.0, 中等宽度，一般拱坝；L/H=3.04.5, 宽浅河谷，重力拱坝。中国陈村重力拱坝，坝高76.3米，L/H=5.6， T/H =0.7 美国的奥本三圆心拱坝，坝高210米，L/H=6.0， T/H =0.29 河谷形状对荷载分配和坝体剖面的影响 (a)V形河谷 (b)U形河谷三、拱坝的类型: 1.按建筑材料和施工方法分为常规混凝土拱坝

4、、碾压砼拱坝、砌石拱坝 2.按坝高分高坝、中坝、低坝 3.按厚高比分为薄拱坝、中厚拱坝、厚拱坝 T/H 0.2 为薄拱坝； T/H =0.2 0.35 为一般拱坝； T/H =0.35 0.60 为重力拱坝。 4.按水平拱圈型式分为单圆心拱、多圆心拱、抛物线拱、椭圆拱等 5.按照坝面曲率分为：单曲拱和双曲拱控制拱坝形式的主要参数:拱弧的半径、中心角、圆弧中心沿高程的迹线和拱厚。1、单曲拱 只在水平截面上呈拱形，而竖向悬臂梁断面的上游面是铅直的。 对U型或矩形断面的河谷，其宽度上下相差不大，各高程中心角比较接近，上游坝面拱弧半径在各高程内保持不变，仅改变下游拱弧半径变化以适应坝厚变化的要求。不同

5、高程各拱圈的内外拱弧圆心位于同一条铅直线上，形成定圆心等半径拱坝。特点：施工简单，直立的上游面便于布置进水孔和泄水孔及其设备，但当河谷上宽下窄时，下部拱的中心角必然会减小，从而降低拱的作用，要求加大坝体厚度,不经济. *对于底部狭窄的“V”字形河谷可考虑采用等外半径变中心角拱坝 2、双曲拱坝 -在水平和铅直方向上呈拱形1） 变外半径等中心角 变外半径等中心角拱的特点：拱坝应力条件较好，梁呈弯曲形状,兼有拱的作用, 更经济，但有倒悬出现，设计及施工较复杂，对“V”、“U”型河谷都适用.双曲拱坝 （2）变外半径变圆心 让梁截面也呈弯曲形状，因此悬臂梁也具有拱的作用；这种形式更能适应“V”、梯形及其

6、他形状的河谷，布置更加灵活，结构复杂，施工难度大。 变外半径变圆心拱的特点：应力状态尽一步改善，节省工程量，结构更加复杂，施工难度更大，被广泛采用,图为桐坑溪双曲砌石拱坝。第二节 拱坝的荷载一、荷载 作用在拱坝上的荷载有：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。一般荷载的计算方法与重力坝基本相同。1、自重 对薄拱坝而言，自重的影响很小，几乎可忽略不计，对中等厚度拱坝和重力拱坝来说，应考虑自重的作用，自重荷载由梁承担。对实际工程中因提前蓄水、度汛、倒悬度过大等原因需要边浇筑砼边封拱灌浆的拱坝，应考虑自重由拱和梁共同承

7、担。 截面A1、A2间的坝体自重G可按辛普森公式进行计算：坝块自重计算图2、水平径向作用 主要为静水压力，其次有泥沙压力、浪压力、冰压力等，由拱和梁共同承担。分担荷载的比例须通过荷载分配的方法来划分。当基岩弹模与坝体相同时，在均布径向荷载作用下水平面上的应力分布的一般规律是：等厚圆拱应力分布示意图拱端拱冠3、温度作用 在水压力和温度荷载共同引起的径向变位中，温度荷载约占据1/3至1/2，对坝顶部分的影响更大。通常假定温度荷载由拱圈承担。产生温度荷载的两个原因是：（1）混凝土施工过程中水化热的散发；（2）外界气温的变化。* 封拱温度：选用下游坝面的年平均气温和上游坝面的年平均水温作为边界条件，求

8、坝体的温度场，确定坝体各区的封拱温度。工程中，一般选在年平均气温或略低时进行封拱。* 温升：温度高于封拱温度。温升对坝肩稳定不利；* 温降：温度低于封拱温度。温降对坝体应力不利。 坝体温度变形图(a:温降, b:温升) “”为压应力，“”为拉应力 4、扬压力 由于拱坝坝底厚度很小，作用于坝底的扬压力较小，除厚拱坝和中厚拱坝需考虑扬压力的作用外，对薄拱坝扬压力可忽略不计。对坝肩岩体进行抗滑稳定分析时，必须计入扬压力的不利影响。根据设计经验，一般在进行有限元开裂分析时才考虑拱坝的扬压力。二、荷载组合拱坝设计荷载组合可分为基本组合和特殊组合二类。（一）基本组合1、水库正常蓄水位及相应的尾水位和设计正

9、常温降，自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、设计洪水位及相应尾水位、动水压力2、水库死水位（或运行最低水位）及相应的尾水位和此时出现的设计正常温升，自重，扬压力（或不计），泥沙压力，浪压力。（二）特殊组合1、校核洪水位及相应的尾水位和此时出现的设计正常温升，自重，扬压力，泥沙压力，动水压力，浪压力。2、基本组合1+地震荷载。3、施工期的荷载组合，包括接缝未灌浆和分期灌浆两种情况。 （1）接缝未灌浆:自重；遇施工洪水时的静水压力加自重。 （2）分期灌浆:自重及接缝灌浆部分坝体浊度荷载（设计正常温升或设计正常温降）；遭遇施工洪水时，静水压力，自重及接缝灌浆部分坝体温度荷载（设计正常温升）。4、其他稀遇

10、的不利荷载组合。 在上述荷载组合中，可根据工程的实际情况选择控制性的荷载组合，作为分析坝体应力和坝肩岩体稳定的依据。在初步选择体形时，可用基本组合1作为控制性的荷载组合。在地震较频繁的地区，当施工较长时，应采取措施及时封拱，必要时对施工期的荷载组合尚应增加一项“上述情况加地震荷载”，其地震烈度可按设计烈度降低一度考虑。第三节 拱坝的布置一、拱坝断面尺寸的初步拟定 当坝高已定，坝体待定的基本尺寸主要是：拱圈的平面形式及各层拱圈轴线的半径和中心角，拱冠梁上下游成的形式以及各高程的厚度。首先要拟定的是平面拱圈的形式及其中心角、半径和厚度，以及拱冠悬臂梁的尺寸。 1.圆弧形拱圈的中心角、半径和厚度 拱

11、坝的水平拱圈以圆弧形最为常用。图为从拱坝任意高程取的单位高度的等截面圆拱，设拱圈的外半径为R0 ，拱圈中心线半径为R ，中心角为2A ，在沿外弧均布水压力平衡条件可得“圆简公式”为： 2.水平拱圈的较优形态 合理的拱圈形式应当是压力线接近拱轴线，使拱截面的压应力分布趋于均匀，当单独一个拱圈在上游面承受匀布水压力时，其最合理的形态为圆弧拱。但是对于拱坝来说，由于其结构性能具有水平拱和垂直梁的作用，拱梁的系统共同承担外荷载，且水平拱所分担的水压力部分往往是非匀布的，通常是从拱冠向拱端逐渐减少的。因此最经济合理的拱圈形就不一定是圆弧拱，实际采用时需综合考虑经济、设计及施工等因素。3.铅直剖面（拱冠梁

12、）的形式和尺寸 在拱坝的轴线和拱圈平面形式确定之后，铅直剖面可以拱冠梁为代表，初步拟定其尺寸。 坝顶厚度 坝顶厚度应根据剖面设计确定，并满足运行、交通要求，一般不应小于3m。坝顶厚度还可按经验公式估算. 坝底厚度 拱坝的坝底厚度主要取决于坝高和河谷形状。设计时可参考已建成的坝高和河谷形状大致相近的拱坝来初步拟定，再通过计算和修改布置定出合适的尺寸。 拱冠梁的形态和尺寸 拱冠梁剖面的形态对拱坝的竖直曲率和自重应力有很大影响。以往较广泛采用上游面近于垂直的单曲拱坝，尽管设计和施工方便，但往往很不经济，近代大多数较高的拱坝都采用双曲形，即竖直剖面的上下游面均有一定曲率，其明显的优点是可利用坝体自重以

13、减小由上游面水压力引起的坝底上游面以及坝体上部下游面的垂直拉应力，并利用垂直拱的作用，使悬臂梁在水压作用下产生水平变位的同时还有向上变形的倾向，该倾向得到顶拱的支承，从而减小了悬臂梁的弯矩，使拱的应力状况得到改善。二、拱坝布置的原则和要求 1.拱坝布置的原则: 根据坝址地形、地质、水文等自然条件以及枢纽综合利用要求统筹布置，在满足稳定和建筑物运用的要求下，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，控制拉应力在允许范围之内，而坝的工程量最省。因拱坝型式比较复杂，断面形状又随地形地质情况而变化，故拱坝布置需有较多的方案，进行全面技术经济比较，选择最优方案。而最终选定的布置方案，一般需经

14、模型试验论证。3.坝面倒悬的处理拱端的布置原则:保证拱端能很好地嵌入坚实的基岩，有充分的岩体承受施加的荷载，并应考虑岩石内节理的倾向,以保证在各种荷载条件下坝肩的稳定。* 全径向拱座：使拱端推力接近垂直于拱座面；* 半径向拱座：基岩开挖过多时，靠上游侧1/2拱座面与基准面的交角大于10；* 非径向拱座：基岩开挖过多时采用，拱座面与基准面的夹角应80。拱座类型第四节 拱坝的应力分析拱坝应力分析的常用方法 拱坝是一个空间弹性壳体，其几何形状和边界条件都很复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。在工程设计中，常作一些必要的假定和简化，使计算成果能满足工程需要。拱坝应力分析的常用方法有圆筒法、

15、纯拱法、拱梁分载法、壳体理论计算方法、有限单元法和结构模型试验法等。(1)纯拱法: 假定拱坝由许多互不影响的独立水平拱圈组成，不考虑梁的作用，荷载全部由拱圈承担，每层拱圈可简化为两端固结的平面拱，用结构力学方法求解拱的应力，计算简单，但结果偏大，尤其对厚拱坝。对薄拱坝和小型工程较为适用。(2) 拱梁分载法: 假定拱坝由许多层水平拱圈和铅直悬臂梁组成，荷载由拱梁共同承担，按拱、梁相交点变位一致的条件将荷载分配到拱、梁两个系统上。梁是静定结构，其应力容易计算；拱的应力则按弹性固端拱进行，计算结果较为合理，但计算量大，需借助计算机，适于大、中型拱坝。(3)拱冠梁法: 最简单的拱梁分载法，可采用拱冠梁

16、作为所有悬臂梁的代表与许多拱圈组成拱梁系统，按拱、梁交点径向线变位一致的条件来建立变形协调方程, 并进行荷载分配, 可大大减少工作量。拱冠梁法的主要步骤：选定若干拱圈，分别计算各拱圈拱顶以及拱冠梁与各拱圈交点在单位径向荷载作用下的变位，这些变位称为“单位变位”；根据各共轭点拱、梁径向变位协调的关系以及各点荷载之和应等于总荷载强度的要求建立变位协调方程组；将上述方程组联立求解，得出各点的荷载分配；根据求届的荷载分配值，分别计算拱冠梁和各拱圈的内力和应力。(4)壳体理论计算方法: 采用壳体理论计算拱坝应力的近似方法，早在30年代就由P托克尔提出。由于坝体形状和几何尺度的变化以及边界条件的复杂性，使

17、这一方法受到很大限制。近年来由于计算机技术的发展，使这一方法取得了新进展。网格法就是应用有限差分解算壳体方程的一种计算方法，它适用于薄拱坝。我国广东泉水双曲拱坝用网格法进行应力计算，效果较好。(5)有限单元法: 将地基和坝体划分为有限数量的单元，以节点相连接，用离散模型代替连续体结构进行坝内各单元的应力和变位计算，能正确反映施工过程对应力的影响，能解决复杂边界条件和材料不均匀的问题，适用而有效，但计算量相当大，必须借助于计算机才能完成。 有限单元法的适应性很强，通过采用不同的单元，可以在不同的精度上求解。例如在分析圆筒面薄壳拱坝时，可用矩形板单元(图a)；对于双曲薄拱坝，为适应不规则的外形和边

18、界条件，常采用三角形板单元(图b)；对于厚度较大、外形复杂、地基不均匀的拱坝，可采用较精确的三维有限元法分析。第五节 拱座稳定分析 拱坝所承受的荷载大部分都是通过拱的作用传到两岸拱座岩体，拱坝所具有的一切优点都是建立在拱座稳定的基础上，拱坝的重大事故基本上均与拱座滑动失稳有关。1959年法国马尔巴塞拱坝因左岸拱座失稳而遭到破坏后，许多国家在拱坝设计规范中都明确规定必须进行拱座稳定分析，对两岸拱座的稳定性作出论证，必要时采取适当工程措施，以保证拱座的稳定。 抗滑稳定分析中的滑动体边界，常由若干个滑裂面和临空面组成。滑裂面一般应是岩体内的各种结构面，尤其是软弱结构面。临空面则为天然地表。图列举拱座

19、岩体可能发生的滑动条件.在坝的上游面基础内存在水平拉应力区，有产生铅直裂缝的可能，因此滑动体的上游边界一般假定从拱座上游面开始(图a)； 若坝肩附近有顺河向断层破碎带，则有可能在断层破碎带与拱座间的岩体处发生破裂，然后沿断层破碎带向下游滑移(图b)。滑动岩体下游具有滑动位移的空间，这可能是河流转弯突然扩大或冲沟形成的临空面(图c)，也可能是下游有断层破碎带或较宽的风化软弱岩脉受力压缩变形后形成的滑移空间(图d)。滑动岩体底部有缓倾角节理裂隙或软弱夹层面(图e)。 坝肩基岩滑动条件滑动面滑动面破碎面断层破碎带软弱层面或断层破碎带河流转弯突然扩大或冲沟形成临空面基岩节理对拱坝稳定的影响平行河流方向

20、或向河中倾斜的节理可能导致滑动，而在下游逐渐斜入山内的节理、裂隙则对稳定影响不大。一、拱座稳定分析方法评价拱座稳定的方法：一、数值计算法，二、模型试验法。二、局部稳定计算局部拱座稳定计算图（二）绕一岸旋转滑动 当河谷两岸地质情况差异较大时，如一岸的节理发育或拱座岩体单薄，或基岩有较弱夹层，则坝体可能绕另一岸旋转滑动。 设坝体将绕a点旋转，即以a点为圆心，以a点至另一岸各滑动面的距离为半径各作圆弧面。拱坝的整体滑动三、改善拱座稳定的措施通过拱座稳定分析，如发现不能满足要求，可采取以下改善措施：加强地基处理，对不利的节理等进行有效的冲洗和固结灌浆，以提高其抗剪强度。加强坝肩岩体的灌浆和排水措施，减

21、小岩体的渗透压力。将拱端向岸壁深挖嵌进，以扩大下游的抗滑岩体，也可避开不利的滑裂面。这种做法对增加拱座的稳定性较有效。改进拱圈设计，如采用三心拱、抛物线拱等形式，使拱端推力尽可能趋向正交于岸坡。如拱端基岩承载能力较差，可局部扩大拱端或设置推力墩。第六节 拱坝的构造及地基处理一、拱坝的分缝 拱坝是整体结构，一般不作永久性的结构分缝，但施工需要分段浇筑，各段间设收缩缝，待坝体温度冷却至稳定温度时灌浆封填，使坝成为整体。拱坝的横缝和纵缝示意图（一）横缝 横缝一般沿径向或近于径向布置，具体布置方式有三种；在各分层高程处，横缝指向水平拱厚中心线的曲率中心，对于变厚度拱坝，也可用上游坝面弧线代替拱厚中心线

22、。定中心拱坝的横缝为竖向平面，双曲拱坝的横缝为分层连续的扭曲面；横缝以某一高程的径向为准，其他高程均与其一致，此时全部横缝均为竖向平面；横缝在不同高程分别采用上述两种方式，缝面将为分层连续的扭曲面和竖向平面。国内外拱坝采用第种方式居多；对于中小型或坝面曲率变化较小的拱坝，也可采用第种方式，第 种方式则是结合坝内泄水管道和溢流坝布置需要而采用的。 横缝间距一般为1520m，横缝内应设键槽，其结构形式和要求与重力坝的类似。(二)纵缝和水平缝拱坝断面一般较薄，可不设纵缝。当坝体厚度大于4050m时，则需设置纵缝。纵缝的布置和构造要求与重力坝类似。水平缝布置要求与重力坝类似。龙羊峡拱坝纵缝布置图(三)

23、周边缝 双曲拱坝底部有垫座时，在坝体与垫座间应设置永久结构缝，称为周边缝，其作用是：改变坝体与坝基面直接连接的边界条件。当河谷形状不规则或坝基存在地质上的缺陷时，仍可设计成经济合理的拱坝体型。有利于深入比较选定拱坝体型。当周边缝的位置拟定后，如实际的坝基开挖深度与预计的情况略有差别时，只需调整垫座高度而不必修改拱坝体型。改善坝体上游面的应力状态，可减小甚至免除上游面的竖向拉应力。由于周边缝多为连续光滑曲面，可使坝体与垫层间的应力分布较均匀，并可利用垫座增大与坝基接触面，调整和减小该处的压应力。减小坝体传至垫座的弯矩，从而减小垫座和坝基面间产生拉应力的不利影响，避免垫座与坝基阻水帷幕的接触面受拉

24、而破坏。可以提前浇筑垫座混凝土，以覆盖和保护基岩面，并进行坝基灌浆。二、坝顶及坝面 拱坝坝顶的结构形式和尺寸应按使用要求确定，当无交通要求时，非溢流坝顶宽度一般应不小于3m。 在拱坝上游面一定厚度内应浇筑抗渗和抗冻性较好的混凝土，下游面12m范围内用抗冻性较好的混凝土。除特殊情况外，一般都不配筋。但在严寒地区的薄拱坝，可在坝顶配筋以防渗水冻胀而开裂。在地震区，为防止坝顶开裂，可穿过横缝布置钢筋，以增强坝的整体性。三、坝内廊道及排水 由于拱坝坝体应力较高，廊道对其周围的坝体应力有较大影响。为避免过多地削弱坝体，对于高度不大、厚度小于10m左右的薄拱坝，可不设廊道，或只设一层灌浆廊道，而将检查、观测、交通及坝缝灌浆工作移至坝后桥上进行。桥宽一般为1.2-1.5m，上、下层间隔2040m，桥的伸缩缝宽约13cm，并与坝的横缝一致。若设置廊道，其要求与重力坝类似。 无冰冻地区的薄拱坝可不设坝身排水管，其他情况下仍应布置排水管。排水管应与纵向廊道分层连通，管距一般为2.53.5m，管径一般为1520cm。四、拱坝的若干特殊构造(一)垫 座 垫座设置在拱坝坝体与基岩面之间，在有周边缝的拱坝中，垫座与坝体分开浇筑, 在其他情况下则多与坝体一起