贵水校水工建筑物课件03拱坝认知

项目3拱坝认知学习内容：1.掌握拱坝工作原理、特点、类型、适用情况2.了解拱坝剖面确定方法3.了解拱坝的荷载及其组合4.了解拱坝的抗滑稳定分析5.了解拱坝的应力分析6.了解拱坝的泄洪及消能方式7.了解拱坝的材料及构造要求8.了解拱坝的地基处理方法9.浆砌石拱坝教学方法：课堂教学、现场参观和分组讨论任务1掌握拱坝工作原理、特点、类型、适用情况拱坝是一空间拱形结构，作用于拱坝上的荷载由水平拱圈和铅直悬臂梁承担，大部分荷载通过拱传给两岸，其余部分通过梁传给坝基。由于拱结构主要是受压，所以能充分发挥筑坝材料的抗压强度，使坝体较薄。一般，拱坝与同高度的重力坝相比可节省工程量1/3～1/2。拱坝在狭窄河谷(宽高比小于3)上修建高坝，当地质条件允许时，拱坝往往是首选坝型。拱坝以其结构合理、体型优美、安全储备高、工程量少而著称。至二十世纪末，我国已建成的坝高大于100m的混凝土拱坝11座（含台湾省2座），拱坝数量已占世界拱坝总数的一半，属世界首位。1999年建成的二滩双曲拱坝，坝高240m，位居世界第四，比前苏联的英古里拱坝（坝高271.5m）低31.5m，标志着我国高拱坝建设已达到国际先进水平。我国目前正在建设一批300m级的高拱坝，如小湾(295m)、锦屏(305m)、溪洛渡(278m)，这些工程不仅坝高、库大、坝身体积大，而且泄洪功率和装机规模都位列世界前茅，标志省我国高拱坝建设技术已处于世界领先水平。小湾水电站混凝土双曲拱坝最大坝高295米，为世界在建的第一座300米级混凝土双曲拱坝，其主要特点为:①坝体承受的总水压力大。最大总水推力达1975万t。②地震地质环境复杂。地震基本烈度为Ⅷ度，地震设防烈度为世界同类坝型中最高者，抗震安全至关重要。小湾坝址河谷深切、岸坡陡峻，地应力高，拱坝坝基开挖后，浅表层岩体普遍存在开挖卸荷松驰现象；在两岸抗力体内，还存在着F11断层、蚀变带等地质缺陷。因此，大坝起裂荷不高，安全余度不大，坝肩抗滑稳定和坝基变形稳定问题突出。③施工技术难度具有世界水平。拱坝混凝土总量870万m3。混凝土施工浇筑仓面大（最大2250m2）、浇筑强度高（月最高23万m3），连续三年浇筑强度超过200万m3。总体而言，小湾拱坝高边坡开挖与支护、高强度混凝土浇筑技术和抗震措施均具有世界水平。高边坡处理技术。小湾水电站枢纽区河谷深切，山高陡峻，天然岸坡高出水面达1000余米，包括缆机平台在内的开挖边坡近700m，高边坡问题十分突出。小湾工程总结出了“高清坡、低开口、陡开挖、先锁口、强支护、排水超前”的开挖支护原则，并在强风化、强卸荷和崩坍堆积体中，采用组合螺旋钻跟管钻机造孔、土工布包裹锚索止浆等技术，解决了造孔难、穿索难、漏浆量大等技术难题。对饮水沟堆积体的变形治理，采用了削坡减载、锚索、网格梁、抗滑桩、内外排水等综合治理措施。混凝土原材料及施工装备。为适应小湾拱坝承载力大、应力水平高的特点，对混凝土性能提出了“高强度、中等弹模、低热微膨胀、高极拉值、大徐变度”的技术路线并进行了系统研究。在高拱坝高标号混凝土的温控防裂技术方面，综合采用了低热微膨胀水泥，高掺优质粉煤灰，混凝土骨料二次风冷技术生产7℃混凝土，平铺法浇筑混凝土，及时覆盖保温被，仓面喷雾技术，一期、中期、二期通水冷却控制温升曲线，控制沿高程方向的温度梯度，上下游粘贴苯板保温等温控措施，取得了良好的效果。为满足拱坝浇筑强度要求，选择了缆机作为大坝混凝土浇筑垂直运输的主要入仓设备，共设置6台30t平移式缆机，采取“双层双平”的布置方式，2007年创造了年浇筑混凝土235万m3，月最高强度23万m3，日浇筑混凝土1万m3的世界纪录。小湾大坝浇筑场景高烈度地震区的抗震工程措施。小湾工程建筑物地区地震基本烈度为Ⅷ度，经地震危险性分析，小湾大坝地震设防标准按500年超越概率为10％的基岩峰值水平加速度为0.308g，设计烈度为Ⅸ度。小湾大坝经研究确定采取了抗震钢筋结合阻尼器的综合抗震措施。泄洪消能措施。小湾水电站坝址区山高谷窄，最大泄洪落差226.26m，最大泄洪流量20683m3/s（校核洪水），相应下泄功率6400万kw，其“大泄量、高水头、窄河谷”的泄洪消能问题突出。泄洪功率为世界同类坝型前列。小湾水电站泄洪消能建筑物由坝身5个表孔、6个中孔、水垫塘、二道坝和左岸泄洪洞组成。坝身泄洪采用“横向单体扩散、纵向分层拉开、整体入水归槽”的泄洪碰撞消能方式，达到了较好的消能效果，提高了泄洪安全度。常年洪水采用左岸泄洪洞和过机流量泄洪，也可采用表孔或中孔泄洪，运行调度灵活。东风水电站拱坝东风水电站枢纽布置图一、拱坝的特点1.拱的作用使筑坝材料抗压强度充分发挥，坝体较薄。2.超静定结构，超载能力强。3.重量轻，抗震能力强。4.温度变化和拱坐变形对拱坝应力影响大。5.体形复杂，设计和施难度大，对筑坝材料和施工质量要求较高。二、拱坝的适用条件（一）地形条件

建拱坝的理想地形：两岸对称，岩体雄厚，顺河流向逐渐变窄呈“漏斗”状的V形狭谷。

宽高比：开挖后坝顶高程处的河谷宽度L与坝高H的比值。即L/H。宽高比越小，河谷越狭窄，悬臂梁的高度大，拱的作用显著，坝体较薄。反之，拱的作用小，粱的作用大，坝体较厚。一般认为：

L/H<2.0时，可建薄拱坝；

L/H=2.0～3.0时，可建中厚拱坝；

L/H=3.0～4.5时，可建厚拱坝（重力拱坝）

L/H>4.5时，不宜建拱坝；

衡量拱坝厚薄的标准是拱坝的厚高比：即拱坝最大坝高处坝底厚度与最大坝高的比值。即TB/H。

TB/H<0.2，为薄拱坝；

TB/H=0.2～0.35，为中厚拱坝；

TB/H>0.35，为厚拱坝。（二）

地质条件拱坝对地质的要求较高，是几种坝形中对地质的要求最高的一种。特别是对两岸拱座的基岩要求更高。适应建拱坝的地质条件：岩体坚硬、完整、均匀，构造简单，有足够的强度、透水性小、抗风化能力强。显然，绝大多数地基，都需要处理，才能达到上述建拱坝的地质条件。如我省猫跳河四级窄巷口电站拱坝，采用拱上拱的措施来解决27米深的河床履盖层的承载问题。三、拱坝的分类（一）按坝高分：高坝、中坝（H=30～70m）、低坝（二）按拱坝坝顶中心角分：一般弯曲拱坝（105o～125o）和扁平拱坝（60o～90o）（三）按水平拱圈形式分：单圆心拱、多心拱、抛物线拱、椭圆拱、对数螺旋拱。（四）按拱厚分：薄拱坝、中厚拱坝、厚拱坝（重力拱坝）（五）按中心角和半径沿高度变化分：定圆心定半径拱、等中心角拱、变中心角变半径拱。（六）按拱坝垂直向曲率分：单曲拱坝和双曲拱坝。（七）按坝身结构形式分：一般拱坝、周边缝拱坝、底缝拱坝、空腹拱坝等。（八）其他分类：

砌石拱坝、碾压砼拱坝、钢筋砼拱坝。

对称拱坝和非对称拱坝。

等厚拱坝和变厚拱坝。

(1)

单心圆弧拱：结构简单，设计、施工方便。适用于狭窄而对称的河谷中。

(2)

三心圆弧及椭圆拱：在拱的两端减小曲率，使拱端推力方向转向山体，有利于坝肩稳定、减小坝体倒悬度（水平比垂直距离的坝面坡度）。

(3)

抛物线拱：对坝肩稳定较好，扁平化。如四川省的二滩电站拱坝、贵州省鸭池河东风水电站拱坝。任务2了解拱坝剖面确定方法拱坝的布置任务：根据坝址的地形、地质条件、水文气象、施工条件和运用要求，选择拱坝体型，拟定坝体尺寸，进行平面布置。然后根据应力分析和稳定分析，反复修改，确定一个安全经济的设计方案。并绘制出坝体平面布置图、沿坝轴线展开的纵剖面图以及拱冠梁剖面图。一、水平拱圈形状参数选择拱圈形状参数有：中心角2φA、半径R、拱圈厚度T。1.

中心角2φA中心角是拱圈形状参数中最重要的参数，其大小对拱坝的应力和稳定影响较大，因此应根据坝址的地形、地质条件及施工条件合理选择，使拱坝满足应力、稳定要求的同时，坝体积最小。根据圆筒公式：（3-1）中心角2φA→大，T→薄，说明应力状态好，所以中心角大，对坝体应力有利。但中心角大，会使拱圈弧线增长，从而增加坝体工程量。经计算，在满足应力条件下，使拱坝体积最小的中心角是133º34´。另一方面，中心角2φA→大，使拱坝向两岸的推力倾向下游，对坝肩稳定不利。规范规定：拱端内弧面切线与可利用基岩等高试夹角不得小于30º。因此，拱圈中心角不得大于120º。《浆砌石坝设计规范》（SL25－91）规定：浆砌石拱坝顶部拱圈最大中心角以80º~110º为宜。悬臂梁的倒悬度不宜大于0.3:1。2.

拱圈半径R（3-2）3.

拱圈厚度T可采用圆筒公式，或工程类比法、经验公式或纯拱法等初步拟定。三、拱冠梁剖面的形状和尺寸

1.

坝顶厚度TC坝顶厚度应满足交通、运用要求。如无持殊要求，不应小于3m。坝顶太薄，对悬臂梁应力改善不利。坝顶太厚，对抗震不利，也不经济。初步拟定时，可用经验公式拟定：TC=0.0145（2R1+H）TC=0.012（H+L1）式中，H为坝高，L1为顶拱拱座可利用基岩面间的直线距离，R1为拱轴半径，初估时，顶拱中心角可取90º～110º，R1=（0.707～0.61）L1。2.

坝底厚度TB坝底厚度是控制拱坝剖面的一个重要参数取决于：坝址地形地质条件、坝型与坝高、荷载及筑坝材料等因素。初步拟定时，可采用经验公式或参考已建工程拟定。（3-7）式中，L为两岸拱座利用基岩面间的直线距离沿坝高的平均值，m；K为经验系数，一般取K=0.35；L1、Ln－1分别为顶拱及倒数第二层拱圈拱座利用基岩面间的直线距离，m。3.双曲拱坝拱冠梁尺寸拟定双曲拱坝拱冠梁剖面，坝面为凸向上游的曲线，一般在坝高1/3处最大，以使拱坝受力状态好，能抵御上游水压力。一般首先确定上游坝面曲线，然后根据初拟坝拱、坝底厚度和各控制高程的拱圈厚度，以上游坝面曲线为基点绘制下游坝面曲线。最后，检查坝面和倒悬度是否满足要求。四、拱坝布置的一般步骤和原则（一）一般步骤：1.

确定拱坝轴线位置2.

绘制拱冠梁剖面3.布置其他高程拱圈4.

绘制坝基轮廓线5.

绘制沿坝轴线河谷剖面展视图6.

坝面检查7.

校核坝体应力和稳定性8.

计算工程量。（二）布置原则根据坝址地形、地质、水文等自然条件及枢纽任务要求，在满足坝肩稳定及坝体应力要求下，得到一个坝体工程量最少的美观坝体。拱坝坝顶高程可按重力坝坝顶高程的计算方法确定。任务3了解拱坝的荷载及其组合一、荷载拱坝的荷载包括：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（荷载）等。这里仅介绍与重力坝不同的荷载。（1）温度荷载：拱坝坝体温度相对于封拱温度的之差，即为温度荷载。封拱，通过灌浆使拱坝形成整体。封拱温度，拱坝封拱时的温度即为封拱温度。拱坝坝体温度高于封拱温度，称为温升。拱坝坝体温度低于封拱温度，称为温降。温度荷载由三部分组成：1)均匀温度变化2)

等效线性温差，3)非线性温度变化。对于中小型砌石拱坝，可采用经验公式计算拱坝温度荷载。（2）自重（3）扬压力（4）水平径向荷载（5）地震荷载１）水平向地震惯性力２）地震动水压力3）地震动土压力二.荷载组合基本组合：1.正常蓄水位2.运行最低水位3.其它常遇的不利组合特殊组合：1.校核洪水位2.地震情况3.施工情况4.共它稀遇的不利组合任务4了解拱坝的抗滑稳定分析拱坝稳定分析的对象及可能滑动面的形式和位置。一、方法（一）刚体极限平衡法（二）有限元法（三）地质模型试验

二、刚体极限平衡法

1.平面分层稳定分析

2.整体稳定分析三、改善坝肩稳定性的技术措施1.加强对坝肩地基处理，提高基岩抗剪能力。2.深开挖，将拱端嵌入坝肩深处。3.对坝肩进行帷幕灌浆和排水，降低扬压力。4.调整水平拱圈形态，使拱端推力偏向山体。5.局部扩大拱端厚度，扩大基础等。任务5了解拱坝的应力分析一、拱坝应力分析的方法（1）圆筒法（2）纯拱法（3）拱梁分载法（4）有限元法（5）结构模型试验二、拱坝应力分析（一）地基变形计算1.伏格特（F﹒Vogt）概化地基模型面积相等、长宽比例近似的矩形代替坝底，矩形长为b，宽为a。M=b/a。2.拱座及梁基位移根据m及地基柏松比μ，查伏格特曲线，可得系数K1～K5。K1~K5

曲线图一、纯拱法认为拱坝是由若干个独立工作的水平拱圈所组成，拱坝所受的荷载全部由拱承担，不计悬臂梁的作用。这样就把拱坝这个多次超静定结构简化成一个三次超静定的弹性固端拱，然后用力学的方法求解拱坝应力。纯拱法概念清晰，计算简单，但不计悬臂梁作用，结果偏大。纯拱法计算简图二、拱梁分载法（一）基本原理假定拱坝由若干个水平拱圈和铅直悬臂梁组成，通过拱和梁将荷载传给两岸和垂直基础，根据拱梁交点处变位一致确定拱、粱所受的荷载分配，然后按纯拱和静定悬臂梁分别求出拱和梁的应力。（二）拱冠梁法假定拱坝由若干个水平拱圈和铅直