三峡大水工建筑物课件04拱坝-1概述

第四章拱坝(archdam)Chapter4archdam§4-1Introduction

requirements:1、

掌握拱坝的工作特点2、

了解拱坝的类型3、

了解拱坝对地形、地质的要求4、

了解拱坝的发展状态一、拱坝的工作特点1、

定义：拱：在竖向荷载作用下能产生水平推力的结构叫拱式结构三铰拱固端拱二铰拱曲梁重力坝：是胶结在基岩上的一个变截面悬臂梁。是一个静定结构，它所受的荷载通过悬臂梁的作用传到地基。这个计算模型就决定了它的安全准则主要是抗滑稳定和无拉应力，也决定了它的断面非常肥大。拱坝：是一个三边嵌固在基岩上的变曲率、变厚度的多次超静定空间壳体结构

2、

具体做法平面形状立面形状分缝分块3、

结构特点（1）大部分荷载由拱梁共同承担，一部分通过梁传到河床，一部分通过拱传到两岸，拱坝稳定主要指两岸坝肩稳定，其稳定由G、W、N共同维持。A、拱梁系统

的含义B、拱梁共同承担的含义重力坝在所受的荷载作用下，只在梁向产生应力，处于平面应力状态，所以荷载全由梁承担拱坝在主要荷载—径向压力作用下，由于拱坝是一个整体的空间受力结构，因此它必然在梁上产生应力，也在拱向产生应力。如果在梁上产生的那一部分荷载叫做梁承担的荷载，在拱上产生应力的另一部分荷载叫拱承担的荷载，那么径向压力可以分成两部分，其分配图为：

因此，以后

如果我们说

某荷载由拱

梁共同承担

则表示在该

荷载作用下,

在拱和梁向

均产生应力。

（2）

由于拱是一推力结构，当拱坝以拱的作用为主时，坝体应力以受压为主，因此可以发挥混凝土、砖石等材料的抗压强度高的特点。（3）

拱坝是一整体的空间壳体结构，局部破坏只会导致荷载的转移和应力的重分布，而不会造成严重的失事。因此说拱坝的安全度较高，同时基于这一原因，拱坝允许出现拉应力。

(4)厚度薄、重量轻、柔度大，抗震性好。

4、

荷载特点由于是超静定结构：（1）运行期变温上升为主要荷载（2）必须考虑地基变形对坝体应力、稳定及变形的影响由于坝体薄：（1）扬压力对坝体的影响随坝厚减小而减小，但对两岸稳定仍很重要（2）自重对坝体的影响随坝厚减小而减小，而且自重随施工程序的不同，其自重应力也不一样

5、

运用特点（1）

泄洪方面：开孔对坝体刚度的影响泄水振动不能形成完整的溢流面下泄水流向心集中（2）

坝顶交通及启闭机等设备的布置6、

施工特点（1）横缝也要设键槽进行封拱灌浆（2）施工困难（倒悬、体形复杂）（3）施工质量要求高（应力水平及防渗高）（4）基础处理工程量大7、

破坏形式及安全准则（1）

破坏形式：拱座失稳压应力过大局部拉应力过大（2）安全准则：拱座抗滑稳定安全系数K稳≥[K]

抗压强度安全系数K压≥[K]（基本组合为4，特3.5）拉应力不超过规定值（基本1.2Mpa，特1.5Mpa）（3）

安全的关键是拱座稳定二、拱坝的分类1、按高度分：高（H≥70m）、中、低（H＜30m）2、按厚高比分：TB/H＜0.2

薄拱坝；

0.2—0.35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：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。

6、按水平拱的厚度变化分：等厚拱坝；变厚拱坝

三、拱坝对地形的要求拱坝对地形的要求主要从四方面考虑：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＜2时，适于修建薄拱坝T/H＜0.2=2—3时，中厚拱坝T/H＜0.2-0.353—4时，厚拱坝T/H＞0.35

＞4时，重力坝或拱形重力坝2、

河谷的断面形状

典型的河谷断面形状有三种：

这三种断面即使在宽高比相同的情况下，所修的拱坝的厚薄、形状都不一样。

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

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，当河谷不对称时，可以经过一定的处理使之对称挖推力墩重力墩翼墙砼塞周边缝上重下拱四、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：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验，有不少的成功的例子。应在实践中不断学习。1、

变形参数E、u：均匀2、

强度参数R、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上的缺陷：没有大的断裂构造和软弱夹层等。

五、拱坝的发展概述

1、

拱坝发展阶段

1.1、拱坝建设的萌芽阶段（1854年以前）

1.2、拱坝建设的起步阶段（1854－1917年）

1.3、拱坝建设的成熟阶段（1917－1960年）

1.4、拱坝建设的熟练阶段（1960年－至今）

1.1、拱坝建设的萌芽阶段（1854年以前）

人类修建拱坝始于罗马时期，是类比砌石圆拱结构在桥梁等建筑物。似现代拱坝的挡水建筑物：如法国的鲍姆(Baume)拱坝，西班牙的阿尔曼扎(Almanza)、阿里肯特（Alicante）、埃尔切（Elche）拱坝，意大利的高桥（PonteAlto）拱坝等。其中高桥拱坝于１６１２年建成时仅4.98米，以后随着水库不断淤积不断加高，共加高７次，最后一次是１８８７年加高至39米。这座坝的建设过程充分体现了人们单凭经验在实践中摸索前进的过程。在１８５４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。

意大利的高桥（PonteAlto）拱坝于1612年建成时仅4.98米，以后随着水库不断淤积不断加高，共加高７次，最后一次是１８８７年加高至39米。1.2、拱坝建设的起步阶段（1854－1917年）标志：1854年，法国工程师左拉(Zola)在普罗旺斯地区艾克斯设计建成４３米高的左拉拱坝。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。所用理论：将拱坝坝体比拟成一系列独立叠置的水平圆弧形拱圈，在外荷作用下通过水平拱圈的作用，将其传至两岸，忽略了拱坝上、下拱圈传力的梁的作用。在对水平拱圈结构的认识上又可分为“圆筒结构”和“固端拱”两种。

1.3、拱坝建设的成熟阶段（1917－1960年）

标志：美国的维切尔(H.Vischer)和瓦格纳（L.wagener），他们在１８８９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（H.E.Gruner）和两位助手史图基（A.Stucky）和济科（H.Gicot

）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４拱９梁径向变位一致的多拱梁法进行了该坝的应力计算。该坝的设计及建造，标志着拱坝的建设已从起步阶段进入了成熟阶段主要成就：拱梁分载的概念（拱冠梁法，多拱梁法）；拱坝体形多元化（双曲拱坝及带缝拱坝（周边缝、底缝）的发展）；抗滑稳定概念的形成及发展双曲拱坝的形成MalpassetDam:Itfailednotlongafteritwasbuiltin1959.

Dimensions&Quantities:

height:60m

length:225m

retainedwatervolume：50×106m3

Abitarecenthistoryofthe

regionincludesthedisasteroftheMalpassetdam(barragedeMalpasset),whichbrokeonthenightof2December1959andkilledover420people,possiblyevenmorethan500.Onthemap,theblueareaabovethedamwasthe"lake"areacreatedbythedam.(ThesouthernedgeofthecurrentLacStCassienisatthetopedgeofourmap.)Theblueareabelowthedamshowstheareafloodedwhenthedambroke.

AndréCoynewasselectedtobuildanarcheddam(barrage-voûte)acrossthevalley.HehadalreadybuiltsimilardamsinIndia,Marocco,RhodesiaandatTignesandBort-les-OrguesinFrance.Anarcheddamisarchedintheupstreamdirectionandisn'tcompletelyrigid,sothepressureofthewateractuallydistortsthedamandforcesthedammoretightlyagainstthesides.Thistypeofdamisextremelyreliable,aslongastheterrainatthesidesandbottomisverysolid.

1.The"Reyran"riverfromtheparkingarea,afewhundredmetersbelowthedam2.Viewtowardstheleftbankfrombelowthedam;thetopedgewastheleftofthetwowhiteblocksattheupper-rightofthephoto.3.Viewedfrombelowthedam;partoftheright-bankstructure,withthetopwalkway,isvisibleintheshadeatthefarleftofthephoto.

4.Viewedfromabovethedam,withtheremainingright-bankstructureintheforegroundshade.5.Frombelowthedamatthebottom,lookingupattheright-bankruins;thetopwalkwayisattheupper-left.

6.Frombelow,lookingupattheremainingruinsoftheleft-bankofthedam;theclosestblockofconcrete,withthetopsurfaceforemost,isabout10mlong.1.4、拱坝建设的熟练阶段（1960年－至今）标志：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。成就：拱坝新的结构形式、计算方法及其体型优化的方法。

VajontDam

Built:1956-1959

Dimensions&Quantities:

Height262m

Lengthofcrown190.15mBasethickness22.11m

Crestthickness

3.4m

Concretevolume360000m3Retainedwatervolume

150*106m3Thedamlookingfromtheside

vaiontdamAmapthatshowstheeffectedareacausedfromthelandslidePictureoftheVaiontlandslide

Thisisaviewofthelandslidefromupstream

发生滑坡前瓦依昂滑坡横剖面图发生滑坡后瓦依昂滑坡横剖面图2、世界拱坝建设的时空分布自从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--200米的大坝约占45%；对200米以上的大坝约占６０％。

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。

１９３６年以前：美国代表世界拱坝水平：美国胡佛大坝的建成，应该说美国代表着世界拱坝建设的水平，对拱坝拱梁结构概念的形成、应力分析方法的产生和发展以及大体积混凝土坝成套施工及温控技术的发展作出过巨大的贡献。1936--1975拱坝建设的先进水平转移到了西欧（法、意、瑞），其主要贡献在于对双曲拱坝结构等轻、巧、薄拱坝结构的发展以及拱坝结构模型实验方法的发展。进入７０年代末期，代表世界拱坝建设水平的国家移至前苏联，它以高拱坝建设为其主要标志。８０年代末期，代表世界拱坝建设水平的国家是中国，其主要标志有对非圆弧拱型拱坝的发展、体型优化技术、ＲＣＣ拱坝的实践、复杂自然条件下修建拱坝的技术（包括宽河谷、大流量、复杂地基等）、特高拱坝的建设、动静力应力稳定分析方法的完善及其软件的开发、拱坝ＣＡＤ技术的发展等。

世界拱坝之最已建最高拱坝：前苏联英古力拱坝

H=272m,n=2.8T/H=0.15在建最高拱坝：中国小湾拱坝

H=292m,n=2.83,T/H=0.238在设计的最高拱坝：中国锦屏拱坝

H=305m,n=1.6,T/H=0.19World'sHighestDamsOrderNameRiverCountryTypeHeight

(meters)Year

Completed1RogunVakhshTadjikistanEarthandRockfill335UC2NurekVakhshTadjikistanEarthfill30019803GrandeDixenceDixenceSwitzerlandGravity28519614InguriInguriGeorgiaArch27219805VajontVajontItalyArch26219606ManuelM.Torres(Chicoasen)GrijalvaMexicoEarthfill26119807TehriBhagirathiIndiaEarthfill261UC8AlvaroObregon(ElGallinero)TenascoMexicoGravity26019469MauvoisinDrancedeBagnesSwitzerlandArch250195710AlbertoLlerasC.GuavioColombiaRockfill2431989Name:

Inguri

Country:Georgia

River:Inguri

Type:arch

Height:271.5m

Reservoirvolume:1'110‘*106m3

Yearofcompletion:2001

Owner:Sakenergo

Costofworks:2.3mio.CHF

Durationofservices1996-2001:

Costofservices:0.7mio.CHF

Theworldthinnestarchdam

Afewdamshavebeen

experimentsinthemselves.TheLaGagedaminFranceandtheTollaDaminCorsicawerebothmadeexceedinglythininordertoprovideafull-scalecheckonthe

validityoftheoreticalanalyseswhenappliedtodamsapproachingtheultimatedegreeofslenderness.Thetwodamsareacompletesuccessandhavebeenshowntopossesadequatemarginsofsafety.Whetherornotsuchthindamsarepsychologicallyjustifiableisanothermatter

U.S.HighestDamsOrderNameRiverStateTypeHeight

(meters)Year

Completed1OrovilleFeatherCaliforniaEarthfill23519682CyprusBrunoCreekIdahoEarthfill22619823HooverColoradoNevadaArchGravity22319364DworshakNorthForkClearwater