讲座-4-1拱坝概述学习文档
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拱坝
拱坝的特点、适用条件及拱坝的分类
• 1.1 概述 • 1.2 拱坝的特点 • 1.3 拱坝的适用条件 • 1.4 拱坝的分类 • 1.5 其他形式的拱坝
概述
• 我国是世界上修建拱坝最多的国家之一。我国 的中、低拱坝以砌石拱坝为主，高拱坝则以混 凝土拱坝为主。50~70年代我国建成了一批中、 低砌石拱坝591座，成为我国砌石坝的主要坝 型。70年代后我国开始兴建坝高在100m左右 的拱坝，如石门拱坝（88．0 m）、群英拱坝 （100．5 m）、凤滩拱坝（112．5 m）等。
• 梯形河谷介于两者之间。
河谷平面形状
• 理想河谷形状为地形等高线向下游呈漏斗状,使 得拱端推力方向与等高线交角较大,有利于拱端 的稳定。
• 不理想河谷形状为地形等高线向下游呈发散状， 拱端推力方向与等高线交角较小,不利于拱端的 稳定。
地质条件----确定拱坝的稳定性
• 拱坝对地质条件的要求是基岩完整均一，强度 高 ，地质构造简单，抗渗性能好。
河谷的对称性
• 在对称河谷上兴建拱坝，可避免产生附加扭转 矩 。当河谷不对称时，可人为改变河谷的对称 性。如在较缓的一侧建造重力墩、 设置垫座及 周边缝或采用二心拱或对数螺旋线拱圈。
河谷的断面形状
• V形河谷底部拱的跨度小，拱的作用大，拱圈 厚度可薄些。
• U形河谷底部拱的跨度大，拱的作用小，梁承 担的水压力大，拱圈厚度较大。
• 多心拱：包括二心拱、三心拱、四心拱，五心 拱等,多心拱可以适应河谷形状，减少或加大 拱端的曲率半径，用以改善坝身应力或增加坝 肩稳定。
• 变曲率拱坝：包括抛物线、椭圆形或对数螺旋 形的水平拱圈，拱圈中间段曲率较大，可改善 拱中部应力，近两岸曲率较小，有利于坝肩岩 体的抗滑稳定。变曲率拱坝适用于不同河谷形 式，设计和施工较为复杂，多用于高、中拱坝。
其它形式的拱坝
• 周边缝拱坝 • 周边缝拱坝或称为铰拱坝，国外以意大利修建
较多，如奥西埃塔双曲拱坝，建于1939年，坝 高76.8m。国内有白云江拱坝等中小型拱坝也 采用周边缝拱坝。
• 周边缝拱坝的优点：
• （1）周边缝可松弛坝体周边的弯曲应力，消除因温 度、收缩等引起的应力，改善坝体的应力状态。
• 按水平拱的厚度变化，拱坝又可分为： 等厚度拱，水平截面为厚度不变的水平拱。
变厚度拱，水平截面为变厚度的水平拱。一般从拱冠 至拱座逐渐加厚，以改善拱圈的内应力条件，减小拱 座处岩基单位面积上所受的推力。变厚拱坝的应力条 件较好，但设计和施工较为复杂，一般用于高、中拱 坝。
按拱圈轴线形式分类
• 园弧拱：轴线为园弧拱轴线的园筒拱坝水平截 面是单心的圆弧水平拱，设计和施工较简单， 但拱圈中压力线偏离中心线较大，拱端推力方 向与岸坡边线的夹角往往较小，不利于坝肩岩 体的抗滑稳定。圆拱一般适用于中、低拱坝。
• 拱坝的荷载可由水平拱圈和垂直悬臂梁共同承 担，水平拱圈将荷载传至两岸山体，垂直悬臂 梁将荷载传至河床基岩。
• 拱坝的泄水和施工导流问题容易解决。
拱坝的适用条件
• 1.3.1 地形条件 • 地形条件---决定拱坝的混凝土方量 • 1.3.1.1 河谷的高宽比 • 1.3.1.2 河谷的对称性 • 1.3.1.3 河谷的断面形状 • 1.3.1.4 河谷平面形状
• 拱坝是推力结构，坝体的应力状态以受压为主。
• 拱坝结构处于二向或三向受力状态，材料强度 较单轴状态有所提高。采用拱坝坝型，建筑材 料的抗压强度可以充分发挥。
• 例： 混凝土的抗压强度约为抗拉强度的10倍。
• 混凝土标号C20 MPa 抗压强度 fck 13.5，抗拉 强度 ftk 1.5
• 标号C25，抗压强度 fck 17.0 MPa， 抗拉强 度 ftk 1.75
• （2）周边缝与基岩间的垫座，对于坝体与基岩间的 荷载传递，有扩散作用，使应力、变形均匀化。
• （3）垫座的尺寸、形式可灵活调整，以适应 不对称或不规则地形及有局部缺陷的坝基。
• （4）垫座可提前施工，便于基础灌浆。
• （5） 周边缝拱坝的施工程序复杂、对施工质 量要求严格。
空腹拱坝
• 当坝体较厚时，可修建空腹拱坝以减少坝体工 程量，降低扬压力，有利于坝体散热；狭窄河 谷上可利用空腹布置电站厂房。国外如葡萄牙 的本波斯达空腹拱坝，坝高86m，底厚42m， 空腹宽14m，高20m。
按拱圈间的几何关系分类
• （1）定园心 、定外（内）半径拱坝 • 在U形河谷中，采用定园心,定外（内）半径拱
坝较为适宜。
（2）变园心，变半径拱坝
• 在V形河谷中，宜采用变园心、变半径，以使 坝体顶底拱圈分别采用适宜的中心角，改善坝 体的应力状态。
按拱坝的体形分类
• （1）单曲率拱坝 • 特点：①结构简单，设计、施工方便。②下部
• 随着筑坝经验的积累和提高，80~90年代又相 继建成一批坝高超过150m的高混凝土拱坝， 如白山、龙羊峡、隔河岩等高混凝土重力拱坝， 东江、二滩等高双曲拱坝，其中二滩双曲拱坝， 最大坝高240 m，居世界第三位。已完成可行 性研究设计待建的高混凝土双曲拱坝还有小湾、 拉西瓦、溪落渡。
• 1 二滩 四川 双曲拱坝 240 1999 • 2 小湾 云南 双曲拱坝 292 在建 • 3 拉西瓦 青海 双曲拱坝 250 拟建 • 4 溪落渡 四川 双曲拱坝 273 拟建 • 5 锦屏 四川 双曲拱坝 300 拟建 • 世界上的高拱坝有建于1980年的萨扬-舒申斯
• 拱坝承受的荷载主要通过拱的作用传至两岸， 拱坝的稳定取决于两岸坝端岩体的的稳定；重 力坝是依靠自己的重量维持自身的稳定。因此 拱坝的体积可小，在坝高、坝址条件相同的情 况下，拱坝的体积可为重力的1/1.5~1/5。
• 拱坝可以看作是“拱”和“梁”的交织体，即 坝体结构既有拱的作用，又有梁的作用 。
拱圈的中心角较小，拱的作用不明显。
• （2）双曲率拱坝
• 特点：拱冠梁在（1/5~1/3）坝高处，向上游 鼓出，利用壳体结构的力学特点，使材料的强 度能充分发挥；悬臂梁的向上游倒悬形成的预 压应力，可平衡水压力产生的拉应力；各层拱 圈的半中心角接近最优；自下而上倒悬，有利 于坝顶溢流；双曲率拱坝结构复杂，施工难度 较大。
• 我国的凤滩空腹重力拱 坝，坝高112.5m，底 厚65.5m,空腹宽20.5m， 高40.2m，长255.8m, 内设4台10万千瓦机组
的电站厂房，经试验、
原形观测，坝体应力较 好，基本为压应力。
拱坝的分类
• 1.4.1 按拱圈厚度分类 • 1.4.2 按拱圈轴线形式分类 • 1.4.3 按拱圈间的几何关系分类 • 1.4.4 按拱坝的体形分类
按拱圈厚度分类
• 根据拱坝在最大高度处的坝底 厚度和坝高的比值，即厚高比 TB/H，拱坝可分为：
• 薄拱坝 ，TB/H 〈 0.2。 • 中厚拱坝， TB/H 0.2~0.35。 • 重力拱坝 ，TB/H >0.35。
河谷的宽高比
• 河谷宽高比为L/H • 当L/H〈2 ----可建薄拱坝 • 当L/H=2~3--- 可建中厚拱坝 • 当L/H 〉3--- 可建重力拱坝
• 在狭窄河谷上建造的拱坝，拱圈的弦长较短， 竖直梁则相对长而细，拱和梁相比较，拱的刚 度就相对较大，梁的刚度相对较小。坝体拱的 作用大，坝体厚度就可薄些。
克重力拱坝，坝高245m，建于1986年的英古 里双曲拱坝，坝高272m，均位于前苏联。
拱坝的特点
• 在空间上，拱坝是一种三维壳体结构，属于高 次超静定结构。
• 高次超静定结构具有超载能力（当拱坝局部开 裂，拱坝拱和梁的作用会自行调整，坝体的应 力会重分配。国内外拱坝的破坏试验表明，在 坝肩稳定的条件下，混凝土拱坝的超载能力可 达设计荷载的5~11倍），抗震性能好，但温度 变化和地基变形对坝体应力的影响不能忽略。
拱坝的特点、适用条件及拱坝的分类
• 1.1 概述 • 1.2 拱坝的特点 • 1.3 拱坝的适用条件 • 1.4 拱坝的分类 • 1.5 其他形式的拱坝
概述
• 我国是世界上修建拱坝最多的国家之一。我国 的中、低拱坝以砌石拱坝为主，高拱坝则以混 凝土拱坝为主。50~70年代我国建成了一批中、 低砌石拱坝591座，成为我国砌石坝的主要坝 型。70年代后我国开始兴建坝高在100m左右 的拱坝，如石门拱坝（88．0 m）、群英拱坝 （100．5 m）、凤滩拱坝（112．5 m）等。
• 梯形河谷介于两者之间。
河谷平面形状
• 理想河谷形状为地形等高线向下游呈漏斗状,使 得拱端推力方向与等高线交角较大,有利于拱端 的稳定。
• 不理想河谷形状为地形等高线向下游呈发散状， 拱端推力方向与等高线交角较小,不利于拱端的 稳定。
地质条件----确定拱坝的稳定性
• 拱坝对地质条件的要求是基岩完整均一，强度 高 ，地质构造简单，抗渗性能好。
河谷的对称性
• 在对称河谷上兴建拱坝，可避免产生附加扭转 矩 。当河谷不对称时，可人为改变河谷的对称 性。如在较缓的一侧建造重力墩、 设置垫座及 周边缝或采用二心拱或对数螺旋线拱圈。
河谷的断面形状
• V形河谷底部拱的跨度小，拱的作用大，拱圈 厚度可薄些。
• U形河谷底部拱的跨度大，拱的作用小，梁承 担的水压力大，拱圈厚度较大。
• 多心拱：包括二心拱、三心拱、四心拱，五心 拱等,多心拱可以适应河谷形状，减少或加大 拱端的曲率半径，用以改善坝身应力或增加坝 肩稳定。
• 变曲率拱坝：包括抛物线、椭圆形或对数螺旋 形的水平拱圈，拱圈中间段曲率较大，可改善 拱中部应力，近两岸曲率较小，有利于坝肩岩 体的抗滑稳定。变曲率拱坝适用于不同河谷形 式，设计和施工较为复杂，多用于高、中拱坝。
其它形式的拱坝
• 周边缝拱坝 • 周边缝拱坝或称为铰拱坝，国外以意大利修建
较多，如奥西埃塔双曲拱坝，建于1939年，坝 高76.8m。国内有白云江拱坝等中小型拱坝也 采用周边缝拱坝。
• 周边缝拱坝的优点：
• （1）周边缝可松弛坝体周边的弯曲应力，消除因温 度、收缩等引起的应力，改善坝体的应力状态。
• 按水平拱的厚度变化，拱坝又可分为： 等厚度拱，水平截面为厚度不变的水平拱。
变厚度拱，水平截面为变厚度的水平拱。一般从拱冠 至拱座逐渐加厚，以改善拱圈的内应力条件，减小拱 座处岩基单位面积上所受的推力。变厚拱坝的应力条 件较好，但设计和施工较为复杂，一般用于高、中拱 坝。
按拱圈轴线形式分类
• 园弧拱：轴线为园弧拱轴线的园筒拱坝水平截 面是单心的圆弧水平拱，设计和施工较简单， 但拱圈中压力线偏离中心线较大，拱端推力方 向与岸坡边线的夹角往往较小，不利于坝肩岩 体的抗滑稳定。圆拱一般适用于中、低拱坝。
• 拱坝的荷载可由水平拱圈和垂直悬臂梁共同承 担，水平拱圈将荷载传至两岸山体，垂直悬臂 梁将荷载传至河床基岩。
• 拱坝的泄水和施工导流问题容易解决。
拱坝的适用条件
• 1.3.1 地形条件 • 地形条件---决定拱坝的混凝土方量 • 1.3.1.1 河谷的高宽比 • 1.3.1.2 河谷的对称性 • 1.3.1.3 河谷的断面形状 • 1.3.1.4 河谷平面形状
• 拱坝是推力结构，坝体的应力状态以受压为主。
• 拱坝结构处于二向或三向受力状态，材料强度 较单轴状态有所提高。采用拱坝坝型，建筑材 料的抗压强度可以充分发挥。
• 例： 混凝土的抗压强度约为抗拉强度的10倍。
• 混凝土标号C20 MPa 抗压强度 fck 13.5，抗拉 强度 ftk 1.5
• 标号C25，抗压强度 fck 17.0 MPa， 抗拉强 度 ftk 1.75
• （2）周边缝与基岩间的垫座，对于坝体与基岩间的 荷载传递，有扩散作用，使应力、变形均匀化。
• （3）垫座的尺寸、形式可灵活调整，以适应 不对称或不规则地形及有局部缺陷的坝基。
• （4）垫座可提前施工，便于基础灌浆。
• （5） 周边缝拱坝的施工程序复杂、对施工质 量要求严格。
空腹拱坝
• 当坝体较厚时，可修建空腹拱坝以减少坝体工 程量，降低扬压力，有利于坝体散热；狭窄河 谷上可利用空腹布置电站厂房。国外如葡萄牙 的本波斯达空腹拱坝，坝高86m，底厚42m， 空腹宽14m，高20m。
按拱圈间的几何关系分类
• （1）定园心 、定外（内）半径拱坝 • 在U形河谷中，采用定园心,定外（内）半径拱
坝较为适宜。
（2）变园心，变半径拱坝
• 在V形河谷中，宜采用变园心、变半径，以使 坝体顶底拱圈分别采用适宜的中心角，改善坝 体的应力状态。
按拱坝的体形分类
• （1）单曲率拱坝 • 特点：①结构简单，设计、施工方便。②下部
• 随着筑坝经验的积累和提高，80~90年代又相 继建成一批坝高超过150m的高混凝土拱坝， 如白山、龙羊峡、隔河岩等高混凝土重力拱坝， 东江、二滩等高双曲拱坝，其中二滩双曲拱坝， 最大坝高240 m，居世界第三位。已完成可行 性研究设计待建的高混凝土双曲拱坝还有小湾、 拉西瓦、溪落渡。
• 1 二滩 四川 双曲拱坝 240 1999 • 2 小湾 云南 双曲拱坝 292 在建 • 3 拉西瓦 青海 双曲拱坝 250 拟建 • 4 溪落渡 四川 双曲拱坝 273 拟建 • 5 锦屏 四川 双曲拱坝 300 拟建 • 世界上的高拱坝有建于1980年的萨扬-舒申斯
• 拱坝承受的荷载主要通过拱的作用传至两岸， 拱坝的稳定取决于两岸坝端岩体的的稳定；重 力坝是依靠自己的重量维持自身的稳定。因此 拱坝的体积可小，在坝高、坝址条件相同的情 况下，拱坝的体积可为重力的1/1.5~1/5。
• 拱坝可以看作是“拱”和“梁”的交织体，即 坝体结构既有拱的作用，又有梁的作用 。
拱圈的中心角较小，拱的作用不明显。
• （2）双曲率拱坝
• 特点：拱冠梁在（1/5~1/3）坝高处，向上游 鼓出，利用壳体结构的力学特点，使材料的强 度能充分发挥；悬臂梁的向上游倒悬形成的预 压应力，可平衡水压力产生的拉应力；各层拱 圈的半中心角接近最优；自下而上倒悬，有利 于坝顶溢流；双曲率拱坝结构复杂，施工难度 较大。
• 我国的凤滩空腹重力拱 坝，坝高112.5m，底 厚65.5m,空腹宽20.5m， 高40.2m，长255.8m, 内设4台10万千瓦机组
的电站厂房，经试验、
原形观测，坝体应力较 好，基本为压应力。
拱坝的分类
• 1.4.1 按拱圈厚度分类 • 1.4.2 按拱圈轴线形式分类 • 1.4.3 按拱圈间的几何关系分类 • 1.4.4 按拱坝的体形分类
按拱圈厚度分类
• 根据拱坝在最大高度处的坝底 厚度和坝高的比值，即厚高比 TB/H，拱坝可分为：
• 薄拱坝 ，TB/H 〈 0.2。 • 中厚拱坝， TB/H 0.2~0.35。 • 重力拱坝 ，TB/H >0.35。
河谷的宽高比
• 河谷宽高比为L/H • 当L/H〈2 ----可建薄拱坝 • 当L/H=2~3--- 可建中厚拱坝 • 当L/H 〉3--- 可建重力拱坝
• 在狭窄河谷上建造的拱坝，拱圈的弦长较短， 竖直梁则相对长而细，拱和梁相比较，拱的刚 度就相对较大，梁的刚度相对较小。坝体拱的 作用大，坝体厚度就可薄些。
克重力拱坝，坝高245m，建于1986年的英古 里双曲拱坝，坝高272m，均位于前苏联。
拱坝的特点
• 在空间上，拱坝是一种三维壳体结构，属于高 次超静定结构。
• 高次超静定结构具有超载能力（当拱坝局部开 裂，拱坝拱和梁的作用会自行调整，坝体的应 力会重分配。国内外拱坝的破坏试验表明，在 坝肩稳定的条件下，混凝土拱坝的超载能力可 达设计荷载的5~11倍），抗震性能好，但温度 变化和地基变形对坝体应力的影响不能忽略。