第三章_拱坝

• 2、水平径向荷载 • 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：
• 3、温度荷载 • 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
• 2、双曲拱坝
对底部狭窄的“V”字形河谷，宜将各层 拱圈外半径,上至下逐渐减小，可大大减少 坝体方量。 • 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
拱坝的荷载 • 一、荷载
• 拱坝布臵的步骤
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拱坝布臵复杂，需结合地形地质条件，反复 修订，作多方案比较，最后定出布臵图，其步骤 如下： ①根据坝址地形、地质资料定出开挖深度， 绘出坝址利用基岩面等高线图。综合考虑地形、 地质、水文、施工及运用条件等，选择适宜的拱 坝坝型。 ②利用基岩面等高线地形图，试定顶拱轴线 的位臵。顶拱轴线的半径可参考前边的介绍。应 量使拱轴线与等高线在拱端处的夹角不小于30°， 并使两端夹角大致相近。按适当的中心角和坝顶 厚度画出顶拱内外缘弧线。
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• 1、单曲拱，又称为定外半径定中心角拱
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，外半径可保持不 变，仅需下游半径变化以适应坝厚变化的要求。
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特点：施工简单，直立的上游面便于布臵进水 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.
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③初拟拱冠梁剖面尺寸，并拟定各高程拱圈 的厚度。一般选取5~10层拱圈，绘制各层拱圈平 面图。各层拱圈的圆心联线在平面上最好能对称 于河谷可利用基岩面地形图，在垂直面上，这种 圆心联线应是光滑的曲线。 ④切取若干垂直剖面，检查其轮廊是否光滑 连续，倒悬是否过大，如不符合要求，应适当修 改拱圈及梁的形状尺寸。 ⑤根据初定的坝体尺寸进行应力计算及坝肩 稳定较核。如不符合要求，应重复以上步骤修改 坝体布臵和尺寸。
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因为拱坝是高次超静定整体结构，所 以温度变化和基岩变形对坝体应力的影响 比较显著，在设计计算时，必须考虑基岩 变形，并将温度作用列为主要荷载。 • 拱坝可以安全溢流，也可在坝身设臵 单层或多层大孔口泄水。 • 由于拱坝剖面较薄，坝体几何形状复 杂，因此对于筑坝材料强度、抗渗性和施 工质量等要求都比重力坝严格。
拱坝典型剖面图
二、拱坝布置的原则和要求
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拱坝布臵的原则是，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臵， 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，故拱坝布臵需有较多的方案，进行全 面技术经济比较，选择最优方案。而最终选定的 布臵方案，一般需经模型试验论证。
第三章
拱坝
二滩水电站：抛物线双曲拱坝
溪洛渡水电站：双曲拱坝
• 一、拱坝的建设情况
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1、120m以上的高拱坝以瑞士、美、 意、西班牙居多； 2、格鲁吉亚的英古里拱坝高272m； 3、二滩为目前国内最高的拱坝： 241m; 4、正在建设中的金沙江上溪落渡水电 站为双曲拱坝,坝高：282m.
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目前世界上已建成的最高拱坝是前苏联英古里 (HHFYPH)双曲拱坝，高271.5m，坝底厚度86m， 厚高比为0.33。其次是意大利的瓦依昂拱坝 (Vaiont)，高261.6m，坝底厚22.lm，厚高比为 0.084。最薄的拱坝是法国的托拉拱坝，高88m， 坝底厚2m，厚高比为0.023。 目前我国已建成的最高拱坝是台湾省德基双曲 拱坝(高180m)和青海省龙羊峡重力拱坝(高178m)， 最高的砌石拱坝是新疆石河子拱坝，高112m；正 在施工的四川省二滩抛物线双曲拱坝，高240m， 居世界第四位，标志着我国在高拱坝的勘测、设 计、施工和科研方面已达到一个新的水平。
间的直线距离（m）； • R轴——顶拱轴线的半径（m），初估 时可取 ，此时相当于顶拱中心 角为113°。在实际工程中常以顶拱外弧作 为拱坝的轴线。
• 2、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臵定出 合适的尺寸。 作为拱坝优选的初始方案，坝底厚度可按下 式计算：
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⑥将拱坝沿拱的轴线展开，绘成立视图，显 示基岩面的起伏变化，对突变处采取削平或填塞 措施。 ⑦计算坝体工程量，作为不同方案比较的依 据。 由于拱坝布臵需反复修改，并作多方案比较， 目前已利用计算机设计。首先由设计人员根据地 形地质条件，初绘拱坝轮廓，由计算机计算控制 点坐标，画出坝体透视图、展开图，在展开图上 画好二维网格后，计算机即可自动形成三维网格， 并用有限元法计算出应力，然后再根据应力状态 修改坝体形状，重复几次即可。采用这种方法， 坝体上下游面形状由坐标定点，改变形状方便， 适用于任何复杂形状的拱坝。
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• 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。
二、荷载组合
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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 有以下几种情况： 1、水库正常蓄水位及相应的尾水位和设计 正常温降，自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、 冰压力。 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。
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拱坝需要水平拱圈起整体作用，故坝身不设 永久伸缩缝，拱坝属于高次超静定整体结构。当 外荷载增大或坝的某一部分发生局部开裂时，变 形量较大的拱或梁将把荷载部分转移至变形量较 小的拱或梁，拱和梁作用将会自行调整。国内外 模型试验成果表明：只要坝基牢固，拱坝的超载 能力可以达到设计荷载的5~11倍，远高于重力坝。 拱坝坝体轻韧，地震惯性力比重力坝小，工 程实践表明，其抗震能力也是很强的。迄今为止， 拱坝失事比例远小于其他坝型，而且几乎没有因 坝身问题而失事的，拱坝的失事基本上是由于坝 肩抗滑失稳所致的。所以，应十分重视坝肩岩体 的抗滑稳定分析。
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 ，拱圈中心线 半径为 ，中心角为 ，在沿外弧均布水 压力平衡条件可得“圆简公式”为：
圆弧拱圈
• 水平拱圈的较优形态
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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，从工程力学可 知，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大辩论就 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。
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Hale Waihona Puke Baidu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。
• 圆弧形拱圈的中心角、半径和厚度 • 拱坝的水平拱圈以圆弧形最为常用。
（设计正常温升或设计正常温降）； • ②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。
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• 3、拱冠梁的形态和尺寸
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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。图3.11是几个典型拱坝 的拱冠梁剖面图。
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控制拱坝形式的主要参数有:拱弧的半径、中 心角、圆弧中心沿高程的迹线和拱厚。 按照拱坝的拱弧半径和拱中心角，可将拱坝分为： 单曲拱和双曲拱. 中心角的影响: 中心角大一些, 拱圈厚度小一 些, 拱圈内力小一些, 因此适当加大中心角是有利 的. 但过大的中心角将使拱端弧面的切线与河岸 等高线的夹角变小,降低拱座的稳定形性.
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：选用下游以年平均气温、上游以年平
均水温作为边界条件，求出此时的坝体温度场作 为稳定温度场。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，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。 ＋”为压应力，“－”为拉应力
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二、拱坝的特点
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拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水 建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或 部分传给河谷两岸的基岩。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。因此， 是一种经济性和安全性都很好的坝型。
• （二）特殊组合 • 分以下几种情况： • 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 • ①自重； • ②遇施工洪水时的静水压力加自重。 • （2）分期灌浆 • ①自重及接缝灌浆部分坝体浊度荷载
双河拱坝有限元实体模型上游鸟瞰图
双河拱坝仿真分析有限元模型
三、地质地形条件
河谷形状对荷载分布和坝体剖面的影响
• 1、地形条件
河谷狭窄，左右对称，向下游收缩的 “V”或“U”形地形。 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/H<1.5, T/H <0.2 为薄拱坝； L/H=1.5~3.0, T/H =0.2 ~0.35 为一般拱 坝； L/H=3.0~4.5, T/H =0.35 ~0.60 为重力拱 坝。
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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。一般荷载的计算方法 与重力坝基本相同，这里只强调作用的拱坝上荷 载的某些特点。
• 1、自重荷载 • 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。 • 截面A1、A2间的坝体自重G可按辛普 森公式进行计算：
• 铅直剖面（拱冠梁）的形式和尺寸
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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。 1、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。坝顶厚度还可按下 列经验公式估算：
• 式中 H——坝高(m) • L1——坝顶高程外两拱端新鲜基岩之
• 2、地质条件
基岩均匀，坚固完整，有足够的强度、 透水性小而能抗风化。 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。 3、发展趋势 对地形地质条件的限制有所放宽，坝 更高，坝体薄，坝型多样化，双曲居多， 坝顶泄流的单宽流量加大，最优化设计处 于实用阶段。
四、拱坝的形式: