拱坝
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第四章 拱坝(arch dam)
Chapter 4 arch dam
• §4-1 Introduction • • 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：
翼墙
挖 推力墩
重力墩
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。
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；
• （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。
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
• 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（Ponte Alto）拱坝等。其中高桥拱坝于１ ６１２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。
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
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
• 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
3. Viewed from below the dam; part of the right-bank structure, with the top walkway, is visible in the shade at the far left of the photo.
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
AndréCoyne was selected to build an arched dam (barrage-voûte) across the valley. He had already built similar dams in India, Marocco, Rhodesia and at Tignes and Bort-les-Orgues in France. An arched dam is arched in the upstream direction and isn't completely rigid, so the pressure of the water actually distorts the dam and forces the dam more tightly against the sides. This type of dam is extremely reliable, as long as the terrain at the sides and bottom is very solid.
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
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
1. The "Reyran" river from the parking area, a few hundred meters below the dam
2. View towards the left bank from below the dam; the top edge was the left of the two white blocks at the upper-right of the photo.
• 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＜0.2-0.35 • 3—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。
(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
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。
•
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（Ponte Alto）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
• 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
Malpasset Dam :It failed not long after it was built in 1959.
Dimensions & Quantities:
height:60 m
length:225 m
retained water volume：50 ×106m3
A bit a recent history of the region
includes the disaster of the Malpasset dam (barrage de Malpasset), which broke on the night of 2 December 1959 and killed over 420 people, possibly even more than 500. On the map, the blue area above the dam was the "lake" area created by the dam. (The southern edge of the current Lac St Cassien is at the top edge of our map.) The blue area below the dam shows the area flooded when the dam broke.
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）
拱：在竖向荷载作用下能产生水平推力的结构叫 拱式结构ห้องสมุดไป่ตู้
曲梁
三铰拱 二铰拱 固端拱
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
Chapter 4 arch dam
• §4-1 Introduction • • 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：
翼墙
挖 推力墩
重力墩
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。
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；
• （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。
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
• 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（Ponte Alto）拱坝等。其中高桥拱坝于１ ６１２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。
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
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
• 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
3. Viewed from below the dam; part of the right-bank structure, with the top walkway, is visible in the shade at the far left of the photo.
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
AndréCoyne was selected to build an arched dam (barrage-voûte) across the valley. He had already built similar dams in India, Marocco, Rhodesia and at Tignes and Bort-les-Orgues in France. An arched dam is arched in the upstream direction and isn't completely rigid, so the pressure of the water actually distorts the dam and forces the dam more tightly against the sides. This type of dam is extremely reliable, as long as the terrain at the sides and bottom is very solid.
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
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
1. The "Reyran" river from the parking area, a few hundred meters below the dam
2. View towards the left bank from below the dam; the top edge was the left of the two white blocks at the upper-right of the photo.
• 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＜0.2-0.35 • 3—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。
(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
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。
•
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（Ponte Alto）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
• 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
Malpasset Dam :It failed not long after it was built in 1959.
Dimensions & Quantities:
height:60 m
length:225 m
retained water volume：50 ×106m3
A bit a recent history of the region
includes the disaster of the Malpasset dam (barrage de Malpasset), which broke on the night of 2 December 1959 and killed over 420 people, possibly even more than 500. On the map, the blue area above the dam was the "lake" area created by the dam. (The southern edge of the current Lac St Cassien is at the top edge of our map.) The blue area below the dam shows the area flooded when the dam broke.
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）
拱：在竖向荷载作用下能产生水平推力的结构叫 拱式结构ห้องสมุดไป่ตู้
曲梁
三铰拱 二铰拱 固端拱
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