第三章 拱坝

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拱坝需要水平拱圈起整体作用，故坝身不设 拱坝需要水平拱圈起整体作用， 永久伸缩缝，拱坝属于高次超静定整体结构。 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， 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。 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， 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 5~11倍 远高于重力坝。 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， 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， 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 拱坝失事比例远小于其他坝型， 坝身问题而失事的， 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， 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。 的抗滑稳定分析。
• （1）接缝未灌浆 自重； • ①自重； • 遇施工洪水时的静水压力加自重。 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
（设计正常温升或设计正常温降）； 设计正常温升或设计正常温降）； • 遭遇施工洪水时，静水压力， 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（ 及接缝灌浆部分坝体温度荷载（设计正常 温升）。 温升）。
拱坝的形式: 四、拱坝的形式:
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控制拱坝形式的主要参数 拱弧的半径、 控制拱坝形式的主要参数有:拱弧的半径、中 主要参数有 心角、圆弧中心沿高程的迹线和拱厚。 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： 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. 单曲拱和双曲拱. 中心角的影响: 中心角大一些, 中心角的影响: 中心角大一些, 拱圈厚度小一 拱圈内力小一些, 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. 等高线的夹角变小,降低拱座的稳定形性.
• 2、地质条件
基岩均匀，坚固完整，有足够的强度、 基岩均匀，坚固完整，有足够的强度、 透水性小而能抗风化。 透水性小而能抗风化。 上述条件不能满足时， 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。 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， 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， 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， 坝顶泄流的单宽流量加大，最优化设计处 于实用阶段。 于实用阶段。
• 1、单曲拱，又称为定外半径定中心角拱 单曲拱，
对U型或矩形断面的河谷，其宽度上下相差 型或矩形断面的河谷， 不大，各高程中心角比较接近， 不大，各高程中心角比较接近，外半径可保持不 仅需下游半径变化以适应坝厚变化的要求。 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， 特点：施工简单，直立的上游面便于布置进水 孔和泄水孔及其设备，但当河谷上宽下窄时， 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， 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. 要求加大坝体厚度,不经济.
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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， 河谷狭窄，左右对称，向下游收缩的 形地形。 “V”或“U”形地形。 宽高比与厚高比 宽高比：河谷宽度L与坝高H的比值， （a）宽高比：河谷宽度L与坝高H的比值， 厚高比：坝厚T与坝高H的比值。 （b）厚高比：坝厚T与坝高H的比值。 为薄拱坝； 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。
双曲拱坝
拱坝的荷载 • 一、荷载
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作用在拱坝上的荷载主要有：水压力（静水 作用在拱坝上的荷载主要有：水压力（ 压力和动水压力）、温度荷载、自重、扬压力、 ）、温度荷载 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（ 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） 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， 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。 载的某些特点。
Hale Waihona Puke Baidu 2、双曲拱坝
对底部狭窄的“ 字形河谷， 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， 拱圈外半径,上至下逐渐减小，可大大减少 坝体方量。 坝体方量。 • 变外半径等中心角拱的特点： 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, 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， 经济，但有倒悬出现，设计及施工较复杂， 型河谷都适用. 对“V”、“U”型河谷都适用.
• 封拱温度：选用下游以年平均气温、上游以年平 封拱温度：选用下游以年平均气温、
均水温作为边界条件，求出此时的坝体温度场作 均水温作为边界条件， 为稳定温度场。工程中， 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。 略低时进行封拱。 温升：温度高于封拱温度。 * 温升：温度高于封拱温度。温升对坝肩稳定不 对应力有利； 利，对应力有利； 温降：温度低于封拱温度。 * 温降：温度低于封拱温度。温降对坝肩稳定有 对应力不利。 为压应力， 利，对应力不利。 ＋”为压应力，“－”为拉应力
因为拱坝是高次超静定整体结构， 因为拱坝是高次超静定整体结构，所 整体结构 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， 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。 变形，并将温度作用列为主要荷载。 • 拱坝可以安全溢流， 拱坝可以安全溢流，也可在坝身设置 单层或多层大孔口泄水。 单层或多层大孔口泄水。 • 由于拱坝剖面较薄， 由于拱坝剖面较薄，坝体几何形状复 因此对于筑坝材料强度、 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。 工质量等要求都比重力坝严格。
• 1、自重荷载 • 对薄拱坝而言，自重的影响很小， 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 乎可忽略不计， 坝来说，应考虑自重的作用， 坝来说，应考虑自重的作用，自重荷载由 梁承担。 梁承担。 • 截面A1 A2间的坝体自重 A1、 间的坝体自重G 截面A1、A2间的坝体自重G可按辛普 森公式进行计算： 森公式进行计算：
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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， 271.5m，坝底厚度86m (HHFYPH)双曲拱坝，高271.5m，坝底厚度86m， 双曲拱坝 86m， 厚高比为0.33 0.33。 厚高比为0.33。其次是意大利的瓦依昂拱坝 (Vaiont)， 261.6m，坝底厚22.lm 22.lm， (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， 88m， 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 2m， 0.023。 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( 180m)和青海省龙羊峡重力拱坝 178m)， 和青海省龙羊峡重力拱坝( 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， 112m； 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， 240m， 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、 居世界第四位，标志着我国在高拱坝的勘测、设 施工和科研方面已达到一个新的水平。 计、施工和科研方面已达到一个新的水平。
• 4、其他稀遇的不利荷载组合。 其他稀遇的不利荷载组合。 • 在上述荷载组合中， 在上述荷载组合中，可根据工程的实
• 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
位中，温度荷载约占据1/3至1/2，对坝顶部 1/3至 位中，温度荷载约占据1/3 1/2， 分的影响更大。 分的影响更大。通常假定温度荷载由拱圈 承担。 承担。 • 产生温度荷载的两个原因是： 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； 混凝土施工过程中水化热的散发； • （2）外界气温的变化。 外界气温的变化。
• （二）特殊组合 • 分以下几种情况： 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， 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。 沙压力，动水压力，浪压力。 • 基本组合1+地震荷载。 1+地震荷载 2、基本组合1+地震荷载。 • 施工期的荷载组合， 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。 浆和分期灌浆两种情况。
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• 4、扬压力 • 由于拱坝坝底厚度很小， 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 的扬压力较小， 虑扬压力的作用外， 虑扬压力的作用外，对薄拱坝扬压力可忽 略不计。 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。 合二类。 （一）基本组合 有以下几种情况： 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、 正常温降，自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、 冰压力。 冰压力。 水库死水位（或运行最低水位） 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， 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。 ），泥沙压力 压力（或不计），泥沙压力，浪压力。
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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 建筑物， 部分传给河谷两岸的基岩。与重力坝相比， 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， 身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的 反作用来支承。 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， 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。 是一种经济性和安全性都很好的坝型。
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 •
1、120m以上的高拱坝以瑞士、美、 120m以上的高拱坝以瑞士、 以上的高拱坝以瑞士 西班牙居多； 意、西班牙居多； 格鲁吉亚的英古里拱坝高272m 272m； 2、格鲁吉亚的英古里拱坝高272m； 二滩为目前国内最高的拱坝： 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： 站为双曲拱坝,坝高：282m.
• 2、水平径向荷载 • 主要为静水压力，其次有泥沙压力、 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。 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。 划分。 • 当基岩弹模与坝体相同时，在均布径 当基岩弹模与坝体相同时， 向荷载作用下水平面上的应力分布的一般 规律是： 规律是：