第六章拱坝
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第四章拱坝
主讲:戴全厚
第一节概述
一、拱坝的特点及类型
拱坝是固接于基岩的空间壳体结构,在平面上呈凸向上游的拱形,拱冠剖面呈竖直的或向上游弯曲。坝体结构是由水平的拱圈和竖向的悬臂梁共同组成。拱坝所承受的水平荷载一部分通过水平拱的作用传给两岸的基岩,另一部分通过竖向的悬臂梁的作用传到坝底基岩,如图6-1所示。
图6-1 拱坝平面及剖面示意图
拱坝在平面上呈拱形,可由混凝土及浆砌石筑成,其荷载主要借助拱的作用传给两岸,拱内主要是压应力,这样能充分发挥材料的抗压强度,故其断面尺寸比重力坝小。所以,拱坝具有工程量小,投资少、工期短、见效怯等优点,在小流域治理及泥石流防治中应用广泛。
近年来,我国各地修建了不少中小型拱坝,在坝型、材料、地基处理、施工等方面积累了不少经验。高拱坝也有了很
大的发展,河南
省某浆砌石拱坝,
坝高达95m。
小流域节拦蓄水拱
浆砌石重力拱坝
金沙江拱坝
小流域节拦蓄水拱
金沙江拱坝
浆砌石重力拱坝
⏹坝体的稳定主要是依靠两岸坝肩的反力来维持。拱坝的坝肩是指拱坝所座落的两岸岩体部分,亦称拱座。
⏹拱冠梁系指位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁,一般它位于河谷的最大深处。
1.拱坝的结构特点
(1)拱作用的结构特点
拱是一种主要承受轴向压力的推力结构。拱内弯矩较小,应力分布比较均匀,这一特点能适应坝体材料(混凝土或浆砌石)抗压强度高的特性,使材料的强度得到充分的发挥。对于同一坝址,坝高相同时,拱坝的体积比重力坝可节省1/3~2/3。
双曲砌石拱坝
(2)空间整体作用的特点
拱坝四周嵌固于基岩,属于高次超静定结构,当发生超载或产生局部裂缝时,坝体拱梁作用自行调整,坝体的应力将重新分配,原来低应力区的应力增大,高应力不再增长,裂缝停止发展甚至闭合。根据国内外拱坝结构模型实验成果表明,拱坝的超载能力可达到设计荷载的5~11倍。
实例:意大利瓦依昂(Vajont)双曲拱坝,1961年建成,坝顶长190.5m,顶宽3.4m,底宽22.7m,最大坝高265.5m,是当时世界上最高的混凝土薄拱坝。1963年10月9日晚,由于连续降雨,水库水位上涨,左岸靠坝的上游发生大体积岩石滑坡,近3亿m3的滑坡体以40 m/s 的速度滑入水库并冲上右岸,掀起150m高的涌浪,涌浪溢过坝顶,冲向下游,致使2600人丧生,但拱坝并未破坏,仅在坝肩附近的坝内发生二、三条裂缝。据估算,拱坝当时已承受住相当于8倍设计荷载的作用力,由此可见该拱坝的超载能力。
(3)拱坝具有较高的抗震能力
拱坝是一个整体的空间壳体结构,坝体轻韧而富有弹性。
当基础及坝肩岩
体稳定时,其抗
震能力较强。
(4)荷载特点
对于拱坝,温度荷载
是主要荷载之一。拱坝周边固接于基岩上,温度变化及地基变形等对坝体应力有显著影响。据实测资料分析表明,由温度变化引起的径向位移,约占总位移的1/3~2/3。
(5)坝身泄流及施工较为复杂
拱坝坝身较为单薄,坝身溢流可能引起坝身及闸门振动,致使材料疲劳;坝身下泄水流具有向心集中作用,挑距不远,易于造成对河床及河岸冲刷;坝身开设泄水孔会破坏拱坝作用并使孔口周边应力复杂。
2.拱坝的类型
(1)按拱坝的厚高比分类
➢拱坝的厚高比(T
/H)小于0.2为薄拱坝;
B
➢厚高比在0.2~0.35之间的为中厚拱坝;
➢厚高比大于0.35的为厚拱坝;
(2)按拱坝曲率分类可分类
➢单曲拱坝
➢双曲拱坝(水平及竖向截面均呈曲线形)。
定外半径定中心角拱坝
等外半径变中心角拱坝
双曲拱坝
二、拱坝对地形及地质的要求1.地形条件
➢地形条件是决定拱坝的结构形式、工程布置
以及经济性的主要因素。
➢坝址处河谷形状特征通常用两个指标来表示,
即河谷“宽高比”及“河谷断面形状”。
➢宽高比(L/H)值小,说明河谷深窄,水平拱圈跨度较短,拱的刚度较大,受力大部分传给两岸,因而坝体较薄。当L/H值较大时,坝体较厚。图4-2给出了22座已建拱坝宽高比与坝体厚高比的关系曲线。
坝型地址比较
河谷形状对荷载分配及剖面的影响
由图4-2可见:
L/H<1.5的深窄河谷中可建薄拱坝;L/H=1.5~3.0的中等宽度河谷可修建中厚拱坝;L/H>3~4.5的宽河谷多修建厚拱坝;当L/H>4.5的宽浅河谷,宜建重力坝或拱形重力坝。但近代上述界限已被突破。如:奥地利的希勒格尔斯双曲拱坝,坝高130m,L/H=5.5,TB/H=0.25;我国四川丰都县联合薄拱坝L/H达14.25,T
/H=0.25。
B
2.地质条件
●地质条件对拱坝布置影响很大,对高坝它是决定坝型
的主要因素。
●拱坝大部分荷载通过拱作用传到两岸,坝体的稳定是
靠两岸岩体重量和抗剪强度来维持的。对于拱坝地基来说,两岸坝肩的岩体必须能够承受拱端传来的巨大推力。
设计时应尽量地避开有严重地质缺陷的坝址。
理想地质:基岩均匀单一、坚固完整、强度高、刚度大、抗水侵蚀和耐风化等。
实际很难找到理想地质条件,坝基总存在节理,裂隙,软弱层局部断裂破碎,因此,必须查明工程地质情况,采取妥善的处理措施,使其满足设计要求。
如龙羊峡拱坝,高178m,基岩被众多的断层和裂缝切割,岩体破碎,且位于9度强震区,但基础经过处理后,达到了设计要求;瑞士的康脱拉拱坝,有顺河向陡倾角断层,宽3m~4m,断层本身挤压破碎严重,但经过基础处理,成功地建成了高220m的拱坝