第三章 拱坝

第三章拱坝

第一节概述

一、拱坝的特点

●结构特点：拱坝是一空间壳体结构,坝体结构可近似看作由一系列凸向上游的水平拱圈和一系列竖向悬臂梁所组成。

坝体结构既有拱作用又有梁作用。其所承受的水平荷载一部分由拱的作用传至两岸岩体，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。

拱坝两岸的岩体部分称作拱座或坝肩；位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁称作拱冠梁，一般位于河谷的最深处。

拱坝示意图

拱坝平面及剖面图

●稳定特点：拱坝的稳定性主要是依靠两岸拱端的反力作用。

●内力特点：拱结构是一种推力结构，在外荷作用下内力主要为轴向压力，有利于发挥筑坝材料（混凝土或浆砌块石）的抗压强度，从而坝体厚度就越薄。

拱坝是一高次超静定结构，当坝体某一部位产生局部裂缝时，坝体的梁作用和拱作用将自行调整，坝体应力将重新分配。所以，只要拱座稳定可靠，拱坝的超载能力是很高的。混凝土拱坝的超载能力可达设计荷载的5—11倍。

●性能特点：拱坝坝体轻韧，弹性较好，整体性好，故抗震性能也是很高的。拱坝是一种安全性能较高的坝型。

●荷载特点：拱坝坝身不设永久伸缩缝，其周边通常是固接于基岩上，因而温度变化和基岩变化对坝体应力的影响较显著，必须考虑基岩变形，并将温度荷载作为一项主要

荷载。

●泄洪特点：在泄洪方面，拱坝不仅可以在坝顶安全溢流，而且可以在坝身开设大孔口泄水。目前坝顶溢流或坝身孔口泄水的单宽流量已超过200m3/（s.m）。

●设计和施工特点：拱坝坝身单薄，体形复杂，设计和施工的难度较大，因而对筑坝材料强度、施工质量、施工技术以及施工进度等方面要求较高。

二．拱坝对地形和地质条件的要求

（一）对地形的要求

左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。坝端下游侧要有足够的岩体支承，以保证坝体的稳定

以“厚高比”T/H来区分拱坝的厚薄程度。当T/H<0.2时，为薄拱坝；当T/H=0.2~0.35时，为中厚拱坝；当T/H>0.35时，为厚拱坝或重力拱坝。

坝址处河谷形状特征用河谷“宽高比”L/H及河谷的断面形状两个指标来表示。

L/H值小，说明河谷窄深，拱的刚度大，梁的刚度小，坝体所承受的荷载大部分是通过拱的作用传给两岸，因而坝体可较薄。反之，当L/H值很大时，河谷宽浅，拱作用较小，荷载大部分通过梁的作用传给地基，坝断面较厚。

在L/H<2的窄深河谷中可修建薄拱坝；

在L/H=2~3的中等宽度河谷中可修建中厚拱坝；

在L/H=3~4.5的宽河谷中多修建重力拱坝；

在L/H＞4.5的宽浅河谷中，一般只宜修建重力坝或拱形重力坝。

左右对称的V形河谷最适宜发挥拱的作用，靠近底部水压强度最大，但拱跨短，因而底拱厚度仍可较薄；U形河谷靠近底部拱的作用显著降低，大部分荷载由梁的作用来承担，故厚度较大，梯形河谷的情况则介于这两者之间。

河谷形状对荷载分配和坝体剖面的影响

（二）对地质的要求

基岩均匀单一、完整稳定、强度高、刚度大、透水性小和耐风化等。

两岸坝肩的基岩必须能承受由拱端传来的巨大推力、保持稳定并不产生较大的变形。

三．拱坝的形式

1．按拱坝的曲率分：单曲和双曲之分。

2．按水平拱圈形式分：圆弧拱坝、多心拱坝、变曲率拱坝（椭圆拱坝和抛物线拱坝等）。

单双曲拱坝示意图

拱坝的各种水平拱圈型式

第二节 拱坝的荷载及组合

一．拱坝的设计荷载 （一） 一般荷载的特点 １．水平径向荷载

● 水平径向荷载种类：静水压力、泥沙压力、浪压力及冰压力。

● 荷载的分配：静水压力是坝体上的最主要荷载，应由拱、梁系统共同承担，可通过拱梁分载法来确定拱系和梁系上的荷载分配。

● 计算：水平径向静水压力的计算如下：

式中： P —作用于坝面的静水压力强度；

γ—水的重度；

h —计算点处的水深。

将P 转化为拱轴线上的压力强度P ’时，则

R

pR p u

=

/ 式中R u 、R 分别为拱圈外弧半径和平均半径。 2．自重

● 荷载的分配：全部自重应由悬臂梁承担。

● 荷载的计算：如图所示，截面A 1与A 2间的坝块自重G 可按辛普森公式计算：

))(4(6

1

21KN A A A Z G m h ++∆=γ

式中： r h —混凝土重度，kN/m 3

； ΔZ —计算坝块的高度，m ；

A 1、A 2、A m —分别为上、下两端和中间截面的面积，m 2

。

坝块自重计算图

3．扬压力

● 扬压力的特点：拱坝坝体一般较薄，坝体内部扬压力对应力影响不大，对薄拱坝通常可忽略不计。

（二） 温度荷载

● 原因：拱坝为一超静定结构，在上下游水温、气温周期性变化的影响下，坝体温度将随之变化，并引起坝体的伸缩变形，在坝体内将产生较大的温度应力。温度荷载是拱坝设计的主要荷载。

● 封拱温度:拱坝系分块浇筑，经充分冷却，当坝体温度逐渐降至相对稳定值时，进行封拱灌浆，形成整体。拱坝封拱一般选在气温为年平均气温或略低于年平均气温时进行。封拱时温度愈低，建成后愈有利于降低坝体拉应力。在封拱时的坝体温度称作封拱温度。

h

p γ=

● 温度荷载:是指拱坝形成整体后，坝体温度相对于封拱温度的变化值。

● 温降当坝体温度低于封拱温度时，称温降，拱圈将缩短并向下游变位，由此产生的弯矩、剪力及位移的方向都与库水压力作用下所产生的弯矩、剪力及位移的方向相同，但轴力方向相反；

● 温升当坝体温度高于封拱温度时，称温升，拱圈将伸长并向上游变位，如图3-9（b ），由此产生的弯矩、剪力和位移的方向与库水压力所产生的方向相反，但轴力方向则相同。因此，在一般情况下，温降对坝体应力不利；温升将使拱端推力加大，对坝肩稳定不利。

坝体由温度变化的变形示意图

● 温度荷载的种类：均匀温度变化（t 1）等效线性温差（t 2）非线性温度变化（t 3） 1．均匀温度变化（t 1） 这是温度荷载的主要部分。 2．等效线性温差（t 2）

水库蓄水后，由于水库水温变幅小于下游气温变幅，故沿坝厚常有温度梯度t 2/T 。它对拱圈力矩的影响较大，而对拱圈轴向力和悬臂梁力矩的影响很小。在中、小型工程中一般可不考虑。

3．非线性温度变化（t 3）

它是以坝体温度变化曲线上扣去t 1和t 2后的剩余部分，产生局部应力，在拱坝设计中一般可略去不计。

对于中、小型拱坝，可视情况采用下列经验公式作拱坝的温度荷载计算：

44

.257.571+=T t （0

C ）

或 39

3471⋅+=T t （0C ）

拱圈截面温度变化图

（三） 地震荷载

二．拱坝的荷载组合

● 荷载组合:基本组合和特殊组合两类。

重力坝的基本荷载和特殊荷载划分也适用于拱坝，只是在基本荷载中还应列入温度荷