《水利工程概论》第四章-2 挡水建筑物和泄水建筑物-拱坝

➢ 二滩拱坝：240m； ➢ 正在建设中的金沙江上溪落渡水电站为双
曲拱坝，坝高282m。
拱坝的建设情况
石门拱坝
二滩水电站
预备知识
由建筑材料筑成，能承受、传递荷载而起骨架作用的构筑 物称为工程结构。如：梁柱结构、桥梁、涵洞、水坝、挡土 墙等。按几何形状结构可分为： 1.杆系结构(structure of bar system) ：构件的横截面尺寸<<长 度尺寸；
（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温度荷载（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）。
拱坝平面布置的任务
拟定拱冠梁剖面和拱圈的尺寸，通过平面布 置，确定各高程拱圈的半径、中心角和厚度。
拱坝的形式: 按拱圈间的几何关系分类
（1）定圆心 、定外（内）半径拱坝 在U形河谷中，采用定圆心,定外（内）半径拱坝较为适宜。
响洪甸重力拱坝
拱坝的形式: 按拱圈间的几何关系分类
（2）变圆心，变半径拱坝
在V形河谷中，宜采用 变圆心、变半径，以使 坝体顶底拱圈分别采用 适宜的中心角，改善坝 体应力状态。
地质地形条件
1、地形条件 河谷的宽高比
河谷宽高比为L/H 当L/H〈2 ----可建薄拱坝 当L/H=2~3--- 可建中厚拱坝 当L/H 〉3--- 可建重力拱坝
地质地形条件
河谷的对称性 ➢ 在对称河谷上兴建拱坝，可避免产生附加扭转矩 。 ➢ 当河谷不对称时，可人为改变河谷的对称性。如在较缓的 一侧建造重力墩、 设置垫座及周边缝或采用二心拱或对数螺 旋线拱圈。
假定其他各层拱圈圆心位置，由各层拱圈的厚度，画出相应拱 圈，量出相应半径和半中心角ΦA，检查拱轴线与基岩等高线的交 角，要求 α≥30
布置具体步骤
（５） 坝面检查 ①拱冠梁处的圆心轨迹线平顺、光滑。
布置具体步骤
②坝面倒悬度： Δα/ ΔH<0.3
布置具体步骤 （6）根据应力稳定计算结果,修改坝体体形及尺寸。
地质地形条件
河谷的断面形状
地质地形条件
河谷平面形状 ➢ 理想河谷形状为地形等高线向下游呈漏斗状,使得拱端推力方 向与等高线交角较大,有利于拱端的稳定。 ➢ 不理想河谷形状为地形等高线向下游呈发散状， 拱端推力方 向与等高线交角较小,不利于拱端的稳定。
地质地形条件
地质地形条件
2、地质条件
➢ 拱坝对地质条件的要求是基岩完整均一，强度 高 ，地质构造简单，抗渗性能好。
拱坝的建设情况
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。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。
拱坝的建设情况
➢120m以上的高拱坝以瑞士、美、意、西班 牙居多；
➢格鲁吉亚的英古里拱坝高272m，1980年的 萨扬-舒申斯克重力拱坝，坝高242m ；
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。
荷载
温升：拱坝的轴线伸长，向上游变位，由此产生的剪力、弯 矩的方向与水压力产生的剪力、弯矩的方向相反，轴力的方 向与水压力产生的方向相同。对坝肩稳定不利； 温降：拱坝的轴线缩短，向下游变位，由此产生的剪力、弯 矩的方向与水压力产生的剪力、弯矩的方向相同；轴力的方 向与水压力产生的方向相反。对坝体应力不利。
荷载
“＋”为压应力 “－”为拉应力
荷载
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。
荷载组合
拱坝设计荷载组合可分为基本组合和特殊组合。 （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。
拱座岩体可能发生的滑动条件
②滑动岩体下游具有滑动位移的空间，这可能是河流转弯突然 扩大或冲沟形成的临空面(图c)，也可能是下游有断层破碎带或 较宽的风化软弱岩脉受力压缩变形后形成的滑移空间(图d)。
拱座岩体可能发生的滑动条件
③滑动岩体底部有缓倾角节理裂隙或软弱夹层面(图e)。
平行河流方向或向河中倾斜的节理可能导致滑动，而 在下游逐渐斜入山内的节理、裂隙则对稳定影响不大。
预备知识
2、板壳结构(plate and shell structure) ：构件的厚度<<表面尺寸。
预备知识
3、实体结构(massive structure) ：结构的长、宽、厚三个尺寸相仿
预备知识
按连接方法 ，杆系结构 可分为：
2、拱 (arch)
预备知识
预备知识
拱坝的工作特点
1、拱与梁的共同作用；
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。
拱坝的形式:
按不同的标准可对拱坝做分类：
按拱圈厚度； 按拱圈轴线形式； 按拱圈间的几何关系； 按拱坝的体形。
拱坝的形式: 按拱圈厚度分类
基岩节理 对拱坝稳 定的影响
拱坝整体稳定需考虑两种情况： ➢ 拱座整体沿滑动面向下游滑动； ➢ 坝体绕一岸旋转滑动。
拱坝滑移
1、拱座整体滑动 拱座岩体被一些构造面所切割，连同临空面组成一个容
变曲率拱坝：包括抛物线、椭圆形或对数螺旋形的水平拱圈， 拱圈中间段曲率较大，可改善拱中部应力，近两岸曲率较小， 有利于坝肩岩体的抗滑稳定。变曲率拱坝适用于不同河谷形式 ，设计和施工较为复杂，多用于高、中拱坝。
拱坝的形式: 按拱圈轴线形式分类
多心拱：包括二心拱、三心拱、四心拱，五心拱等,多心 拱可以适应河谷形状，减少或加大拱端的曲率半径，用 以改善坝身应力或增加坝肩稳定。
拱坝的工作特点
2、稳定性主要依靠两岸拱端的 反力作用，因而对坝基的要求很 高；
3、拱是承受轴向压力，有利于 发挥砼及浆砌石材料的抗压强度 ；在坝高、坝址条件相同的情况 下，拱坝的体积可为重力坝的 1/1.5~1/5。
4、拱坝坝身可以泄水； 5、不设永久性伸缩缝； 6、抗震性能好； 7、几何形状复杂，施工难度大。
荷载
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。
截面间的坝体自重G可按辛普森公式进行计算：
荷载
温度荷载 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，对坝顶部分的影响更大 。通常假定温度荷载由拱圈承担。
布置具体步骤
（1）在坝址地形图上确定基岩可利用等高线及河谷对称中心线。 （2）拟定拱冠梁剖面，进行分层，确定各层拱圈的高程及厚度。 （3）布置顶层拱圈 。
首先选择半中心角ΦA，量出顶拱内弧弦长；计算出顶拱内弧半 径和圆心，画出顶层拱圈，要求拱轴线与基岩等高线的交角α≥30 （4） 布置其他各层拱圈。
拱坝布置的原则
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置，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，故拱坝布置需有较多的方案，进 行全面技术经济比较，选择最优方案。而最终选 定的布置方案，一般需经模型试验论证。
拱坝的形式: 按拱坝的体形分类
（1）单曲率拱坝 特点：①结构简单，设计、施工方便。②下部拱圈的中 心角较小，拱的作用不明显。
拱坝的形式: 按拱坝的体形分类
（2）双曲率拱坝 特点：拱冠梁在（1/5~1/3）坝高处，向上游鼓出，利用壳体结构 的力学特点，使材料的强度能充分发挥悬臂梁的倒悬造成的预压 应力，可平衡水压力产生的拉应力，施工难度较大。
滑动体边界，常由若干个滑裂面和临空面组
成。滑裂面一般应是岩体内的各种结构面，尤 其是软弱结构面,临空面则为天然地表。
拱座岩体可能发生的滑动条件
①在坝的上游面基础内存在水平拉应力区，有产生铅直裂缝的 可能，因此滑动体的上游边界一般假定从拱座上游面开始(图a)； 若坝肩附近有顺河向断层破碎带，则有可能在断层破碎带与拱座 间的岩体处发生破裂，然后沿断层破碎带向下游滑移(图b)。
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。
荷载组合
（二）特殊组合 分以下几种情况：
1、校核洪水位和此时出现的温度应力，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。
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。
拱坝的形式: 其它形式的拱坝
➢ 空腹拱坝 当坝体较厚时，可修建空腹拱坝以减少坝体工程量，降低扬压 力，有利于坝体散热；狭窄河谷上可利用空腹布置电站厂房。
荷载
拱坝上的荷载可分为：①水平荷载 ——水压力、泥砂压力 、浪压力；②铅直荷载 —— 自重、扬压力、水重；③温度荷载 和地震荷载。一般荷载的计算方法与重力坝基本相同，这里只 强调作用在拱坝上荷载的某些特点。
（图3）
约束：凡能减少自由度的装置。 一个简单铰相当于两个约束(图4）。
y
y
x
y
o
o
x
x
（图4）
超静定结构 : 具有几何不变性、而又有多余约束的结 构。其反力和内力只凭静力平衡方程不能确定或不能 完全确定。 超静定结构的特点:
（1）结构的反力和内力只凭静力平衡方程不能确定 或不能完全确定。
（2）除荷载之外，支座移动、温度改变、制造误差 等均引起内力。
拱坝的形式: 按拱圈轴线形式分类
圆弧拱：轴线为圆弧拱轴线的圆拱坝，水平截面是单心的圆 弧水平拱，设计和施工较简单，但拱圈中压力线偏离中心线 较大，拱端推力方向与岸坡边线的夹角往往较小，不利于坝 肩岩体的抗滑稳定。圆拱一般适用于中、低拱坝。
拱坝的形式: 按拱圈轴线形式分类
凤滩
拱坝的形式: 按拱圈轴线形式分类
（3）多余联系遭破坏后，仍能维持几何不变性。
（4）局部荷载对结构影响范围大，内力分布均匀。
去掉超静定结构的多余约束，使其成为静定结构； 去掉多余约束的个数即为该结构的超静定次数。
拱坝是超静定结构，地基变形对坝体变形和应 力的影响很大。
拱坝所承受的荷载大部分都是通过拱的作用传
到两岸拱座岩体，拱坝所具有的一切优点都是建 立在拱座稳定的基础上，拱坝的重大事故基本上 与拱座滑动失稳有关。
拱坝的形式: 其它形式的拱坝
➢ 周边缝拱坝 周边缝拱坝或称为铰拱坝，国外以意大利修建较多，如奥西埃 塔双曲拱坝，建于1939年，坝高76.8m。国内有白云江拱坝等 中小型拱坝也采用周边缝拱坝。
➢ 优点：
（1）周边缝可松弛坝体周边的弯曲应力 ，消除因温度、收缩等引起的应力，改善 坝体的应力状态。 （2）周边缝与基岩间的垫座，对于坝体 与基岩间的荷载传递，有扩散作用，使应 力、变形均匀化。 （3）垫座的尺寸、形式可灵活调整，以 适应不对称或不规则地形及有局部缺陷的 坝基。 （4）垫座可提前施工，便于基础灌浆。
➢ 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。
地质地形条件
3、发展趋势 对地形地质条件的限制有所放宽，来自百度文库更高，
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。
拱坝的形式:
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。
自由度 决定体系几何位置的彼此独立的几何参变量数目。
点、刚片、结构的自由度
1、一个点在平面上有两个自由度（图1）。
2、一个刚片在平面上有三个自由度（图2）。
y
y
x
A(x,y)
y
x
A(x,y)
y
o
o
x
x
（图1）
（图2）
约束：凡能减少自由度的装置。 一根链杆相当于一个约束(图3）。
y
y
x
y
o
o
x
x
根据拱坝在最大高度处的坝底厚度和坝高的 比值，即厚高比TB/H，拱坝可分为： 薄拱坝 ，TB/H <0.2。 中厚拱坝， TB/H 0.2~0.35。 重力拱坝 ，TB/H >0.35。
按水平拱的厚度变化，拱坝又可分为： 等厚度拱，水平截面为厚度不变的水平拱。 变厚度拱，水平截面为变厚度的水平拱。变厚拱坝的应力条件 较好，但设计和施工较为复杂，一般用于高、中拱坝。