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1、第四章 拱 坝 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4-1所示。,图4-1 拱坝平面及剖面示意图,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
2、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。,（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511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
3、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
4、资料分析表明，由温度变化引起的径向位移，约占总位移的1/32/3。,（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(TB/H）小于0.2为薄拱坝； 厚高比在0.20.35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）。,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
5、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，,河谷形状对荷载分配及剖面的影响,L/H1.5的深窄河谷中可建薄拱坝； L/H=1.53.0的中等宽度河谷可修建 中厚拱坝； L/H34.5的宽河谷多修建厚拱坝； 当L/H4.5的宽浅河谷，宜建重力坝或 拱形重力坝。 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/
6、H=0.25；我国四川丰都县 联合薄拱坝 L/H达14.25，TB/H=0.25。,由图可见：,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。因此，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。,2地质条件,理想地质是：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
7、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3m4m，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。,第二节 拱坝的布置,拱坝布置的基本内容：根据地形、地质、水文及施工条件，选择坝型；初拟坝体剖面基本尺寸、坝体的平面布置等 。 拱坝布置的原则是：在满足坝体应力和坝肩稳定的前提下，尽可能地使工程量最省，造价最低、安全度高和耐久性好。,一、水平拱圈布置,1拱中心角2A确定 由圆桶公式从应力条件得： 或,由式（4-2）可见，当应力条件相同时，2A越大，拱圈厚度T越小，坝体越经济。2A过大,拱圈弧线
8、增长，则工程量增大。相应抵消了由厚度减小所节省的工程量。 从公式（4-3）可得，当T一定，外荷载、河谷形状相同时，2A越大，拱端应力越小，应力条件越好。若按与工程实际更为接近的两端固端拱计算，当中心角120时，拱圈截面将无拉应力。 因此，从减少拱圈厚度，改善坝体应力考虑，选较大的中心角是比较有利的。,但从稳定条件考虑，选用过大的中心角将较难满足坝肩稳定的要求。 图由图4-5（b）可知，最佳中心角2=6080一般可比其稍大些。 现代顶拱圈中心角多为90110，对于坝址河谷平面上是漏斗形，其中心角可适当加大，一般为110120；当坝址下有软弱带或坝肩支在较薄的山嘴时，则应适当减小拱圈中心角，使拱端
9、推力转向岩体内侧，以加强坝肩稳定。,2水平拱圈的形态,（1）单心圆拱 （2）三心圆及椭圆拱 （3）抛物线拱 （4）对数螺旋线拱 （5）二心拱,浙江桐坑溪双曲拱坝,桐坑溪1972年建成。位于天台县三茅溪支流桐坑溪上。枢纽属四等。,主要建筑物有：砌石双曲拱坝、副坝、引水建筑物和电站 坝址上流域面积10.7km2，多年平均降雨量1600mm，流量0.324m3s，径流量1020万m3;五年一遇设计洪水流量410m3s，三百年一遇校核洪水流量600m3s，水库正常蓄水位230m校核洪水位233.0m，总库容280万m3。设计灌溉面积8000亩；四个梯级电站总装机容量2880kw，多年平均发电量700万
10、kwh。,变圆心、变半径的双曲拱坝高48.8m，坝顶高程233m，坝顶弧长58.72m，坝顶中心角104，坝顶厚3.3m，坝底厚5m，厚高比0.102，弧高比1.203。左岸重力墩高9m，长20m；右岸重力墩高20m，长16.5m。坝顶外缘总长95.22m。 采用坝顶挑流的方式泻洪，为4X40m，总泄量440m3s,天台里石门水库,里石门水库位于天台县龙溪始丰溪上。 坝址以上集雨面积296km2，水库以灌溉、防洪为主，结合发电。水库正常蓄水位为176m，校核洪水位186.3m，总库容1.99亿m3。为混凝土双曲拱坝，坝高74.3m 。坝底宽15.5m，坝顶宽4m，厚高比0.208。坝顶弧长265.5m，坝顶弦长208.5m，弦高比2.8。 采用坝顶泄洪，溢流段长91.3m，设8扇弧形闸门，每扇10m宽，高5.1m，底坎高程176m。,湖南东江拱坝,四川二滩拱坝,凤滩拱坝,普定碾压混凝土拱坝,
