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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 n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 。 n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
2、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 。 （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。 n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
3、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
4、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1/32/3。 （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： n拱坝的厚高比(TB/H）小于0.2为薄拱坝 ； n厚高比在0.20.35之间的为中厚拱坝。 n厚高比大于0.35的为厚拱坝； （2）按拱坝曲率分类可分类： n单曲拱坝 n 双曲拱坝
5、（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 n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。 n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
6、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/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： l 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。 l 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。 n实际很难找到理
7、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。 n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。 第二节 拱坝的布置 n 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 。 n 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
8、低、安全度高和耐 久性好。 一、水平拱圈布置 n1拱中心角2A确定 n由圆桶公式从应力条件得： 或 n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。 n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。 u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。 n 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。 l图由图4-5
9、（b）可知，最佳中心角2=60 80一般可比其稍大些。 l 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，使拱端推力转向岩体内侧， 以加强坝肩稳定。 2水平拱圈的形态 n（1）单心圆拱 n（2）三心圆及椭圆拱 n（3）抛物线拱 n（4）对数螺旋线拱 n（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。 n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
10、0.324m3s，径流 量1020万m3;五年一遇设计洪水流量410m3 s，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kwh。 n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。 n 采用坝顶挑流的方式泻洪， 为4X40m，总泄量440m3s 天台里石门水库 n里石门水库位于天台县龙溪始丰溪上。 n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。 n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
