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1、3-3 拱坝的布置,要求： 掌握几种典型的圆弧拱坝的布置方法 掌握A对应力、稳定、经济各方面的影响 掌握拱坝布置的原则及步骤。,) 拱坝布置的任务：,根据拱坝的自然条件，施工条件和运用要求选择拱坝的坝型，拟定坝体的基本尺寸，并进行平面布置，然后经过应力、稳定分析，反复修改，最后确定一个既安全又经济的设计方案。 由于拱坝的类型很多，不同的类型，其基本尺寸和平面布置均有一定的差别，但布置的方法及考虑问题的出发点是一致的。因此，本课程主要讲授圆弧拱坝的布置。对其他类型的拱坝布置同学们以后找有关资料自学。,) 重要性： 直接关系大坝的安全、造价、施工及美观。 ) 影响因素： 自然条件，施工、运用 )
2、具体方法： a、拱坝CAD，利用编制好的计算机软件自动进行。 b、半自动化方法。 c、人工方法。,一)圆弧拱坝的几种典型布置方式,1、 等外半径拱坝又叫圆筒形拱坝。 适于：U型或接近U型的梯形河谷， 做法：各层拱圈的外半径相同，中心角2A基本接近或变化较小，为了适应水压力的增长，坝厚从上到下逐渐加厚，因此内半径从上到下逐渐减小。 即：内外、圆心同线。 外半径不变。 内半径逐渐缩小 如：我国新修建的风滩，响洪甸等拱坝 。,响洪甸等外半径重力拱坝,凤滩,优点：形式简单、施工方便、直立的上游面有利于布置进水口，或泄水建筑物的控制设备。 缺点：下部拱中心角必然减小，拱的应力分布不均匀，因此所需断面较大
3、，极不经济。 改进：采用定外圆心，定外半径，而变内圆心，变内半径的变厚拱形式。,2、等中心角拱坝：,对V型山谷，若采用等外半径形式拱坝，势必使底部A太小，而不能满足应力要求，为此需要加厚坝体，不经济、不利于发挥拱坝的优点，这时可将各层拱圈的外半径从上到下逐渐减小，而使各层拱圈的A基本相等，布置成定角式拱坝。 适于：V型河谷。 优点：应力较好，经济。可以比等外半径式节约30%的工程量。 缺点：两岸倒悬，对施工不利，空库时坝体应力和稳定有问题。 改进：梁向弯曲，布置成双曲拱坝。 改用变半径，变中心角拱坝。 解释：倒悬及倒悬度,n=y/x ， y：x =1：x. 如广东泉水拱坝,广东泉水定角式拱坝,
4、3、 变半径，变中心角拱坝,在形和接近的梯形河谷，为了使拱圈更好的适应河谷断面形状，既克服等A 式的倒悬问题，又不象等外半径式那样的不经济，常布置成变半径变中心角式拱坝。 优点：比等R外 应力好，比等A式倒悬要小，较经济，比R外式省20% 适于：或,4、 双曲拱坝：,对变半径、变中心角，定角式拱坝如果在坝体1/51/3处向上游突出，使悬臂梁也成为弯曲的形状，就成了双曲拱坝。 优点： 具有壳体作用 安全度高。 a、各层拱圈的A 均能接近理想的角度，拱向应力好。 b、梁的弯曲。外荷水平位移竖向位移受阻 M和N，改变梁的应力。 c、外荷在梁中部产生的应力与自重应力正好相反， 可改善梁中部应力。 d、
5、增加拱座的垂直压力，改善稳定 对泄洪有利-渗气 布置灵活：可较好的解决倒悬度问题 缺点：结构复杂，设计、施工较难。,二）圆弧拱坝基本尺寸的拟定：,1、基本尺寸包括 悬臂梁尺寸：a、坝顶、底及各个高程的厚度 b、上下游面曲线的方程 拱圈尺寸：a、中心角2A b、半径R。,A,A,2、悬臂梁尺寸的初步拟定,Tc )考虑的因素 a、 强度要求：如坝顶承受较大的水压力、冲击力、温度荷载等。 b、 施工要求=2 c、 运用要求：交通，起闭机设备。 d、 经济上要求 e、 美观上要求 ) 确定方法： a、 工程类比 b、 经验公式 见书上两个 ) 影响： Tc决定顶拱的刚度，对荷载分配、顶拱及梁向应力有明
6、显的影响, TB,() 考虑因素： a、坝高；b、坝型；c、河谷地形；d、地质；e、荷载及材料 () 确定方法：反复试算 a、 工程类比 b、 经验公式: 朱伯芳公式 美国垦务局公式 即（415） 任德林公式：,悬臂梁剖面：)常见形状 龙羊峡 白山 风滩 响洪甸,b、 双曲：如：东风、东江、紧水滩、石门、泉水,a、 单曲：,世界知名拱坝拱冠梁剖面19胡佛H=223m28莫瓦桑H=237m30瓦依昂H=262m,世界知名拱坝拱冠梁剖面34格兰峡H=217m37柯恩布赖茵H=200m38英古里H=272m39萨扬舒申斯克H=245m,中国知名拱坝拱冠梁剖面,)双曲拱坝上游面的曲线方程,A、 B两个
7、常数可以由下列条件确定,其中一般：,)各高程厚度 T（y）可以是y的一次 二次 三次曲线变化 )下游面方程由：x(y)及T(y)得到,2、拱圈尺寸：,几何关系：A、R、L、T 其中：T由悬臂梁剖面设计得到 L 河谷宽度为已知 、R、L具有如下关系 R=L/(2sinA) 因此要确定拱圈尺寸，只需确定A或R即可，其他可以由几何关系求得，常选择A作为要确定的参数。,A的确定：,)考虑的因素：a应力；b稳定; c经济； d自然条件。 )A对应力的影响及其对应的最优中心角a A、“圆筒公式”及其a 从拱坝中取出一单位高度 的水平拱圈,受均匀水压力P, 假设该拱圈是圆筒的一部分, 因此，任一断面的内力可
8、以近似的为,由上公式可见：在L、P一定时 A越大，越小 T越大，越小 如果材料的允许压应力为，则可以求得在荷载P作用下所需的拱圈的厚度为： 由上可知：当A越大，则T越小，但是A大 ，拱轴线长度增大，最经济的中心角应使拱圈体积最小，即：,将 代入 则可得： 即当取A=A时，为满足应力要求时的最经济拱圈。最早提及此公式的为1879年法国工程师皮来杜（A.pelletrean）,B、 弹性固端拱,上述圆筒公司只考虑拱内的轴力，没考虑M,V及基础变形的影响。因此所得结果只有在较薄而且A较大的情况下具有近似意义。一般拱圈应按弹性固端拱计算。分析表明，弹性固端拱具有以下几条结论： a、应力分布规律：圆弧拱
9、在荷载P作用下,当Ec/ER=1时,b、Ad随T及A的变化规律,c、 Au随T/L及A的变化:,d、ou、od随T/L及A的变化也可以做出类似的曲线 总之： a、 A越大，拱圈最大应力变小，最小应力变大，使拱圈应力趋于均匀，对拱圈应力有利 b、 T/L越大，拱圈最大最小应力均变小，因此对压应力有利，对拉应力不利。 c、 在其他因素一定时，A越大，满足应力要求的T/L越小。,)A、T/L对稳定的影响及其对稳定的最优中心角a稳,分析表明：拱端力自身维持稳定的大小与A、T/L具有如下的关系： 由上可见 ： a、T/L增大，稳定性差； b、稳定性随中心角的变化呈差好差变化。存在一个对稳定最有利的中心角
10、A。当 AA时，A越大稳定性越差。因此，A大对稳定不利。A=10400左右。,另外，从集中力的扩散角来讲，因此要求 a、拱轴线的切线方向与可利用岩石等高线的夹角350 b、拱圈内弧面的切线方向与可利用岩石等高线的夹角300 由此可见，在平顺河谷最大中心角不能超过1100。,)A对经济的影响： A大，轴线长，拱端开挖量大。但A大可以减小厚度。因此拱坝存在经济中心角的问题。 )A的具体确定： 综合考虑前面的四个因素，一般可以在A稳 A经之间选择，两岸支撑条件好，可以取大些，否则取小些。 过去常用2A =9001200从顶到底应该逐渐减小。 近来，2A=7001100，中部中心角较大，向顶、底变小（
11、因为最大应力常发生在1/31/2坝高范围之内）, R的确定：由几何关系R=L/(2sinA) T的确定： A、从悬臂梁角度出发。 B、从拱圈角度出发： 确定方法： ) 圆筒公式 ) 类比法 ) 纯拱法,三）拱坝布置的原则及步骤： 1)原则： 满足安全要求：即第一讲所讲的安全准则 满足运用要求：a、泄洪 b、引水c、交通d、厂泄爭位,c、 施工期,满足施工要求：a、模板制作,b、倒悬度：浆砌石：1：0.11：0.16， 最大1：0.25 砼：1：0.3,经济：在满足上述多项要求的情况下，近可能使整个枢纽的总投资最小，最早受益,2)步骤如左图所示：确定可利用岩石等高线选定坝型： I)由L/H确定T
12、/H（薄、中、厚拱坝 )河谷形状单、双曲 )地形、地质等综合平面拱形式尺寸初拟；倒悬度及坝面光滑度检查应力、稳定校核；坝体方量计算，方案比较。,确定可利用岩石等高线 根据坝址地形，地质及上部结构的要求，确定开挖线，画出坝址处可利用岩石等高线的地形图，研究河沿形式是否需要加以处理，如使之接近对称或弥补高程不足等措施。,1确定拱冠梁剖面 根据坝高每隔若干米（520）取为拱圈方程，按所定坝形及工程规模初拟拱冠梁剖面。 2试定顶拱内弧及拱坝的对称中心线 首先根据先前介绍的方法，选取一个A，在可利用岩石等高线上，量取顶拱内弧长L，计算顶拱内弧半径Rd=L/(2sinA).由Rd及A按比例在透明纸上画出拱
13、内弧，将画有顶拱内弧的透明纸在可利用岩石等高线上反复移动，使的拱端切线与等高线的的交角大致相近，且交角不小于30度为止。否则调整A重新进行上述工作，将移动好的顶拱内弧画在地形图上，作顶拱内弧长的垂直平分线。此线即为拱坝的对称中心线。根据顶坝厚，画出顶拱的外圆弧及拱轴线。,3布置其它各层的拱圈 由第1步确定的拱圈高程，量取相应高程等高线的距离Li，初选 在拱冠梁剖面上画出各层拱圈中心的连线，并检查该线是否光滑。如果不满足要求，则修改中心角，使该线光滑。由各层拱圈中心的位置，Ru,Rd,Ro, A.画出各层拱圈。,检查倒悬度及坝面光滑度 从对称中心线开始截取34个悬臂梁剖面。检查倒悬度及光滑度。如不满足要求，则修改中心角A和拱冠梁剖面，重新进行上述工作。 当倒悬度较大时，可以有以下几种处理方法,四拱坝的优化设计,主要是确定：1。拱坝几何形状的数学描述及设计变量 2选定目标函数 3规定合适的约束条件 4选择合适的求解方法。 上述四项，后三项与重力坝类似。所不同的是第1个问题，不同的人采用不同的几何形状和设计变量。最后所得的最优方案是不一样的。目前较常采用的是二个模型。即：离散型几何模型和连续性几何模型。,如：等厚圆弧拱的连续几何模型为：,其中设计变量为:K1,K2,Km-1,ao,am1,bo,bm-1.共计3m-1个。,作业：拱坝布置（资料另发）,
