三峡大学水工建筑物课件

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1、4 拱 坝,4.1 概述 4. 2拱坝的荷载和设计标准 4.3 拱坝的布置 4.4 拱坝的应力分析 4.5坝肩岩体稳定 4.6 拱坝的坝身泄水 4.7 拱坝的构造和地基处理,4.1 概述,一、拱坝的工作特点(板书) 1、拱与梁的共同作用； 2、稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用，因而对地基的要求很高； 3、拱是一种推力结构，承受轴向压力，有利于发挥砼及浆砌石材料的抗压强度； 4、拱梁所承受的荷载可相互调整, 因此可以承受超载； 5、拱坝坝身可以泄水； 6 、不设永久性伸缩缝； 7、抗震性能好； 8、几何形状复杂，施工难度大。,4.1 概述,拱坝平面、剖面示意图,4.1 概述,二拱坝的分类 1、按

2、高度分： 高（H70m）、中、低（H30m） 2、按厚高比分： TB/H0.2 薄拱坝； 0.20.35中厚拱坝； 0.35 厚拱坝或重力拱坝 3、按结构分：周边固定拱坝、周边缝拱坝、有重力墩的拱坝、空腹拱坝、铰拱坝、预应力拱坝、拱上拱拱坝、上重下拱拱坝 4、按坝体曲率分：单曲拱坝、双曲拱坝 5、 按水平拱的形式分：(板书) 圆弧拱坝，二心圆拱坝；三心圆拱坝；抛物线拱坝；椭圆拱坝；对数螺旋线拱坝；双曲线拱坝。,4.1 概述,4.1 概述,4.1 概述,4.1 概述,三、对地形的要求(板书) 拱坝对地形的要求主要从四个方面考虑： 1、河谷狭窄:用来描述河谷宽窄的参数是河谷的宽高比 n=L/H=坝

3、顶处河谷的宽度/最大坝高 当n小时，河谷狭窄，拱的作用大，因此坝可以修的很薄 根据一般经验有： n1.5时，适于修建薄拱坝T/H0.2 n=1.53时，中厚拱坝 T/H0.2-0.35 n34.5时，厚拱坝 T/H 0.35 n4.5时，重力坝或拱形重力坝,4.1 概述,2、 河谷的断面形状 V形河谷：上宽下窄，在下部虽然水压力较大，但拱的跨度较小，拱承担的荷载较大，拱作用发挥较充分，因此坝可以修的较薄、经济。 U形河谷：梁承担的荷载较大，因此坝较厚 梯形河谷介于二者之间 图4-5 河谷形状对荷载分配和坝体剖面的影响 (a)V形河谷 (b)U形河谷,4.1 概述,3、 河谷顺河流方向的形状以平

4、顺河流或呈收缩形河流交好，要避免河道的出口和转弯处。 4、 河谷对称性。河谷对称，拱坝的应力、稳定比较均匀平顺，局部不对称的河谷，往往造成应力集中，因此拱坝一般比较适合于对称河谷，当河谷不对称时，可以经过一定的处理使之对称。 四、拱坝对地质的要求 由于拱坝的安全的关键是拱座的稳定问题，而且拱座的位移将引起坝内较大的应力。特别是不对称位移会产生较为不利的应力，因此，拱坝从一开始就对两岸的地质条件提出了严格的要求，较理想的地质条件是：,4.1 概述,基岩比较均匀、坚硬完整、有足够的强度、透水性小，抗风化。二岸拱座附近河岸边坡稳定，整体性好，没有大的断裂构造和软弱夹层，在荷载作用下不产生大的变形。

5、随着拱坝建设的不断发展，拱坝的地形、地质条件越来越复杂。搞清各种地形、地质条件对拱坝应力、稳定及变形的影响以及相应的处理措施，是我们拱坝设计人员的首要任务，在这方面国内外已经积累了大量的经验，应在实践中不断学习。 1、变形参数E、u：均匀 2、强度参数Rc、C、f：有足够的强度 3、抗渗性K、J：渗透性小 4、耐久性：抗侵蚀、抗风化 以上四方面均要求无地质缺陷：没有大断裂构造和软弱夹层等。,4.1 概述,五、拱坝的建设情况 1、拱坝发展阶段 1.1 拱坝建设的萌芽阶段（1854年以前） 在年以前，所有修建的拱坝水平截面虽为拱形，但由于缺乏理论指导，并没有真正认识到利用拱结构的优点，只能说是一种

6、似拱坝结构。但该阶段的拱坝实践为后期拱坝的发展积累了经验，可以称之为拱坝的萌芽阶段。 1.2 拱坝建设的起步阶段（18541917年） 1854年，法国工程师左拉(Zola)在普罗旺斯地区艾克斯设计建成米高的左拉拱坝。该拱坝以圆筒公式为指导，主要利用水平拱的作用来保证大坝的安全。这是拱坝建设起步的标志。,4.1 概述,1.3 拱坝建设的成熟阶段（19171960年） 美国的维切尔(H.Vischer)和瓦格纳（L.wagener），在年校核熊谷拱坝及甜水（Sweetwater ）拱坝时引入了拱冠梁的概念，并利用拱冠梁与水平拱在共轭点上的径向变位一致的条件，将径向压力分配到拱和梁上，从而初步形成

7、了拱梁分载的概念。1917年瑞士坝工专家格伦纳（H.E.Gruner）和两位助手史图基（A.Stucky）和济科（H.Gicot ）在设计瑞士第一座拱坝蒙特萨耳文斯（Montsalvens）拱坝时（H=55m），正式提出多拱梁分载的概念。并采用拱梁径向变位一致的多拱梁法进行了该坝的应力计算。该坝的设计及建造，标志着拱坝的建设已从起步阶段进入了成熟阶段,4.1 概述,1.4 拱坝建设的熟练阶段（1960年至今） 经过拱坝建设成熟阶段的发展，人们无论在拱坝的安全准则、还是在应力稳定分析方法上均已成熟，已达到建设200米以上拱坝的水平。1960年完成的意大利瓦依昂（Vaiont）拱坝（H=262m）

8、标志着拱坝建设已进入熟练阶段。 1、 世界拱坝建设的时空分布(板书) 在空间上，自从1854年止1986年底：全世界已建1608座高度大于15米的拱坝。主要分布在中国、美国及西欧的阿尔卑斯山地区的法国、意大利及瑞士等国。 拱坝在各类大坝中所占的比例随坝高的增加而增加，如在100-150米大坝中拱坝约占30% ；对150-200米的大坝约占45%；对200米以上的大坝约占。,4.1 概述,在时间上，拱坝建设有三个高峰期： 第一个高峰期为1920-1930年，10年时间共建成200余座拱坝，建设的地点主要集中在美国，特别是集中在加利福尼亚州； 第二个高峰期为1950-1960年，10年时间共建成1

9、50余座拱坝， 建设的地点主要集中在西欧的阿尔卑斯山地区的法国、意大利及瑞士等国； 第三个高峰期为1970-1980年，10年时间共建成500余座拱坝，建设的地点主要集中在中国。 3、世界拱坝之最 已建国外最高拱坝：英古力拱坝H=272m，n=2.8，T/H=0.15； 已建中国最高拱坝：小湾拱坝H=292m，n=2.83，T/H=0.238； 在建的最高拱坝：锦屏拱坝H=305m，n=1.6，T/H=0.19。,4. 2拱坝的荷载和设计标准,一、荷载 1、所受荷载 作用在拱坝上的荷载主要有：水压力（静水压力和动水压力）、温度荷载、自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、冰压力和地震荷载（地震惯性力和

10、地震动水压力）等。一般荷载的计算的方法与重力坝基本相同，这里只强调作用在拱坝上荷载的不同特点。 2、 荷载的分配 在横缝灌浆之前，只有梁的作用，此时所受的荷载全部由梁承担 在横缝灌浆之后，拱坝形成整体，具有拱梁作用，此时所受的荷载由拱和梁共同承担,4. 2拱坝的荷载和设计标准,2、 荷载计算(板书) （1）自重荷载：(板书) 根据施工程序的不同分两种情况： 先浇注后一次封拱，由梁单独承担 有下列情况之一者，由拱梁共同承担： 需提前蓄水，要求坝体浇注到某一高程后提前封拱 对具有显著竖向曲率的双曲拱坝，为保持坝块稳定，需要在其冷却后先行灌浆封拱 为了度汛，要求分期灌浆 不分缝的浆砌石拱坝 截面A1

11、、A2间的坝体自重G可按辛普森公式进行计算：,4. 2拱坝的荷载和设计标准,图4-6坝块自重计算图,4. 2拱坝的荷载和设计标准,（2）温度荷载(板书) 这是拱坝设计中的主要荷载之一，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1/31/2，在靠近坝顶部分，温度变化的影响就更大。 拱坝分块浇注并充分冷却后，施工期混凝土所产生的热量已基本上散发完毕，坝体温度已趋于相对稳定，然后在缝中灌浆封拱，形成整体。封拱温度即为坝体温升和温降的计算基准，一般沿不同高程进行灌浆分区，根据坝体温度场定出各区的封拱温度，封拱温度低，有利于降低坝的拉应力。封拱温度一般为年平均气温或略低。 运行期温度荷载运行期

12、坝体温度场封拱温度场,4. 2拱坝的荷载和设计标准,特点：随时间在变，计算时选取最不利的温度荷载。运行期温度荷载是可以人为改变的：选择合适的封拱时机；通过人工冷却方法改变封拱温度场，使之对拱坝的应力及稳定最为有利，封拱温度一般取为多年平均温度或约低。,4. 2拱坝的荷载和设计标准,运行期温度荷载的分解： 均匀温度变化 等效线性温差 非线性温度变化 拱坝温度荷载计算通常只考虑Tm 和Td,图4-9 坝体温度变形图(a:温降, b:温升) “+”压应力 “-”拉应力,4. 2拱坝的荷载和设计标准,* 温升：温度高于封拱温度。温升对坝肩稳定不利，对应力有利； * 温降：温度低于封拱温度。温降对坝肩稳

13、定有利，对应力不利。 （3）地震荷载(板书) 地震荷载包括：惯性力、地震动水压力 地震荷载方向：顺河向，垂直河流向，铅直方向 （4）扬压力(板书) 在拱坝的应力计算中，坝体混凝土中的扬压力一般不起控制作用，基础面上的扬压力对薄拱坝来说数值不大，对整体应力和变形影响较小，一般可不予考虑。,4. 2拱坝的荷载和设计标准,在拱坝的稳定分析中，扬压力是一个重要的因素，在抗滑稳定计算中，必须考虑扬压力的作用，扬压力分布在任意滑动面的全部面积上，并垂直于滑动面，坝体内部和坝基面上的扬压力分布同重力坝相似。 2、 荷载组合(板书) 与重力坝相比，关键是注意温度荷载 正常蓄水时，一般与温降组合(从可能最不利原

14、则出发） 校核洪水时，一般与温升组合，因为汛期不可能出现温降 计算应力时，一般取“正常蓄水+温降” 计算稳定时，一般应计算 (a）“正常蓄水+温降”（在坝较高，且正常蓄水位与校核洪水位相差不大时） (b)“校核洪水+温升”（在坝较低，且正常蓄水位与校核洪水位相差较大时）,4.3 拱坝的布置,一、概述(板书) ) 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、施工方便，又经济、美观的设计方案。 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

15、的出发点是一致的。因此，本课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。,4.3 拱坝的布置,) 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 ) 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。 二、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。,4.3 拱

16、坝的布置,如：我国新修建的风滩，响洪甸等拱坝 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，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：(板书) 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。,4.3 拱坝的布置,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