第三章 拱 坝,第一节 概述 拱坝的一般形态： 单曲，双曲 拱坝的工作原理： 两岸基岩支承 拱端推力维持稳定,,四川雅砻江二滩拱坝，高240m,,云南澜沧江 小湾拱坝 高294.5m,,,,小湾拱坝效果图,,四川雅砻江锦屏一级拱坝效果图，高305m,,位于美国内华达州与亚利桑那州交界处 的黑峡峡谷之中，坝高221.4米，1931年 开工，1936年建成，以美国当届总统胡佛 的名字命名，至今仍为世界上最高的混 凝土重力拱坝该坝是美国综合开发科 罗拉多（Colorado）河水资源的关键性工 程，是世界上最早建造的高度超过200米 的大坝坝体设计采用了当时美国刚提 出的试载法，并在混凝土坝施工机械和 施工工艺等方面（如柱状浇筑、预埋冷 却水管等）积累了成功的经验，对现代 混凝土坝设计和施工技术的形成和发展 具有划阶段的影响此外，因该坝的巨 大效益，对当时的美国经济从萧条转为 复苏发挥了显著作用 胡佛重力拱坝 胡弗重力拱坝,第一节 概述,一 、拱坝的特点 1、拱梁分担荷载，受力较合理； 2、大量节省混凝土工程量； 3、超载能力强，结构安全性高； 梁开裂，拱多承担；拱开裂， 形成二次拱。
意大利vajont坝上百米水头漫顶， 坝高261.6 m, 底厚22.1 m, 厚高比T/H=0.084；,一 、拱坝的特点,意大利vajont坝 20多米水头漫顶， 坝体几乎无损伤 坝高261.6 m, 底厚22.1 m, T/H=0.084；,,1963年9月28日～10月9日水库上游连续大雨，引起两岸地下水 位升高，使岩体位移速度加快 10月9日达25cm/d，当晚，10点41分，左岸坡发生整体滑落，范 围长达2.0km，宽1.6km，在“M”形裂缝圈定的滑坡体总量为2.7亿m3 坝前长达1.8km的库段在30～45s时间内全坝淤满，淤积体高出 库水面150m滑坡体导致涌浪高达250m，下泄洪水流速280km/h， 约有1.15亿m3的库水被掀起，在离坝址1.4km的瓦依昂峡谷出口处波 浪立高达70m 大坝施工质量高，坝体具有较大的安全富余，坝肩进行了锚固灌浆处理，尽管涌浪对拱坝产生约为4000万kN的动荷载，相当于8倍的设计荷载，大坝未发生重大破坏，仅在左坝肩坝顶发生长约9m、高约1.5m的局部破坏一 、拱坝的特点,4、抗震性能好；,已建拱坝经历地震考验情况统计 （注：**表示无损伤）,,,,,一 、拱坝的特点,5、能大流量泄流；,一 、拱坝的特点,6、温度是一项主要荷载； 7、对地质、地形要求高； 8、设计、施工技术要求高；,二、拱坝的类型,1、按高度分 可分为高坝、中坝和低坝。
水利行业和电力行业的混凝土拱坝设计规范在坝高的划分存在一些差异200m及以上称超高拱坝，300m及以上称为特高拱坝 坝高划分,,,,二、拱坝的类型,2、按厚高比 TB/H,,,,二、拱坝的类型,2、按体形分 （1）单曲拱坝,,二、拱坝的类型,,二、拱坝的类型,,二、拱坝的类型,（2）双曲拱坝 优点： 1）竖拱受水压向上变形，与梁顺时针弯曲位移相反； 2）竖拱中部受水压产生的应力与自重应力相反，起到抵消作用二、拱坝的类型,,二、拱坝的类型,,二、拱坝的类型,3、按结构形态分 拱座嵌固的拱坝 最常用 有周边缝的拱坝（适应地质、 地形变化的需要）见图3~10,,设诱导缝的拱坝，例如澜沧江上的小湾拱坝,二、拱坝的类型,空腹拱坝，如枫树坝拱坝、蒙特纳尔拱坝设重力墩 的拱坝,三、拱坝的地形、地质条件,1、地形 河谷宽高比 L / H,,三、拱坝的地形、地质条件,L/H相同,,三、拱坝的地形、地质条件,应位于上喇叭口 （拱座基岩厚实）， 不能位于下喇叭口 （拱座基岩单薄）， 见图3~14 河谷缺陷， 可采取一些工程 措施，使其对称、 平顺， 见图3~15、3~16,,,,,三、拱坝的地形、地质条件,2、地质 坚硬、致密、均匀、强度高、不透水性、耐久性、拱座应坚硬完整； 只要Er / Ec ＞1/4（基岩比混凝土），基岩对拱坝应力影响不大，弹模较低的基岩也可建拱坝； 若有不利的地质构造，必须慎重处理。
第二节 拱坝的荷载与应力控制标准,一、荷载 1、自重 因为，分块浇注，最后封拱 形成整体，所以自重应力在 施工中已形成，全由梁承担一、荷载,2、水平径向荷载 主要荷载（以静水压力为主， 还有泥沙、浪、冰压力等）， 由拱、梁分担 当Er = Ec 时，拱圈拉、压 应力分布，见图3-18， 压应力为正，拉应力为负， 则有,,一、荷载,3、扬压力 但拱座稳定分析时，必须计入扬压力； 坝体排水系统可比重力坝简单 4、水重 （竖向压力） 由梁承担，通过梁的变位对拱产生影响,,一、荷载,5、温度荷载 主要荷载，假定由拱圈承受， 其变位对梁应力产生影响 稳定温度：建成充分冷却后， 坝体温度趋于相对稳定的温度 封拱温度：按坝体稳定温度场 定出灌浆封拱时的温度， 温度场见图3~20 ＊一般为年平均气温或略低； ＊为坝体温升、温降的计算基准一、荷载,温度荷载： 封拱后在上下游的水温和 气温周期性变化的影响下， 坝内产生相对于稳定温度 （封拱温度）的温度改变值 当TC＜Tg, （ TC 为坝体温度、Tg为封拱温度），拱轴线收缩， 向下游变位，产生弯距、剪力的方向与库水压力产生的相同， 轴力方向相反。
应力,,一、荷载,当 TC＞Tg ， （ TC 为坝体温度、Tg为封拱温度）， 拱轴线伸长，向上游变位， 产生弯距、剪力的方向与库水压力相反，轴力方向相同 应力 所以，一般的，温降对坝体应力不利，温升对坝体稳定不利一、荷载,温度荷载沿断面分布 1）均匀温度变化tm 2）沿坝厚的温度梯度变化td 3）非线性温度变化tn,,平均温度tm： 对坝变形、拱推力弯距的影响很大，是温荷中最主要 的部分； 影响因素：坝厚度、封拱温度、气温的年最大变幅、 坝体材料的热学特性；,,等效线性温度td： 对薄拱坝影响较大，中小工程可不考虑，见图（c）； 产生原因： 蓄水后，库水温度变化幅度小于下游气温变幅， 所以，沿坝厚产生温度梯度；,,非线性温度tn： 仅限于表面附近，是引起表面裂缝的重要原因 （不利于坝体的变位与内力），一般可略去不计 拱厚 T/ 拱半径R 0.5 ，坝面曲率对温度的影响可忽略 不计，而视为一块平板一、荷载,某一高程下游坝面的温度t′过程： A1： 温度年变幅≈ 气温年变幅＋日照影响 （1.5～2.0℃） ω：坝面温度变化的圆频率 为温度周期， 1年或12个月或365日。
上游坝面的温度 t″过程： A2 ：上游坝面水温年变幅，距水深而定 ε：为t″相对于t′的滞后值，单位为月当无实测资料时， ε可按式（3~3）计算上述t′、t″为边界条件，某一高程任一时刻的tm(均温度)和 td（梯温度）可由热传导理论解得，式（3~4）、（3~5） 混凝土的徐变 性能可使由 年温度产生 的应力 降低 1/3~2/3,一、荷载,6、地震荷载 ⑴水平地震惯性力,,顶拱拱圈的Δi也可查表3-1; 顺河向地震时，左右两个半拱的惯性力对称，见表3~1上； 垂直河向地震时，左右两个半拱的惯性力相反，见表3~1下； 对明显不对称的河谷，需专门研究和试验一、荷载,⑵地震动水压力 水深 y处的地震动水压力 按式（3－10）计算,二、荷载组合,1、基本组合 （1） 自重、扬压力、 泥砂压力、浪压力（或冰压力） （2） 自重、扬压力（或不计）、 泥砂压力、浪压力（或冰压力） （3）其他常遇的不利荷载（漂浮物等）,二、荷载组合,2、特殊组合 （1） 自重、扬压力、泥沙压力、 浪压力（或冰压力）； （2）基本组合⑴＋地震荷载 （3）施工期的荷载组合,,,二、荷载组合,（4）其他稀遇的不利荷载组合 （施工期地震等） 荷载组合作为坝体应力、坝肩岩体稳定的依据； 在体形选择时，可选择基本组合⑴作为控制性荷载 组合。
二、荷载组合,1. 电力行业规范 作用效应组合应根据不同设计状况下可能同时出现的作用，采用最不利的组合 作用效应组合分为基本组合和偶然组合 持久设计状况和短暂设计状况采用基本组合； 偶然设计状况采用偶然组合 偶然组合中只考虑一种偶然作用，如地震或校核洪水作用效应组合应按下表规定采用计算作用效应时，直接采用作用标准值进行计算作用效应组合,,,,,,,,,,,2. 水利行业规范 荷载组合可分为基本组合和特殊组合两类 基本组合由基本荷载组成； 特殊组合除相应的基本荷载外，还应包括某些特殊荷载 荷载组合应按下表的规定确定注： 1.上述荷载组合中，可根据工程的实际情况选择控制性的荷载组合进行计算； 2.地震较频繁地区，当施工期较长时，应采取措施及时封拱，必要时对施工期的荷载组合尚应增加一项“上述情况加地震荷载”，其设计烈度可按设计烈度降低1度考虑； 3.表中“特殊组合 施工期情况3）灌浆”状况下的荷载组合，也可为自重和设计正常温升的温度荷载组合三、设计准则,（一）混凝土的物理力学参数 原则上应根据实际采用的原材料和配合比，由试验确定当无试验资料时，可参照有关文献选用 1、坝体混凝土强度等级 （1）用混凝土抗压强度标准值表示，以符号C龄期抗压强度标准值（MPa）表示。
混凝土抗压强度标准值由标准方法制作养护的边长为150mm立方体试件，在90d龄期，用标准试验方法测得的具有80%保证率的抗压强度确定三、设计准则,（2）抗拉强度标准值，在无试验资料时，可取为0.08倍抗压强度标准值 （3）混凝土不同龄期的抗压强度增长率，应通过试验确定在预可行性研究阶段或对于中、低拱坝，无试验资料时，可按下表采用 （4）由于坝体耐久性要求，中高拱坝坝体混凝土强度等级不应低于C9015 [注]：美国垦务局拱坝设计规定，凝聚力采用抗压强度的10%，内摩擦系数为1.0日本拱坝设计规定，水平层面上的凝聚力为抗压强度的1/7～1/10，内摩擦系数为0.65～0.80混凝土不同龄期的抗压强度比值,三、设计准则,2、混凝土重力密度和弹性模量 混凝土重力密度（或重度）和弹性模量由试验确定，在预可行性研究阶段或对于中、低拱坝，在无试验资料时，可取下列数值 （1）重力密度：ρ＝24kN/m3 （2）泊桑比：μ＝1/5～1/6我国多采用1/6，美、日等国常用1/5）三、设计准则,（3）弹性模量：考虑混凝土的徐变等影响，拱坝应力分析宜采用坝体混凝土持续弹性模量，坝体混凝土持续弹性模量可取试件瞬时弹性模量的0.6倍～0.7倍。
通常为18 GPa～24GPa当坝体混凝土设计强度为C9025～C9035时，混凝土持续弹模一般采用21GPa 3、混凝土热学参数 混凝土热学参数由试验确定，在无试验资料时，可参照有关文献选取有关计算参数三、设计准则,（四）混凝土抗渗和耐久性能 混凝土的抗渗、抗冻、抗冲耐磨、抗腐蚀等，都属混凝土的耐久性范畴 通常通过控制坝体混凝土抗渗、抗冻、水胶比、最低水泥用量、最低强度等指标来保证混凝土的耐久性能三、设计准则,1．混凝土的抗渗等级 大坝混凝土的抗渗等级仅规定了其下限值： 对中、低坝，混凝土抗渗等级不低于W6； 对高坝，混凝土抗渗等级不低于W8 下表列出了国内若干典型拱坝工程采用的抗渗等级，可供参考国内若干典型拱坝采用的抗渗等级,三、设计准则,2．混凝土抗冻等级 混凝土抗冻等级也是衡量混凝土耐久性的重要指标之一 由于拱坝是依靠混凝土强度来保证坝体的安全，因此，拱坝的抗冻要求高于重力坝的抗冻要求混凝土抗冻等级,三、设计准则,注1：气候分区标准作如下划分： 严寒——。