第四章--拱坝

第四章拱坝第一节概述一、拱坝的工作特点结构：拱坝是固接在基岩上的空间壳体结构（高次超静定结构），在平面上凸向上游的拱形，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形。受力：拱坝所承受的水平荷载一部分通过拱的作用压向两岸岩体，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。稳定：坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，并不全靠坝体自重来维持。1.拱坝工作特点：1）拱坝是一种推力结构，可充分利用发挥材料强度。是经济坝型。2）稳定依靠两岸拱端的反力来维持。3）拱坝是一周边固定的高次超静定结构，超载能力强，安全度高。4）拱坝是一个空间结构，抗震性能好。2.拱坝缺点：1.对地基变形的敏感性较强；2.对温度应力非常敏感；3.对施工要求严格。二、拱坝坝址的地形条件1.河谷形状：V形河谷、梯形河谷、U形河谷。2.理想的地形条件（定性分析）左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。坝端下游侧要有足够的岩体支承，以保证坝体的稳定。3.定量分析：指标𝑳𝑯和𝑻𝑯用坝顶高程处的河谷宽度和坝高之比（称为宽高比𝐿/𝐻）来描述河谷形状。用坝底最大厚度和坝高之比（称为厚高比𝑇/𝐻）来描述拱坝的薄厚程度。宽高比厚高比结论𝐿/𝐻1.5𝑇/𝐻0.2薄拱坝1.5≤𝐿/𝐻≤3.00.2≤𝑇/𝐻≤0.35中厚拱坝3.0≤𝐿/𝐻≤4.5𝑇/𝐻0.35重力拱坝𝐿/𝐻4.5不宜修建拱坝宽高比相同河谷形状不同的两种情况：V形河谷——定角式拱坝U形河谷——等半径式拱坝1—拱荷载；2—梁荷载三、拱坝坝址的地质条件理想的地质条件：基岩比较均匀，坚固完整，有足够的强度，透水性小，能抵抗水的侵蚀、耐风化、岸坡稳定、没有大断裂等。讨论：地质条件不能满足时？需进行固结灌浆以增加地基的整体性和牢固程度。【破碎带的处理较复杂，应尽量避开】讨论：坝址应选在𝑨−𝑨还是𝑩−𝑩？选在𝐴−𝐴坝址处。𝐴−𝐴坝址：坝轴线与山体等高线近乎垂直，坝肩稳定；𝐵−𝐵坝址：虽然河谷狭窄，但位于向下游扩散的喇叭口处，两岸山体稳定性没有𝐴−𝐴坝址处好。四、拱坝的分类1.按其厚高比特征分：薄拱坝、中厚拱坝、厚拱坝(或称重力拱坝)；2.按照半径和中心角分：等半径式拱坝、变半径式拱坝、定角式拱坝；3.按其坝体形态的特征分①定圆心等半径拱坝(或称单曲拱坝)；②等中心角变半径拱坝；③变圆心变半径（双曲拱坝）。4.按曲率分①单曲拱坝——平面呈拱形，剖面垂直；②双曲拱坝——平面、剖面均呈拱形。5.按建筑材料和施工方法分：常规混凝土拱坝、碾压混凝土拱坝、砌石拱坝。6.按坝高分高坝、中坝、低坝。7.按建筑材料和施工方法分常规混凝土拱坝、碾压混凝土拱坝、砌石拱坝。◆中心角的影响中心角大一些，拱圈厚度小一些，拱圈内力小一些，因此，适当加大中心角是有利的。但过大的中心角将使拱端弧面的切线与河岸等高线的夹角变小，降低拱座的稳定性。◆最理想的中心角是：133°57′◆𝟐𝝋𝑨范围：90°~130°，常用110°~120°。五、拱坝的平面布置形式在接近矩形或较宽的梯形断面河谷：等半径式拱坝；在底部狭窄的V形河谷：定角式拱坝；其它形状河谷：变中心角变半径式拱坝。平面布置形式实例（1）单曲拱坝（定外半径定中心角拱坝）对U形或矩形断面的河谷，其宽度上下相差不大，各高程中心角比较接近，外半径可保持不变，仅需下游半径变化以适应坝厚变化的要求。特点：施工简单，直立的上游面便于布置进水孔和泄水孔及其设备，但当河谷上宽下窄时，下部拱的中心角必然会减少，从而降低拱的作用，要求加大坝体厚度，不经济。对于底部狭窄的V字形河谷考虑采用等外半径变中心角拱坝。（见图）变外半径等中心角拱坝的特点：拱坝应力条件较好，梁呈弯曲形状，兼有拱的作用，更经济，但有倒悬出现，设计及施工较复杂，对V、U形河谷都适用。（2）变外半径变圆心让梁截面也呈弯曲形状，因此悬臂梁也具有拱的作用；这种形式更能适应V、梯形及其他形状的河谷，布置更加灵活，但结构复杂，施工难度大。特点：应力状态进一步改善，节省工程量，结构更加复杂，施工难度更大，被广泛采用。下图为桐坑溪双曲砌石拱坝。六、拱坝的发展概况◆历史：罗马帝国时代；◆数量：我国800多座；◆高坝：120米以上的高拱坝以瑞士、美国、意大利、西班牙居多；◆最高拱坝：格鲁吉亚的英古里拱坝（𝐻=272m，𝐿𝐻=2.8，𝑇𝐻=0.19）；◆目前国内最高拱坝：二滩水电站（坝高240米）；◆正在建设中的高拱坝：金沙江上溪洛渡水电站（双曲拱坝，坝高282米）；◆中国待建拱坝：①小湾水电站（双曲拱坝292米，澜沧江，水电站总装机容量为420万千瓦）；②锦屏一级水电站（混凝土双曲拱坝，305米，金沙江，水电站总装机容量为330万千瓦）。七、拱坝建设发展趋势①对地形地质条件的限制有所放宽；②坝更高；③坝体更薄；④坝型多样化，双曲居多；⑤坝顶泄流的单宽流量加大；⑥优化设计处于实用阶段。第二节拱坝的荷载及组合一、荷载作用在拱坝上的荷载有：自重、地震荷载、温度荷载、与水有关的荷载。1.自重截面𝐴1与𝐴2之间的坝块自重𝐺按辛普森公式计算𝐺=16𝛾𝑐∆𝑍𝐴1+4𝐴m+𝐴2当∆𝑍高度较小时，可近似用下式计算𝐺=16𝛾𝑐∆𝑍𝐴1+𝐴22.水平径向荷载主要包括：静水压力、泥沙压力、浪压力及冰压力等。荷载分配原则：拱梁分担。3.扬压力中高拱坝占5%，可忽略不计，低坝进行计算。4.水重水重对拱、梁应力均有影响。假定有梁承担，通过梁的变位来考虑对拱的影响。5.温度荷载温度荷载是拱坝设计的一项主要荷载（基本荷载）。封拱温度【封拱时的温度（拱坝是分块浇筑，最后再灌浆封拱），是坝体温升温降的计算标准】温升：当坝体温度高于封拱温度时，即温度升高。拱圈伸长并向上游位移，由此产生的弯矩、剪力的方向与库水位产生的相反，但轴力方向相同。温降：当坝体温度低于封拱温度时，即温度降低。拱圈收缩并向下游位移，由此产生的弯矩、剪力的方向与库水位产生的相同，但轴力方向相反。试荷载法：变位一致。◆温度作用的影响温升：𝜎=𝜎温−𝜎水对坝体应力有利𝑁=𝑁温+𝑁水对拱端稳定不利温降：𝜎=−𝜎温−𝜎水对坝体应力不利𝑁=−𝑁温+𝑁水对拱端稳定有利◆温度荷载的变化(a)(b)(c)(d)实际温度荷载分布平均温度等效线性温差非线性温差◆温度计算公式●𝑡𝑚、𝑡𝑑计算公式参见教材；●对坝体应力不利的情况是温降，使𝑡𝑚、𝑡𝑑组合最小（2月中或2月底）；●对坝肩稳定不利的情况是温升，使𝑡𝑚、𝑡𝑑组合最大（8月中或8月底）。𝑡𝑚的经验计算公式（讨论）：𝑡𝑚=57.57𝑇+2.44𝑡𝑚=47𝑇+3.39◆封拱温度尽量使外界温度对拱坝影响最小时进行封拱；一般取一年中的平均温度作为封拱温度。6.地震荷载的计算（1）水平地震惯性力总惯性力的计算𝑄0=𝐾𝐻∙𝐶𝑍∙𝐹∙𝑊任意单元水平地震惯性力的计算：𝑃𝑖=𝑊𝑖∆𝑖𝑊𝑖∆𝑖𝑛𝑖=1𝑄0∆𝑖的计算公式：∆𝑖=12cos𝑚021−𝜃𝑖𝜃𝑖0𝜋−cos𝑚0+221−𝜃𝑖𝜃𝑖0𝜋𝐻𝑖𝐻2（2）地震动水压力𝑃=𝐾𝐻∙𝐶𝑍∙𝑓𝑦∙𝑐2∙𝛾∙𝐻1式中：𝐾𝐻——水平向地震系数；𝑓𝑦——沿水深动水压力分布系数；𝑐2——地震动水压力沿拱圈的分布系数。二、荷载组合根据荷载出现的机率进行组合，可分为：基本组合、特殊组合两种。1.基本组合①正常挡水：正常蓄水位时的静水压力+自重+泥、浪压力+温度荷载（温降处理）②正常泄洪设计蓄水位时的静水压力及动水压力+自重+泥、浪压力+温度荷载（温升处理）2.特殊组合③非常泄洪校核洪水位时的静水压力及动水压力+自重+泥、浪压力+温度荷载（温升处理）④设防地震正常蓄水位时的静水压力+自重+泥、浪压力+温度荷载（温降处理）+地震力⑤施工：自重+温度荷载（施工过程温度变化）+地震力应力→温降→①④；稳定→温升→②③三、拱坝设计的应力指标◆𝐾=𝜎极限𝜎◆基本组合：𝐾=4.0；特殊组合：𝐾=3.5◆𝜎压=4~7MPa◆发展趋势：提高允许应力，减小安全系数。◆美国《拱坝设计准则》规定：基本组合：𝐾=3.0，𝜎压=10.58MPa特殊组合：𝐾=2.0，𝜎压=15.68MPa【一般拉应力是压应力的110，即𝜎拉=110𝜎压】第三节拱坝的布置一、拱坝坝体尺寸的初步拟定拱坝坝体尺寸主要包括：①拱圈的平面形式；②各层拱圈轴线的半径和中心角；③拱冠梁尺寸的确定。1.拱圈形式的选择◆拱坝的水平拱圈常用圆弧拱；◆拱坝最大应力多发生在13~12坝高处，在坝的中下部采用较大的中心角；◆最合理的拱圈形式是：压力线接近拱轴线，使拱截面和压应力分布均匀（变曲率的拱圈）。◆在圆弧拱的基础上进行改进，常用下列形式：三心拱（等厚或变厚）、椭圆拱、抛物线拱。◆讨论：中心角与拱厚的关系拱圈厚度：𝑇=𝑝𝑅𝑢𝜎式中：𝑅𝑢为外弧半径；𝑇为拱圈厚度；𝑝为沿外弧承受均匀压力；𝜎为截面平均应力。∵𝑅𝑢=𝑅+𝑇2=𝑙sin𝜑𝐴+𝑇2∴𝑇=2𝑙𝑝2𝜎−𝑝sin𝜑𝐴因此，对于一定宽度的河谷，拱中心角越大，拱圈厚度越小。2.拱冠梁的形式及尺寸拱冠梁的形式：U形河谷——单曲拱坝；V形河谷——双曲拱坝。拱冠梁尺寸：①坝顶厚度𝑇𝐶的确定考虑因素：顶部拱圈的刚度，交通要求。在满足刚度要求的前提下，无交通要求时为3~5米；同时也可用经验公式估算：𝑇𝐶=0.01𝐻+1.2𝐿1≥3米②坝底厚度𝑇𝐵的确定𝑇𝐵=0.0012𝐻𝐿1𝐿2𝐻122𝐻1223式中：𝐿1为坝顶高程处拱端可利用基岩面间的河谷宽度；𝐿2为坝底以上0.15𝐻处拱端可利用基岩面间的河谷宽度。③𝑇0.45𝐻=0.95𝑇𝐵根据三个控制厚度，绘出拱冠梁剖面图。二、拱坝布置1.拱坝布置的步骤：①定出开挖深度，绘制可利用基础等高线地形图（开挖）；②利用基岩等高线地形图，定拱轴线位置（定拱轴线）；③拟定拱冠梁尺寸并绘制各层拱圈平面图（定拱冠梁尺寸）；④检查拱坝轮廓的光滑连续性；⑤计算应力及坝肩稳定性；⑥绘制拱坝立视图；⑦计算坝体工程量。2.拱坝布置原则◆坝身布置的基本原则轮廓简单，坝面变化平顺，结构是连续整体。◆拱端的布置原则拱端应嵌入开挖的坚实基础内，使拱端推力接近垂直于拱座面，从而使坝肩保持稳定。第四节拱坝的应力分析一、应力分析方法综述1.纯拱法2.拱梁分载法3.有限元法4.壳体理论计算法5.结构模型试验法◆纯拱法假定：拱坝由一系列各自独立互不影响的水平拱圈叠合而成，每层拱圈简化为弹性固结拱进行计算，用结构力学方法求解拱的应力。【优点：计算简单；缺点：没有考虑各层拱圈之间的相互作用】◆拱梁分载法拱梁分载法是当前用于拱坝应力分析的基本方法，它把拱坝看成由一系列水平拱圈和铅直梁所组成，荷载由拱和梁共同承担，各承担多少荷载由拱梁交点处应变一致条件决定。荷载分配后，梁按静定结构计算应力，拱按纯拱法计算应力，确定拱梁荷载分配的方法可以用试荷载法，也可以用计算机求解联立方程组来代替试算。【优点：计算结果与实际比较接近】◆拱冠梁法拱冠梁法是一种简化了的拱梁分载法。将拱坝看成由一系列水平拱和拱冠处一根悬臂梁组成，以拱冠处一根悬臂梁为代表与若干水平拱作为计算单元进行荷载分配，根据各层拱圈与拱冠梁交点处径向变位一致的条件求得拱梁荷载分配，荷载分配后，梁按静定结构计算应力，拱圈按纯拱法计算应力。◆有限元法◆壳体理论计算法◆结构模型试验法光测法：光弹实验和激光散斑实验电阻片法（电测实验）第五节拱坝的坝身泄水一、拱坝坝身泄水的方式1.自由跌落式特点：设计简单、适用于小型拱坝或薄拱坝，基岩良好。𝑞≤20m3s~30m3s注意：坝下游必须设防护措施。2.鼻坎挑流式优点：挑距较远，利于坝的安全，单宽泄量较大；如我国湖南凤滩重力拱坝单宽泄量为183.3m3s。缺点：鼻坎挑流设计需由水工实验确定。3.滑雪道式★滑雪道式泄洪是拱坝特有的一种泄洪方式。溢流面