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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。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5～11倍。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40m/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1/3～2/3。（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：拱坝的厚高比(TB/H）小于0.2为薄拱坝；厚高比在0.2～0.35之间的为中厚拱坝。厚高比大于0.35的为厚拱坝；（2）按拱坝曲率分类可分类：单曲拱坝双曲拱坝（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。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/H＜1.5的深窄河谷中可建薄拱坝；L/H=1.5～3.0的中等宽度河谷可修建中厚拱坝；L/H3～4.5的宽河谷多修建厚拱坝；当L/H4.5的宽浅河谷，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：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。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。实际很难找到理想地质条件，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。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。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，造价最低、安全度高和耐久性好。一、水平拱圈布置1．拱中心角2φA确定由圆桶公式从应力条件得：或Appsin)2(22sinpTA由式（4-2）可见，当应力条件相同时，2φA越大，拱圈厚度T越小，坝体越经济。2φA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。从公式（4-3）可得，当T一定，外荷载、河谷形状相同时，2φA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。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。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。图由图4-5（b）可知，最佳中心角2=60°～80°一般可比其稍大些。现代顶拱圈中心角多为90°～110°，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110°～120°；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（1）单心圆拱（2）三心圆及椭圆拱（3）抛物线拱（4）对数螺旋线拱（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。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0.324m3／s，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600m3／s，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。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104º，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。采用坝顶挑流的方式泻洪，为4X40m，总泄量440m3／s天台里石门水库里石门水库位于天台县龙溪始丰溪上。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。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