拱坝

第三章拱坝CHAPTER3ARCHDAM第一节概述第二节拱坝的布置第三节拱坝的荷载第四节拱坝的应力分析第五节坝肩稳定分析第六节拱坝的坝身泄水及消能防冲第七节拱坝的构造和地基处理第一节概述一、问题的提出二、拱坝的工作原理三、工作特点四、拱坝对地形地质条件的要求五、拱坝的形式六、拱坝的发展概况一.问题的提出重力坝设横缝重力坝不设横缝二.拱坝的工作原理拱坝是拱向上游三向固定的空间壳体挡水建筑物,它将水压力、泥沙压力的大部分通过拱的作用传到两岸岩体，而将另外的通过悬臂梁的作用传给底部基岩。它不象重力坝那样依靠自重来维持稳定，而是由两岸岩体的支撑和砼的抗压强度来维持拱坝的稳定和安全。P=Pa+Pc三、工作特点1.稳定性特点2.应力特点3.拱梁作用的自行调整•①拱梁系统的调整•②拱圈自身调整为二次拱举例：意大利瓦依昂拱坝失事4.抗震性能好5.温度荷载是主要载之一6.地基变形对坝体应力影响大7.坝身可以泄洪四、拱坝对地形地质的要求1.对地形的要求①河谷狭窄②岸坡平顺无突变花岗岩、正长岩、玄武岩、石英砂岩等坚硬岩石构成峡谷中，土建工程量相对较小。③在平面上有喇叭口L/H1.5可建薄拱坝L/H=1.5~3.0可建一般拱坝L/H=3.0~4.5可建重力拱坝L/H4.5属宽浅河谷，一般可建重力拱坝或拱形重力坝特例：安徽陈村L/H=5.6美国奥本AuburnL/H=6.0厚薄程度用厚高比T/H表示0.200.200.350.350.60THTHTH薄拱坝一般拱坝厚拱坝对地质的要求:岩石比较均匀，坚固完整，有足够的强度，透水性要小，能抗风化。五、拱坝的型式1.型式按厚高比分按坝体形态分按水平拱圈形态分按水平拱厚度是否变化分这里介绍：按拱弧半径和中心角是否变化分名称圆心半径中心角等外半径式不变外不变内变(变化不大)定角式变变不变变半径式变变变2.厚度T、应力σ、中心角之间的关系圆筒公式：Tσ=pRuRu—为外弧半径;Ru=R+T/2=L/SinΦ+T/2T=pRu/σ=p/σ(L/SinΦ+T/2)T=2pL/((2σ-p)SinΦ)V=T×LL×1=2pL×2Φ×R/((2σ-p)×SinΦ)0V2Φ=133°34′称为经济中心角六.拱坝的发度概况早在十六世纪，人们就开始修建砌石拱坝,如西班牙的阿尔马察坝，意大利的波捷阿尔托坝，该坝1937年修建，后两次加高，1887年达39.5m。早在19世纪中叶，人们又在比较狭窄的河谷中修建了一些混凝土拱坝，高度都在40m以内。20世纪开始建造了大量的拱坝，特别是双曲拱坝在60年代发展较快。举例：溪洛渡溪洛渡水电站位于四川省雷波与云南永善的金沙江界河上，电站装机容量1260万kW。电站2003年开始筹建，2005年开工，2014年第一台机组投产，2017年竣工，四川、云南枯期各留5％的电力电量，其余电力外送华东和华中地区。锦屏一级锦屏一级位于凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，装机容量360万kW。2003年7月中国国际工程咨询公司对锦屏一级水电站的项目建议书进行了评估。拟2005年开工，2013年第一台机组投产发电，2015年竣工。主要趋向:①对坝址地形地质条件有所降低；②厚度减薄，允许应力逐渐加大；③坝顶溢流，坝身开孔，q加大；④在较强地震地区可建拱坝；⑤计算理论、计算方法的发展可进行优化设计；⑥对材料特性（坝体坝基）由线性→非线性；⑦碾压砼拱坝第二节拱坝的布置1.布置的内容开始在地形图上进行布置选择拱圈型式、悬臂梁的型式倒悬度检查应力分析结束稳定分析本节内容2.拱圈的型式合理的拱圈型式应当是压力线接近拱轴线，使拱截面的压应力分布趋于均匀。由工程力学知，拱圈在匀布荷载作用下，其合理拱轴线为一圆弧。对拱坝而言，因常将其看成由水平拱和垂直梁组成，故外荷载由拱梁系统共同承担。在某一高程上水压力强度是相同的，但每根垂直梁在该高程所“表现”的刚度不同，所承受的荷载也不一样，因此分配给拱的荷载沿拱轴线也不相同，即拱所承受的水压力沿拱轴线是非均匀分布的，通常是从拱冠向拱端逐渐减小。最合理的拱圈不一定是圆弧，还可能有其他型式,如三圆心拱、椭圆拱及抛物线拱等。实际采用时需综合考虑经济、施工等因素，选择合理的拱圈型式。(a)等厚度圆(b)抛物线拱；(c)三圆心拱；(d)椭圆拱；(e)变厚圆拱；(f)变厚非圆拱拱圈形状(a)等厚度圆(b)抛物线拱(c)三圆心拱；(d)椭圆拱；(e)变厚圆拱；(f)变厚非圆拱3.拱冠梁剖面型式和尺寸(1)坝顶厚度Tc坝顶厚度Tc基本上代表了顶拱的刚度。a.加大坝顶厚度不仅能改善坝体上部下游面的应力状态，还能改善梁底上游面应力，有利于降低坝踵拉应力;b.坝顶厚度应根据剖面设计确定，并满足运行交通要求，一般不小于3m，初拟时，可先按下列经验公式估算：Tc=0.0145（2R轴+H）或Tc=0.01H+（0.012~0.024）L1(2)坝底厚度TB坝底厚度TB是表征拱坝厚薄的一项指标，主要取决于坝高、坝型、河谷形状等。设计时可参考已建成的坝高和河谷形状大致相近的拱坝来初步拟定，再通过计算和修改布置定出合适的尺寸。作为拱坝优化的初始方案，坝底厚度可用下式估算：TB=][H)LL(Kn11美国垦务局公式根据不同河谷形状的拱坝尺寸进行分析，提出了初估坝底厚度TB的经验公式为：TB=31222112200120/H/HLHL.偏距高程上游偏距下游偏距坝顶0.45H坝底00.95TB0.67TBTC00.33TB拱冠梁剖面参考尺寸表对于一般的双曲拱坝，为近似确定上游面曲线，设221HyxHyxZ2112xx12122BTx并满足：当y=0时，Z=0当y=H时，BTxxZ2210dydZ当时,Hy1式中、为经验系数，通常可取=0.60~0.65=0.3~0.612214.拱坝布置的原则和一般步骤:(1)拱坝布置的原则(安全、经济、施工方便)a.使坝体材料的强度得到充分发挥，坝体的总工程量最省;b.基岩的稳定性要好，有足够的岩体承受拱推力;c.坝内应力分布要合理，以充分利用材料的强度;d.适应施工条件，立模方便，倒悬度要小。(2)拱坝布置的一般步骤1）根据坝址地形地质资料，绘出坝址新鲜基岩面等高线图，综合考虑地形、地质、水文、施工及运用条件选择适宜的拱坝坝型，并拟定出拱冠梁剖面。2）利用新鲜基岩等高线，综合考虑应力和坝肩稳定两方面的要求，定出拱圈形式，试定顶拱轴线的位置。尽量使拱轴线与等高线在拱端处的夹角不小于35ο，同时应使顶拱对称中心线尽可能对称于河谷两岸，左半中心角与右半中心角之差5ο，并使两端夹角大致相近，按适当的中心角和坝顶厚度画出顶拱内外缘弧线。3）根据初拟的拱冠梁剖面尺寸，选取5~10层拱圈，绘制各层拱圈平面图，各层拱圈的圆心在平面上的连线尽可能对称于河谷可利用基岩面等高线，在立面上，这种圆心连线应是光滑的曲线。4）每层拱圈的两拱端与岩基的接触原则上应做成全径向拱座，使拱端推力接近垂直于拱座面，以减小向下游滑动的剪力。(2)拱坝布置的一般步骤当采用全径向拱座使上游侧可利用岩体开挖过多时，此时可采用1/2径向拱座。靠上游侧的拱座面与基准面的交角应大于等于10ο。当采用全径向拱座使下游侧可利用岩体开挖过多时，可采用非径向拱座，此时拱座面与基准面的夹角应80ο。5）自对称中心线向两岸切取若干个垂直梁剖面，检查各剖面轮廓是否连续光滑，倒悬度是否满足要求，若不满足要求，应适当修改拱圈的半径、中心角及圆心位置，直至满足要求为止。(2)拱坝布置的一般步骤6）按上述初拟的坝体形状和尺寸，进行坝体应力分析和坝肩稳定核算，如不满足要求，应重复上述步骤修改尺寸并布置。7）计算坝体工程量，作为不同方案比较的依据。(2)拱坝布置的一般步骤5.拱坝的优化设计在一定的范围内，对坝轴线的位置和坝体剖面进行优化设计。在满足约束条件(坝顶最小厚度、拱圈中心角范围、倒悬度、强度稳定条件等)的前提下，使坝体工程量或造价(目标函数)达到最小。第三节拱坝的荷载一、设计荷载及其特点水平方向(径向)的荷载：静水压力泥沙压力冰压力浪压力地震荷载垂直方向的荷载：自重水重扬压力浮托力温度荷载:地基变形顺河向垂直河向拱坝荷载的特点:1.自重由谁承担?------与封拱时间的有关封拱—拱坝是分块浇筑的，为了使其发挥拱的作用，用灌浆的方式将各浇筑块连接起来的工程措施。2.扬压力—由梁承担，扬压力的影响较小，约为应力的5%-10%，重力拱坝和中厚拱坝应考虑扬压力的影响；对坝肩稳定应考虑渗透压力对抗滑岩体的影响。3.温度荷载—温升、温降由梁承担拱梁共同承担二、荷载计算1.自重2.温度荷载a.定义：是指运行过程中任一时刻坝体空间温度场与封拱温度之差。b.封拱温度的确定封拱温度是坝体温升、温降的计算基准。高一点好？低一点好？)()4(21212161AAZGAAAZGcmc当tt封时：坝体膨胀，坝轴线伸长，使坝体向上游变形，拱端上游侧和拱冠下游侧受压，产生的弯矩和剪力的水压影响相反，轴力与水压影响相同。当tt封时：坝体收缩，坝轴线缩短，使坝体向下游变形，拱端上游侧和拱冠下游侧受拉，产生的弯矩和剪力的水压影响相同，轴力与水压影响相反。结论：温降对坝体应力不利温升对坝肩稳定不利c.坝体内温度变化规律(1)均匀温度变化tm—引起坝体均匀伸长或缩短(2)沿坝厚温度梯度变化td—引起挠曲(3)非线性变化tn—引起表面变形(裂纹)d.温度荷载的计算(1)平板热传导cTtt222边界条件：X=0时X=T时cos)(cos1'2''AtAtTbatgbatgCOSAAtAAtcTttaabshchchdm)1cos(sin)()()()(cos)(cos)(cos11616112222sin1411cos)cos(211222121211222212211(2)用经验公式计算美国垦务局经验公式:修正公式:评价：T10m时误差较大。(3)tm由水平拱承担(4)4.混凝土徐变对温度应力有很大的影响，按规范规定，考虑徐变，温度应力可减少35%CTtCTtmm39.34744.257.573.地震荷载地震荷载包括地震惯性力地震动水压力(激荡力)地震动土压力(地震对扬压力、泥沙压力的影响一般不考虑)计算方法：动力法一般用拟静力法计算F=maa为坝址处的地震加速度①地震惯性力用拟静力法计算地震作用效应ihEiiEihiaGgGaF/地震作用的效应折减系数，取0.25;第i坝块的坝体重量,kN；加速度设计代表值根据设计烈度选取；质点动态分布系数，坝顶取3.0，坝基取1.0，沿高度方向线性插值，沿拱圈均匀分布。荷载(作用)组合1、基本概念除自重外，作用在重力坝上的荷载和如下特点：时大时小时有时无此出彼没2、荷载组合定义：将可能作用在建筑物上的所有荷载按出现的时间(机率)是否相同进行分组，然后将各组荷载分别作用在所设计的建筑物上，研究建筑物的稳定和强度，并给以不同的安全系数。这种分组的方法即为荷载组合。对应力而言基本组合：正常水位下相应荷载+温降特殊组合：正常水位下相应荷载+温降+地震高温+运行低水位对稳定而言基本组合：设计水位下相应荷载+温升特殊组合：校核水位下相应荷载+温升第四节拱坝的应力分析一、分析方法综述拱坝实质上是一个变厚度、变曲率而边界条件又很复杂的壳体结构。影响坝体应力的因素很多，严格的理论计算是很困难的。为了便于数学上的处理，通常不得不作一些必要的假定和简化。根据假定和简化以及所讨论问题的侧重点不同，有如下一些分析方法1.杆件结构法单向杆件双向杆件圆筒法纯拱法拱梁法拱冠梁法圆筒法圆筒法是把拱坝当作