河海大学水工建筑物拱坝PPT

第三章拱坝CHAPTER3ARCHDAM水工建筑物主要内容4第一节概述123第二节拱坝的荷载第三节拱坝的布置第四节拱坝的应力分析567第五节拱肩稳定分析第六节拱坝的坝身泄水及消能防冲布置第七节拱坝的构造和地基处理概述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：•瓦依昂坝(VajontDam)位于意大利东部阿尔卑斯山区皮亚韦(Piave)河的支流瓦依昂河上，下游距河口2km，临近城市瓦依昂。为混凝土双曲拱坝，最大坝高262m，水库总库容1.69亿m3。意大利瓦依昂拱坝失事意大利的瓦依昂（Vajont）双曲拱坝，1961年建成，是当时世界上最高的双曲拱坝，1963年10月9日晚，由于水库左岸大面积滑坡，使2.7亿m3的滑坡体以28m/s的速度滑入水库，掀起150m高的涌浪，涌浪溢过坝顶，致使1925人丧生，水库被填满，但拱坝坝体并未失事，仅在两岸坝肩附近的坝体内发生两三条裂缝，据估算，拱坝当时已承受住相当于8倍设计荷载的作用，由此可见拱坝的超载能力是较大的。拱坝坝顶长190m坝顶厚3.4m坝底厚22.6m坝体厚高比为0.0864.抗震性能好沙牌碾压混凝土拱坝采用三心圆单曲拱坝，坝高130m，为20世纪末世界在建最高的碾压混凝土拱坝。沙牌水电站（碾压混凝土拱坝）沙牌拱坝最大坝高130m、坝顶总长250.25m、坝顶厚9.5m、坝底宽28m、厚高比0.238。为20世纪末建设的最高碾压混凝土拱坝。沙牌碾压混凝土拱坝主要特点：(1)选用三心圆单曲拱坝，以利坝肩稳定，使拱推力方向偏向山体内部。垫座高度12.5m，坝顶中心线弧长250.25m，最大中心角92.48°。(2)为便于施工，坝体不设泄洪孔口，仅在右岸设2条泄洪隧洞，一条系导流洞改建的漩涡式竖井泄洪洞，设计水头88m，设计流量244m3/s，洞内消能率在73%以上。汶川地震的影响沙牌坝址距汶川地震震中约35km，与发震断层的垂直距离为20km，地震烈度为Ⅸ度。沙牌坝为碾压混凝土拱坝，高130m。设计时采用地震烈度Ⅶ度，基岩水平地震加速度0.141g。汶川地震时，水库水位处于正常蓄水位。地震后调查，大坝结构完整，坝基及两岸坝肩抗力岩体稳定，坝顶高程以上两岸边坡局部塌滑，但不影响大坝稳定。水电站进水口启闭机排架柱裂缝，调压井边坡跨塌，压力管明管段损毁，厂区边坡和厂房结构损坏严重。震后沙牌拱坝左右岸抗力体完好。右岸进水口设施基本完好，泄洪闸门能正常开启大坝附近坡体垮塌严重电站厂房及引水钢管被山体滚石砸坏对外交通严重被毁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按厚高比分按坝体形态分按水平拱圈形态分等厚度圆拱；变厚圆拱；变厚非圆拱按水平拱厚度是否变化分抛物线拱三圆心拱椭圆拱这里介绍：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等外半径式定角式变圆心变半径式变中心角河谷断面形状复杂时，建造拱坝的方案2.厚度T、应力σ、中心角之间的关系圆筒公式：Ru—为外弧半径;T=PRu/σ=P/σ(L/SinΦ+T/2)V=T*L*1=2PL*2Φ*R/((2σ-P)*SinΦ)2Φ=133°34’TpRu/2sin2TlTRRAuTpRu/ApplTsin2222422sinAAAplVRTp0AV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：国内拱坝建设中国第一座拱坝建造于1927年，福建厦门的上里浆砌石拱坝，坝高27m。但旧中国的拱坝建设极为缓慢，至1949年，我国仅修建了2座15m以上的砌石拱坝。拱坝建设概况及发展趋势响洪甸拱坝位于淮河支流西淠河上，是我国自行设计和施工的第一座等半径同圆心混凝土重力拱坝，1956年4月开工建设，1958年7月竣工。最大坝高87.5米。国内拱坝建设乌江渡混凝土重力拱坝，坝高165m，顶厚10.0m，底厚119.5m。乌江是云贵高原上的一条大河，长江的主要支流之一。龙羊峡重力拱坝中国最高的重力拱坝，位于青海省共和县和贵南县交界处的黄河干流上，坝高178m，拱冠断面坝顶厚15m，坝底厚80m。地质条件复杂，地震烈度高。二滩拱坝H=240m湖北清江隔河岩水电站大坝泄洪(151米)湖北清江隔河岩水电站大坝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。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。1936年，美国人建设了当时世界上最高的拱坝Hoover（胡佛）拱坝，坝高221m，底厚201m，座跨科罗拉多河。前苏联英古里拱坝，坝高272m，1980年竣工国外拱坝建设发展趋势对坝址地形地质条件有所降低；1厚度减薄，高度超300米级；2坝顶溢流，坝身开孔，q加大；3在较强地震地区可建拱坝；4计算理论、计算方法的发展可进行优化设计;5对材料特性（坝体坝基）由线性→非线性；6碾压砼拱坝的发展。7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)等厚度圆拱；(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.拱冠梁剖面参考尺寸表上游偏距下游偏距坝顶0TC0.45H0.95TB0坝底0.67TB0.33TB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。