1、水工建筑物之水工建筑物之认识拱坝认识拱坝拱坝是一空间壳体结构拱坝是一空间壳体结构,坝体结构可近似看作由一系列凸向坝体结构可近似看作由一系列凸向上游的上游的水平拱圈水平拱圈和一系列和一系列竖向悬臂梁竖向悬臂梁所组成。拱坝两岸的所组成。拱坝两岸的岩体部分称作拱座或坝肩；拱坝最大的梁称拱冠梁。岩体部分称作拱座或坝肩；拱坝最大的梁称拱冠梁。l结构特点和受力特点结构特点和受力特点拱与梁的共同作用拱与梁的共同作用稳定性主要依靠两岸坝肩的反力作用稳定性主要依靠两岸坝肩的反力作用承受轴向压力，有利于发挥砼及浆砌石材料的抗压强度；承受轴向压力，有利于发挥砼及浆砌石材料的抗压强度；拱梁所承受的荷载可相互调整拱梁所
2、承受的荷载可相互调整,超载能力高。超载能力高。一、拱坝的特点一、拱坝的特点l稳定特点稳定特点l内力特点内力特点抗震性能好抗震性能好拱坝坝身可以泄水拱坝坝身可以泄水几何形状复杂，施工难度大几何形状复杂，施工难度大l荷载特点荷载特点一、拱坝的特点一、拱坝的特点考虑基岩变形，并将温度荷载作为一项主要荷载。考虑基岩变形，并将温度荷载作为一项主要荷载。l性能特点性能特点l泄洪特点泄洪特点l设计和施工特点设计和施工特点二、拱坝对地形和地质条件的要求二、拱坝对地形和地质条件的要求1.1.对地形的要求对地形的要求理想的地形是左右理想的地形是左右两岸对称，岸坡平两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面顺无突变，在平面上
3、向下游收缩的峡上向下游收缩的峡谷段。坝端下游侧谷段。坝端下游侧要有足够的岩体支要有足够的岩体支承，以保证坝体的承，以保证坝体的稳定。稳定。据工程经验：据工程经验：L/H1.5:L/H1.5:窄深河谷中可修建薄拱坝（窄深河谷中可修建薄拱坝（/H0.2/H0.2）；）；L/H=2L/H=23:3:中等宽度河谷中可修建中厚拱坝中等宽度河谷中可修建中厚拱坝 (/H0.2/H0.35)/H0.35)；L/HL/H4.5:4.5:宽浅河谷中，只宜修建重力坝或拱形重力坝。宽浅河谷中，只宜修建重力坝或拱形重力坝。坝址处河谷形状特征用河谷坝址处河谷形状特征用河谷“宽高比宽高比”L/HL/H及河谷及河谷的断面形状
4、两个指标来表示。的断面形状两个指标来表示。二、拱坝对地形和地质条件的要求二、拱坝对地形和地质条件的要求左右对称的左右对称的V形河谷最适宜发挥拱的作用，靠近底部水形河谷最适宜发挥拱的作用，靠近底部水压强度最大，但拱跨短，因而底拱厚度仍可较薄；压强度最大，但拱跨短，因而底拱厚度仍可较薄；U形河形河谷靠近底部拱的作用显著降低，大部分荷载由梁的作用来谷靠近底部拱的作用显著降低，大部分荷载由梁的作用来承担，故厚度较大，梯型河谷的情况则介于这两者之间。承担，故厚度较大，梯型河谷的情况则介于这两者之间。河谷形状对荷载分配和坝体剖面的影响河谷形状对荷载分配和坝体剖面的影响 二、拱坝对地形和地质条件的要求二、拱
5、坝对地形和地质条件的要求基岩均匀单一、完整基岩均匀单一、完整稳定、强度高、刚度稳定、强度高、刚度大、透水性小和耐风大、透水性小和耐风化等。两岸坝肩的基化等。两岸坝肩的基岩必须能承受由拱端岩必须能承受由拱端传来的巨大推力、保传来的巨大推力、保持稳定并不产生较大持稳定并不产生较大的变形。的变形。2.2.对地质的要求对地质的要求二、拱坝对地形和地质条件的要求二、拱坝对地形和地质条件的要求按坝体体形分为：按坝体体形分为：单曲拱坝单曲拱坝双曲拱坝双曲拱坝三、拱坝的类型三、拱坝的类型1.1.一般荷载的特点一般荷载的特点 水平径向荷载水平径向荷载 静水压力、泥沙压力、浪压力及冰压力。静水压力、泥沙压力、浪压
6、力及冰压力。一、拱坝的设计荷载一、拱坝的设计荷载hpw 将将p p转化为拱轴线上的压力强度转化为拱轴线上的压力强度pp时，则时，则RpRpu/水平径向静水压力的计算为：水平径向静水压力的计算为：其他荷载的计算同重力坝的计算办法其他荷载的计算同重力坝的计算办法l静水压力是坝体上的主要荷载，由拱、梁系统共静水压力是坝体上的主要荷载，由拱、梁系统共同承担，可通过拱梁分载法来确定拱系和梁系上的同承担，可通过拱梁分载法来确定拱系和梁系上的荷载分配。荷载分配。)AA4A(Z61G2m1c l荷载的分配：全部自重应由悬臂梁承担。荷载的分配：全部自重应由悬臂梁承担。坝块自重坝块自重G G可按辛普森公式计算：可
7、按辛普森公式计算：2 2自重自重拱坝坝体一般较薄，对薄拱坝通常可忽略不计。拱坝坝体一般较薄，对薄拱坝通常可忽略不计。对于中厚拱坝和厚拱坝需要计算。对于中厚拱坝和厚拱坝需要计算。3 3扬压力扬压力在拱坝的稳定分析中必须考虑扬压力的作用。在拱坝的稳定分析中必须考虑扬压力的作用。二、温度荷载二、温度荷载温度荷载是拱坝设计的主要荷载。温度荷载是拱坝设计的主要荷载。封拱温度封拱温度拱坝系分块浇筑，经充分冷却，当坝体温度逐渐降拱坝系分块浇筑，经充分冷却，当坝体温度逐渐降至相对稳定值时，进行封拱灌浆，形成整体。在封至相对稳定值时，进行封拱灌浆，形成整体。在封拱时的坝体温度称作封拱温度。拱时的坝体温度称作封拱
8、温度。温度荷载是指拱坝形成整体后，坝体温度相对于温度荷载是指拱坝形成整体后，坝体温度相对于封拱温度的变化值。封拱温度的变化值。！拱坝封拱一般选在气温为年平均气温或略低于拱坝封拱一般选在气温为年平均气温或略低于年平均气温时进行年平均气温时进行！水压力作用水压力作用温降荷载：坝体温度低于封拱温度时的温度变化值。温降荷载：坝体温度低于封拱温度时的温度变化值。温降作用温降作用当坝体温度低于封拱温度时，拱圈将缩短并向下游变位，当坝体温度低于封拱温度时，拱圈将缩短并向下游变位，由此产生的弯矩、剪力及位移的方向都与库水压力作用由此产生的弯矩、剪力及位移的方向都与库水压力作用下所产生的弯矩、剪力及位移的方向相
9、同，但轴力方向下所产生的弯矩、剪力及位移的方向相同，但轴力方向相反。相反。封拱时温度愈低，温降越小，建成后愈有封拱时温度愈低，温降越小，建成后愈有利于降低坝体拉应力。利于降低坝体拉应力。温升作用温升作用温升荷载：坝体温度高于封拱温度时的温度变化值。温升荷载：坝体温度高于封拱温度时的温度变化值。水压力作用水压力作用当坝体温度高于封拱温度时，称温升，拱圈将伸长并向当坝体温度高于封拱温度时，称温升，拱圈将伸长并向上游变位，由此产生的弯矩、剪力和位移的方向与库水上游变位，由此产生的弯矩、剪力和位移的方向与库水压力所产生的方向相反，但轴力方向则相同。压力所产生的方向相反，但轴力方向则相同。一般情况下，温
10、降对坝体应力不利；温升将使一般情况下，温降对坝体应力不利；温升将使拱端推力加大，对坝肩稳定不利。拱端推力加大，对坝肩稳定不利。温度荷载的计算温度荷载的计算393T47t1 44.2T57.57t1 均匀温度变化均匀温度变化等效线性温差等效线性温差非线性温度变化非线性温度变化坝体温度坝体温度基本组合：基本组合：三拱坝的荷载组合三拱坝的荷载组合重力坝的基本荷载和特殊荷载划分也适用于拱重力坝的基本荷载和特殊荷载划分也适用于拱坝，只是在基本荷载中还应列入温度荷载。坝，只是在基本荷载中还应列入温度荷载。正常蓄水位及相应尾水位的静水压力和设正常蓄水位及相应尾水位的静水压力和设计正常温降、自重等计正常温降、
11、自重等.水库死水位或运行最低水位及相应尾水位时的水库死水位或运行最低水位及相应尾水位时的静水压力和设计正常温升、自重等静水压力和设计正常温升、自重等.其他常遇的不利组合其他常遇的不利组合特殊组合：特殊组合：校核洪水位及相应尾水位的静水压力和设计正常校核洪水位及相应尾水位的静水压力和设计正常温升、自重等温升、自重等.正常蓄水位及相应尾水位的静水压力和设计正正常蓄水位及相应尾水位的静水压力和设计正常温降、自重等与地震荷载。常温降、自重等与地震荷载。其他稀遇的不利组合其他稀遇的不利组合第三节第三节 拱坝的布置拱坝的布置拱坝的设计步骤拱坝的设计步骤修改修改坝体应力、坝坝体应力、坝肩稳定分析肩稳定分析拱
12、坝平拱坝平面布置面布置安全安全与否与否最终布最终布置图置图细部细部构造构造设计图设计图 在满足坝体应力和坝肩稳在满足坝体应力和坝肩稳定的前提下，尽可能地使定的前提下，尽可能地使工程量最省，造价最低、工程量最省，造价最低、安全度高和耐久性好。安全度高和耐久性好。拱坝布置的基本内容：拱坝布置的基本内容：根据地形、地质、水文及施工条件，选择坝型根据地形、地质、水文及施工条件，选择坝型,选定平选定平面布置形式；初拟坝体剖面基本尺寸、坝体的平面布面布置形式；初拟坝体剖面基本尺寸、坝体的平面布置等，确定各高程拱圈半径、中心角、拱厚等参数。置等，确定各高程拱圈半径、中心角、拱厚等参数。拱坝布置的原则是：拱坝
13、布置的原则是：拱坝的布置拱坝的布置一、拱圈参数的选择一、拱圈参数的选择拱圈形状的主要参数：拱圈形状的主要参数：中心角、半径、厚度。中心角、半径、厚度。1.1.拱圈中心角拱圈中心角 upRT 2dsinN2dPRu 2d2dsin TNpRu 2Tsinl2TRRAu Asin)p2(lp2T 可见对于一定的河谷，拱圈中心角越大，拱圈厚度越小可见对于一定的河谷，拱圈中心角越大，拱圈厚度越小拱坝的布置拱坝的布置体积最小时（最优中心角）体积最小时（最优中心角）A2A2AAAAsin)p2(360pl8sin)p2(lp2sinl23602RT23602V )(VVA 0ddV 0A341332 演算
14、可解得演算可解得拱坝的布置拱坝的布置拱截面应力条件较好时拱截面应力条件较好时)2Tsinl(TpA 拱厚一定时，中心角愈大，应力愈小，应拱厚一定时，中心角愈大，应力愈小，应力条件愈好。若按固端拱计算，当中心角力条件愈好。若按固端拱计算，当中心角1651650 0时，拱端上游面的应力将由时，拱端上游面的应力将由拉应力拉应力变为压应力。变为压应力。拱坝的布置拱坝的布置2A2A坝肩稳定条件和工程量考虑坝肩稳定条件和工程量考虑从坝肩稳定考虑，过大从坝肩稳定考虑，过大的中心角将使拱端内弧面的中心角将使拱端内弧面切线与岩面等高线的夹角切线与岩面等高线的夹角减小，对坝肩稳定不利。减小，对坝肩稳定不利。中心角
15、过大，拱圈弧长中心角过大，拱圈弧长增加，工程量增加。增加，工程量增加。拱坝的布置拱坝的布置l应力条件相同时，拱中心角愈大，拱圈厚度应力条件相同时，拱中心角愈大，拱圈厚度T T愈小，愈小，愈经济。拱圈体积最小时的中心角愈经济。拱圈体积最小时的中心角22A A=133=1333434。l拱厚拱厚T T一定时，拱中心角愈大，拱端应力条件愈好。一定时，拱中心角愈大，拱端应力条件愈好。采用较大中心角比较有利，但选用很大的中心角将很采用较大中心角比较有利，但选用很大的中心角将很难满足坝肩稳定的要求，也会引起拱圈弧长增加，抵难满足坝肩稳定的要求，也会引起拱圈弧长增加，抵消了一部分由减小拱厚所节省的工程量。消
16、了一部分由减小拱厚所节省的工程量。l从有利于坝肩稳定考虑，要求拱端内弧面切线与可从有利于坝肩稳定考虑，要求拱端内弧面切线与可利用岩面等高线的夹角不得小于利用岩面等高线的夹角不得小于3030。l一般情况下顶拱中心角采用实际可行的最大值，常一般情况下顶拱中心角采用实际可行的最大值，常采用采用9090110110；往下拱圈的中心角逐渐减小。底；往下拱圈的中心角逐渐减小。底拱中心角在拱中心角在50508080之间选取。之间选取。结论结论二拱冠梁的形式和尺寸二拱冠梁的形式和尺寸2 2、拱圈半径：拱圈半径：由几何条件确定由几何条件确定3 3、拱厚：坝顶厚度，坝底厚度，具体见拱冠梁的尺寸、拱厚：坝顶厚度，坝
17、底厚度，具体见拱冠梁的尺寸 1 1、剖面尺寸的拟定、剖面尺寸的拟定坝顶高程的确定坝顶高程的确定；坝顶厚度坝顶厚度T TC C按工程规模、运用和交通要求确定，按工程规模、运用和交通要求确定，如无交通要求，一般采用如无交通要求，一般采用3 35m5m；坝底厚度坝底厚度T TB B是表征拱坝厚薄的一项控制数据。是表征拱坝厚薄的一项控制数据。拱坝的布置拱坝的布置水工设计手册水工设计手册建议的公式。建议的公式。/)E2/R3(R2T21fCC轴轴 HL7.0TB H45.0H45.0HL385.0T)L2.1H(01.0T1C 122H321B)122H(LHL0012.0T BH45.0T95.0T
18、美国垦务局建议的公式美国垦务局建议的公式拱坝的布置拱坝的布置2 2、剖面形式、剖面形式单曲拱坝：拱单曲拱坝：拱冠上游面是铅冠上游面是铅直线，下游面直线，下游面是倾斜的直线是倾斜的直线或几段折线。或几段折线。双曲拱坝双曲拱坝拱坝的布置拱坝的布置三、三、水平水平拱圈的形态拱圈的形态合理的水平拱圈应当是压力线接近拱轴线，使拱截合理的水平拱圈应当是压力线接近拱轴线，使拱截面内的压应力分布趋于均匀。面内的压应力分布趋于均匀。三心圆拱：由三段圆弧构成的三心圆拱，通常两侧三心圆拱：由三段圆弧构成的三心圆拱，通常两侧弧段的半径比中间的大，从而可以减小中间弧段的弧段的半径比中间的大，从而可以减小中间弧段的弯矩，
19、使压应力分布均匀，改善拱端与两岸岩体的弯矩，使压应力分布均匀，改善拱端与两岸岩体的连接条件，更有利于坝肩的岩体稳定。连接条件，更有利于坝肩的岩体稳定。变曲率拱：椭圆拱、抛物线拱等变曲率拱，拱圈中变曲率拱：椭圆拱、抛物线拱等变曲率拱，拱圈中段的曲率较大，向两侧逐渐减小，使拱圈中的压力段的曲率较大，向两侧逐渐减小，使拱圈中的压力线接近中心线，拱端推力方向与岸坡等高线的夹角线接近中心线，拱端推力方向与岸坡等高线的夹角增大，有利于坝肩岩体的抗滑稳定。增大，有利于坝肩岩体的抗滑稳定。拱坝的布置拱坝的布置四、布置四、布置1.1.单曲拱坝单曲拱坝布置步骤布置步骤（1 1）画出可利用基岩面等高线地形图。）画出
20、可利用基岩面等高线地形图。（2 2）在地形图上，将顶拱轴线绘在透明纸上，尽量使拱轴线）在地形图上，将顶拱轴线绘在透明纸上，尽量使拱轴线与基岩等高线在拱端处的夹角不小于与基岩等高线在拱端处的夹角不小于3030，并使两端夹，并使两端夹角大致相同。角大致相同。（3 3）初拟拱冠梁剖面尺寸，自坝顶往下，一般选取）初拟拱冠梁剖面尺寸，自坝顶往下，一般选取5 51010道拱道拱圈，绘制各层拱圈平面图。圈，绘制各层拱圈平面图。拱端的布置原则：全径向或者半径向拱端的布置原则：全径向或者半径向拱坝的布置拱坝的布置（4 4）切取若干铅直剖面，检查其轮廓线是否光滑连续，确）切取若干铅直剖面，检查其轮廓线是否光滑连续
21、，确定倒悬程度。并把各层拱圈的半径、圆心位置以及定倒悬程度。并把各层拱圈的半径、圆心位置以及中心角分别按高程点绘，连成上、下游面圆心线和中心角分别按高程点绘，连成上、下游面圆心线和中心角线。中心角线。（5 5）进行应力计算和坝肩岩体抗滑稳定校核。）进行应力计算和坝肩岩体抗滑稳定校核。（6 6）将坝体沿拱轴线展开，绘成拱坝上游或下游展视图，）将坝体沿拱轴线展开，绘成拱坝上游或下游展视图，显示基岩面的起伏变化，对于突变处应采取削平或显示基岩面的起伏变化，对于突变处应采取削平或填塞措施。填塞措施。（7 7）计算坝体工程量，作为不同方案比较的依据。）计算坝体工程量，作为不同方案比较的依据。.双曲拱坝双
22、曲拱坝类似单曲拱坝的布置，从第二层拱圈开始需要变圆类似单曲拱坝的布置，从第二层拱圈开始需要变圆心变半径变中心角。心变半径变中心角。布置时，需在平面图上把每层拱圈的内外半径及布置时，需在平面图上把每层拱圈的内外半径及 中心角量出填写拱圈参数表。中心角量出填写拱圈参数表。拱坝的布置拱坝的布置五、倒悬的处理及河谷改进的辅助措施五、倒悬的处理及河谷改进的辅助措施v倒悬的含义：变圆心、变半径的拱坝布置时，铅倒悬的含义：变圆心、变半径的拱坝布置时，铅直剖面上可能出现直剖面上可能出现“倒悬倒悬”，即上层坝面突出于，即上层坝面突出于下层坝面的现象。下层坝面的现象。v上下层错动的距离与其间高差之比称为倒悬度。上下层错动的距离与其间高差之比称为倒悬度。v倒悬增加了施工难度，二是对坝体应力不利。倒悬增加了施工难度，二是对坝体应力不利。一般要求倒悬度控制在一般要求倒悬度控制在1/31/3以内。以内。v为了减小倒悬度，可将拱冠剖面稍向下游倒悬，为了减小倒悬度，可将拱冠剖面稍向下游倒悬，将拱端剖面微向上游倒悬，使倒悬度分散在各个铅将拱端剖面微向上游倒悬，使倒悬度分散在各个铅直剖面上。直剖面上。拱坝的布置拱坝的布置拱坝布置时拱坝布置时尽可能成对尽可能成对称布置，河称布置，河谷不对称，谷不对称，可采取工程可采取工程措施进行改措施进行改进。进。河谷改进的辅助措施河谷改进的辅助措施
