第三章拱坝 第一节概述 拱坝的特点 结构特点: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上游的水平 拱圈和一系列竖向悬臂梁所组成 坝体结构既有拱作用又有梁作用。其所承受的水平荷载一部分由拱的作用传至两岸岩 体,另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩 拱坝两岸的岩体部分称作拱座或坝肩;位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁称作拱冠梁, 般位于河谷的最深处 拱基反力 拱坝示意图 HIiE I-I I-Ⅱ 拱坝平面及剖面图 稳定特点:拱坝的稳定性主要是依靠两岸拱端的反力作用。 内力特点:拱结构是一种推力结构,在外荷作用下内力主要为轴向压力,有利于 发挥筑坝材料(混凝土或浆砌块石)的抗压强度,从而坝体厚度就越薄。 拱坝是一高次超静定结构,当坝体某一部位产生局部裂缝时,坝体的梁作用和拱作用将 自行调整,坝体应力将重新分配。所以,只要拱座稳定可靠,拱坝的超载能力是很高的 混凝土拱坝的超载能力可达设计荷载的5-11倍 ●性能特点:拱坝坝体轻韧,弹性较好,整体性好,故抗震性能也是很高的。拱坝 是一种安全性能较高的坝型 ●荷载特点:拱坝坝身不设永久伸缩缝,其周边通常是固接于基岩上,因而温度变 化和基岩变化对坝体应力的影响较显著,必须考虑基岩变形,并将温度荷载作为一项主要 第页
第 页1 第三章 拱坝 第一节 概述 一、拱坝的特点 ⚫ 结构特点：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上游的水平 拱圈和一系列竖向悬臂梁所组成。 坝体结构既有拱作用又有梁作用。其所承受的水平荷载一部分由拱的作用传至两岸岩 体，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。 拱坝两岸的岩体部分称作拱座或坝肩；位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁称作拱冠梁，一 般位于河谷的最深处。 拱坝示意图 拱坝平面及剖面图 ⚫ 稳定特点：拱坝的稳定性主要是依靠两岸拱端的反力作用。 ⚫ 内力特点：拱结构是一种推力结构，在外荷作用下内力主要为轴向压力，有利于 发挥筑坝材料（混凝土或浆砌块石）的抗压强度，从而坝体厚度就越薄。 拱坝是一高次超静定结构，当坝体某一部位产生局部裂缝时，坝体的梁作用和拱作用将 自行调整，坝体应力将重新分配。所以，只要拱座稳定可靠，拱坝的超载能力是很高的。 混凝土拱坝的超载能力可达设计荷载的 5—11 倍。 ⚫ 性能特点：拱坝坝体轻韧，弹性较好，整体性好，故抗震性能也是很高的。拱坝 是一种安全性能较高的坝型。 ⚫ 荷载特点：拱坝坝身不设永久伸缩缝，其周边通常是固接于基岩上，因而温度变 化和基岩变化对坝体应力的影响较显著，必须考虑基岩变形，并将温度荷载作为一项主要
荷载 泄洪特点:在泄洪方面,拱坝不仅可以在坝顶安全溢流,而且可以在坝身开设大 孔口泄水。目前坝顶溢流或坝身孔口泄水的单宽流量已超过200m/(s.m) 设计和施工特点:拱坝坝身单薄,体形复杂,设计和施工的难度较大,因而对筑 坝材料强度、施工质量、施工技术以及施工进度等方面要求较高 拱坝对地形和地质条件的要求 (一)对地形的要求 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 以“厚高比”T/H来区分拱坝的厚薄程度。当T/H<0.2时,为薄拱坝;当T/H=0.20.35 时,为中厚拱坝;当T/H>0.35时,为厚拱坝或重力拱坝。 坝址处河谷形状特征用河谷“宽高比”L/H及河谷的断面形状两个指标来表示 H值小,说明河谷窄深,拱的刚度大,梁的刚度小,坝体所承受的荷载大部分是通 过拱的作用传给两岸,因而坝体可较薄。反之,当L/值很大时,河谷宽浅,拱作用较小, 荷载大部分通过梁的作用传给地基,坝断面较厚 在L/HK<2的窄深河谷中可修建薄拱坝 在L/H=23的中等宽度河谷中可修建中厚拱坝 在L/H=34.5的宽河谷中多修建重力拱坝; 在L/H>4.5的宽浅河谷中,一般只宜修建重力坝或拱形重力坝 左右对称的Ⅴ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;U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承担, 故厚度较大,梯形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 (二)对地质的要求 基岩均匀单一、完整稳定、强度高、刚度大、透水性小和耐风化等 两岸坝肩的基岩必须能承受由拱端传来的巨大推力、保持稳定并不产生较大的变形。 拱坝的形式 1.按拱坝的曲率分:单曲和双曲之分 2.按水平拱圖形式分:圆弧拱坝、多心拱坝、变曲率拱坝(椭圆拱坝和抛物线拱坝等)。 第页2
第 页2 荷载。 ⚫ 泄洪特点：在泄洪方面，拱坝不仅可以在坝顶安全溢流，而且可以在坝身开设大 孔口泄水。目前坝顶溢流或坝身孔口泄水的单宽流量已超过200m3 /（s.m）。 ⚫ 设计和施工特点：拱坝坝身单薄，体形复杂，设计和施工的难度较大，因而对筑 坝材料强度、施工质量、施工技术以及施工进度等方面要求较高。 二．拱坝对地形和地质条件的要求 （一） 对地形的要求 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 以“厚高比”T/H来区分拱坝的厚薄程度。当T/H<0.2时，为薄拱坝；当T/H=0.2~0.35 时，为中厚拱坝；当T/H>0.35时，为厚拱坝或重力拱坝。 坝址处河谷形状特征用河谷“宽高比”L/H及河谷的断面形状两个指标来表示。 L/H 值小，说明河谷窄深，拱的刚度大，梁的刚度小，坝体所承受的荷载大部分是通 过拱的作用传给两岸，因而坝体可较薄。反之，当 L/H 值很大时，河谷宽浅，拱作用较小， 荷载大部分通过梁的作用传给地基，坝断面较厚。 在 L/H<2 的窄深河谷中可修建薄拱坝； 在 L/H=2~3 的中等宽度河谷中可修建中厚拱坝； 在 L/H=3~4.5 的宽河谷中多修建重力拱坝； 在 L/H＞4.5 的宽浅河谷中，一般只宜修建重力坝或拱形重力坝。 左右对称的 V 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；U 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承担， 故厚度较大，梯形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 （二）对地质的要求 基岩均匀单一、完整稳定、强度高、刚度大、透水性小和耐风化等。 两岸坝肩的基岩必须能承受由拱端传来的巨大推力、保持稳定并不产生较大的变形。 三．拱坝的形式 1． 按拱坝的曲率分：单曲和双曲之分。 2．按水平拱圈形式分：圆弧拱坝、多心拱坝、变曲率拱坝（椭圆拱坝和抛物线拱坝等）
坝轴线 坝轴线 拱冠梁断面 拱冠梁断面 单双曲拱坝示意图 2=1 一被 (f 拱坝的各种水平拱圈型式 第页3
第 页3 单双曲拱坝示意图 拱坝的各种水平拱圈型式
第二节拱坝的荷载及组合 拱坝的设计荷载 般荷载的特点 水平径向荷敦 水平径向荷載种类:静水压力、泥沙压力、浪压力及冰压力 荷载的分配:静水压力是坝体上的最主要荷载,应由拱、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荷载分配。 计算:水平径向静水压力的计算如下: 式中:P一作用于坝面的静水压力强度; Y—水的重度; h一计算点处的水深 将P转化为拱轴线上的压力强度P’时,则 R 式中Rn、R分别为拱圈外弧半径和平均半径 2.自重 荷载的分配:全部自重应由悬臂梁承担。 荷載的计算:如图所示,截面A与A2间的坝块自重G可按辛普森公式计算: G=-n,AZ(A+4Am+A,KM) 式中:r一混凝土重度,kNm3 ΔZ一计算坝块的高度,m A、A、A。一分别为上、下两端和中间截面的面积,m2 坝块自重计算图 3.扬压力 ●扬压力的特点:拱坝坝体一般较薄,坝体内部扬压力对应力影响不大,对薄拱坝 通常可忽略不计。 (二)温度荷載 ●原因:拱坝为一超静定结构,在上下游水温、气温周期性变化的影响下,坝体温 度将随之变化,并引起坝体的伸缩变形,在坝体内将产生较大的温度应力。温度荷载是拱 坝设计的主要荷载 ●封拱温度: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。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 封拱时温度愈低,建成后愈有利于降低坝体拉应力。在封拱时的坝体温度称作封拱温度。 第页4
第 页4 第二节 拱坝的荷载及组合 一．拱坝的设计荷载 （一） 一般荷载的特点 １．水平径向荷载 ⚫ 水平径向荷载种类：静水压力、泥沙压力、浪压力及冰压力。 ⚫ 荷载的分配：静水压力是坝体上的最主要荷载，应由拱、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荷载分配。 ⚫ 计算：水平径向静水压力的计算如下： 式中： P—作用于坝面的静水压力强度； γ—水的重度； h—计算点处的水深。 将 P 转化为拱轴线上的压力强度 P’时，则 R pR p u = / 式中 Ru、R 分别为拱圈外弧半径和平均半径。 2．自重 ⚫ 荷载的分配：全部自重应由悬臂梁承担。 ⚫ 荷载的计算：如图所示，截面 A1与 A2间的坝块自重 G 可按辛普森公式计算： ( 4 )( ) 6 1 G = hZ A1 + Am + A2 KN 式中： r h—混凝土重度，kN/m3； ΔZ—计算坝块的高度，m； A1、A2、Am —分别为上、下两端和中间截面的面积，m 2。 坝块自重计算图 3．扬压力 ⚫ 扬压力的特点：拱坝坝体一般较薄，坝体内部扬压力对应力影响不大，对薄拱坝 通常可忽略不计。 （二） 温度荷载 ⚫ 原因：拱坝为一超静定结构，在上下游水温、气温周期性变化的影响下，坝体温 度将随之变化，并引起坝体的伸缩变形，在坝体内将产生较大的温度应力。温度荷载是拱 坝设计的主要荷载。 ⚫ 封拱温度: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。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。 封拱时温度愈低，建成后愈有利于降低坝体拉应力。在封拱时的坝体温度称作封拱温度。 p = h
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 温降当坝体温度低于封拱温度时,称温降,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下所产生的弯矩、剪力及位移的方向相同, 但轴力方向相 ●温升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,如图3-9 (b),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。因此,在一般情况下,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。 坝体由温度变化的变形示意图 ●温度荷敦的种类:均匀温度变化(t1)等效线性温差(t2)非线性温度变化(t3) 1.均匀温度变化(t1) 这是温度荷载的主要部分。 2.等效线性温差(t2) 水库蓄水后,由于水库水温变幅小于下游气温变幅,故沿坝厚常有温度梯度t2/T。它 对拱圈力矩的影响较大,而对拱圈轴向力和悬臂梁力矩的影响很小。在中、小型工程中 般可不考虑。 3.非线性温度变化(t3) 它是以坝体温度变化曲线上扣去t1和t2后的剩余部分,产生局部应力,在拱坝设计中 一般可略去不计 对于中、小型拱坝,可视情况采用下列经验公式作拱坝的温度荷载计算: 或 (C) 3·39 拱圈截面温度变化图 (三)地震荷载 拱坝的荷载组合 ●荷敦组合:基本组合和特殊组合两类。 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 第页5
第 页5 ⚫ 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。 ⚫ 温降当坝体温度低于封拱温度时，称温降，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下所产生的弯矩、剪力及位移的方向相同， 但轴力方向相反； ⚫ 温升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，如图 3-9 （b），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。因此，在一般情况下，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。 坝体由温度变化的变形示意图 ⚫ 温度荷载的种类：均匀温度变化（t1）等效线性温差（t2）非线性温度变化（t3） 1．均匀温度变化（t1） 这是温度荷载的主要部分。 2．等效线性温差（t2） 水库蓄水后，由于水库水温变幅小于下游气温变幅，故沿坝厚常有温度梯度 t2/T。它 对拱圈力矩的影响较大，而对拱圈轴向力和悬臂梁力矩的影响很小。在中、小型工程中一 般可不考虑。 3．非线性温度变化（t3） 它是以坝体温度变化曲线上扣去 t1 和 t2 后的剩余部分，产生局部应力，在拱坝设计中 一般可略去不计。 对于中、小型拱坝，可视情况采用下列经验公式作拱坝的温度荷载计算： 2.44 57.57 1 + = T t （0 C） 或 3 39 47 1 + = T t （ 0 C） 拱圈截面温度变化图 （三） 地震荷载 二．拱坝的荷载组合 ⚫ 荷载组合:基本组合和特殊组合两类。 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