河海大水利水电工程概论讲义04拱坝.docx

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1、第四章拱坝第一节概述一、拱坝概念拱：在竖向荷载作用下能产生水平推力的结构叫拱式结构拱坝：是一个三边嵌固在基岩上的变曲率、变厚度的多次超静定空间壳体结构二、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碎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拱梁系统的调整拱圈自身调整为二次拱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(2)由于拱是一推力

2、结构，当拱坝以拱的作用为主时，坝体应力以受压为主，因此可以发挥混凝土、砖石等材料的抗压强度高的特点。(3)拱坝是一整体的空间壳体结构，局部破坏只会导致荷载的转移和应力的重分布，而不会造成严重的失事。因此说拱坝的安全度较高，同时基于这一原因，拱坝允许出现拉应力。(4)厚度薄、重量轻、柔度大,抗震性好。四、拱坝对地形地质的要求L对地形的要求河谷狭窄岸坡平顺无突变坝两端下游有足够大的岩体支撑拱坝的分类L按高度分：高(H70m1中、低(H30m) 2、按厚高比分：TBH0.35厚拱坝或重力拱坝 3、按结构分：周边固定拱坝、周边缝拱坝、有重力墩的拱坝、空腹拱坝、较拱坝、予岫力拱坝、拱上拱拱坝、上重下拱拱

3、坝4、按坝体曲率分：单曲拱坝；双曲拱坝5、按水平拱的形式分：圆弧拱坝，二心圆拱坝；三心圆拱坝；抛物线拱坝；椭圆拱坝；对数螺旋线拱坝；双曲线拱坝。6、按水平拱的厚度变化分：等厚拱坝；变厚拱坝五、拱坝的发展阶段L拱坝发展阶段LL拱坝建设的萌芽阶段（1854年以前）12拱坝建设的起步阶段（1854-1917年）1.3、拱坝建设的成熟阶段（1917-I960年）1.4、拱坝建设的熟练阶段（I960年-至今）世界拱坝之最：已建最高拱坝：前苏联英古力拱坝H=272mzn=2.8TH=0.15在建最高拱坝：中国小湾拱坝H=292m,n=2.83,T/H=O.238在设计的最高拱坝：中国锦屏拱坝H=305mz

4、n=L6H=0.19二滩水电站是一座以发电为主的大型水力发电枢纽，它的坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高240米，是中国已建成的最高坝，它的高度在世界同类型坝中居第四位。世界已建的最高双曲拱坝：小湾抛物线型混凝土双曲拱坝，最大坝高为294.5米主要趋向:对坝址地形地质条件有所降低；厚度减薄，允许应力逐渐加大；坝顶溢流，坝身开孔，q加大；在较强地震地区可建拱坝；计算理论、计算方法的发展可进行优化设计；对材料特性（坝体坝基）由线性T非线性；碾压磴拱坝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

5、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35o,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5o,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510层拱圈，绘制各

6、层拱圈平面图，各层拱圈的圆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。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IOoo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80oo5）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

7、止。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。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。第二节拱坝的荷载一、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:地基变形第三节拱坝的坝肩稳定分析一、可能滑动面分析a.具有单独的陡倾角结构面Fl和缓倾角结构面F2组

8、合成滑移体。b.具有成组的陡倾角和成组的缓倾角结构面组合成滑移体。c.易产生滑动的节理走向及倾角d.无明显断夹层和节理裂隙或节理裂隙不连续、分布又较均匀时，可能滑动面存在于AE、AO之间。二、坝肩稳定分析1.稳定分析方法：评价坝肩稳定的方法有二类数值计算法:包括刚体极限平衡法（如刚性块法、分块法、赤平投影法等）和有限元法；模型试验法:包括线弹性结构应力模型试验和地质力学模型试验。刚体极限平衡法，该法的基本假定是：将滑移体视为刚体，不考虑其中各部分间的相对位移；只考虑滑移体上力的平衡，不考虑力矩的平衡;忽略拱坝内力重分布的影响，认为拱端作用在岩体上的力系为定值；达到极限平衡状态时，滑裂面上的剪力

9、方向将与滑移的方向平行，指向相反，数值达到极限值。3 .整体稳定计算拱坝整体稳定须考虑两种情况：Q）拱座整体沿滑动面向下游滑动：拱座岩体被一些构造面所切害k连同临空面组成一个容易失稳的楔体、该楔体”沿下游某一方向变位直至滑移，这种失稳可称为整体滑动。构成失稳岩体的界面（或称破裂面）至少是一个，更常见的是两个，或三个。其中一个较平缓,构成底裂面；一个较陡,构成侧裂面；另一个可以是上游开裂面。5 .改善拱座稳定的措施：a.对不利的节理等进行有效的冲洗和固结灌浆，以提高其抗剪强度。b.加强坝肩岩体的灌浆和排水措施，减少岩体的渗透压力。c.将拱端向岸壁深挖嵌进,以扩大下游的抗滑岩体，也可避开不利的滑裂

10、面。这种做法对增加拱座的稳定性较有效。d.改进拱圈设计，如采用三心拱、抛物线等形式，使拱端推力尽可能趋向正交于岸坡。e.如拱端基岩承载能力较差，可局部扩大拱端或设置推力墩。第四节拱坝的坝身泄水及消能防冲（一）概述1 .意义-不需另设溢洪道,经济性明显。2 .泄水方式影响因素:地形地质条件、流量大小、下游水位、枢纽布置等。总的特点：坝身单薄向心收聚型式:自由跌落式、鼻坎挑流式、滑雪道式、坝身泄水孔（二）选择考虑因素： 拱坝体形、坝高、泄洪量、厂房位置、可考虑的其它泄洪方式，以及坝址地形、地质、施工导流等 具体如下：薄拱坝：H不太大，100M,q50M2S,坝顶泄流 厚拱坝：坝面溢流双曲拱：Q较大

11、，5000M3S,滑雪道。 双曲拱：Q不太大，坝顶或坝身孔口双曲拱：断面薄，Q大几种型式的联合泄洪（）拱坝消能型式及选择1）常见型式：挑流：最多 跌流：适于坝顶溢流，且q15M2S,下游水深大或河床有条件加以保护的情况 底流：适于重力拱坝，且下部岩石条件较差时，或有通航要求时 面流、屋流：用的很少2）型式选择考虑的因素：坝型、坝高、以及下游河床及两岸的地形、地质泄量大小及下部河道水深及水位变化情况通船、过木、排冰等要求3）增加排流消能效果的措施：横向扩散纵向拉开a、窄算式b出口高低坎C差动式鼻坎。高低坎垂直对冲，白山，风滩。横向对撞，广东泉水。扭鼻坎改变下泄水流方向增加下游水深a、二道坝b、先

12、冲后砌，要有检修条件。c、闸门合理操作，如先放小流量4）拱坝消能注意事项：河谷一般狭窄，注意冲刷岸坡下泄水流有向心集中在计算冲坑时要用入水处的单宽流量主流集中河中间，两岸回流淘刷岸坡第五节拱坝的构造和地基处理一、拱坝的构造1.拱坝的材料：混凝土、浆砌块石和浆砌条石等2 .坝顶：拱坝坝顶的结构形式和尺寸应按运用要求确定。当无交通要求时，非溢流坝顶宽度一般应不小于3m坝顶路面应有横向坡度和排水系统。在溢流坝E殳应结合溢流方式，布置坝顶工作桥、交通桥，其尺寸必须满足泄流启闭设备布置、运行操作、交通和观测检修等要求。对于地震区的坝顶工作桥、交通桥等结构，应尽量减轻自重，并提高结构的抗震稳定性。3 .廊

13、道基础灌浆、排水、观测、检修和坝内交通等要求。拱坝厚度较薄，应少设廊道，以免对坝体削弱过多。分层设置坝后桥。廊道与坝内其他孔洞的净距离不宜小于35m,以防止应力集中，该净距也可通过应力分析确定。纵向廊道的上游壁离上游坝面的距离一般约为0.050.1倍的坝面作用水头，且不小于3m。4.坝体分缝横缝-沿半径向设置，其间距（指上游坝面的弧长）一般为1520m0在变半径的拱坝中，与半径向一致，必然要成为扭曲面，有时为了简化施工,对不太高的拱坝也可用中间高程处的半径向为准，仍用铅直平面来分缝。横筵底部筵面与地基面的夹角不得小于60o,尽可能接近正交。健内一般要设置键槽。纵缝-厚度大于40m的拱坝，可考虑

14、设置纵缝。相邻坝体之间的纵筵应错开。纵缝间距一般为2040m,为了施工方便一般采用铅直纵缝,但在下游坝面附近应逐渐过渡到正交于坝面,避免浇注块出现尖角。6.垫座：当坝址河谷断面很不规则时，可在基岩与坝体之间设置垫座，使坝体变为有规则的形状，同时使坝体与垫座的接触面成为一条永久缝，称为周边筵。周边缝（较接拱）能够改善坝体边界弯曲应力，能使坝断面减薄。设置周边建后，坝体即使有裂缝，延伸到缝边就会停止发展，若垫座有开裂，也不致影响到坝体二、地基处理一岩基处理：开挖清理、帷幕灌浆、坝基排水、断层破碎带处理拱坝荷载特点由于是超静定结构：1）运行期变温上升为主要荷载（2）必须考虑地基变形对坝体应力、稳定及

15、变形的影响由于坝体薄：（1）扬压力对坝体的影响随坝厚减小而减小，但对两岸稳定仍很重要（2）自重对坝体的影响随坝厚减小而减小，而且自重随施工程序的不同，其自重应力物一样拱坝运用特点1）泄洪方面：开孔对坝体刚度的影响、泄水振动、不能形成完整的溢流面、下泄水流向心集中、2）坝顶交通及启闭机等设备的布置拱坝施工特点（1）横缝也要设键槽进行封拱灌浆（2）施工困难（倒悬、体形复杂）（3）施工质量要求高（应力水平及防渗高）（4）基础处理工程量大拱坝破坏形式及安全准则（1）破坏形式：拱座失稳、压应力过大、局部拉应力过大（2）安全准则：拱座抗滑稳定安全系数K稳K、抗压强度安全系数K压K（基本组合为4特3.5）、拉应力不超过规定值基本1.2MPa,特1.5MPa）3）安全的关键是拱座稳定思考题：1、为什么重力坝不允许出现拉应力而拱坝允许出现较大的拉应力？2、为什么拱坝比重力坝经济？3、中国对拱坝理论与实践的主要贡献有哪些？