拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物課件

第一節(jié)概述拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物，借助拱的作用將水壓力的全部或部分傳給河谷兩岸的基巖。和重力壩相比，在水壓力作用下壩體的穩(wěn)定不需要依靠本身的重量來維持，主要是利用拱端基巖的反作用力來支承。拱圈截面上主要承受軸向力，應(yīng)力分布較均勻，可充分利用筑壩材料的強(qiáng)度。因此，是一種經(jīng)濟(jì)性和安全性都很好的壩型。一、拱壩的工作特點(diǎn)壩可以看成是由若干水平拱圈和豎直懸臂梁組成的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，外部水壓力由拱、梁共同承擔(dān)，大部分荷載通過拱圈傳向兩岸壩肩，小部分通過懸臂梁傳到基礎(chǔ)1、拱與梁的共同作用；

2、穩(wěn)定性主要依靠?jī)砂豆岸说姆戳ψ饔?，因而?duì)拱端地基的要求很高；第二節(jié)拱壩的特點(diǎn)、形式及對(duì)地形、地質(zhì)的要求3、有利于發(fā)揮砼的抗壓強(qiáng)度4、拱梁所承受的荷載可相互調(diào)整,因此可以承受超載；拱壩嵌固在基巖上，屬于無數(shù)次超靜定結(jié)構(gòu)意大利瓦伊昂拱壩：壩高262m，1961年建成，1963年10月9日庫區(qū)左岸大面積滑坡，2.7億m3的滑坡體滑入水庫，庫容1.5億m3左岸涌浪超過壩頂100m，右岸260m，拱壩基本沒有損壞，僅在左岸壩頂略有損壞,水庫因淤滿報(bào)廢5、拱壩壩身可以泄水；6、不設(shè)永久性伸縮縫；

7、抗震性能好；

8、幾何形狀復(fù)雜，施工難度大。二、拱壩對(duì)地形、地質(zhì)條件的要求（1）要求河谷狹窄寬高比：壩頂處河谷寬度B與壩高h(yuǎn)的比值

厚高比：壩底厚度δ與壩高h(yuǎn)的比值地形條件河谷的寬高比越小，意味著河谷越狹窄；拱壩的厚高比越小，意味著拱壩可以建得越薄。

（2）河谷形狀V形河谷U形河谷對(duì)于V形河谷：隨著水深

對(duì)于U形河谷，剛好相反注：壩址河谷形狀，是對(duì)開挖后的壩基巖面而言的。有的壩址，開挖前的河谷很窄，但是河岸、河床覆蓋層較厚或者巖石風(fēng)化較深，當(dāng)開挖到可以利用的基巖時(shí)，河谷變寬、變深。對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)：①壩體結(jié)構(gòu)對(duì)稱；②受力條件好；③節(jié)省工程量；④設(shè)計(jì)和施工方便。（3）河谷左右兩岸大致對(duì)稱若河谷不對(duì)稱，應(yīng)采取以下措施：①開挖成對(duì)稱；②設(shè)重力墩；③填筑墊座。

目前，國外對(duì)河谷的對(duì)稱性已不特別強(qiáng)調(diào)，并已在不對(duì)稱的河谷中修建了拱壩。（4）河谷平面形狀——向下游收縮B-B壩址雖然河谷狹窄,但位于向下游擴(kuò)散的喇叭口處,兩岸拱座單薄,對(duì)穩(wěn)定不利。A-A處壩址兩岸拱座厚實(shí),拱軸線與等高線接近垂直,因此應(yīng)將A-A處選為壩址。地質(zhì)條件拱壩要求基巖特別是壩肩巖體完整堅(jiān)硬，沒有大的斷裂構(gòu)造和軟弱夾層，同時(shí)要求基巖耐風(fēng)化、滲透性小。然而理想地質(zhì)條件的壩址是極少的，對(duì)于存在地質(zhì)缺陷的壩址，應(yīng)當(dāng)在查明地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，論證工程處理措施的可行性，如需進(jìn)行固結(jié)灌漿以增加地基的整體性和牢固程度發(fā)展趨勢(shì)對(duì)地形地質(zhì)條件的限制有所放寬，壩更高，壩體薄，壩型多樣化，雙曲拱壩居多，壩頂泄流的單寬流量加大，最優(yōu)化設(shè)計(jì)處于實(shí)用階段。拱壩的拱圈一般采用圓弧曲線或者接近圓弧的其他曲線，如拋物線、橢圓、對(duì)數(shù)螺旋線等。拱圈半徑R和圓弧中心角2是影響拱圈受力條件的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。拱跨一定的情況下，減小拱圈半徑、增大圓弧中心角，可以降低拱圈界面應(yīng)力，從而相應(yīng)的減小拱圈厚度。第三節(jié)拱壩的類型中心角的影響：中心角大一些,拱圈厚度小一些,拱圈內(nèi)力小一些,適當(dāng)加大中心角是有利的.但過大的中心角將使拱端弧面的切線與河岸等高線的夾角變小,降低拱座的穩(wěn)定性.經(jīng)驗(yàn)表明：壩頂中心角一般為900～1100。壩身下部，河谷漸窄，中心角減小。(1)單曲拱壩，較多是定圓心、等外半徑拱對(duì)U型或矩形斷面的河谷，其寬度上下相差不大，各高程中心角比較接近，外半徑可保持不變。僅需下游半徑變化以適應(yīng)壩厚變化的要求。特點(diǎn)：施工簡(jiǎn)單，直立的上游面便于布置進(jìn)水孔和泄水孔及其設(shè)備，但當(dāng)河谷上寬下窄時(shí)(V形)，下部拱的中心角必然會(huì)減小，從而降低拱的作用，要求加大壩體厚度,不經(jīng)濟(jì).對(duì)于底部狹窄的“V”字形河谷可考慮采用等外半徑、變中心角拱壩(2)雙曲拱壩（a）變外半徑、等中心角（a）變外半徑、等中心角對(duì)底部狹窄的“V”字形河谷，宜將各層拱圈外半徑,上至下逐漸減小，可大大減少壩體方量。優(yōu)點(diǎn)：拱壩應(yīng)力條件較好，梁呈彎曲形狀,兼有拱的作用,更經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)：有倒懸出現(xiàn)，設(shè)計(jì)及施工較復(fù)雜；適用條件：對(duì)“V”、“U”型河谷都適用。

（b）變外半徑、變圓心特點(diǎn)：讓梁截面也呈彎曲形狀，因此懸臂梁也具有拱的作用，應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步改善，節(jié)省工程量。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大適用：布置更加靈活，更能適應(yīng)V形、梯形及其他形狀的河谷，被廣泛采用。一、拱壩布置的原則和要求根據(jù)壩址地形＋地質(zhì)＋水文等自然條件＋樞紐綜合利用要求統(tǒng)籌布置；在滿足穩(wěn)定和建筑物運(yùn)用的要求下，通過調(diào)整拱壩的外形尺寸，使壩體材料的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，控制拉應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)，而壩的工程量最省；因拱壩型式比較復(fù)雜，布置需有較多方案，進(jìn)行全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇最優(yōu)方案。最終選定的布置方案，一般需經(jīng)模型試驗(yàn)論證。第四節(jié)拱壩的體型選擇和輪廓布置二、拱圈布置形式從有利于拱圈受力的角度，應(yīng)該采用較大的中心角和較小的半徑，因?yàn)榭缍纫欢ǖ臈l件下，中心角越大、半徑越小，拱的作用越強(qiáng)烈，拱圈的拉應(yīng)力越小，壩可以建得越薄。適宜的中心角是：21100-1200但是過大的中心角將使拱軸線與河岸基巖等高線的交角過小，拱軸推力的方向近乎與河岸等高線平行，不利于壩肩穩(wěn)定。另外，過大的中心角也會(huì)增加拱圈的弧長(zhǎng)。早期采用圓弧拱的原因：(1)計(jì)算簡(jiǎn)單;(2)施工方便;(3)當(dāng)時(shí)受結(jié)構(gòu)分析方法的限制，對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)的荷載分布缺乏正確了解。工程力學(xué)知識(shí)知：當(dāng)單個(gè)拱圈承受勻布荷載時(shí)，其最合理的形態(tài)為圓弧拱。對(duì)于拱壩來說，由于其結(jié)構(gòu)性能具有水平拱和垂直梁的作用，拱、梁系統(tǒng)共同承擔(dān)外荷載，且水平拱所分擔(dān)的水壓力部分往往是非均勻分布的，通常是從拱冠向拱端逐漸減少的。拱、梁荷載分配為改善應(yīng)力狀態(tài)和壩肩穩(wěn)定條件，越來越多的采用多心圓、拋物線、橢圓等形式的拱壩。拱壩典型剖面圖三、拱冠梁剖面形狀選定拱壩的壩形的原則：對(duì)于中小型拱壩：U形河谷通常采用定圓心、等外半徑的單曲拱壩；V形河谷和梯形河谷采用變圓心、等外半徑的單曲拱壩對(duì)于大型拱壩：目前不論河谷形狀，都傾向于采用雙曲拱壩變圓心、變半徑的雙曲拱壩適合于各種河谷形狀①在施工期或庫水位較低時(shí)，壩體向上游倒懸②壩體向下游倒懸雙曲拱壩鉛直剖面呈現(xiàn)“倒懸”現(xiàn)象。通常用單位高度的壩體懸伸長(zhǎng)度△△h來描述倒懸程度，簡(jiǎn)稱“倒懸度”?！暗箲摇爆F(xiàn)象對(duì)拱壩不利＋有利③綜合“倒懸”現(xiàn)象的有利與不利影響，合理的拱冠梁剖面：一、荷載作用在拱壩上的荷載主要有：水壓力（靜水壓力和動(dòng)水壓力）、溫度荷載、自重、揚(yáng)壓力、泥沙壓力、浪壓力、冰壓力和地震荷載等。第五節(jié)拱壩的荷載及荷載組合拱壩和重力壩都是擋水建筑物，承受相同的作用荷載，但是拱壩的結(jié)構(gòu)形式和工作特點(diǎn)與重力壩有不同之處，各種荷載在兩種壩中的重要性是不同的。溫度荷載在重力壩中是次要荷載，通常情況下可以不予考慮。但是對(duì)于拱壩這種無數(shù)次超靜定結(jié)構(gòu)，溫度荷載上升為主要荷載。對(duì)于拱壩來說，地震荷載的豎向分量產(chǎn)生的作用效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水平分量，一般情況下不考慮豎向地震作用，水平方向地震慣性力的計(jì)算方法與重力壩相同，但是分布系數(shù)不同。由于拱壩比較薄，揚(yáng)壓力下降為次要荷載，對(duì)于中小型拱壩和薄拱壩的應(yīng)力分析可以不考慮揚(yáng)壓力，重力拱壩和中厚拱壩考慮揚(yáng)壓力。浪壓力、冰壓力在拱壩中的比重也比較小。溫度荷載拱壩設(shè)計(jì)中的主要荷載之一在水壓力和溫度荷載共同引起的徑向變位中，溫度荷載約占據(jù)1/3至1/2，對(duì)壩頂部分的影響更大。通常假定溫度荷載由拱圈承擔(dān)。產(chǎn)生溫度荷載的兩個(gè)原因：（1）混凝土施工過程中水化熱的散發(fā)；（2）外界氣溫的變化。封拱溫度：選用下游以年平均氣溫、上游以年平均水溫作為邊界條件，求出此時(shí)的壩體溫度場(chǎng)作為穩(wěn)定溫度場(chǎng)。一般在年平均氣溫或略低時(shí)進(jìn)行封拱。溫升：溫度高于封拱溫度。溫升對(duì)壩肩穩(wěn)定不利，對(duì)應(yīng)力有利；溫降：溫度低于封拱溫度。溫降對(duì)壩肩穩(wěn)定有利，對(duì)應(yīng)力不利。溫降溫升二、荷載組合1、基本組合(1)自重，水庫正常蓄水位及相應(yīng)尾水位下的靜水壓力，設(shè)計(jì)正常溫降的溫度荷載，揚(yáng)壓力，泥沙壓力，浪壓力，冰壓力；(2)自重，水庫正常蓄水位及相應(yīng)尾水位下的靜水壓力，設(shè)計(jì)正常溫升的溫度荷載，揚(yáng)壓力，泥沙壓力，浪壓力；(3)自重，設(shè)計(jì)洪水位及相應(yīng)尾水位下的靜水壓力，設(shè)計(jì)正常溫升溫度荷載，揚(yáng)壓力，泥沙壓力，浪壓力。2．特殊組合自重，水庫校核洪