水工建筑物拱壩布置

§3-3

拱壩的布置要求：①掌握幾種典型的圓弧拱壩的布置方法②掌握ΦA(chǔ)對(duì)應(yīng)力、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)各方面的影響③掌握拱壩布置的原則及步驟。Ⅰ)拱壩布置的任務(wù)：根據(jù)拱壩的自然條件，施工條件和運(yùn)用要求選擇拱壩的壩型，擬定壩體的基本尺寸，并進(jìn)行平面布置，然后經(jīng)過應(yīng)力、穩(wěn)定分析，反復(fù)修改，最后確定一個(gè)既安全又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。由于拱壩的類型很多，不同的類型，其基本尺寸和平面布置均有一定的差別，但布置的方法及考慮問題的出發(fā)點(diǎn)是一致的。因此，本課程主要講授圓弧拱壩的布置。對(duì)其他類型的拱壩布置同學(xué)們以后找有關(guān)資料自學(xué)。重要性：直接關(guān)系大壩的安全、造價(jià)、施工及美觀。影響因素：自然條件，施工、運(yùn)用具體方法：a、拱壩CAD，利用編制好的計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)進(jìn)行。b、半自動(dòng)化方法。

c、人工方法。一)圓弧拱壩的幾種典型布置方式1、等外半徑拱壩又叫圓筒形拱壩。①適于：U型或接近U型的梯形河谷，②做法：各層拱圈的外半徑相同，中心角2ΦA(chǔ)基本接近或變化較小，為了適應(yīng)水壓力的增長，壩厚從上到下逐漸加厚，因此內(nèi)半徑從上到下

逐漸減小。即：⑴內(nèi)外、圓心同線。⑵外半徑不變。⑶內(nèi)半徑逐漸縮小如：我國新修建的風(fēng)灘，響洪甸等拱壩。響洪甸等外半徑重力拱壩鳳灘③優(yōu)點(diǎn)：形式簡單、施工方便、直立的上游面有利于布置進(jìn)水口，或泄水建筑物的控制設(shè)備。④缺點(diǎn)：下部拱中心角必然減小，拱的應(yīng)力分布不均勻，因此所需斷面較大，極不經(jīng)濟(jì)。⑤改進(jìn)：采用定外圓心，定外半徑，而變內(nèi)圓心，變內(nèi)半徑的變厚拱形式。2、等中心角拱壩：

對(duì)V型山谷，若采用等外半徑形式拱壩，勢必使底部ΦA(chǔ)太小，而不能滿足應(yīng)力要求，為此需要加厚壩體，不經(jīng)濟(jì)、不利于發(fā)揮拱壩的優(yōu)點(diǎn)，這時(shí)可將各層拱圈的外半徑從上到下逐漸減小，而使各層拱圈的ΦA(chǔ)基本相等，布置成定角式拱壩。適于：V型河谷。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)力較好，經(jīng)濟(jì)?？梢员鹊韧獍霃绞焦?jié)約30%的工程量。缺點(diǎn)：兩岸倒懸，對(duì)施工不利，空庫時(shí)壩體應(yīng)力和穩(wěn)定有問題。改進(jìn)：①梁向彎曲，布置成雙曲拱壩。②改用變半徑，變中心角拱壩。解釋：倒懸及倒懸度,n=△y/△x，△y：△x=1：△x.如廣東泉水拱壩廣東泉水定角式拱壩3、變半徑，變中心角拱壩在▽形和接近▽的梯形河谷，為了使拱圈更好的適應(yīng)河谷斷面形狀，既克服等

ΦA(chǔ)式的倒懸問題，又不象等外半徑式那樣的不經(jīng)濟(jì)，常布置成變半徑變中心角式拱壩。優(yōu)點(diǎn)：比等R外應(yīng)力好，比等ΦA(chǔ)式倒懸要小，較經(jīng)濟(jì)，比R外式省20%適于：▽或4、雙曲拱壩：

對(duì)變半徑、變中心角，定角式拱壩如果在壩體

1/5~1/3處向上游突出，使懸臂梁也成為彎曲的形狀，就成了雙曲拱壩。a、各層拱圈的φA均能接近理想的角度，拱向應(yīng)力好。

b、梁的彎曲。外荷→水平位移→豎向位移→受阻→M↘和N↗，改變梁的應(yīng)力。c、外荷在梁中部產(chǎn)生的應(yīng)力與自重應(yīng)力正好相反，優(yōu)點(diǎn)：①

具有殼體作用

安全度高。????可改善梁中部應(yīng)力。d、增加拱座的垂直壓力，改善穩(wěn)定②對(duì)泄洪有利----滲氣③布置靈活：可較好的解決倒懸度問題缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、施工較難。二）圓弧拱壩基本尺寸的擬定：1、基本尺寸包括①懸臂梁尺寸：a、壩頂、底及各個(gè)高程的厚度b、上下游面曲線的方程②拱圈尺寸：a、中心角2φAb、半徑R。φAΦa2、懸臂梁尺寸的初步擬定①Tcⅰ)考慮的因素

a、強(qiáng)度要求：如壩頂承受較大的水壓力、沖擊力、溫度荷載等。b、施工要求>=2c、運(yùn)用要求：交通，起閉機(jī)設(shè)備。d、經(jīng)濟(jì)上要求e、美觀上要求ⅱ)確定方法：a、工程類比b、經(jīng)驗(yàn)公式見書上兩個(gè)ⅲ)影響：Tc決定頂拱的剛度，對(duì)荷載分配、頂拱及梁向應(yīng)力有明顯的影響②

TB(ⅰ)考慮因素：a、壩高；b、壩型；c、河谷地形；d、地質(zhì)；e、荷載及材料(ⅱ)確定方法：反復(fù)試算a、工程類比b、經(jīng)驗(yàn)公式:朱伯芳公式美國墾務(wù)局公式即（4－15）任德林公式：③懸臂梁剖面：

ⅰ)常見形狀風(fēng)灘響洪甸b、雙曲：如：東風(fēng)、東江、緊水灘、石門、泉水a(chǎn)、單曲：龍羊峽

白山世界知名拱壩拱冠梁剖面

19－胡佛H=223m28－莫瓦桑H=237m30－瓦依昂H=262m世界知名拱壩拱冠梁剖面34－格蘭峽H=217m37－柯恩布賴茵H=200m38－英古里H=272m39－薩揚(yáng)舒申斯克H=245m中國知名拱壩拱冠梁剖面ⅱ)雙曲拱壩上游面的曲線方程x

=

A(

y

)

-

B(

y

)2H

HA、B兩個(gè)常數(shù)可以由下列條件確定|

=

01dy

dxy=b

Hx

|

y=H

=

b2TBB

=2A

=

2b1B2b

-1b2TBb2

=

0.3

~

0.6b1

?

0.6

~

0.65其中一般：ⅲ)各高程厚度T（y）可以是y的一次二次三次曲線變化

ⅳ)下游面方程由：x(y)及T(y)得到2、拱圈尺寸：①幾何關(guān)系：φA、R、L、T其中：T由懸臂梁剖面設(shè)計(jì)得到L河谷寬度為已知φ、R、L具有如下關(guān)系R=L/(2sinφA)因此要確定拱圈尺寸，只需確定φA或R即可，其他可以由幾何關(guān)系求得，常選擇φA作為要確定的參數(shù)。②ΦA(chǔ)的確定：TTP(2+

T

)=P(R

+

T

)ⅰ)考慮的因素：a應(yīng)力；b穩(wěn)定;c經(jīng)濟(jì)；d自然條件。ⅱ)φA對(duì)應(yīng)力的影響及其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)中心角[Φa]A、“圓筒公式”及其[Φa]從拱壩中取出一單位高度的水平拱圈,受均勻水壓力P,假設(shè)該拱圈是圓筒的一部分,因此，任一斷面的內(nèi)力可以近似的為H

=

PRu

M

=

V

=

0L2

sin

j

A

2Ts

=

PRu

=用下所需的拱圈的厚度為：由上可知：當(dāng)φA越大，則T越小，但是φA大，拱軸線長度增大，最經(jīng)濟(jì)的中心角應(yīng)使拱圈體積最小，即：PL2

2T

sin

j

A2T

sin

j

A由上公式可見：在L、P一定時(shí)

⑴φA越大，σ越?、芓越大，σ越小如果材料的允許壓應(yīng)力為[σ]，則可以求得在荷載P作s

=

P(L

+

T

sin

j

A

)

s

-

P

=T

=

PL(2[s]

-

P)

sin

jA180AV

=

p

2j

RT將代入則可得：即當(dāng)取φA=[φA]時(shí)，為滿足應(yīng)力要求時(shí)的最經(jīng)濟(jì)拱圈。最早提及此公式的為1879年法國工程師皮來杜（A.pelletrean）R

=

L2

sin

jAA

A

PL2p

j180(2[s

]

-

P)

sin

2

jV

=AAdV

=

0

[j

]

=

133034'djT

=

PL(2[s]

-

P)

sin

jA180AV

=

p

2j

RTB、彈性固端拱上述圓筒公司只考慮拱內(nèi)的軸力，沒考慮M,V及基礎(chǔ)變形的影響。因此所得結(jié)果只有在較薄而且φA較大的情況下具有近似意義。一般拱圈應(yīng)按彈性固端拱計(jì)算。分析表明，彈性固端拱具有以下幾條結(jié)論：a、應(yīng)力分布規(guī)律：圓弧拱在荷載P作用下,當(dāng)Ec/ER=1時(shí)|

s

|>|

s

|Ad

ou|

sAu

|>|

sod

|>

sou

>sod

>

sAusAdσAdσod壓力線Auφ

A=30T/Lφ

A=90Aub、σAd隨T及φA的變化規(guī)律AdLT?，s

flj

A

?，s

Ad

flc、σAu隨T/L及φA的變化:Au

LT?，s

flj

A

?，s

Au

?d、σou、σod隨T/L及φA的變化也可以做出類似的曲線總之：

a、 φA越大，拱圈最大應(yīng)力變小，最小應(yīng)力變大，使拱圈應(yīng)力趨于均勻，對(duì)拱圈應(yīng)力有利

b、 T/L越大，拱圈最大最小應(yīng)力均變小，因此對(duì)壓應(yīng)力有利，對(duì)拉應(yīng)力不利。

c、 在其他因素一定時(shí)，φA越大，滿足應(yīng)力要求的T/L越小。ⅲ)φA、T/L對(duì)穩(wěn)定的影響及其對(duì)穩(wěn)定的最優(yōu)中心角[Φa]穩(wěn)分析表明：拱端力自身維持穩(wěn)定的大小與φA、T/L具有如下的關(guān)系：由上可見：a、T/L增大，穩(wěn)定性差；b、穩(wěn)定性隨中心角的變化呈差—好—差變化。存在一個(gè)對(duì)穩(wěn)定最有利的中心角[φA]。當(dāng)φA>[φA]時(shí)，φA越大穩(wěn)定性越差。因此，φA大對(duì)穩(wěn)定不利。

[φA]=10～400左右。?穩(wěn)n=NA/SA

定性φ另外，從集中力的擴(kuò)散角來講，因此要求

a、拱軸線的切線方向與可利用巖石等高線的夾角≥350

b、拱圈內(nèi)弧面的切線方向與可利用巖石等高線的夾角≥300由此可見，在平順河谷最大中心角不能超過1100。ⅳ)φA對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響：

φA大，軸線長，拱端開挖量大。但φA大可以減小厚度。因此拱壩存在經(jīng)濟(jì)中心角的問題。ⅴ)φA的具體確定：

綜合考慮前面的四個(gè)因素，一般可以在[φA]穩(wěn)~[φA]經(jīng)之間選擇，兩岸支撐條件好，可以取大些，否則取小些。過去常用2φA=900～1200從頂?shù)降讘?yīng)該逐漸減小。

近來，2φA=700～1100，中部中心角較大，向頂、底變?。ㄒ?yàn)樽畲髴?yīng)力常發(fā)生在1/3～1/2壩高范圍之內(nèi)）?① R的確定：由幾何關(guān)系R=L/(2sinφA)② T的確定：A、從懸臂梁角度出發(fā)。B、從拱圈角度出發(fā)：確定方法：ⅰ)圓筒公式ⅱ)類比法ⅲ)純拱法三）拱壩布置的原則及步驟：1)原則：①滿足安全要求：即第一講所講的安全準(zhǔn)則②滿足運(yùn)用要求：a、泄洪b、引水c、交通d、廠泄?fàn)幬虎蹪M足施工要求：a、模板制作b、倒懸度：漿砌石：1：0.1～1：0.16，最大1：0.25砼：1：0.3c、施工期④經(jīng)濟(jì)：在滿足上述多項(xiàng)要求的情況下，近可能使整個(gè)樞紐的總投資最小，最早受益2)步驟如左圖所示：①確定可利用巖石等高線②選定壩型：

I)由L/H確定T/H（薄、中、厚拱壩

Ⅱ)河谷形狀→單、雙曲

Ⅲ)地形、地質(zhì)等綜合→平面拱形式③尺寸初擬；④倒懸度及壩面光滑度檢查⑤應(yīng)力、穩(wěn)定校核；⑥壩體方量計(jì)算，方案比較。開始NoyesNoyes可行方案之一①確定可利用巖石等高線根據(jù)壩址地形，地質(zhì)及上部結(jié)構(gòu)的要求，確定開挖線，畫出壩址處可利用巖石等高線的地形圖，研究河沿形式是否需要加以處理，如使之接近對(duì)稱或彌補(bǔ)高程不足等措施。③－1確定拱冠梁剖面根據(jù)壩高每隔若干米（5～20）取為拱圈方程，按所定壩形及工程規(guī)模初擬拱冠梁剖面。③－2試定頂拱內(nèi)弧及拱壩的對(duì)稱中心線首先根據(jù)先前介紹的方法，選取一個(gè)φA，在可利用巖石等高線上，量取頂拱內(nèi)弧長L，計(jì)算頂拱內(nèi)弧半徑Rd=L/(2sinφA).由Rd及φA按比例在透明紙上畫出拱內(nèi)弧，將畫有頂拱內(nèi)弧的透明紙?jiān)诳衫脦r石等高線上反復(fù)移動(dòng)，使的拱端切線與等高線的的交角大致相近，且交角不小于30度為止。否則調(diào)整φA重新進(jìn)行上述工作，將移動(dòng)好的頂拱內(nèi)弧畫在地形圖上，作頂拱內(nèi)弧長的垂直平分線。此線即為拱壩的對(duì)稱中心線。根據(jù)頂壩厚，畫出頂拱的外圓弧及拱軸線。③－3布置其它各層的拱圈由第③－1步確定的拱圈高程，量取相應(yīng)高程等高線的距離Li，初選在拱冠梁剖面上畫出各層拱圈中心的連線，并檢查該線是否光滑。如果不滿足要求，則修改中心角，使該線光滑。由各層拱圈中心的位置，Ru,Rd,Ro,φA.畫出各層拱圈。fi

R

di

fi

R

ui

=

R

di

+

TijAi④檢查倒懸度及壩面光滑度從對(duì)稱中心線開始截取3－4個(gè)懸臂梁剖面。檢查倒懸度及光滑度。如不滿足要求，則修改中心角φA和拱冠梁剖面，重新進(jìn)行上