第三章拱坝
CHAPTER 3 ARCH DAM
第一节概述
第二节拱坝的布置
第三节拱坝的荷载
第四节拱坝的应力分析
第五节坝肩稳定分析
第六节拱坝的坝身泄水及消能防冲 第七节拱坝的构造和地基处理
第一节概述
一、问题的提出
二、拱坝的工作原理
三、工作特点
四、拱坝对地形地质条件的要求
五、拱坝的形式
六、拱坝的发展概况
一.问题的提出?重力坝设横缝
?重力坝不设横缝
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砼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
?①拱梁系统的调整
?②拱圈自身调整为二次拱
?举例：意大利瓦依昂拱坝失事
?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
7.坝身可以泄洪
四、拱坝对地形地质的要求
1.对地形的要求
①河谷狭窄
②岸坡平顺无突变
花岗岩、正长岩、玄武岩、石英砂岩等坚硬岩石构成峡谷中，土建工程量相对较小。
③在平面上有喇叭口
●L/H<1.5 可建薄拱坝
●L/H=1.5~3.0 可建一般拱坝
●L/H=3.0~4.5 可建重力拱坝
●L/H>4.5 属宽浅河谷，一般可●建重力拱坝或
●拱形重力坝
某拱坝设计计算书 一、工程概况 某水利枢纽正常水位相应库容982万m3；设计水位675.09m；校核洪水位676.01m，相应库容1027万m3。拱坝以50一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。 二、拱坝坝高及体型设计 1.1坝顶高程计算： 拱坝中间为溢流坝段，两端为挡水坝段。溢流坝段为2孔泄流，孔口尺寸为7×4m，采用弧形闸门，堰顶高程为▽671.00m。 校核洪水频率P=0.2%，坝前校核洪水位▽676.01m，坝下校核洪水位▽595.72m。 设计洪水频率P=2%，坝前校核洪水位▽676.01m，坝下设计洪水位▽595.31m。 坝顶高于静水位的超高值 △h=h l+h z+h c h l——波浪高度（m）。 h z——波浪中心线至正常或校核洪水位的高差（m）。 h c——安全加高（m）。（《混凝土重力坝规范》P43）坝的安全级别为Ⅲ级，校核洪水位时h c=0.3m，设计洪水位h c=0.4m。 h l=0.0166V05/4D1/3 L=10.4（h l）0.8 V0——计算风速（m/s）
D ——风作用于水域的长度（km ），称为吹程。 相应季节50年重现期的最大风速为20m/s ，相应洪水期最大风速的多年平均风速为9.90 m/s 。吹程为0.4km 。 h z = L H cth L h l ππ22 H ——坝前水深（m ）,校核洪水位H=73.41m ，设计洪水位H=72.49m 。 1.2校核洪水位时： h l =0.0166×9.945 ×0.431 =0.215m L=10.4 ×（0.215）0.8=3.041m h z = 041 .341 .732041 .3215.02 ππcth =0.048m △h=0.215+0.048+0.3=0.56m 校核洪水位坝顶防浪墙高：Z 校坝=Z 校核水位+△h Z 校坝=676.01+0.563=676.57m 1.3设计洪水位时： h l =0.0166×2045 ×0.431 =0.517m L=10.4 ×（0.517）0.8=6.135m h z = 135 .649 .722135 .6517.02 ππcth =0.137m △h=0.517+0.137+0.4=1.054m 设计洪水位坝顶防浪墙高：Z 设坝=Z 设计水位+△h Z 设坝=675.09+1.0555=676.14m 坝顶高程取以上结果较大值676.60m 。
世界第一高拱坝的崛起 几番风雨、几多艰辛。 从上个世纪60年代开始，新中国第一代水电人就开始在雅砻江上书写锦屏的大故事。作为中国水电建设史上具有里程碑意义的大事件，锦屏一级水电站首批2台机组投产发电，意味着中国水电建设迎来了一个新高度：305米混凝土双曲拱坝的崛起，更加巩固了中国水电世界第一的地位。 新高度，意味着新开始。 就在锦屏一级投产发电之际，《中国能源报》记者再次奔赴雅砻江，试图解读这座世界第一高坝以及这座高坝在中国四川崛起的背后故事。 8月30日，备受瞩目的锦屏一级水电站首批2台机组终于投产发电了。锦屏之战，这场被雅砻江流域水电开发有限公司（以下简称“雅砻江公司”）总经理陈云华冠之以“关键之举”的战役，再次喜传捷报。 如果说，300米级的高拱坝，在新千年的头一个十年，属于“小湾时代”，那么在锦屏山150公里大河湾里，中国的工程师们将拱坝高度从小湾的292米刷新成锦屏一级的305米，这意味着中国乃至世界拱坝建设史，正式迎来“锦屏时代”。 如今业界流传着一句话：“三峡最大、锦屏最难”。世界级拱坝，面临的是世界级难题。就连久经沙场的中国工程院院士王思进都说，他当年最早到这里的时候，脑子里就有一个疑问：这
个地方大型工程能不能建？能不能施工？施工当中能不能保障安全？“对于这几个问题，我是有非常大的担心的。” 现在这个工程不仅建成投产发电了，而且从二期蓄水到1800米高程之后的监测情况来看，各方面运行情况表现良好。中国工程院院士谭靖夷在接受采访时说：“在我看来，锦屏的第一个贡献就在于这个大坝混凝土的质量是优等的。” 然而，这个院士眼里的“优等生”，在其成长的10年里，让来自54家单位的工程师和数万名建设者不知费了多少脑细胞。 左岸鏖战 两肩受力不均匀，大坝就会“闪了腰” 到锦屏一级参观过大坝的人，都会为她曼妙的身姿和曲线赞叹不已。然而，站在右岸1885平台上向山对岸望过去，就会发现对岸的山体一片灰白，像“纳鞋底”一样被密密麻麻的4000多根锚索死死地锁住。 锦屏305米高拱坝给锦屏工程师们出的第一道难题，就是左岸坝肩的基础处理。 “万丈高楼平地起”，两岸坝肩作为拱坝的基础，是要联合拱坝一起承受水推力的。而锦屏一级的左岸坝肩，存在着深部裂隙、变形拉裂岩体、f2和f5断层、煌斑岩脉等国内外罕见的不良地质体群。“右岸是大理岩，左岸是砂板岩，就好比一个人，两边肩膀受力不一致、不均匀，就会闪了腰，大坝就会产生扭曲裂缝，不安全。”雅
摘要 A江水利枢纽同时兼有防洪，发电，灌溉，渔业等综合作用，水库正常蓄水位184.5m，设计洪水位186.7m，校核洪水位189.5m，汛前限制水位182m，死水位164m，尾水位103.5m。水库死库容9.3亿m3，总库容12亿m3。 A江水利枢纽工程等级为一等，工程规模为大（1）型工程，主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级，临时性建筑物级别为4级。 A江水利枢纽的主要组成建筑物有挡水建筑物，主副厂房，泄水建筑物，过木筏道等。 挡水建筑物是一变圆心变外半径的双曲拱坝，坝顶弧长347m，最大坝高99m，坝底厚27m，坝顶宽8.0m。 泄水建筑物由两个浅孔和两个中孔组成：浅孔位于两岸，孔口宽9.0m，高9.0m，进口底高程为164m，出口底高程为154m；中孔位于水电站进水口两侧，孔口宽7.0m，高7.5m，进口底高程为135m，出口底高程为130m。在坝身泄水孔的上下游侧分别布置检修闸门和工作闸门，检修闸门采用平板门，工作闸门采用弧形闸门，在每一个工作闸门的上方有启闭机房，浅孔启闭机房高程为176m，中孔启闭机房高程为150m。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为118m，浅孔反弧半径为30m，中孔反弧半径为40m。泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角浅孔和中孔均为θ=20，，导墙厚度为1.0m，浅孔导墙高度为8m，中孔导墙高度为8.5m。 坝后式厂房装有4台5万kw的发电机组，主厂房长81m，宽18m，副厂房长66m，宽10m，安装场长21m，宽18m。压力管道的直径为4.5m，发电机层高程为114.8m，尾水管底高程为90.8m，厂房进水口底高程为152.3m。 为防止坝基渗漏，在坝基靠近上游侧进行帷幕灌浆，并且为了减少坝基的扬压力，在灌浆帷幕之后设置排水孔。 为了防止混凝土产生裂缝，拱坝坝体设置横缝，横缝面上需设置键槽，以咬合加固，增强坝体的抗剪能力。当底宽在40～50m以上的拱坝，才考虑设置纵横缝，而本设计中，拱坝坝底宽为27m，小于40m，故可不设置纵缝。
收稿日期:2003-09-11 作者简介:王均星(1963-),男,博士,副教授,主要从事水工结构专业的教学与科研工作.项目来源:原水利水电科学基金项目. 第37卷第1期2004年2月武汉大学学报(工学版) Engineering Journal of Wuhan U niversity Vol.37No.1Feb.2004 文章编号:1671-8844(2004)01-027-05 高拱坝承载能力研究 王均星1,张优秀1,王汉辉2 (1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉 430072; 2.长江水利委员会,湖北武汉 430010) 摘要:高拱坝的破坏机理及最终承载力是高拱坝设计中的关键问题.总结了近年来高拱坝承载能力的分析成 果,提出研究高拱坝的承载能力较之中低拱坝具有更重要的意义,分析了弹塑性有限元法和塑性极限分析法共同用于高拱坝承载能力计算的合理性,讨论了超载方式对承载能力的影响,分析了拱坝发生破坏的判别依据以及建议根据拱坝对应的弹性状态、开裂状态和极限状态分别求其安全度. 关键词:高拱坝;承载能力;超载方式 中图分类号:T V642.4 文献标识码:A Research on load bearing capacity of high arch dam WANG Jun -xing 1,ZHANG You -x iu 1,WANG H an -hui 2 (1.State Key L aboratory of W ater Resources and Hydro power Eng ineering Science,Wuhan U niversit y, Wuhan 430072,China; 2.Changjiang Water Resour ces Commi ssion,W uhan 430010,China) Abstract:It is essential for the desig n of high arch dams to research problems of destruction process and limit load bearing capacity of the dams .In this paper,the analytical results of several high arch dams are summ a -rized;then an opinion,that it is more significant to research load bearing capacity of hig h arch dams than for medium heig ht dams,is put forward.And the rationality,that w e research the high arch dam through elasto -plastic finite element and plastic limit method at the same time,is analyzed.Moreover,the influence of differ -ent overloading methods on load bearing capacity and the criterion of failure state are discussed.At last,an idea that the stable degree of safety should be defined respectively according to elastic state,crack state and limit state,is suggested. Key words:high arch dam;load bearing capacity;overloading methods 拱坝以安全度高、超载能力大、工程量省等特点而成为最先进的坝型之一.但众所周知,现行的拱坝设计都是以规范为标准的[1].计算中如果出现了应力超标,就通过调整体型来改善应力状态,最终只要满足了规范的应力控制,同时坝体的工程量最小就认为是合理的体型.至于拱坝的承载能力很少在设计阶段成为坝体设计的控制因素. 随着我国水利水电事业的发展,涌现出一大批已建和待建的高拱坝[2],如澜沧江的小湾、糯札 渡,金沙江的溪落渡、洪门口等,坝高都在300m 左右,比世界上已建的最高的英古里拱坝(坝高272m)还高,工程规模更大.对于这样一些高拱坝,国际上一些坝工专家认为,它们和100m 左右高的拱坝有本质上的区别,现行的设计规范和工程经验已经覆盖不了这些特高拱坝.不少高拱坝的应力分析和模型试验也表明[3]:即使在设计荷载下,在拱坝的某些部位,其实际拉应力也可能远超过混凝土的抗拉强度,所以拱坝在某些荷载下发生局部开裂
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）。
表2.2-1 组成各滑动块体的节理面产状参数表 滑动动块体计算图平面投影见图2.2-2。
拱坝坝肩稳定分析中考虑的作用荷载有：坝体作用与滑动体的作用力（包括拱端轴向力H a，径向剪力V a，梁底切向剪力V ct，梁底径向剪V cr，垂直力W1。由拱梁分载法应力计算获得其分布），滑动体自重，作用于滑动体各面上的扬压力或水压力。 荷载组合：基本组合时，以“正常蓄水位+温降”和“校核洪水位+温升”情况为代表情况；特殊组合时，以“校核洪水位+温升”为代表情况。 2.4 荷载计算
a）拱端力计算 由于双曲拱坝各高程拱圈拱端轴向和径向各不相同，为计算拱端合力，以坝顶拱圈拱端的轴向和径向为基准，将以下各拱圈的拱端力和梁底剪力换算成坝顶拱圈拱端的轴向和径向两各方向的分布力，然后根据坝肩滑动体在坝基面出露的范围计算坝体作用于滑动体的合力。 坝顶拱圈左拱端轴向方位角为151.98°，右拱端轴向方位角为234.82°。由拱梁分载法计算给出的左、右岸各拱圈拱端力、梁底剪力分布，以及转换为沿坝顶拱端轴向和径向作用力分布（沿单位高度分布）见表2.5-1到表2.5-5。 表2.4-1 左岸各拱圈拱端力和梁底剪力分布单位：1000kN/m 表2.4-2 右岸各拱圈拱端力和梁底剪力分布单位：1000kN/m
表2.4-3 左岸各拱圈拱端力和梁底剪力分布单位：1000kN/m 表2.4-4 右岸各拱圈拱端力和梁底剪力分布单位：1000kN/m
表2.4-5 左岸各拱圈拱端力和梁底剪力分布单位：1000kN/m 表2.4-6 右岸各拱圈拱端力和梁底剪力分布单位：1000kN/m
第9章施工支洞、引水隧洞及压力管道土石方开挖及支护 9.1工程简述 9.1.1工程概况 本标段发电引水系统引水隧洞、压力钢管二部分组成：一、引水隧洞长8400.047m，为马蹄形断面，开挖洞径4.15m×3.90m～5.3m×5.2m（高×宽），二、压力钢管采用地下埋管，管径2.6m，分为上平段、上斜段、中平段、下斜段、下平段，其中斜井直段（上斜段和下斜段长之和）长约504.83m，倾角60°。上平段中心高程为697.20m，中平段中心高程为480.00m，下平段中心高程为260.00m，洞内埋管长约1428.35m，开挖断面尺寸为4.2m×4.2m（宽×高，城门洞型）。 本次招标隧洞范围为引水隧洞桩号Y+1250～Y+9650.047段以及桩号G+000～ 根据招标文件表述：引水线路位于xx河左岸，沿途地表植被茂密，勘探深度较低。从周围情况分析，引水线路基岩为前寒武系花岗片麻岩（Gn），地表局部覆盖残坡积粉质粘土夹风化块石及砂、崩积块石等。引水隧洞及压力钢管上覆岩体厚度多大于100m，岩性为花岗片麻岩，岩质坚硬，推测洞室围岩以Ⅱ类为主，围岩稳定，隧洞进出口段、沿线沟槽地段、断层带受表层卸荷影响及构造影响，岩体裂隙发育，围稳定性差，洞室围岩为Ⅲ-Ⅳ类，存在围岩稳定问题。由于前期勘察工作受交通及自然条件等因素的限制，勘察程度低，施工期应加强隧洞开挖的超前勘探预报及施工地质工作。 9.2施工总体方案 依据设计文件，引水隧洞工程施工从1#～6#施工支洞进行施工，进场后首先开始修建到各支洞口的临时道路，临时道路沿相应的等高线布置，道路长约28.1km，宽4.0m。考虑到今后的交通运输需要，计划在每隔500左右的位置修建一个会车道，确保交通畅通。 依据有关地质资料，引水隧洞主要是II类围岩，地质条件较好。在施工中先进行施工支洞开挖，再进行引水隧洞的洞挖，其次开始浇筑混凝土，钢管段先进行安装压力钢管，再进行隧洞混凝土浇筑，最后进行隧洞回填灌浆和固结灌浆的施工方法进行施工。 各施工支洞洞口施工先进行洞口明挖施工和洞口边坡支护，达到进洞条件后采取
某拱坝左岸稳定计算分析 某拱坝左岸稳定计算分析 摘要：本论文主要进行的是某水库拱坝坝肩的稳定性校核。通 过刚体极限平衡法，并结合反力参数法程序分析某水库拱坝坝肩安全性。运用坝肩稳定分析原理，搞清拱坝抗滑稳定的基本概念，对作用在拱坝上的荷载进行分析，了解坝肩稳定计算公式的一些限制条件，应用这些基本原理和假定完成极限平衡分析。参考《浆砌石坝设计规范》，本工程为三等工程，拦河坝建筑物的级别为3级。通过岩石的 物理力学性质试验，定出抗剪强度参数，进行拱座稳定计算。选择坝肩稳定计算工况，算出左岸拱座稳定计算成果。得出的结论是某水库拱坝左岸坝肩满足规范要求。 Abstract: This paper is a reservoir arch dam abutment stability check. Through rigid body limit equilibrium method, and the combination of force parameters program analysis of a certain reservoir arch dam safety. Application of dam abutment stability analysis of arch dam stability against sliding principle, make clear the basic concepts, the effects on arch dam load analysis, understand the abutment stability calculation some restricted conditions, the application of these principles and assumed complete limit equilibrium analysis. Reference " stone masonry dam design specification ", this project for the three project, dam building at Level 3. Through the rock physical and mechanical properties test, the shear strength parameters, for abutment stability calculation. Selection of dam abutment stability calculation condition, calculate the left bank abutment stability calculation results. The conclusion is a reservoir arch dam left bank abutment can meet the requirements of specification.
拱坝课程设计计算
水 工 建 筑 物 课 程 设 计 设计题目：拱坝 学院：土木建筑工程学院 班级：水电061 姓名：徐君 学号： 指导老师：肖良锦老师 第一章工程概况 某工程位于排坡河中游河段，以发电为主。电站装机2X630Kw，坝址以上流域面积151Km2。枢纽主要建筑物有混凝土拱坝，坝后引水式厂房等。大坝为五等5级建筑物。设计洪水
（三十年一遇）367m3/s，校核洪水（二百年一遇）572m3/s。 坝址河床为较对称的V型河谷，两岸坡较陡。河床及漫滩砂砾石层厚为0~3m，弱风化层厚2~2.5m。坝后冲刷坑范围以内河床为炉山组中至厚层白云岩，其岩性坚硬致密，隐节理发育，抗冲刷强度高。 上游坝址溢流堰顶高程375.00m。 电站额定引用流量2X2.69m3/s。 该电站位于我省东部多暴雨地区，洪水强度大，流域坡度陡，汇流快，洪水陡涨陡落，枢纽建筑物布置多集中于河床。确定正常蓄水位与溢流堰顶高程平齐。 课程设计任务 根据以上提供的基本情况及地形图，布置设计混凝土拱坝。步骤如下： 1、拱坝布置的原则在地形图上布置双曲拱坝。选择7层拱圈，坝肩及河床的开挖深度按5m，坝顶无通行汽车要求。根据布置的尺寸进行拱坝应力分析，直至满足应力要求为止。（时间2天） 2、选择坝顶溢流方式及消能方式，进行相应水力学计算。确 定；孔口尺寸、闸墩宽度、上游设计水位、校核水位、下游设计水位、校核水位、工作桥。（时间1天） 3、根据布置及计算结果，要求提供以下成果。（时间2天） 拱坝平面布置图（建议比例1：200） 溢流坝剖面图（建议比例1：200）
非溢流坝剖面图（建议比例1：200） 拱坝下游立视图或展视图（建议比例1：200） 设计计算书1份 第二章拱坝的体形和布置 2.1设计参数 坝体材料：C20混凝土，容重 2.4t/m3,弹模为25.5×109(坝体弹模考虑徐变的影响，取为瞬时弹性模量的0.6--0.7)，泊松比0.167，线胀系数1×10-5/℃，导温系数3m2/月。 坝基：白云岩，容重2.5t/m3,弹模29.82×109，泊松比0.17，线胀系数1.4×10-5/℃，导温系数3m2/月。淤沙浮容重按1.3t/m3,内摩擦角14°。 温度荷载按规范(SD145-85)计算，封拱灌浆温度取8～12℃。 2.2控制指标 大坝拱肩稳定及应力控制指标均严格按照《混凝土拱坝设计规范》（SD145-85）执行，见表2-1、2-2。 表2-1 抗滑稳定安全系数表
开题报告 设计题目： 学院：学号：姓名： 一、毕业设计选题的目的和意义 拱坝是目前大坝设计中的三大优选坝型之一，以其结构合理和体形美观而著称。经过工程实践检验，拱坝的优越性已得到广泛的认可。拱坝在外荷载作用下，坝体以受压为主能适应筑坝材料抗压强度高的特点。拱坝的稳定性主要是利用坝端两岸岩体抗力来维持，而不像重力坝主要靠自重维持，因此拱坝的体积要比重力坝小得多。另外，拱坝可看作由拱梁组成的统一体，属于高次超静定结构，具有巨大的超载能力，在遭受外荷载使坝体局部开裂时，坝体应力将自行调整，使得拱坝的超载安全度较大。 国内已建和拟建的水利工程大都是大型工程，消耗的费用是极其巨大的。为了寻求更大的经济效益，人们在坝工设计中越来越注重在满足安全条件的前提下，尽可能的节约材料。拱坝由于其优越的安全性和经济性，也越来越多地受到设计者的青睐。经过几十年的努力，我国在拱坝建设方面逐渐积累了丰富的经验。拱坝体形由单曲型式衍生发展了椭圆、对数螺旋线等多种型式。设计方法也由手工绘图发展到计算机辅助设计。此外，在枢纽布置、泄洪消能、基础处理、体形优化等多方面都取得了很大进展。随着拱坝的设计、施工和基础处理技术的不断进步，拱坝越来越具有广阔的发展前途。 拱坝设计需要考虑多重因素，涉及知识全面而又系统。通过拱坝水利枢纽的设计研究，掌握一个水利枢纽的基本设计程序和方法。巩固加深所学专业知识，扩大专业知识面，使所学知识系统化。同时学习国内外最新的拱坝研究成果和设计理论，并结合设计选题的实际情况，尝试运用这些成果和理论分析解决工程问题，跟进行业发展的步伐。当然我国各地气候、地质和经济等条件存在巨大差异，因而拱坝程在不同地区的建设中所遇到的技术问题也不大相同，不可生搬硬套。对这些问题在逐步改进施工工艺采取有针对性措施的同时，还应结合实际工程情况因地制宜地在理论上深入开展有益的科研探索工作，促进坝工建设的发展。 二、国内外关于混凝土拱坝的研究现状和发展趋势 人类修建拱坝有着悠久的历史，最早可追溯到古罗马时代修建的鲍姆拱坝。但直到一战前,拱坝的发展是极其缓慢的,坝高也低于15m。一战至二战期间,出现了许多新的思路、方法,如多拱梁法，水管冷却方案，用小型拱坝做“原型实验”等。二战以后拱坝
中国已建成的最高坝-二滩双曲拱坝 二滩水电站位于中国四川省西南攀枝花市境内的雅砻江下游、距雅砻江与金沙江的交汇口33km，是雅砻江干流上规划建设的21座梯级电站中的第一座. 二滩水电站是一座以发电为主的大型水力发电枢纽.水库控制流域面积11.64万km2，正常蓄水位1200.0m，发电最低运行水位1155.0m，总库容58.0亿m3，调节库容33.7亿 m3，属季调节水库.电站内装6台550MW的水轮发电机组，总装机容量3300MW，多年平均发电量170亿kW·h，保证出力1000MW，是中国20世纪末建成投产的最大水电站.枢纽主要建筑物有混凝土双曲拱坝、左岸引水发电地下厂房系统、右岸两条泄洪洞等，双曲拱坝最大坝高240.0m，为中国已建成的最高坝. 二滩水电站1991年9月14日开工，1993年11月大江截流，1998年8月18日第一台机组投产，11月第二台机组投入运行，1999年4月拱坝工程基本完工，其余4台机组在1999年内投产.二滩水电站自工程正式开工历时8年零3个月全部建成投产. 1 坝址地形地质条件 二滩水电站坝址两岸谷坡陡峻、临江坡高300m～400m，左岸谷坡坡度25°～45°、右岸谷坡30°～45°，呈大致对称的“V”型河谷.河床枯期水位1011m～1012m，水面宽80m～100m，河床覆盖层厚20m～28m.枢纽区基岩由二迭系玄武岩和后期侵入的正长岩以及因侵入活动形成的变质玄武岩组成，均为高强度的岩浆岩、湿抗压强度在
170～210MPa之间.坝区岩体完整性较好，构造破坏微弱，断层不发育，无大的构造断裂及顺河断裂，小断层仅4条，延伸不长、以中高倾角与河床正交或斜交，破碎带宽0.1m～0.6m，结构紧密.此外，右坝肩中部存在一条因热液蚀变和构造综合作用形成的绿泥石——阳 起石化玄武岩软弱岩带，带宽10m左右.坝址属较高地应力区，河床下部左岸高程954m至976m部位，实测最大应力50.0～65.9MPa，高程1040m附近18.8～38.4MPa.坝区岩石抗风化能力较强，风化作用主要沿结构面进行和扩展，总体风化微弱.拱坝建基面主要为弱偏微风化或微风化至新鲜的正长岩、变质玄武岩、微粒隐晶玄武岩和细粒杏仁状玄武岩，岩体多为块状至整体结构、局部为镶嵌至碎裂结构，结构面闭合. 坝基水文地质条件简单、无集中涌水和渗水，基础岩体渗透性微弱、具有随深度增加而减弱的垂直分布特征，但不均一，相对不透水层的埋深变化较大. 枢纽处在川滇南北向构造带的中段西部相结稳定的共和断块上，断块内不存在发震构造，历史上无强震记载、坝址区地震基本裂度为Ⅶ度.拱坝及枢纽主要建筑物按Ⅷ度设防. 2 拱坝体形 二滩双拱坝最大坝高240m、拱冠顶部厚度11m，拱冠梁底部厚度55.74m，拱端最大厚度58.51m，拱圈最大中心角91.5°，拱顶弧长774.69m. 二滩拱坝体形为抛物线形双曲拱坝.平面上拱端曲率较小而趋扁平
第四节拱坝的应力分析 一、拱坝应力分析的常用方法 拱坝是一个空间弹性壳体，其几何形状和边界条件都很复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。在工程设计中，常作一些必要的假定和简化，使计算成果能满足工程需要。拱坝应力分析的常用方法有圆筒法、纯拱法、拱梁分载法、壳体理论计算方法、有限单元法和结构模型试验法等。 (1)纯拱法: 假定拱坝由许多互不影响的独立水平拱圈组成，不考虑梁的作用，荷载全部由拱圈承担。计算简单，但结果偏大，尤其对厚拱坝。对薄拱坝和小型工程较为适用。 (2) 拱梁分载法: 假定拱坝由许多层水平拱圈和铅直悬臂梁组成，荷载由拱梁共同承担，按拱、梁相交点变位一致的条件将荷载分配到拱、梁两个系统上。梁是静定结构，其应力容易计算；拱的应力则按弹性固端拱进行，计算结果较为合理，但计算量大，需借助计算机，适于大、中型拱坝。 拱冠梁法: 最简单的拱梁分载法，可采用拱冠梁作为所有悬臂梁的代表与许多拱圈组成拱梁系统，按拱、梁交点径向线变位一致的条件来建立变形协调方程, 并进行荷载分配, 可大大减少工作量。 拱冠梁法的主要步骤是： ①选定若干拱圈，分别计算各拱圈拱顶以及拱冠梁与各拱圈交点在单位径向荷载作用下的变位，这些变位称为―单位变位‖； ②根据各共轭点拱、梁径向变位协调的关系以及各点荷载之和应等于总荷载强度的要求建立变位协调方程组； ③将上述方程组联立求解，得出各点的荷载分配； ④根据求届的荷载分配值，分别计算拱冠梁和各拱圈的内力和应力。 1、基本算式 如图3.13所示，将拱坝从坝顶到坝底划分为5–7层水平拱圈，拱圈各高1m，令各划分点的序号为自坝顶至坝底 ，各层拱圈之间取相等距离。 由拱冠梁和各层拱圈交点处径向变位一致的条件，可以列出方程组为 式中 ，2，3…，，拱冠梁与水平拱交点的序号，即拱的层数； ——单位荷载作用点的序号 ——作用在第层拱圈中面高程上总的水平径向荷载强度，包括水压力，泥沙压力等； ——拱冠梁在第层拱高程上所分配到的水平径向荷载，为未知数； （）——第层拱圈所分配的水平径向均布荷载强度； ——梁在 点所分配到的荷载强度；
计算书目录： 1、设计参数及控制指标 2、拱坝体形 3、应力计算 4、拱肩稳定计算 5、消能计算 6、坝体细部及放空、取水孔设计 1、设计参数及控制指标 1.1设计参数 坝体材料：200#砼，容重2.4t/m3,弹模1.7E6(坝体弹模考虑徐变的影响，取为瞬时弹性模量的0.6--0.7)，泊松比0.167，线胀系数1×10-5/℃，导温系数 3m2/月。 坝基：灰岩，容重3t/m3,弹模2E6，泊松比0.27，线胀系数1.4×10-5/℃，导温系数3m2/月。淤沙浮容重按1t/m3,内摩擦角14°。 水文及地基f、c等有关各专业的基础资料请见附件1。 温度荷载按规范(SD145-85)附录公式由程序动计算，封拱灌浆温度取8-12℃。 1.2控制指标 大坝拱肩稳定及应力控制指标均严格按照《混凝土拱坝设计规范》（SD145-85）执行，见表1-1、1-2。 表1-1 抗滑稳定安全系数表 2、拱坝体形 拱坝体形为双曲拱坝，拱圈平面曲线采用圆弧。因两岸地形不完全对称而采用两岸不同半径的双曲拱坝。 2.1坝顶高程的拟定
设计洪水位(p=2%)：848.35m 正常蓄水位：848m 2.1.2 坝顶高程根据各种运行情况的水库静水位加上相应超高后的最大值确定。顶超高值Δh按下式计算(请见SD145-85《混凝土拱坝设计规范》第八章拱坝构造） Δh=2h l + h0 + h c 式中：Δh………坝顶距水库静水位高度(m) 2h l………浪高(m) h0………波浪中心线至水库静水位的高度(m) h c………安全超高(m)：正常运用情况取0.4m，非常运用情况取0.3m。 2.1.3 波浪要素按“官厅——鹤地”公式计算： 2h l = 0.0166 V f5/4 D f1/3 2L1 = 10.4(2h l ) 0.8 h0 = 4πh l2 /(2L1) 式中：2L1 ………波长（m）； D f ………吹程，由坝前沿水面至对岸的最大直线距离(km) ,取1Km。 V f ………计算风速(m/s)，正常和设计情况取15m/s，校核情况取 9.6m/s。 2.1.4 坝顶高程计算成果见下表： 河床底部高程为782.3m，按地质提供的基本资料，挖深按20.5m计，则坝高为87.4m，属于高坝，在坝顶高程849.7m开挖后的河谷水平宽度为193.63m，则河谷宽高比L/H = 193.63 / 87.4 = 2.215，属“V”型河谷。 2.2、拱坝体型设计
工作文档对数螺旋线型双曲拱坝几何计算程序使用说明书对数螺旋线型双曲拱坝几何计算程序使用说明书 对数螺旋线型双曲拱坝计算机辅助设计几何计算程序采用QBASIC语言编制～在一般微机上运行～该程序可解决对数螺旋线型双曲拱坝平面拱圈、各种横缝和孔口等的施工放样问题。 一、坐标系及单位 1、三维直角坐标系的Y轴就是拱坝的“对称”中心轴线～并指向下游,X轴指向左岸,Z轴垂直向下,座标系原点设在坝顶,一般在顶拱拱冠上游点,。 2、单位 程序输入、输出所用单位～长度以m计,角度以度计。 二、描述体型的主要参数及其函数关系 描述对数螺旋线型拱坝体型的主要几何参数有: 1、Yc Y是拱圈中心轴线在拱冠点处的Y座标值～或者说是拱冠梁中心轴线上c 各点的Y座标。 2、T c T是拱冠梁各高程处的厚度 c 3、T及T alar T及T分别是左、右两半拱拱圈的端部厚度。 alar 4、R及R lr R及R分别是左、右两半拱拱圈轴线在拱冠处的曲率半径。lr 、θ5及θ lr θ及θ分别是左、右两半拱拱圈轴,对数螺旋线,线方程中的初始角。lr
6、X及X DlDr X及X分别是左、右两半拱拱圈下游端点X座标。DlDr 一般地说～上述参数都是Z座标的多项,n+1项,式: 在作施工放样座标计算时～上述全部参数的函数关系应尽知。 这些参数的函数式～其次数往往是不同的～设其中最高的次数是n次～0用户在使用程序时～应把坝顶高程H和n的数值～库存在程序的第21行～o0 前述各参数函数式中的系数[A]都要按序紧接n库存～中间不允许插入任何0 别的内容～而且～Tc的系数[A]应从程序的第23行开始库存～每个参数的系数都必须是n+1个～不能多也不能少～不足部分或未知者均须用若干个零按0 位补足。 三、主要计算公式 如图1示～某高程左右水平拱圈中轴线各为某对数螺旋线的一段～其极座标方程为: k, ,,,e0 相应参数方程为: ,k,x,e,,, ,[sin(，),sin],0c ,k,,yY,,e,,,， [cos,,cos(，)]0,cc kφ2 其中～k=tgθ～ρ=R/～ R= Re 1，k00o 式中: θ:对数螺旋线的初始角, ρ:初始极半径, o φ:称为“似中心角”,拱中心角,, R:拱轴线在拱冠处的曲率半径, o R:轴线上任一点的曲率半径, Y:拱轴线在拱冠处的y坐标, c θ、φ均以左曲线为正～右曲线为负。
拱坝拱冠梁法应力计算 一：概述 理论基础：拱梁变位协调方程计算拱和梁各自所承受的荷载。 优点：它是一种简化了的拱梁分载法，它是以拱冠处一根悬臂梁为代表，与若干水平拱作为计算单元进行荷载分配，然后计算拱冠梁及各个拱圈的应力，计算工作量比拱梁分载法节省很多。拱梁分载法可用于大体对称，比较狭窄河谷中的拱坝初步应力计算。对于中、低拱坝也可以用于可行性研究阶段的坝体应力计算。 以上为拱冠梁法拱和拱冠梁荷载计算步骤，最后通过变位协调方程即可得出在不同工况下各拱圈和梁的荷载，最后即可验证坝体应力是否满足规范要求。 以上是我做毕业设计《洗马河拱坝应力分析》当中觉得最为重要的一点，在此与大家分享下，希望对大家有所帮助。 说明：在拱冠梁法中我只考虑了水荷载、自重、温度荷载几个重要的荷载。如在实际分析中需要添加其它的荷载即在协调方程两边加即可，主要的计算步骤并没有因此而改变。
二：截面形状的计算 单宽拱冠梁的各水平截面在坝轴线处为1m ，两侧为径向直径，洗马河拱坝各拱圈为等厚圆拱，各水平截面为标准扇形，为计算方便将上游面和下游面弧线和坝轴线均用直线代替，在计算截面面积、偏心距以及惯性矩时就可以采用如下统一公式计算 []i 10 A 1//2i E E T R R R R =+ （4-1） []() 1112//31/i i E E L T R R R R =++ （4-2） ()()2 3110114///361/i i E E E E I T R R R R R R R R ??=+++?? （4-3） 三：梁在水平径向力作用下径向变位计算 ij a 是拱冠梁上第j 号水平单位荷载在第i 点引起的径向线变位，一般称之为 梁的变位系数。ij a 不仅与梁上各点水平荷载有关，而且也与地基变位有关，其计算公式为： c c ij r a =h++M/(EI)h +KV/(AG)h θ???????????????????????????? ????∑ ∑∑ 地基表面转角地基表面剪切变位 （4-4） 其中M 、V ——梁的各截面在j 号单位荷载作用下的弯矩和剪力； I 、A ——梁上个计算截面的惯性矩和面积； E 、G ——坝体材料的弹性模量和剪切模量，[]2(1+)G=E/μ，μ为泊松比系数； K ——剪力分布系数，可取1.25，则K/G=3/E ； h ?——梁的分层高度； 式中（4-4）[]M/(EI)∑是由于坝体弯矩引起的转角，[]KV/(AG)∑坝体剪力引 起的转角。 四：铅直水压力作用下悬臂梁的内力和变位 铅直水压力作用于上游面所引起的梁的内力和径向变位按如下过程计算：
世界上最高的拱坝——小湾混凝土双曲拱坝 邹丽春，傅树红 (国家电力公司昆明勘测设计研究院) 摘要：本文论述了小湾拱坝的布置设计、体型优化以及对坝体动、静应力状态的分析研究。对于目前规范尚未涉及到的高拱坝坝踵开裂问题以及在高烈度地震作用下坝体横缝的开合问题，文中采用国内外最新发展起来的多种分析方法和模型试验，从不同角度作了深入地研究。在此基础上，提出了小湾拱坝防止减少坝踵开裂的工程措施以及抗震工程措施。 关键词：小湾拱坝；体型优化；应力分析；工程措施 作者简介：邹丽春(1961-)，女，教授级高级工程师，主要从事水工建筑物设计 1工程概况 小湾水电站位于云南省西部澜沧江中游河段，系澜沧江中下游河段规划八个梯级电站中的第二级。小湾水电站是以发电为主，兼有防洪、灌溉和库区水运等综合效益的水利枢纽。总库容151亿m3，有效库容99亿m3，库容系数0.26，属不完全多年调节水库。电站总装机容量4200MW，年发电量189亿kW·h.小湾地区的地震烈度主要受外围与红河断裂、澜沧江断裂和南汀河断裂有关的三个地震危险区地震的影响，其地震基本烈度为Ⅷ度，地面峰值加速度为0.308g.拦河大坝采用混凝土双曲拱坝，最大坝高292m，为目前世界上拟建中的最高拱坝(见图1).泄洪消能建筑物由坝身5个开敞式表孔溢洪道、6个中孔泄水孔、2个放空底孔、左岸2条泄洪洞组成，坝后设水垫塘和二道坝。设计泄洪流量15666m3/s，校核泄洪流量20683m3/s，相应下泄功率46000MW，泄洪消能问题突出，属同类坝型当今世界之最。引水发电系统位于右岸，由竖井式进水口、埋藏式压力管道、地下厂房、主变开关室、尾水调压室和尾水隧洞等建筑物组成。压力管道内径9.6m，地下厂房安装6台700MW混流式水轮发电机组，长326m，宽29.5m，最大高度65.5m. 2拱坝布置 坝址处河谷基本对称，河谷深切呈“V”字型。正常蓄水位处天然河谷宽约720m，天然河谷宽高比为2.74.两岸山体雄厚，高出河面100m以上，为坝高的3～4倍。两岸山坡陡峻，岸坡角左岸35°～45°，右岸40°～42°。大部分地段基岩裸露，河床冲积层厚16～28m.坝基及坝肩抗力体范围内基岩主要为致密的角闪斜长片麻岩和黑云花岗片麻岩。片麻节理走向基本与河流垂直，陡倾角，倾向上游。岩性坚硬，Ⅰ、Ⅱ类岩体湿抗压强度均大于130MPa，变形模量1.5～3.2×104MPa，纵波速一般在4500m/s以上。 除有一条Ⅱ级断层F 7，位于坝址上游侧穿过枢纽区外，在坝基及抗力体内主要分布有F 5 、 F 11、F 10 、F 20 四条Ⅲ级断层。根据坝址区地形、地质条件，综合考虑枢纽总布置、拱坝体 型、坝肩稳定等诸多因素后，选定小湾拱坝坝轴线位于断层F 7与F 5 之间。在选定的坝轴 线位置，上游受F 7 断层、右岸电站进水口，左岸坝前堆积体的限制，下游受左岸坝后卸 荷岩体、右岸F 5 断层等条件的限制，可供布置拱坝的水平位置有限。经过20余个方案
典型拱坝失事案例 1943年，意大利刚刚结束墨索里尼的独裁统治，从第二次世界大战的硝烟中摆脱出来。经过战火洗礼，这个国家早已满目疮痍，缺少从汽车到面包的几乎一切产品。为了获得重建所必需的电力供应，也为了满足电力集团对利润的渴望，在SADE（亚德里亚电力协会）的游说下，就在这一年，国会中35位部长中的13位被召集起来举行会议，决定在意大利东北部阿尔卑斯山区修建一座当时世界上最高的大坝——瓦依昂大坝（Vajont Dam）。
尽管根据法律规定，要表决是否兴建瓦依昂大坝这样的议题，必须有超过半数的部长到会，因此表决结果事实上是非法和无效的，但1948年，意大利共和国的第一任总统路易吉?埃纳乌迪还是签署批准了这一案。 瓦依昂大坝位于意大利北部阿尔卑斯山区皮亚韦（Piave）河的左岸支流瓦依昂河上，离水城威尼斯只有90公里。阿尔卑斯山区良好的森林覆盖和得天独厚的气候条件，使得这里春夏秋三季雨量充沛，山谷中河流淙淙，水利资源十分丰富。早在1939年，工程师们就对这里进行了考察，提出了最早的设计方案：鉴于单独一个山谷的溪流的水力较小、而相邻山谷相距很近的情况，工程师们提出了修建穿山隧洞，将相邻的峡谷湖泊、溪流联接起来，集中水量和落差，建立大型水电站的工程构想。瓦依昂山谷独特的地理条件，成为实现上述构想的最佳地点：山谷呈葫芦型，谷口狭窄便于修建大坝；山谷内腹宽阔、深度大，能最大程度地多蓄水。根据规划，瓦依昂大坝的坝身高达230米。
1956年，大坝正式开始施工。瓦依昂大坝的独到之处在于采用了双曲拱结构。双曲拱是意大利人异乎寻常的灵感与想象力在服装设计领域之外