拱坝的布置

第三节拱坝的布置一、拱坝断面尺寸的初步拟定当坝高已定，坝体待定的基本尺寸主要是：拱圈的平面形式及各层拱圈轴线的半径和中心角，拱冠梁上下游成的形式以及各高程的厚度。

首先要拟定的是平面拱圈的形式及其中心角、半径和厚度，以及拱冠悬臂梁的尺寸。

圆弧形拱圈的中心角、半径和厚度拱坝的水平拱圈以圆弧形最为常用。

图3-10为从拱坝任意高程取的单位高度的等截面圆拱，设拱圈的外半，拱圈中心线半径为，中心角为，在沿外弧均布水压力平衡条件可得“圆简公式”为：径为图3.10 圆弧拱圈水平拱圈的较优形态合理的拱圈形式应当是压力线接近拱轴线，使拱截面的压应力分布趋于均匀，从工程力学可知，当单独一个拱圈在上游面承受匀布水压力时，其最合理的形态为圆弧拱。

但是对于拱坝来说，由于其结构性能具有水平拱和垂直梁的作用，拱梁的系统共同承担外荷载，且水平拱所分担的水压力部分往往是非匀布的，通常是从拱冠向拱端逐渐减少（图3-1c）的。

因此最经济合理的拱圈形大辩论就不一定是圆弧拱，实际采用时需综合考虑经济、设计及施工等因素。

铅直剖面（拱冠梁）的形式和尺寸在拱坝的轴线和拱圈平面形式确定之后，铅直剖面可以拱冠梁为代表，初步拟定其尺寸。

1、坝顶厚度坝顶厚度应根据剖面设计确定，并满足运行、交通要求，一般不应小于3m。

坝顶厚度还可按下列经验公式估算：式中H——坝高(m)L1——坝顶高程外两拱端新鲜基岩之间的直线距离（m）；R辆——顶拱轴线的半径（m），初估时可取，此时相当于顶拱中心角为113°。

在实际工程中常以顶拱外弧作为拱坝的轴线。

2、坝底厚度拱坝的坝底厚度主要取决于坝高和河谷形状。

设计时可参考已建成的坝高和河谷形状大致相近的拱坝来初步拟定，再通过计算和修改布置定出合适的尺寸。

作为拱坝优选的初始方案，坝底厚度可按下式计算：式中K——经验系数，一般可取K=35×10-4——分别为第一层及倒数第二层拱圈处两拱端新鲜基岩面之间的直线距离（m）；3、拱冠梁的形态和尺寸拱冠梁剖面的形态对拱坝的竖直曲率和自重应力有很大影响。

选择坝型、尺寸 、平面布置，以满 足应力和稳定要求 ，运行要求，经济 要求。

开始在地形图上进行布置选择拱圈型式、悬臂梁的型式倒悬度检查应力分析结束稳定分析§2-2 拱坝的布置拱坝的布置— 2.2.1 拱圈形状与尺寸— 合理的拱圈型式应当是压力线接近拱轴线，使拱 截面的压应力分布趋于均匀。

— 由工程力学知，拱圈在匀布荷载作用下，其合理 拱轴线为一圆弧。

— 圆筒公式： — — 拱圈厚度：—— （2-1）N pR = 0 [][]2[]sin N pR pB d s s s j === 拱坝的布置中心角与拱圈厚度的关系:中心角大一些,拱圈厚度小一 些,拱圈内力小一些,因此适当加大中心角是有利的。

但 过大的中心角将使拱端弧面的切线与河岸等高线的夹 角变小,降低拱座的稳定形性。

同时增加了拱圈长度，工程量不经济。

拱坝的布置— 根据经验：— 拱圈最大中心角高程：0.4～0.7倍坝高 — 混凝土坝拱圈最大中心角：75～110゜ — 浆砌石坝拱圈最大中心角：80～110゜ — 坝底部中心角：50～80゜ — 中小型拱坝可用公式（2-1）初估拱圈厚度，但允许 应力值只能采用容许压应力的一半。

拱坝的布置最合理的拱圈不一定是圆弧，还可能有其他型式,如 三圆心拱、椭圆拱及抛物线拱等。

实际采用时需综合考虑经济、施工等因素，选择合理的拱圈型式。

(a)等厚度圆; (b) 抛物线拱厚度； (c) 三圆心拱； (d) 椭圆拱；(e)变厚圆拱；(f) 变厚非圆拱拱坝的布置（内径、外径、圆心、中心角） 对底部狭窄的“V”字形河谷，宜将各层拱圈外半 径由上至下逐渐减小，可大大减少坝体方量。

拱坝应力条件 较好，梁呈弯 曲形状,兼有拱的作用,更经济，但有倒悬出现，设计及施工较复杂，对“V”、“U”型河谷都适用.Ø等中心角变半径 拱坝的布置Ø变圆心变半径 （内径、外径、圆心、中心角） 让梁截面也呈弯曲形状，因此悬臂梁也具有拱的作用； 同时具有水平向和垂直向的双向曲率。

第四章拱坝主讲：戴全厚第一节概述一、拱坝的特点及类型拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，拱冠剖面呈竖直的或向上游弯曲。

坝体结构是由水平的拱圈和竖向的悬臂梁共同组成。

拱坝所承受的水平荷载一部分通过水平拱的作用传给两岸的基岩，另一部分通过竖向的悬臂梁的作用传到坝底基岩，如图6-1所示。

图6-1 拱坝平面及剖面示意图拱坝在平面上呈拱形，可由混凝土及浆砌石筑成，其荷载主要借助拱的作用传给两岸，拱内主要是压应力，这样能充分发挥材料的抗压强度，故其断面尺寸比重力坝小。

所以，拱坝具有工程量小，投资少、工期短、见效怯等优点，在小流域治理及泥石流防治中应用广泛。

近年来，我国各地修建了不少中小型拱坝，在坝型、材料、地基处理、施工等方面积累了不少经验。

高拱坝也有了很大的发展，河南省某浆砌石拱坝，坝高达95m。

小流域节拦蓄水拱浆砌石重力拱坝金沙江拱坝小流域节拦蓄水拱金沙江拱坝浆砌石重力拱坝⏹坝体的稳定主要是依靠两岸坝肩的反力来维持。

拱坝的坝肩是指拱坝所座落的两岸岩体部分，亦称拱座。

⏹拱冠梁系指位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁，一般它位于河谷的最大深处。

1.拱坝的结构特点（1）拱作用的结构特点拱是一种主要承受轴向压力的推力结构。

拱内弯矩较小，应力分布比较均匀，这一特点能适应坝体材料（混凝土或浆砌石）抗压强度高的特性，使材料的强度得到充分的发挥。

对于同一坝址，坝高相同时，拱坝的体积比重力坝可节省1/3～2/3。

双曲砌石拱坝（2）空间整体作用的特点拱坝四周嵌固于基岩，属于高次超静定结构，当发生超载或产生局部裂缝时，坝体拱梁作用自行调整，坝体的应力将重新分配，原来低应力区的应力增大，高应力不再增长，裂缝停止发展甚至闭合。

根据国内外拱坝结构模型实验成果表明，拱坝的超载能力可达到设计荷载的5～11倍。

实例：意大利瓦依昂（Vajont）双曲拱坝，1961年建成，坝顶长190.5m，顶宽3.4m，底宽22.7m，最大坝高265.5m，是当时世界上最高的混凝土薄拱坝。

第二章拱坝第一节拱坝的特点、类型一、特点1、拱坝在水平外荷载作用下的稳定性主要是依靠作为拱座的两岸岩体的反力，并不全靠坝体自重来维持稳定，这是拱坝的一个主要工作特点。

2、拱坝可比重力坝节省工程量1/3～2/3；另外还可减少基础开挖，缩短泄水(引水)渠道和导流洞的长度。

3、拱坝超载能力很强，其破坏时所达到的荷载可达设计荷载的7～11倍(只要拱肩有足够的稳定性)。

4、拱坝的抗震性能好。

(世界坝高100m以上的拱坝有40座建在7～8度以上的地震区)。

5、拱坝砼的标号一般高于重力坝，(百米高以上的拱坝常用200～300号砼，百米以下的拱坝常用200号砼，重力坝则用150号砼)，但每方砼增加的单价一般不会超过重力坝的10～15％。

6、近年来，拱坝坝顶或表孔大流量泄洪已趋普遍，单宽流量已超过200m3/s。

7、温度荷载应列为拱坝的主要荷载，扬压力对坝体应力的影响则小，对薄拱坝可忽略之。

但在计算拱肩稳定时，则应考虑扬压力。

因此拱坝应力计算中三个最主要的荷载为：水平水(砂)压力、温度荷载、自重。

二、拱坝的适用条件(一)地形条件1、理想的地形条件：河谷断面狭窄对称，山体雄厚，坝址上游较为宽阔，顺河流方向河谷逐渐变窄，呈“漏斗”状。

2、地形条件指标——河谷宽高比Ｌ/Ｈ<2.0时，薄拱坝Ｌ/Ｈ＝2.0～3.0时，中厚拱坝Ｌ/Ｈ>3.0时，厚拱坝虽然目前已认为L/H=5～7左右，拱坝仍可能有较好的经济性。

但到1990年为止，国外高于120米已建的拱坝中，L/H＞5的仅3座，L/H＞3的仅21座，说明拱坝(特别是高拱坝)应选在河谷狭窄处，中低拱坝的应力较小，L/H可放宽一些。

３、Ｕ形河谷与Ｖ形河谷的区别Ｕ形河谷大部分荷载由梁承担，坝体较厚。

Ｖ形河谷大部分荷载由拱承担，坝体较薄。

(二)地质条件理想的地质条件是：构造简单、岩体坚硬、完整、均一、有足够的强度、透水性小、抗风化能力强。

三、拱坝发展现状120m以上高拱坝中，以瑞士，美国，意大利，西班牙等国较多。

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。

拱坝布置的步骤图1拱坝倒悬的处理拱坝的布置无一成不变的固定程序，而是一个反复调整和修改的过程。

一般步骤如下：（1）根据坝址地形图、地质图和地质查勘资料，定出开挖深度，画出可利用基岩面等高线地形图。

（2）在可利用基岩面等高线地形图上，试定顶拱轴线的位置。

将顶拱轴线绘在透明纸上，以便在地形图上移动、调整位置，尽量使拱轴线与基岩等高线在拱端处的夹角不小于30°，并使两端夹角大致相同。

按选定的半径、中心角及顶拱厚度画出顶拱内外缘弧线。

（3）初拟拱冠梁剖面尺寸，自坝顶往下，一般选取5~10道拱圈，绘制各层拱圈平面图，布置原则与顶拱相同。

各层拱圈的圆心连线在平面上最好能对称于河谷可利用岩面的等高线，在竖直面上圆心连线应为连续光滑的曲线。

（4）切取若干铅直剖面，检查其轮廓线是否光滑连续，有无倒悬现象，确定倒悬程度。

并把各层拱圈的半径、圆心位置以及中心角分别按高程点绘，连成上、下游面圆心线和中心角线。

必要时，可修改不连续或变化急剧的部位，以求沿高程各点连线平顺光滑。

（5）进行应力计算和坝肩岩体抗滑稳定校核。

如不满足要求，应修改布置及尺寸，直至满足拱坝布置设计的总要求为止。

（6）将坝体沿拱轴线展开，绘成拱坝上游或下游展视图，显示基岩面的起伏变化，对于突变处应采取削平或填塞措施。

（7）计算坝体工程量，作为不同方案比较的依据。

图2为在地形图上布置拱坝的示意图。

图2拱坝布置示意图（a）沿拱坝基座轴线的地形横剖面图；（b）拱冠梁剖面；（c）在某高程处切出的水平拱圈1—原地面线；2—新鲜基岩边界线；3—拱坝支座的周界；4—混凝土垫座标签：拱坝布置的步骤。