水木建筑物教學(xué)之拱壩

1、第四章第四章 拱拱 壩壩第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、拱壩的特點(diǎn)及類(lèi)型一、拱壩的特點(diǎn)及類(lèi)型拱壩是固接于基巖的空間殼體結(jié)構(gòu)，在平面上呈凸向上游的拱形，拱冠剖面呈豎直的或向上游彎曲。壩體結(jié)構(gòu)是由水平的拱圈和豎向的懸臂梁共同組成。拱壩所承受的水平荷載一部分通過(guò)水平拱的作用傳給兩岸的基巖，另一部分通過(guò)豎向的懸臂梁的作用傳到壩底基巖，如圖4-1所示。圖4-1 拱壩平面及剖面示意圖n壩體的穩(wěn)定主要是依靠?jī)砂秹渭绲姆戳?lái)維持。拱壩的壩肩是指拱壩所座落的兩岸巖體部分，亦稱拱座。n拱冠梁系指位于水平拱圈拱頂處的懸臂梁，一般它位于河谷的最大深處。1.1.拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）拱作用的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）拱作用的結(jié)

2、構(gòu)特點(diǎn): 拱是一種主要承受軸向壓力的推力結(jié)構(gòu)。拱是一種主要承受軸向壓力的推力結(jié)構(gòu)。拱內(nèi)彎矩較小，應(yīng)力分布比較均勻，這拱內(nèi)彎矩較小，應(yīng)力分布比較均勻，這一特點(diǎn)能適應(yīng)壩體材料（混凝土或漿砌一特點(diǎn)能適應(yīng)壩體材料（混凝土或漿砌石）抗壓強(qiáng)度高的特性，使材料的強(qiáng)度石）抗壓強(qiáng)度高的特性，使材料的強(qiáng)度得到充分的發(fā)揮。對(duì)于同一壩址，壩高得到充分的發(fā)揮。對(duì)于同一壩址，壩高相同時(shí)，拱壩的體積比重力壩可節(jié)省相同時(shí)，拱壩的體積比重力壩可節(jié)省1/31/3 2/32/3。 （2）空間整體作用的特點(diǎn)）空間整體作用的特點(diǎn): 拱壩四周嵌固于基巖，屬于高次超靜拱壩四周嵌固于基巖，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生超載或產(chǎn)生局部裂縫時(shí)，定結(jié)

3、構(gòu)，當(dāng)發(fā)生超載或產(chǎn)生局部裂縫時(shí)，壩體拱梁作用自行調(diào)整，壩體的應(yīng)力將壩體拱梁作用自行調(diào)整，壩體的應(yīng)力將重新分配，原來(lái)低應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力增大，重新分配，原來(lái)低應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力增大，高應(yīng)力不再增長(zhǎng)，裂縫停止發(fā)展甚至閉高應(yīng)力不再增長(zhǎng)，裂縫停止發(fā)展甚至閉合。根據(jù)國(guó)內(nèi)外拱壩結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)成果合。根據(jù)國(guó)內(nèi)外拱壩結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)成果表明，拱壩的超載能力可達(dá)到設(shè)計(jì)荷載表明，拱壩的超載能力可達(dá)到設(shè)計(jì)荷載的的5 51111倍。倍。n實(shí)例：實(shí)例：意大利瓦依昂（意大利瓦依昂（VajontVajont）雙曲拱壩，）雙曲拱壩，19611961年建成，壩頂長(zhǎng)年建成，壩頂長(zhǎng)190.5m190.5m，頂寬，頂寬3.4m3.4m，底寬，底寬22

4、.7m22.7m，最大壩高最大壩高265.5m265.5m，是當(dāng)時(shí)世界上最高的混凝土薄，是當(dāng)時(shí)世界上最高的混凝土薄拱壩。拱壩。19631963年年1010月月9 9日晚，由于連續(xù)降雨，水庫(kù)日晚，由于連續(xù)降雨，水庫(kù)水位上漲，左岸靠壩的上游發(fā)生大體積巖石滑坡，水位上漲，左岸靠壩的上游發(fā)生大體積巖石滑坡，近近3 3億億m m3 3的滑坡體以的滑坡體以40 40 m/sm/s的速度滑入水庫(kù)并沖的速度滑入水庫(kù)并沖上右岸，掀起上右岸，掀起150m150m高的涌浪，涌浪溢過(guò)壩頂，沖高的涌浪，涌浪溢過(guò)壩頂，沖向下游，致使向下游，致使26002600人喪生，但拱壩并未破壞，僅人喪生，但拱壩并未破壞，僅在壩肩附近

5、的壩內(nèi)發(fā)生二、三條裂縫。據(jù)估算，在壩肩附近的壩內(nèi)發(fā)生二、三條裂縫。據(jù)估算，拱壩當(dāng)時(shí)已承受住相當(dāng)于拱壩當(dāng)時(shí)已承受住相當(dāng)于8 8倍設(shè)計(jì)荷載的作用力，倍設(shè)計(jì)荷載的作用力，由此可見(jiàn)該拱壩的超載能力。由此可見(jiàn)該拱壩的超載能力。（3）拱壩具有較高的抗震能力）拱壩具有較高的抗震能力: 拱壩是一個(gè)整體的空間殼體結(jié)構(gòu)，壩體拱壩是一個(gè)整體的空間殼體結(jié)構(gòu)，壩體輕韌而富有彈性。當(dāng)基礎(chǔ)及壩肩巖體穩(wěn)定時(shí)，輕韌而富有彈性。當(dāng)基礎(chǔ)及壩肩巖體穩(wěn)定時(shí)，其抗震能力較強(qiáng)。其抗震能力較強(qiáng)。（4）荷載特點(diǎn)）荷載特點(diǎn): 對(duì)于拱壩，溫度荷載是對(duì)于拱壩，溫度荷載是主要荷載之一。拱壩周邊固接于基巖上，溫主要荷載之一。拱壩周邊固接于基巖上，溫度變

6、化及地基變形等對(duì)壩體應(yīng)力有顯著影響。度變化及地基變形等對(duì)壩體應(yīng)力有顯著影響。據(jù)實(shí)測(cè)資料分析表明，由溫度變化引起的徑據(jù)實(shí)測(cè)資料分析表明，由溫度變化引起的徑向位移，約占總位移的向位移，約占總位移的1/31/32/32/3。（5）壩身泄流及施工較為復(fù)雜）壩身泄流及施工較為復(fù)雜 拱壩壩身較為單薄，壩身溢流可能引拱壩壩身較為單薄，壩身溢流可能引起壩身及閘門(mén)振動(dòng)，致使材料疲勞；壩起壩身及閘門(mén)振動(dòng)，致使材料疲勞；壩身下泄水流具有向心集中作用，挑距不身下泄水流具有向心集中作用，挑距不遠(yuǎn)，易于造成對(duì)河床及河岸沖刷；壩身遠(yuǎn)，易于造成對(duì)河床及河岸沖刷；壩身開(kāi)設(shè)泄水孔會(huì)破壞拱壩作用并使孔口周開(kāi)設(shè)泄水孔會(huì)破壞拱壩作用并

7、使孔口周邊應(yīng)力復(fù)雜。邊應(yīng)力復(fù)雜。2拱壩的類(lèi)型拱壩的類(lèi)型（1 1）按拱壩的厚高比分類(lèi)：）按拱壩的厚高比分類(lèi)：n拱壩的厚高比拱壩的厚高比(T(TB B/H/H）小于）小于0.20.2為薄拱壩；為薄拱壩；n厚高比在厚高比在0.20.20.350.35之間的為中厚拱壩。之間的為中厚拱壩。n厚高比大于厚高比大于0.350.35的為厚拱壩；的為厚拱壩；（2 2）按拱壩曲率分類(lèi)可分類(lèi)：）按拱壩曲率分類(lèi)可分類(lèi)： n單曲拱壩單曲拱壩n 雙曲拱壩（水平及豎向截面均呈曲線形）。雙曲拱壩（水平及豎向截面均呈曲線形）。二、拱壩對(duì)地形及地質(zhì)的要求二、拱壩對(duì)地形及地質(zhì)的要求 1地形條件地形條件n地形條件是決定拱壩的結(jié)構(gòu)形式

8、、工程布置以地形條件是決定拱壩的結(jié)構(gòu)形式、工程布置以及經(jīng)濟(jì)性的主要因素。及經(jīng)濟(jì)性的主要因素。n壩址處河谷形狀特征通常用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表示，壩址處河谷形狀特征通常用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表示，即河谷即河谷“寬高比寬高比”及及“河谷斷面形狀河谷斷面形狀”。寬高比（寬高比（L/HL/H）值小，說(shuō)明河谷深窄，水平拱圈）值小，說(shuō)明河谷深窄，水平拱圈跨度較短，拱的剛度較大，受力大部分傳給兩跨度較短，拱的剛度較大，受力大部分傳給兩岸，因而壩體較薄。當(dāng)岸，因而壩體較薄。當(dāng)L/HL/H值較大時(shí)，壩體較厚。值較大時(shí)，壩體較厚。圖圖4-24-2給出了給出了2222座已建拱壩寬高比與壩體厚高比座已建拱壩寬高比與壩體厚高比的關(guān)系曲線，

9、的關(guān)系曲線，河谷形狀對(duì)荷載分配及剖面的影響河谷形狀對(duì)荷載分配及剖面的影響L/H1.5的深窄河谷中可建薄拱壩；的深窄河谷中可建薄拱壩；L/H=1.53.0的中等寬度河谷可修建的中等寬度河谷可修建中厚拱壩中厚拱壩；L/H34.5的寬河谷多修建厚拱壩；的寬河谷多修建厚拱壩；當(dāng)當(dāng)L/H4.5的寬淺河谷，宜建重力壩或的寬淺河谷，宜建重力壩或 拱形重力壩。拱形重力壩。近代上述界限已被突破。如：奧地利的近代上述界限已被突破。如：奧地利的希勒格爾斯雙曲拱壩，壩高希勒格爾斯雙曲拱壩，壩高130m130m，L/H=5.5L/H=5.5，TB/H=0.25TB/H=0.25；我國(guó)四川豐都縣；我國(guó)四川豐都縣聯(lián)合薄拱壩

10、聯(lián)合薄拱壩L/HL/H達(dá)達(dá)14.2514.25，T TB B/H=0.25/H=0.25。由圖可見(jiàn)：由圖可見(jiàn)：l 地質(zhì)條件對(duì)拱壩布置影響很大，對(duì)地質(zhì)條件對(duì)拱壩布置影響很大，對(duì)高壩它是決定壩型的主要因素。高壩它是決定壩型的主要因素。l 拱壩大部分荷載通過(guò)拱作用傳到兩岸，拱壩大部分荷載通過(guò)拱作用傳到兩岸，壩體的穩(wěn)定是壩體的穩(wěn)定是靠?jī)砂稁r體重量和抗剪靠?jī)砂稁r體重量和抗剪強(qiáng)度來(lái)維持的強(qiáng)度來(lái)維持的。因此，對(duì)于拱壩地基來(lái)說(shuō)，兩岸壩肩的巖體必須能夠承受拱端傳來(lái)的巨大推力。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量地避開(kāi)避開(kāi)有嚴(yán)重地質(zhì)缺陷的壩址。有嚴(yán)重地質(zhì)缺陷的壩址。2地質(zhì)條件地質(zhì)條件理想地質(zhì)是：基巖均勻單一、堅(jiān)固完整、理想地質(zhì)是：基巖均

11、勻單一、堅(jiān)固完整、強(qiáng)度高、剛度大、抗水侵蝕和耐風(fēng)化等。強(qiáng)度高、剛度大、抗水侵蝕和耐風(fēng)化等。n實(shí)際很難找到理想地質(zhì)條件，壩基總存在節(jié)實(shí)際很難找到理想地質(zhì)條件，壩基總存在節(jié)理，裂隙，軟弱層局部斷裂破碎，因此，必理，裂隙，軟弱層局部斷裂破碎，因此，必須查明工程地質(zhì)情況，采取妥善的處理措施，須查明工程地質(zhì)情況，采取妥善的處理措施，使其滿足設(shè)計(jì)要求。使其滿足設(shè)計(jì)要求。n如龍羊峽拱壩，高如龍羊峽拱壩，高178m178m，基巖被眾多的斷層，基巖被眾多的斷層和裂縫切割，巖體破碎，且位于和裂縫切割，巖體破碎，且位于9 9度強(qiáng)震區(qū)，度強(qiáng)震區(qū)，但基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)處理后，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；瑞士但基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)處理后，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；

12、瑞士的康脫拉拱壩，有順河向陡傾角斷層，寬的康脫拉拱壩，有順河向陡傾角斷層，寬3m3m4m4m，斷層本身擠壓破碎嚴(yán)重，但經(jīng)過(guò)基，斷層本身擠壓破碎嚴(yán)重，但經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)處理，成功地建成了高礎(chǔ)處理，成功地建成了高220m220m的拱壩。的拱壩。第二節(jié)第二節(jié) 拱壩的布置拱壩的布置n 拱壩布置的基本內(nèi)容：拱壩布置的基本內(nèi)容：根據(jù)地形、根據(jù)地形、地質(zhì)、水文及施工條件，選擇壩型；地質(zhì)、水文及施工條件，選擇壩型；初擬壩體剖面基本尺寸、壩體的平面初擬壩體剖面基本尺寸、壩體的平面布置等布置等 。n 拱壩布置的原則是：拱壩布置的原則是：在滿足壩體應(yīng)在滿足壩體應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定的前提下，盡可能地使力和壩肩穩(wěn)定的前提下，盡可能地

13、使工程量最省，造價(jià)最低、安全度高和工程量最省，造價(jià)最低、安全度高和耐久性好。耐久性好。一、水平拱圈布置一、水平拱圈布置n1拱中心角拱中心角2A確定確定n由圓桶公式從應(yīng)力條件得：由圓桶公式從應(yīng)力條件得： 或或Appsin)2(22sinpTAn由式（由式（4-24-2）可見(jiàn)，當(dāng)應(yīng)力條件相同時(shí)，）可見(jiàn)，當(dāng)應(yīng)力條件相同時(shí)，2A越大，拱圈厚度越大，拱圈厚度T T越小，壩體越經(jīng)濟(jì)。越小，壩體越經(jīng)濟(jì)。2A過(guò)大過(guò)大, ,拱圈弧線增長(zhǎng)，則工程量增大。拱圈弧線增長(zhǎng)，則工程量增大。相應(yīng)抵消了由厚度減小所節(jié)省的工程量。相應(yīng)抵消了由厚度減小所節(jié)省的工程量。n從公式（從公式（4-34-3）可得，當(dāng)）可得，當(dāng)T T一定，

14、外荷載、一定，外荷載、河谷形狀相同時(shí)，河谷形狀相同時(shí)，2A越大，拱端應(yīng)力越越大，拱端應(yīng)力越小，應(yīng)力條件越好。若按與工程實(shí)際更為小，應(yīng)力條件越好。若按與工程實(shí)際更為接近的兩端固端拱計(jì)算，當(dāng)中心角接近的兩端固端拱計(jì)算，當(dāng)中心角120120時(shí)，拱圈截面將無(wú)拉應(yīng)力。時(shí)，拱圈截面將無(wú)拉應(yīng)力。n因此，從減少拱圈厚度，改善壩體應(yīng)力考因此，從減少拱圈厚度，改善壩體應(yīng)力考慮，選較大的中心角是比較有利的。慮，選較大的中心角是比較有利的。n 但從穩(wěn)定條件考慮，選用過(guò)大的中心角將但從穩(wěn)定條件考慮，選用過(guò)大的中心角將較難滿足壩肩穩(wěn)定的要求。較難滿足壩肩穩(wěn)定的要求。n圖由圖圖由圖4-54-5（b b）可知，最佳中心角）可

15、知，最佳中心角2=602=608080一般可比其稍大些。一般可比其稍大些。n 現(xiàn)代頂拱圈中心角多為現(xiàn)代頂拱圈中心角多為9090110110，對(duì)于，對(duì)于壩址河谷平面上是漏斗形，其中心角可適當(dāng)壩址河谷平面上是漏斗形，其中心角可適當(dāng)加大，一般為加大，一般為110110120120；當(dāng)壩址下有軟；當(dāng)壩址下有軟弱帶或壩肩支在較薄的山嘴時(shí)，則應(yīng)適當(dāng)減弱帶或壩肩支在較薄的山嘴時(shí)，則應(yīng)適當(dāng)減小拱圈中心角，使拱端推力轉(zhuǎn)向巖體內(nèi)側(cè)，小拱圈中心角，使拱端推力轉(zhuǎn)向巖體內(nèi)側(cè)，以加強(qiáng)壩肩穩(wěn)定。以加強(qiáng)壩肩穩(wěn)定。2水平拱圈的形態(tài)n（1 1）單心圓拱）單心圓拱 n（2 2）三心圓及橢圓拱）三心圓及橢圓拱 n（3 3）拋物線拱）

16、拋物線拱 n（4 4）對(duì)數(shù)螺旋線拱）對(duì)數(shù)螺旋線拱 n（5 5）二心拱）二心拱 浙江桐坑溪雙曲拱壩浙江桐坑溪雙曲拱壩 桐坑溪桐坑溪1972年建成。位于天臺(tái)縣三茅溪年建成。位于天臺(tái)縣三茅溪支流桐坑溪上。樞紐屬四等。支流桐坑溪上。樞紐屬四等。n主要建筑物有：主要建筑物有：砌石雙曲拱壩、副壩、砌石雙曲拱壩、副壩、引水建筑物和電站引水建筑物和電站 壩址上流域面積壩址上流域面積10.7km10.7km2 2，多年平均，多年平均降雨量降雨量1600mm1600mm，流量，流量0.324m0.324m3 3s s，徑流，徑流量量10201020萬(wàn)萬(wàn)m m3 3; ;五年一遇設(shè)計(jì)洪水流量五年一遇設(shè)計(jì)洪水流量41

17、0m410m3 3s s，三百年一遇校核洪水流量，三百年一遇校核洪水流量600m600m3 3s s，水庫(kù)正常蓄水位，水庫(kù)正常蓄水位230m230m校核校核洪水位洪水位233.0m233.0m，總庫(kù)容，總庫(kù)容280280萬(wàn)萬(wàn)m m3 3。設(shè)計(jì)灌。設(shè)計(jì)灌溉面積溉面積80008000畝；四個(gè)梯級(jí)電站總裝機(jī)容畝；四個(gè)梯級(jí)電站總裝機(jī)容量量2880kw2880kw，多年平均發(fā)電量，多年平均發(fā)電量700700萬(wàn)萬(wàn)kwhkwh。 n變圓心、變半徑的雙曲拱壩高變圓心、變半徑的雙曲拱壩高48.8m48.8m，壩頂高程壩頂高程233m233m，壩頂弧長(zhǎng)，壩頂弧長(zhǎng)58.72m58.72m，壩頂中心角壩頂中心角104

18、104，壩頂厚，壩頂厚3.3m3.3m，壩壩底厚底厚5m5m，厚高比厚高比0.1020.102，弧高比，弧高比1.2031.203。左岸重力墩高。左岸重力墩高9m9m，長(zhǎng)，長(zhǎng)20m20m；右岸重力墩高右岸重力墩高20m20m，長(zhǎng)，長(zhǎng)16.5m16.5m。壩頂。壩頂外緣總長(zhǎng)外緣總長(zhǎng)95.22m95.22m。n 采用壩頂挑流的方式瀉洪，為采用壩頂挑流的方式瀉洪，為4X40m4X40m，總泄量，總泄量440m440m3 3s s天臺(tái)里石門(mén)水庫(kù)天臺(tái)里石門(mén)水庫(kù)n里石門(mén)水庫(kù)里石門(mén)水庫(kù)位于天臺(tái)縣龍溪始豐溪上。位于天臺(tái)縣龍溪始豐溪上。n壩址以上集雨面積壩址以上集雨面積296km296km2 2，水庫(kù)以灌溉、，水庫(kù)以灌溉、防洪為主，結(jié)合發(fā)電。水庫(kù)正常蓄水位防洪為主，結(jié)合發(fā)電。水庫(kù)正常蓄水位為為176m176m，校核洪水位，校核洪水位186.3m186.3m，總庫(kù)容，總庫(kù)容1.991.99億億m m3