水木建筑物教學之拱壩

第四章拱壩

第一節(jié)概述一、拱壩的特點及類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水平拱的作用傳給兩岸的基巖，另一部分通過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壩體的穩(wěn)定主要是依靠兩岸壩肩的反力來維持。拱壩的壩肩是指拱壩所座落的兩岸巖體部分，亦稱拱座。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.拱壩的結(jié)構(gòu)特點（1）拱作用的結(jié)構(gòu)特點:

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，應力分布比較均勻，這一特點能適應壩體材料（混凝土或漿砌石）抗壓強度高的特性，使材料的強度得到充分的發(fā)揮。對于同一壩址，壩高相同時，拱壩的體積比重力壩可節(jié)省1/3～2/3。（2）空間整體作用的特點:拱壩四周嵌固于基巖，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，當發(fā)生超載或產(chǎn)生局部裂縫時，壩體拱梁作用自行調(diào)整，壩體的應力將重新分配，原來低應力區(qū)的應力增大，高應力不再增長，裂縫停止發(fā)展甚至閉合。根據(jù)國內(nèi)外拱壩結(jié)構(gòu)模型實驗成果表明，拱壩的超載能力可達到設計荷載的5～11倍。實例：意大利瓦依昂（Vajont）雙曲拱壩，1961年建成，壩頂長190.5m，頂寬3.4m，底寬22.7m，最大壩高265.5m，是當時世界上最高的混凝土薄拱壩。1963年10月9日晚，由于連續(xù)降雨，水庫水位上漲，左岸靠壩的上游發(fā)生大體積巖石滑坡，近3億m3的滑坡體以40m/s的速度滑入水庫并沖上右岸，掀起150m高的涌浪，涌浪溢過壩頂，沖向下游，致使2600人喪生，但拱壩并未破壞，僅在壩肩附近的壩內(nèi)發(fā)生二、三條裂縫。據(jù)估算，拱壩當時已承受住相當于8倍設計荷載的作用力，由此可見該拱壩的超載能力。（3）拱壩具有較高的抗震能力:

拱壩是一個整體的空間殼體結(jié)構(gòu)，壩體輕韌而富有彈性。當基礎及壩肩巖體穩(wěn)定時，其抗震能力較強。（4）荷載特點:

對于拱壩，溫度荷載是主要荷載之一。拱壩周邊固接于基巖上，溫度變化及地基變形等對壩體應力有顯著影響。據(jù)實測資料分析表明，由溫度變化引起的徑向位移，約占總位移的1/3～2/3。（5）壩身泄流及及施工較為復復雜拱壩壩身較為為單薄，壩身身溢流可能引引起壩身及閘閘門振動，致致使材料疲勞勞；壩身下泄泄水流具有向向心集中作用用，挑距不遠遠，易于造成成對河床及河河岸沖刷；壩壩身開設泄水水孔會破壞拱拱壩作用并使使孔口周邊應應力復雜。2．拱壩的類型型（1）按拱壩的厚厚高比分類：：拱壩的厚高比比(TB/H）小于0.2為薄拱壩；厚高比在0.2～0.35之間的為中厚厚拱壩。厚高比大于0.35的為厚拱壩；；（2）按拱壩曲率率分類可分類類：單曲拱壩雙曲拱壩（水水平及豎向截截面均呈曲線線形）。二、拱壩對地地形及地質(zhì)的的要求1．地形條件地形條件是決決定拱壩的結(jié)結(jié)構(gòu)形式、工工程布置以及及經(jīng)濟性的主主要因素。壩址處河谷形形狀特征通常常用兩個指標標來表示，即即河谷“寬高比”及“河谷斷面形形狀”。寬高比（L/H）值小，說明明河谷深窄，，水平拱圈跨跨度較短，拱拱的剛度較大大，受力大部部分傳給兩岸岸，因而壩體體較薄。當L/H值較大時，壩壩體較厚。圖圖4-2給出了22座已建拱壩寬寬高比與壩體體厚高比的關(guān)關(guān)系曲線，河谷形狀對荷荷載分配及剖剖面的影響L/H＜1.5的深窄河谷中中可建薄拱壩壩；L/H=1.5～3.0的中等寬度河河谷可修建中中厚拱壩；L/H>3～4.5的寬河谷多修修建厚拱壩；；當L/H>4.5的寬淺河谷，，宜建重力壩壩或拱拱形重力壩。。近代上述界限限已被突破。。如：奧地利利的

希勒格格爾斯雙曲拱拱壩，壩高130m，L/H=5.5，TB/H=0.25；我國四川豐豐都縣

聯(lián)合合薄拱壩L/H達14.25，TB/H=0.25。由圖可見：地質(zhì)條件對拱拱壩布置影響響很大，對高高壩它是決定定壩型的主要要因素。拱壩大部分荷荷載通過拱作作用傳到兩岸岸，壩體的穩(wěn)穩(wěn)定是靠兩岸巖體重重量和抗剪強強度來維持的的。因此，對于于拱壩地基來來說，兩岸壩壩肩的巖體必必須能夠承受受拱端傳來的的巨大推力。。設計時應盡盡量地避開有嚴重地質(zhì)缺缺陷的壩址。。2．地質(zhì)條件理想地質(zhì)是：：基巖均勻單單一、堅固完完整、強度高高、剛度大、、抗水侵蝕和和耐風化等。。實際很難找到到理想地質(zhì)條條件，壩基總總存在節(jié)理，，裂隙，軟弱弱層局部斷裂裂破碎，因此此，必須查明明工程地質(zhì)情情況，采取妥妥善的處理措措施，使其滿滿足設計要求求。如龍羊峽拱壩壩，高178m，基巖被眾多多的斷層和裂裂縫切割，巖巖體破碎，且且位于9度強震區(qū)，但但基礎經(jīng)過處處理后，達到到了設計要求求；瑞士的康康脫拉拱壩，，有順河向陡陡傾角斷層，，寬3m～4m，斷層本身擠擠壓破碎嚴重重，但經(jīng)過基基礎處理，成成功地建成了了高220m的拱壩。第二節(jié)拱拱壩的布布置拱壩布置的基基本內(nèi)容：根據(jù)地形、地地質(zhì)、水文及及施工條件，，選擇壩型；；初擬壩體剖剖面基本尺寸寸、壩體的平平面布置等。。拱壩布置的原原則是：在滿足壩體應應力和壩肩穩(wěn)穩(wěn)定的前提下下，盡可能地地使工程量最最省，造價最最低、安全度度高和耐久性性好。一、水平拱圈圈布置1．拱中心角2φA確定由圓桶公式從從應力條件得得：或由式（4-2）可見，當應應力條件相同同時，2φA越大，拱圈厚厚度T越小，壩體越越經(jīng)濟。2φA過大,拱圈弧線增長長，則工程量量增大。相應應抵消了由厚厚度減小所節(jié)節(jié)省的工程量量。從公式（4-3）可得，當T一定，外荷載載、河谷形狀狀相同時，2φA越大，拱端應應力越小，應應力條件越好好。若按與工工程實際更為為接近的兩端端固端拱計算算，當中心角角>120°時，拱圈截面面將無拉應力力。因此，從減少少拱圈厚度，，改善壩體應應力考慮，選選較大的中心心角是比較有有利的。但從從穩(wěn)穩(wěn)定定條條件件考考慮慮，，選選用用過過大大的的中中心心角角將將較較難難滿滿足足壩壩肩肩穩(wěn)穩(wěn)定定的的要要求求。。圖由由圖圖4-5（b）可可知知，，最最佳佳中中心心角角2=60°°～80°°一般般可可比比其其稍稍大大些些?！，F(xiàn)代代頂頂拱拱圈圈中中心心角角多多為為90°°～110°°，對對于于壩壩址址河河谷谷平平面面上上是是漏漏斗斗形形，，其其中中心心角角可可適適當當加加大大，，一一般般為為110°°～120°°；當當壩壩址址下下有有軟軟弱弱帶帶或或壩壩肩肩支支在在較較薄薄的的山山嘴嘴時時，，則則應應適適當當減減小小拱拱圈圈中中心心角角，，使使拱拱端端推推力力轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向巖巖體體內(nèi)內(nèi)側(cè)側(cè)，，以以加加強強壩壩肩肩穩(wěn)穩(wěn)定定。。2．．水水平平拱拱圈圈的的形形態(tài)態(tài)（1）單單心心圓圓拱拱（2）三三心心圓圓及及橢橢圓圓拱拱（3）拋拋物物線線拱拱（4）對對數(shù)數(shù)螺螺旋旋線線拱拱（5）二二心心拱拱浙江江桐桐坑坑溪溪雙雙曲曲拱拱壩壩桐坑坑溪溪1972年建建成成。。位位于于天天臺臺縣縣三三茅茅溪溪支支流流桐桐坑坑溪溪上上。。樞樞紐紐屬屬四四等等。。主要要建建筑筑物物有有：：砌石石雙雙曲曲拱拱壩壩、、副副壩壩、、引引水水建建筑筑物物和和電電站站壩址址上上流流域域面面積積10.7km2，多年平平均降雨雨量1600mm，流量0.324m3／s，徑流量量1020萬m3;五年一遇遇設計洪洪水流量量410m3／s，三百年年一遇校校核洪水水流量600m3／s，水庫正正常蓄水水位230m．校核洪洪水位233.0m，總庫容容280萬m3。設計灌灌溉面積積8000畝；四個個梯級電電站總裝裝機容量量2880kw，多年平平均發(fā)電電量700萬kwh。變圓心、、變半徑徑的雙曲曲拱壩高高48.8m，壩頂高高程233m，壩頂弧弧長58.72m，壩頂中中心角104oo，壩頂厚厚3.3m，壩底厚5m，厚高比0.102，弧高比比1.203。左岸重重力墩高高9m，長20m；右岸重重力墩高高20m，長16.5m。壩頂外外緣總長長95.22m。采用壩頂頂挑流的的方式瀉瀉洪，為為4X40m，總泄量量440m3／s天臺里石石門水庫庫里石門水水庫位于天臺臺縣龍溪溪始豐溪溪上。壩址以上上集雨面面積296km2，水庫以以灌溉、、防洪為為主，結(jié)結(jié)合發(fā)電電。水庫庫正常蓄蓄水位為為176m，校核洪洪水位186.3m，總庫容容1.99億m3。為混凝凝土雙曲曲拱壩，，壩高74.3m。壩底寬寬15.5m，壩頂寬寬4m，厚高比比0.208。壩頂弧弧長265.5m，壩頂弦弦長208.5m，弦高比比2.8。采用壩頂頂泄洪，，