拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物課件

第一節(jié)概述拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物，借助拱的作用將水壓力的全部或部分傳給河谷兩岸的基巖。和重力壩相比，在水壓力作用下壩體的穩(wěn)定不需要依靠本身的重量來維持，主要是利用拱端基巖的反作用力來支承。拱圈截面上主要承受軸向力，應(yīng)力分布較均勻，可充分利用筑壩材料的強度。因此，是一種經(jīng)濟性和安全性都很好的壩型。一、拱壩的工作特點壩可以看成是由若干水平拱圈和豎直懸臂梁組成的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，外部水壓力由拱、梁共同承擔，大部分荷載通過拱圈傳向兩岸壩肩，小部分通過懸臂梁傳到基礎(chǔ)1、拱與梁的共同作用；

2、穩(wěn)定性主要依靠兩岸拱端的反力作用，因而對拱端地基的要求很高；第二節(jié)拱壩的特點、形式及對地形、地質(zhì)的要求3、有利于發(fā)揮砼的抗壓強度4、拱梁所承受的荷載可相互調(diào)整,因此可以承受超載；拱壩嵌固在基巖上，屬于無數(shù)次超靜定結(jié)構(gòu)意大利瓦伊昂拱壩：壩高262m，1961年建成，1963年10月9日庫區(qū)左岸大面積滑坡，2.7億m3的滑坡體滑入水庫，庫容1.5億m3左岸涌浪超過壩頂100m，右岸260m，拱壩基本沒有損壞，僅在左岸壩頂略有損壞,水庫因淤滿報廢5、拱壩壩身可以泄水；6、不設(shè)永久性伸縮縫；

7、抗震性能好；

8、幾何形狀復(fù)雜，施工難度大。二、拱壩對地形、地質(zhì)條件的要求（1）要求河谷狹窄寬高比：壩頂處河谷寬度B與壩高h的比值

厚高比：壩底厚度δ與壩高h的比值地形條件河谷的寬高比越小，意味著河谷越狹窄；拱壩的厚高比越小，意味著拱壩可以建得越薄。

（2）河谷形狀V形河谷U形河谷對于V形河谷：隨著水深

對于U形河谷，剛好相反注：壩址河谷形狀，是對開挖后的壩基巖面而言的。有的壩址，開挖前的河谷很窄，但是河岸、河床覆蓋層較厚或者巖石風化較深，當開挖到可以利用的基巖時，河谷變寬、變深。對稱的優(yōu)點：①壩體結(jié)構(gòu)對稱；②受力條件好；③節(jié)省工程量；④設(shè)計和施工方便。（3）河谷左右兩岸大致對稱若河谷不對稱，應(yīng)采取以下措施：①開挖成對稱；②設(shè)重力墩；③填筑墊座。

目前，國外對河谷的對稱性已不特別強調(diào)，并已在不對稱的河谷中修建了拱壩。（4）河谷平面形狀——向下游收縮B-B壩址雖然河谷狹窄,但位于向下游擴散的喇叭口處,兩岸拱座單薄,對穩(wěn)定不利。A-A處壩址兩岸拱座厚實,拱軸線與等高線接近垂直,因此應(yīng)將A-A處選為壩址。地質(zhì)條件拱壩要求基巖特別是壩肩巖體完整堅硬，沒有大的斷裂構(gòu)造和軟弱夾層，同時要求基巖耐風化、滲透性小。然而理想地質(zhì)條件的壩址是極少的，對于存在地質(zhì)缺陷的壩址，應(yīng)當在查明地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，論證工程處理措施的可行性，如需進行固結(jié)灌漿以增加地基的整體性和牢固程度發(fā)展趨勢對地形地質(zhì)條件的限制有所放寬，壩更高，壩體薄，壩型多樣化，雙曲拱壩居多，壩頂泄流的單寬流量加大，最優(yōu)化設(shè)計處于實用階段。拱壩的拱圈一般采用圓弧曲線或者接近圓弧的其他曲線，如拋物線、橢圓、對數(shù)螺旋線等。拱圈半徑R和圓弧中心角2是影響拱圈受力條件的兩個關(guān)鍵參數(shù)。拱跨一定的情況下，減小拱圈半徑、增大圓弧中心角，可以降低拱圈界面應(yīng)力，從而相應(yīng)的減小拱圈厚度。第三節(jié)拱壩的類型中心角的影響：中心角大一些,拱圈厚度小一些,拱圈內(nèi)力小一些,適當加大中心角是有利的.但過大的中心角將使拱端弧面的切線與河岸等高線的夾角變小,降低拱座的穩(wěn)定性.經(jīng)驗表明：壩頂中心角一般為900～1100。壩身下部，河谷漸窄，中心角減小。(1)單曲拱壩，較多是定圓心、等外半徑拱對U型或矩形斷面的河谷，其寬度上下相差不大，各高程中心角比較接近，外半徑可保持不變。僅需下游半徑變化以適應(yīng)壩厚變化的要求。特點：施工簡單，直立的上游面便于布置進水孔和泄水孔及其設(shè)備，但當河谷上寬下窄時(V形)，下部拱的中心角必然會減小，從而降低拱的作用，要求加大壩體厚度,不經(jīng)濟.對于底部狹窄的“V”字形河谷可考慮采用等外半徑、變中心角拱壩(2)雙曲拱壩（a）變外半徑、等中心角（a）變外半徑、等中心角對底部狹窄的“V”字形河谷，宜將各層拱圈外半徑,上至下逐漸減小，可大大減少壩體方量。優(yōu)點：拱壩應(yīng)力條件較好，梁呈彎曲形狀,兼有拱的作用,更經(jīng)濟，缺點：有倒懸出現(xiàn)，設(shè)計及施工較復(fù)雜；適用條件：對“V”、“U”型河谷都適用。

（b）變外半徑、變圓心特點：讓梁截面也呈彎曲形狀，因此懸臂梁也具有拱的作用，應(yīng)力狀態(tài)進一步改善，節(jié)省工程量。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大適用：布置更加靈活，更能適應(yīng)V形、梯形及其他形狀的河谷，被廣泛采用。一、拱壩布置的原則和要求根據(jù)壩址地形＋地質(zhì)＋水文等自然條件＋樞紐綜合利用要求統(tǒng)籌布置；在滿足穩(wěn)定和建筑物運用的要求下，通過調(diào)整拱壩的外形尺寸，使壩體材料的強度得到充分發(fā)揮，控制拉應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)，而壩的工程量最?。灰蚬皦涡褪奖容^復(fù)雜，布置需有較多方案，進行全面技術(shù)經(jīng)濟比較，選擇最優(yōu)方案。最終選定的布置方案，一般需經(jīng)模型試驗論證。第四節(jié)拱壩的體型選擇和輪廓布置二、拱圈布置形式從有利于拱圈受力的角度，應(yīng)該采用較大的中心角和較小的半徑，因為跨度一定的條件下，中心角越大、半徑越小，拱的作用越強烈，拱圈的拉應(yīng)力越小，壩可以建得越薄。適宜的中心角是：21100-1200但是過大的中心角將使拱軸線與河岸基巖等高線的交角過小，拱軸推力的方向近乎與河岸等高線平行，不利于壩肩穩(wěn)定。另外，過大的中心角也會增加拱圈的弧長。早期采用圓弧拱的原因：(1)計算簡單;(2)施工方便;(3)當時受結(jié)構(gòu)分析方法的限制，對拱壩結(jié)構(gòu)的荷載分布缺乏正確了解。工程力學知識知：當單個拱圈承受勻布荷載時，其最合理的形態(tài)為圓弧拱。對于拱壩來說，由于其結(jié)構(gòu)性能具有水平拱和垂直梁的作用，拱、梁系統(tǒng)共同承擔外荷載，且水平拱所分擔的水壓力部分往往是非均勻分布的，通常是從拱冠向拱端逐漸減少的。拱、梁荷載分配為改善應(yīng)力狀態(tài)和壩肩穩(wěn)定條件，越來越多的采用多心圓、拋物線、橢圓等形式的拱壩。拱壩典型剖面圖三、拱冠梁剖面形狀選定拱壩的壩形的原則：對于中小型拱壩：U形河谷通常采用定圓心、等外半徑的單曲拱壩；V形河谷和梯形河谷采用變圓心、等外半徑的單曲拱壩對于大型拱壩：目前不論河谷形狀，都傾向于采用雙曲拱壩變圓心、變半徑的雙曲拱壩適合于各種河谷形狀①在施工期或庫水位較低時，壩體向上游倒懸②壩體向下游倒懸雙曲拱壩鉛直剖面呈現(xiàn)“倒懸”現(xiàn)象。通常用單位高度的壩體懸伸長度△△h來描述倒懸程度，簡稱“倒懸度”。“倒懸”現(xiàn)象對拱壩不利＋有利③綜合“倒懸”現(xiàn)象的有利與不利影響，合理的拱冠梁剖面：一、荷載作用在拱壩上的荷載主要有：水壓力（靜水壓力和動水壓力）、溫度荷載、自重、揚壓力、泥沙壓力、浪壓力、冰壓力和地震荷載等。第五節(jié)拱壩的荷載及荷載組合拱壩和重力壩都是擋水建筑物，承受相同的作用荷載，但是拱壩的結(jié)構(gòu)形式和工作特點與重力壩有不同之處，各種荷載在兩種壩中的重要性是不同的。溫度荷載在重力壩中是次要荷載，通常情況下可以不予考慮。但是對于拱壩這種無數(shù)次超靜定結(jié)構(gòu)，溫度荷載上升為主要荷載。對于拱壩來說，地震荷載的豎向分量產(chǎn)生的作用效應(yīng)遠遠小于水平分量，一般情況下不考慮豎向地震作用，水平方向地震慣性力的計算方法與重力壩相同，但是分布系數(shù)不同。由于拱壩比較薄，揚壓力下降為次要荷載，對于中小型拱壩和薄拱壩的應(yīng)力分析可以不考慮揚壓力，重力拱壩和中厚拱壩考慮揚壓力。浪壓力、冰壓力在拱壩中的比重也比較小。溫度荷載拱壩設(shè)計中的主要荷載之一在水壓力和溫度荷載共同引起的徑向變位中，溫度荷載約占據(jù)1/3至1/2，對壩頂部分的影響更大。通常假定溫度荷載由拱圈承擔。產(chǎn)生溫度荷載的兩個原因：（1）混凝土施工過程中水化熱的散發(fā)；（2）外界氣溫的變化。封拱溫度：選用下游以年平均氣溫、上游以年平均水溫作為邊界條件，求出此時的壩體溫度場作為穩(wěn)定溫度場。一般在年平均氣溫或略低時進行封拱。溫升：溫度高于封拱溫度。溫升對壩肩穩(wěn)定不利，對應(yīng)力有利；溫降：溫度低于封拱溫度。溫降對壩肩穩(wěn)定有利，對應(yīng)力不利。溫降溫升二、荷載組合1、基本組合(1)自重，水庫正常蓄水位及相應(yīng)尾水位下的靜水壓力，設(shè)計正常溫降的溫度荷載，揚壓力，泥沙壓力，浪壓力，冰壓力；(2)自重，水庫正常蓄水位及相應(yīng)尾水位下的靜水壓力，設(shè)計正常溫升的溫度荷載，揚壓力，泥沙壓力，浪壓力；(3)自重，設(shè)計洪水位及相應(yīng)尾水位下的靜水壓力，設(shè)計正常溫升溫度荷載，揚壓力，泥沙壓力，浪壓力。2．特殊組合自重，水庫校核洪