水工建筑物 第3章 拱坝.ppt

高等学校高等学校水利水电工程水利水电工程专业专业第一章第一章绪论绪论第二章第二章重力坝重力坝第三章第三章拱坝拱坝第四章第四章支墩坝支墩坝第五章第五章土石坝土石坝笫六章笫六章河岸溢洪道河岸溢洪道笫七章笫七章水工隧洞和坝下埋管水工隧洞和坝下埋管第八章第八章水闸水闸第九章第九章闸门与启闭机闸门与启闭机第十章第十章过坝建筑物过坝建筑物第十一章第十一章取水枢纽取水枢纽第三章第三章拱坝拱坝o.1概述概述2拱坝布置拱坝布置3拱坝应力分析拱坝应力分析4拱坝坝肩稳定分析拱坝坝肩稳定分析5拱坝坝身泄流拱坝坝身泄流6拱坝的材料与构造拱坝的材料与构造7拱坝地基处理拱坝地基处理8浆砌石拱坝浆砌石拱坝1概述概述掌握内容掌握内容1、拱坝的结构特点与工作特点、拱坝的结构特点与工作特点2、拱坝的类型、拱坝的类型3、拱坝的理想地形地质条件、拱坝的理想地形地质条件一、拱坝的结构特点与工作特点一、拱坝的结构特点与工作特点结构特点结构特点o平面上拱向上游平面上拱向上游o三面固结于坝基三面固结于坝基o空间整体结构（坝身无分缝）空间整体结构（坝身无分缝）o高次超静定高次超静定一、拱坝的结构特点与工作特点一、拱坝的结构特点与工作特点工作特点工作特点o1、双向传力、双向传力u拱拱坝肩坝肩u梁梁坝基坝基o2、推力结构、推力结构u径向荷载下，拱内主要为压力，充分发挥材料抗压径向荷载下，拱内主要为压力，充分发挥材料抗压性能，与同高度重力坝相比，省工程量性能，与同高度重力坝相比，省工程量1/3-1/2一、拱坝的结构特点与工作特点一、拱坝的结构特点与工作特点o3、超载能力强、超载能力强u高次超静定结构，当坝体某部位因超载局部开裂时，拱高次超静定结构，当坝体某部位因超载局部开裂时，拱梁作用会自行调整，应力产生有利的重新分布梁作用会自行调整，应力产生有利的重新分布or使裂缝使裂缝终止。

终止u试验表明，拱坝超载能力可达到设计荷载的试验表明，拱坝超载能力可达到设计荷载的5-11倍o4、抗震能力强、抗震能力强u坝体薄、轻韧、富有弹性、整体性好，可借助坝基吸收坝体薄、轻韧、富有弹性、整体性好，可借助坝基吸收地震能量地震能量见溪洛渡坝见溪洛渡坝o坝肩稳定性要求高坝肩稳定性要求高u上述诸多优点均以拱座肩稳定为前提条件上述诸多优点均以拱座肩稳定为前提条件o缺点缺点o温度荷载、地基位移均产生坝体应力，不可忽略温度荷载、地基位移均产生坝体应力，不可忽略o对地形地质条件要求苛刻对地形地质条件要求苛刻o结构复杂，设计工作量大、施工技术要求高结构复杂，设计工作量大、施工技术要求高o坝身泄流量大时可能会引起坝体振动，故多采用多坝身泄流量大时可能会引起坝体振动，故多采用多种方式泄洪种方式泄洪二、拱坝类型二、拱坝类型1、按坝高分：、按坝高分：o高坝高坝H70mo中高坝中高坝H=30-70mo低坝低坝H30m2、按厚高比分：、按厚高比分：oTB/H0.2薄拱坝薄拱坝oTB/H=0.20.35中厚拱坝中厚拱坝oTB/H0.35厚拱坝厚拱坝or重力拱坝重力拱坝二、拱坝类型二、拱坝类型3、按坝体曲率分：、按坝体曲率分：o单曲拱坝单曲拱坝仅在平面上凸向上游仅在平面上凸向上游o双曲拱坝双曲拱坝在平面、竖向均凸向上游在平面、竖向均凸向上游4、按结构型式分、按结构型式分o周边固定拱坝、周边缝拱坝、有重力墩的拱坝、空周边固定拱坝、周边缝拱坝、有重力墩的拱坝、空腹拱坝、铰拱坝、预应力拱坝、拱上拱拱坝、上重腹拱坝、铰拱坝、预应力拱坝、拱上拱拱坝、上重下拱拱坝下拱拱坝二、拱坝类型二、拱坝类型o5、按水平拱圈形状分：、按水平拱圈形状分：u单心圆弧拱单心圆弧拱u双心、三心圆弧拱、多心复合圆弧拱双心、三心圆弧拱、多心复合圆弧拱u变曲率的抛物线拱、椭圆拱变曲率的抛物线拱、椭圆拱u等厚等厚or变厚度拱变厚度拱三、拱坝地形地质条件三、拱坝地形地质条件1、地形条件、地形条件决定坝型、经济性，考虑以下因素：决定坝型、经济性，考虑以下因素：o1）河谷宽高比）河谷宽高比L/HuL/H4.5以往认为不宜建拱坝，随筑坝技术提高，现以往认为不宜建拱坝，随筑坝技术提高，现已有已有L/H=10的实例（法国）的实例（法国）u可见：较小的可见：较小的L/H经济性好。

经济性好三、拱坝地形地质条件三、拱坝地形地质条件o2）河谷断面形状）河谷断面形状决定坝体薄厚（经济性）决定坝体薄厚（经济性）uV形形随水深增加，拱跨减小，水荷载增加与拱圈随水深增加，拱跨减小，水荷载增加与拱圈承载能力增加一致，坝体可薄，经济性好；承载能力增加一致，坝体可薄，经济性好；uU形形随水深增加，拱跨减小不显著，拱承载能力随水深增加，拱跨减小不显著，拱承载能力增加不大，深部水荷载只能靠梁增加坝厚承担，坝体增加不大，深部水荷载只能靠梁增加坝厚承担，坝体必须加厚，常为厚拱坝，经济性较差；必须加厚，常为厚拱坝，经济性较差；u梯形梯形介于介于V形与形与U形之间三、拱坝地形地质条件三、拱坝地形地质条件o3）河谷平面形态）河谷平面形态决定拱坝稳定安全性，开挖后决定拱坝稳定安全性，开挖后的基岩等高线有三种形式：的基岩等高线有三种形式：u1）沿水流向呈漏斗状）沿水流向呈漏斗状等高线向下游收缩，两岸岩等高线向下游收缩，两岸岩体愈向下游愈雄厚，坝体拱座有稳定山体支承，安全度体愈向下游愈雄厚，坝体拱座有稳定山体支承，安全度高，最宜建拱坝；高，最宜建拱坝；u2）沿水流向呈喇叭状）沿水流向呈喇叭状等高线向下游扩散，河谷增等高线向下游扩散，河谷增宽，山体减薄，拱座稳定性差，拱坝不安全；宽，山体减薄，拱座稳定性差，拱坝不安全；u规范规定：不得在喇叭形河谷上建拱坝。

规范规定：不得在喇叭形河谷上建拱坝三、拱坝地形地质条件三、拱坝地形地质条件o河谷平面形态河谷平面形态u顺直形顺直形介于上述二者之间，在良好地质情况下介于上述二者之间，在良好地质情况下可建拱坝可建拱坝三、拱坝地形地质条件三、拱坝地形地质条件o综上，适宜建拱坝的地形条件是：综上，适宜建拱坝的地形条件是：u宽高比宽高比L/H小小；u窄深对称窄深对称V形河谷；形河谷；u平面上向下游收缩；平面上向下游收缩；u岸坡平顺，两岸山体雄厚岸坡平顺，两岸山体雄厚2、地质条件、地质条件决定拱坝成败，关键是坝肩条件，决定拱坝成败，关键是坝肩条件，具体而言，建拱坝的理想地质条件是：具体而言，建拱坝的理想地质条件是：o基岩坚硬致密，质地均匀，强度高透水性小，抗风基岩坚硬致密，质地均匀，强度高透水性小，抗风化能力强，无大断裂构造和软弱夹层化能力强，无大断裂构造和软弱夹层o实际上理想地质条件不多见，关键是查清并进行严实际上理想地质条件不多见，关键是查清并进行严格处理2拱坝布置拱坝布置拱坝布置任务：拱坝体形设计及坝体布置拱坝布置任务：拱坝体形设计及坝体布置布置方法：布置方法：o先根据地质、地形、运用、施工等条件选择坝型先根据地质、地形、运用、施工等条件选择坝型o初拟顶拱圈、拱冠梁剖面形式、基本尺寸、各层拱圈圆初拟顶拱圈、拱冠梁剖面形式、基本尺寸、各层拱圈圆心轨迹心轨迹o在开挖后的基岩等高线图上，逐层布置各层拱圈并调整在开挖后的基岩等高线图上，逐层布置各层拱圈并调整直至坝面、坝体与基岩连接线光滑连续为止直至坝面、坝体与基岩连接线光滑连续为止o影响拱坝布置的重要因素影响拱坝布置的重要因素水平拱圈中心角、拱圈形水平拱圈中心角、拱圈形式式一、拱坝水平拱圈中心角一、拱坝水平拱圈中心角2A与拱坝与拱坝、坝肩稳定、造价有关、坝肩稳定、造价有关1、中心角、中心角2A与拱坝应力与拱坝应力、坝体厚度、坝体厚度T关系关系o在拱坝任一高程处取在拱坝任一高程处取1m高水平拱圈，厚高水平拱圈，厚T，上游面，上游面承受均匀径向水压力承受均匀径向水压力p，拱圈内平均应力，拱圈内平均应力一、拱坝水平拱圈中心角一、拱坝水平拱圈中心角2A与拱坝与拱坝、坝肩稳定、造价有关、坝肩稳定、造价有关o将拱圈视为承受外压的薄壁圆筒中的一部分，将拱圈视为承受外压的薄壁圆筒中的一部分，由由“圆筒公式圆筒公式”得到：得到：o可见：可见：p、T一定时，一定时，随随A增大而减小；增大而减小；p、一定时，一定时，T随随A增大增大,而减小。

而减小一、拱坝水平拱圈中心角一、拱坝水平拱圈中心角2A与拱坝与拱坝、坝肩稳定、造价有关、坝肩稳定、造价有关o从经济性考虑从经济性考虑取取1m高水平拱圈体积，有：高水平拱圈体积，有：o从拱内应力从拱内应力考虑考虑若视拱圈为两端固定拱，由若视拱圈为两端固定拱，由结构力学得到，当结构力学得到，当2A120度时，拱内不出现拉应度时，拱内不出现拉应力力o可知：较大的可知：较大的2A对坝体应力和经济性有利对坝体应力和经济性有利一、拱坝水平拱圈中心角一、拱坝水平拱圈中心角2A与拱坝与拱坝、坝肩稳定、造价有关、坝肩稳定、造价有关o从坝肩稳定考虑从坝肩稳定考虑根据弹性理论，拱端推力的传根据弹性理论，拱端推力的传力范围为力范围为2倍倍30度的圆锥，仅当圆锥落入山体以内时度的圆锥，仅当圆锥落入山体以内时才会受到山体支承才会受到山体支承o取基岩等高线与坝中心线平行的情况：取基岩等高线与坝中心线平行的情况：u当当2A小时，圆锥中心线指向两岸岩体，圆锥可全部小时，圆锥中心线指向两岸岩体，圆锥可全部受到岩体支承，拱座安全；受到岩体支承，拱座安全；一、拱坝水平拱圈中心角一、拱坝水平拱圈中心角2A与拱坝与拱坝、坝肩稳定、造价有关、坝肩稳定、造价有关u当当2A大时，圆锥部分落入山体以外，山体不再能够大时，圆锥部分落入山体以外，山体不再能够在全范围上支承圆锥，拱座已不安全；在全范围上支承圆锥，拱座已不安全；u拱座安全的极限状态拱座安全的极限状态=圆锥外母线与基岩等高线重合圆锥外母线与基岩等高线重合时，此时可得时，此时可得2A=120度。

度一、拱坝水平拱圈中心角一、拱坝水平拱圈中心角2A与拱坝与拱坝、坝肩稳定、造价有关、坝肩稳定、造价有关u可见，从坝肩稳定考虑，顺直河谷时，最大可见，从坝肩稳定考虑，顺直河谷时，最大2A=120度，收缩形河谷时，可稍大于度，收缩形河谷时，可稍大于120度u可见，从坝体应力、经济性看，宜可见，从坝体应力、经济性看，宜2A120度，从稳度，从稳定看，应定看，应2A120度度u规范规定：顶拱规范规定：顶拱2A=75110度（砼拱坝），顶拱度（砼拱坝），顶拱2A=100度（浆砌石拱坝）度（浆砌石拱坝）二、水平拱圈形态二、水平拱圈形态1、合理拱轴线、合理拱轴线压力线与拱轴线重合压力线与拱轴线重合o窄深对称河谷：单心圆弧拱即是窄深对称河谷：单心圆弧拱即是o宽河谷，坝体中央刚度小（梁承载少），两岸刚度宽河谷，坝体中央刚度小（梁承载少），两岸刚度大（梁承载多），因此应提高中央部位拱圈大（梁承载多），因此应提高中央部位拱圈2A，改，改善应力，减小两端善应力，减小两端2A，改善坝肩稳定，故宜采用三，改善坝肩稳定，故宜采用三心圆弧拱、变曲率的抛物线、椭圆拱等心圆弧拱、变曲率的抛物线、椭圆拱等二、水平拱圈形态二、水平拱圈形态o变曲率的变曲率的椭圆拱、抛物线拱、对数螺旋椭圆拱、抛物线拱、对数螺旋形拱都具有：形拱都具有：中央曲率大（减小弯矩），向两岸增大半径曲率减中央曲率大（减小弯矩），向两岸增大半径曲率减小（改善推力方向）的特点，都是合理拱轴线；小（改善推力方向）的特点，都是合理拱轴线；o当河谷不对称时，可采用不对称的当河谷不对称时，可采用不对称的二心圆拱二心圆拱，也可，也可采用采用周边缝、重力墩周边缝、重力墩等人工措施使坝体接近对称；等人工措施使坝体接近对称；o等厚圆拱，拱端拉压应力超出允许值时，可用等厚圆拱，拱端拉压应力超出允许值时，可用自拱自拱冠向拱端逐渐加厚冠向拱端逐渐加厚的变截面拱的变截面拱o实践中，合理拱圈形式是：变曲率、变厚度的扁平实践中，合理拱圈形式是：变曲率、变厚度的扁平拱。

拱三、常用拱坝体形及平面布置形式三、常用拱坝体形及平面布置形式1、单曲拱坝、单曲拱坝o定圆心等外半径定圆心等外半径o定圆心等内半径定圆心等内半径o定圆心变内、外半径定圆心变内、外半径o变圆心变内、外半径，。