水工建筑物——拱坝习题及答案

第三章
复习思考题
1.简述拱坝的结构特点和工作特点。

2.拱坝对地形、地质条件有哪些要求？
3.拱坝可分有哪些类型？
4.什么叫拱圈的最优中心角？
5.在河谷高宽比相同时，河谷断面形状为V、U形时，拱坝布置有何不同？
6.说明拱坝布置的原则、方法和步骤。

7.拱坝的应力分析方法有哪几种？其精度和适用条件各如何？
8.拱坝应力分析中为什么要计入地基变形？有哪些计算地基变形方法？
9.拱冠梁法和多拱梁法有何不同？精度如何？适用情况呢？
10.试写出拱冠梁法变位协调方程，并说明各符号的意义。

11.根据温降内力与水平水压力内力的关系，解释温降对应力不利，温升对应力有利的原因。

12.拱坝有哪些泄水方式?试述其特点和适用条件。

综合测试
1.拱坝是：
（A）受力结构，坝体的应力状态以受压为主；
（B）推力结构，坝体的应力状态以受压为主；
（C）拉力结构，坝体的应力状态以受压为主；
（D）推力结构，坝体的应力状态以受拉为主。

2.拱坝是高次超静定结构
（A）具有超载能力；
（B）温度变化对坝体的应力的影响可以忽略；
（C）抗震性能较差；
（D）地基变形对坝体的应力的影响可以忽略。

3.拱坝要求：
（A）河谷断面的高宽比小；
（B）河谷断面的宽高比大；
（C）河谷断面的宽高比小；
（D）河谷断面的宽高比大于5。

4.三心园拱的轴线是由三个不同圆心的园弧组成
（A）两侧弧段的半径比中间的小；
（B）两侧弧段的曲率比中间的小；
（C）两侧弧段的弧长比中间的长；
（D）两侧弧段的半径比中间的大。

5.双曲率拱坝拱冠梁在（1/5～1/3）坝高处，向上游鼓出
（A）可以平衡水压力产生的压应力；
（B）可以平衡水压力产生的拉应力；
（C）可以增加水压力产生的拉应力；
（D）可以维持水压力产生的拉应力。

6.最优半中心角的选择范围是：
（A）40°~55°之间选取；
（B）20°~60°之间选取；
（C）30°~55°之间选取；
（D）40°~65°之间选取。

7.拱坝平面布置时，要求每层的拱轴线与基岩等高线的交角
（A）α≥50；
（B）α≥40；
（C）α≥30；
（D）α≥20。

8.温降时拱坝的轴线缩短，拱坝向下游变位
（A）对坝体应力不利；
（B）对坝体应力有利；
（C）对坝肩稳定有利；
（D）对坝肩稳定不利。

9.拱冠梁法基本思路是将拱坝划分为5~7层拱圈，在拱冠处取一根竖直悬臂梁
（A）垂直荷载由拱承担，通过拱的变位影响拱；温度荷载由拱承担，通过拱的变位影响梁；
（B）垂直荷载由梁承担，通过梁的变位影响拱；温度荷载由拱承担，通过拱的变位影响梁；
（C）垂直荷载全部由梁承担，温度荷载全部由拱承担；
（D）垂直荷载全部由拱承担，温度荷载全部由梁承担。

10.纯拱法忽略了拱圈间的相互作用，全部荷载由拱承担
（A）使计算应力小于实际应力；
（B）使计算应力等于实际应力；
（C）使计算应力和实际应力相近；
（D）使计算应力大于实际应力。

答案
复习思考题
1、拱坝的特点为：
①在空间上，拱坝是一种三维壳体结构，属于高次超静定结构
高次超静定结构具有超载能力（当拱坝局部开裂，拱坝拱和梁的作用会自行调整，坝体的应力会重分配。

国内外拱坝的破坏试验表明，在坝肩稳定的条件下，混凝土拱坝的超载能力可达设计荷载的5~11倍）
温度变化和地基变形对坝体的应力的影响不能忽略
抗震性能好
②拱坝是推力结构，坝体的应力状态以受压为主
采用拱坝坝型，建筑材料的抗压强度可以充分发挥，混凝土的抗压强度约为抗拉强度的10倍。

拱坝承受的荷载主要通过拱的作用传至两岸，拱坝的稳定取决于两岸坝端岩体的的稳定；重力坝是依靠自己的重量维持自身的稳定。

因此拱坝的体积可小，在坝高、坝址条件相同的情况下，拱坝的体积可为重力坝的1/1.5～1/5。

③拱坝可以看作是“拱”和“梁”的交织体，即坝体结构既有拱的作用，又有梁的作用，拱坝的荷载可由水平拱圈和垂直悬臂梁共同承担，水平拱圈将荷载传至两岸山体，垂直悬臂梁将荷载传至河床基岩。

④拱坝的泄洪问题容易解决。

2、地形条件决定拱坝的混凝土方量。

兴建拱坝的地形条件应为：
①河谷的宽高比小，河谷狭窄，拱圈短而粗，刚度大，竖直梁长而细，刚度小，拱的作用大，坝体可薄。

②河谷的对称性好，避免产生附加扭转矩。

③河谷的断面形状为V形河谷，底部拱的跨度小，拱的作用大，拱圈厚度可薄。

④河谷平面形状向下游呈漏斗状。

地质条件确定拱坝的稳定性，应为基岩完整均一，地质构造简单，抗渗性能好。

3、拱坝的分类
按拱圈厚度分类：可分为薄拱坝、中厚拱坝、重力拱坝。

按拱圈轴线形式分类：可分为园弧拱、二次曲线拱、三心园拱。

按拱圈间的几何关系分类：可分为定园心、等外（内）半径拱坝、园心单曲率拱坝、变园心双曲率拱坝。

按拱坝的体形分类：可分为园筒拱坝、单曲率拱坝、双曲率拱坝。

4、满足坝体应力分布均匀、拱坝的体积较小、拱端稳定性好的拱圈中心角。

5、V形河谷底部拱的跨度小，拱的作用大，拱圈厚度可薄。

U形河谷底部拱的跨度大，拱的作用小，梁承担的水压力大，拱圈厚度较大。

梯形河谷介于两者之间。

6、拱坝平面布置的任务是：
拟定拱冠梁剖面和拱圈的尺寸，通过平面布置，确定各高程拱圈的半径、中心角和厚度。

具体步骤：
①在坝址地形图上，确定基岩的可利用等高线及河谷对称中心线。

②拟定拱冠梁剖面，进行分层，确定各层拱圈的高程及厚度。

③布置顶层拱圈，要求拱轴线与基岩等高线的交角α≥30
④布置其他各层拱圈，检查拱轴线与基岩等高线的交角，要求α≥30
⑤坝面检查，拱冠梁处的圆心轨迹线平顺、光滑，坝面倒悬度/H〈0.3。

⑥应力稳定计算
7、拱坝是一个变厚度、变曲率，边界条件十分复杂的壳体结构，目前的理论计算，需作必要的假定和简化。

拱坝的应力计算方法有：
①纯拱法
假定：坝体由若干层独立的水平拱圈迭和而成，将问题简化为结构力学的弹性拱的计算问题。

与实际弹性拱相比：拱圈的厚度大，所承受的轴力、剪力大；拱圈轴力大，将引起较大的轴向变形；基岩变形显著，不能忽略。

纯拱法存在的问题是：忽略了拱圈间的相互作用，全部荷载由拱承担，使计算应力大于实际应力。

纯拱法的适用条件：狭窄河谷上的薄拱坝，拱的作用大。

②拱梁法
假定拱坝是由许多水平拱圈和竖直悬臂梁组成，拱坝的外荷载一部分由拱系承担，一部分由梁系承担，拱和梁各自承担荷载比例，按变形协调条件分配。

一般将拱坝分为七拱十三梁、五拱九梁（梁站在拱端上）。

拱冠梁（七拱一梁、五拱一梁）是拱梁法的简化计算方法。

拱冠梁的适用条件：大体对称、比较狭窄河谷上的拱坝；高坝的初步设计，中低坝的技术设计。

③有限单元法
有限单元法是更简便、有效、极有发展前途的方法。

该法能模拟拱坝逐级加荷的施工过程，多种材料拱坝和复杂的边界条件，能求解空间问题。

8、拱坝是超静定结构，地基变形对坝体的变形和应力的影响很大，所以应计入地基变形对拱坝应力的影响。

目前国内采用的是1952年由挪威F.伏格特提出的近似计算方法。

由于作出了一些假定，该方法计算复杂且与实际情况有较大的出入。

9、拱梁法是假定拱坝是由许多水平拱圈和竖直悬臂梁组成，拱坝的外荷载一部分由拱系承担，一部分由梁系承担，拱和梁各自承担荷载比例，按变形协调条件分配。

一般将拱坝分为七拱十三梁、五拱九梁（梁站在拱端上）。

拱冠梁（七拱一梁、五拱一梁）是拱梁法的简化计算方法，计算精度低于拱梁法，适用条件：大体对称、比较狭窄河谷上的拱坝。

10、+=（）+----荷载分配方程组
其中：
：单位均布荷载作用在第i层拱圈上，使之在拱冠处产生的径向变位------拱的变位系数
：第i层拱圈由于温度荷载作用，在拱冠处产生的径向变位
：梁的i点在竖直荷载作用下，产生的径向变位
：j点作用着单位水平荷载在i点产生的径向变位
11、温降时：拱坝的轴线缩短，向下游变位，由此产生的剪力、弯矩的方向与水压力产生的剪力、弯矩的方向相同；轴力的方向与水压力产生的方向相反，对坝体应力不利。

温升时：拱坝的轴线伸长，向上游变位，由此产生的剪力、弯矩的方向与水压力产生的剪力、弯矩的方向相反，轴力的方向与水压力产生的方向相同，对坝肩稳定不利。

12、拱坝的泄洪方式有坝顶溢流式和坝身泄水孔。

坝顶溢流式有：
①自由跌落式，特点：适于基岩良好，泄流量不大的情况；结构简单，施工方便；水舌通气条件不好，不能挑流；易产生贴坡流。

②鼻坎挑流式，特点：曲线坝顶下接一反弧鼻坎，有利于减少溢流水流的振动，避免了低水头时的贴坡流；有利于挑流。

③滑雪道式，特点：落差大，挑距远，可达60~100M，结构复杂，工程量大，适于泄流量大，较薄的拱坝。

坝身泄水孔可以放空水库，提前预泄洪水。

综合测试
１．B
２．A
３．C
４．D
５．B ６．A ７．C ８．A ９．B 10．D。