水工建筑物 第3章 拱坝

2、推力结构
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1/3-1/2
◎一、拱坝的结构特点与工作特点
3、超载能力强
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or使裂缝 终止。
试验表明，拱坝超载能力可达到设计荷载的5-11倍。
◎一、拱坝水平拱圈中心角2φA——与拱坝σ、坝肩稳定、造价有关
从坝肩稳定考虑——根据弹性理论，拱端推力的传 力范围为2倍30度的圆锥，仅当圆锥落入山体以内 时才会受到山体支承
取基岩等高线与坝中心线平行的情况：
当2φA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；
◎一、拱坝水平拱圈中心角2φA——与拱坝σ、坝肩稳定、造价有关
◎ 高等学校 水利水电工程 专业
• 第一章 绪论 • 第二章 重力坝 • 第三章 拱坝 • 第四章 支墩坝 • 第五章 土石坝 • 笫六章 河岸溢洪道 • 笫七章 水工隧洞和坝下埋管 • 第八章 水闸 • 第九章 闸门与启闭机 • 第十章 过坝建筑物 • 第十一章 取水枢纽
第三章 拱坝
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◎.
• §1 概述 • §2拱坝布置 • §3拱坝应力分析 • §4拱坝坝肩稳定分析 • §5拱坝坝身泄流 • §6拱坝的材料与构造 • §7拱坝地基处理 • §8浆砌石拱坝
§1 概述
◎掌握内容
• 1、拱坝的结构特点与工作特点 • 2、拱坝的类型 • 3、拱坝的理想地形地质条件
◎一、拱坝的结构特点与工作特点
• 结构特点
平面上拱向上游 三面固结于坝基 空间整体结构（坝身无分缝） 高次超静定
◎一、拱坝的结构特点与工作特点
• 工作特点
1、双向传力
拱——坝肩 梁——坝基
心轨迹 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 影响拱坝布置的重要因素——水平拱圈中心角、拱圈形
式
φA
ΦA
◎一、拱坝水平拱圈中心角2φA——与拱坝σ、坝肩稳定、造价有关
• 1、中心角2φA与拱坝应力σ、坝体厚度T关系
在拱坝任一高程处取1m高水平拱圈，厚T，上游面
承受均匀径向水压力p，拱圈内平均应力σ
◎一、拱坝水平拱圈中心角2φA——与拱坝σ、坝肩稳定、造价有关
将拱圈视为承受外压的薄壁圆筒中的一部分， 由“圆筒公式”得到：
T pRu
Ru
R
T 2
l
sin A
T 2
T
2lp
(2 p) sinA
或 lp p T sin A 2
可见：p、T一定时，σ随φA增大而减小； p、 σ 一定时，T随φA增大,而减小。
当2φA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；
• 4、按结构型式分
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 下拱拱坝
◎二、拱坝类型
5、按水平拱圈形状分：
单心圆弧拱 双心、三心圆弧拱、多心复合圆弧拱 变曲率的抛物线拱、椭圆拱 等厚or变厚度拱
◎三、拱坝地形地质条件
• 1、地形条件—决定坝型、经济性，考虑以下因素：
• 2、地质条件—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：
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。
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
• 拱坝布置任务：拱坝体形设计及坝体布置 • 布置方法：
先根据地质、地形、运用、施工等条件选择坝型 初拟顶拱圈、拱冠梁剖面形式、基本尺寸、各层拱圈圆
2）沿水流向呈喇叭状——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；
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
河谷平面形态
顺直形——介于上述二者之间，在良好地质情况下可 建拱坝。
◎三、拱坝地形地质条件
综上，适宜建拱坝的地形条件是：
宽高比L/H小 ； 窄深对称V形河谷； 平面上向下游收缩； 岸坡平顺，两岸山体雄厚
种方式泄洪。
◎二、拱坝类型
• 1、按坝高分：
高坝—— H≥70m 中高坝——H=30-70m 低坝—— H＜30m
• 2、按厚高比分：
TB/H＜0.2——薄拱坝 TB/H=0.2—0.35——中厚拱坝 TB/H ＞0.35 厚拱坝or重力拱坝
◎二、拱坝类型
• 3、按坝体曲率分：
单曲拱坝——仅在平面上凸向上游 双曲拱坝——在平面、竖向均凸向上游
4、抗震能力强
坝体薄、轻韧、富有弹性、整体性好，可借助坝基吸收 地震能量。
– 见溪洛渡坝
坝肩稳定性要求高
上述诸多优点均以拱座肩稳定为前提条件
缺点 温度荷载、地基位移均产生坝体应力，不可忽略 对地形地质条件要求苛刻 结构复杂，设计工作量大、施工技术要求高 坝身泄流量大时可能会引起坝体振动，故多采用多
U形——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 必须加厚，常为厚拱坝，经济性较差；
梯形——介于V形与U形之间。
◎三、拱坝地形地质条件
3）河谷平面形态——决定拱坝稳定安全性，开挖后 的基岩等高线有三种形式：
1）沿水流向呈漏斗状——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 度高，最宜建拱坝；
◎一、拱坝水平拱圈中心角2φA——与拱坝σ、坝肩稳定、造价有关
从经济性考虑——取1m高水平拱圈体积，有：
V
R 2A
180 0
T
令
dV
dA
0, 得到2 A
133 034'
从拱内应力σ考虑——若视拱圈为两端固定拱，由
结构力学得到，当2φA>120度时，拱内不出现拉应
力
可知：较大的2φA对坝体应力和经济性有利。
1）河谷宽高比L/H
L/H<2.0 适宜薄拱坝 L/H=2~3 适宜中厚拱坝 L/H=3~4.5适宜厚拱坝 L/H>4.5 以往认为不宜建拱坝，随筑坝技术提高，现已
有L/H=10的实例（法国） 可见：较小的L/H经济性好。
◎三、拱坝地形地质条件
2）河谷断面形状——决定坝体薄厚（经济性）
V形——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；