06第六章 拱坝

3. 变半径变中心角拱坝（如图6-7）
为避免等中心角拱坝上游面形成过大的倒悬与扭曲，可将中心角 从拱顶向下逐渐减少（约小至70。～90。），即为变半径变中 心角拱坝。它适用于三角形或梯形河谷修建。这种坝应力分布不 够均匀，最大应力发生于下部l/3坝高范围内，且拉应力较大， 坝顶溢流也不便，施工难易及工程量介于前述二者之间。
二、排水设备 由于渗透压力对拱坝的稳定影响很小，一般可不考虑排水设
备，但重力拱坝则需设置排水设备。
三、坝与地基及两岸的连接 根据拱坝的结构及传力特点，坝与地基及两岸的连接应牢
固可靠，在地基及与两岸相接的地方，应将所有破碎的岩石挖 除，对坚固岩石中的裂隙应加以灌浆。基础清至岩面后，应将 岩石表面泥沙污垢冲洗干净，浇筑一层混凝土垫层后，便可进 行坝体砌筑，为了防止基础渗漏在上游面应设置截水齿墙，并 在其下作帷幕灌浆。拱端支撑处的河岸岩石要很好处理，为满 足坝头稳定的要求，拱圈拱轴线与地形等高线的夹角一般不小 于30。拱端与岩石接触面应作成半径方向一致，使拱能支撑在 垂直的径向平面上（图6-22（a））。同时，为减少岩石的开 挖量，宜将拱端支撑处的岩石作成阶梯形（图6-22（b））。
L/H<2.0～3.0时，可修建拱坝； L/H=3.0～3.5时，可修建重力拱坝； L/H>3.5～4.0时，则认为修建拱坝不经济，但也不是绝对 的，目前有的工程在L/H=7～1l时，也有修拱坝的
图6-1 不同地形建坝示意图 （a）河谷一岸较平缓 （b）河谷有部分深槽
当天然地形不够理想时，也可进行人工处理，如河谷一岸比较 平缓时，可作重力坝段或重力墩形成支座，如果河谷部分为一深 槽也可用浆砌石做垫座，上部做成拱坝（图6-1）。
二、拱坝对地形的要求
拱坝受的荷载大部分靠拱的作用传给两岸，还有一部分由垂直 方向的悬臂梁作用传给河底。因此一般要求建在狭窄河谷 （形状最好是对称三角形）。如果河谷过宽时，拱的作用就
不大，坝体厚度要增加，则不经济，通常以L/H代表地形特 点（L为坝顶高程处河谷宽度，H为最大坝高），来判断是否
适宜修建拱坝，即：
岩石节理裂隙的走向、倾角是决定是否成为危险滑动面的 主要因素。见图6-12，当节理裂隙平行于河流方向，或向河 中倾斜，则这些节理裂隙对稳定是不利的，有可能沿节理面 滑动。当节理裂隙是沿着拱弧方向时，一般不影响坝头基岩 的稳定。
图6-12 基岩滑动面示意图
基岩滑动时，至少有3个面和岩体脱离。如果基岩是层状的， 而且各倾向上游或下游，并与其他节理或断层组成滑动面，这 些节理裂隙可能是连续的，也可能是间断的，见图6-13、图6-
（6）地震力 作为特殊荷载计算。
地基变位对坝身应力的影响也应该计入。
荷载组合：与重力坝计算相似。其特点是水压力、温度荷载为主 要荷载，自重泥沙压力和渗透压力等也要考虑。非常情况时，应 再加入地震力。
二、应力计算
砌石拱坝的材料允许应力目前尚无统一规范，它不 仅与材料的极限抗压强度和荷载组合有关，同时与应力 分析方法、砂浆标号及施工工艺水平有关，一般情况下 不允许出现拉应力，设计容许压应力为10～20kg/cm2， 但实践中有些工程也超过此界限，如河南、四川等省已 建成并正常运行的砌石拱坝，其校核最大压应力为56 k/cm2，拉应力为5～10 kg/cm2，因此，砌石拱坝的 允许应力，可参考当地已建成工程情况，全面分析后选 定。
图6-2 拱坝断面图
世界上最高的拱坝：前苏联英古里坝，高272m
美国胡佛重力拱坝，高221m ,1936年竣工
法国罗斯朗支墩型拱坝---世界著名薄拱坝,高150m, 坝基处宽22m,1961年竣工
日本黑布第四拱坝,日本最高坝,高186m，1964年竣工
第二节 拱坝断面的拟定和平面布置
设计拱坝时，一般是先拟定断面尺寸和平面布置，然后进 行稳定计算和应力分析，经反复比较后，定出适宜的断面尺寸 和平面布置。 一、断面选择 1. 拱圈厚度 可先利用圆筒公式确定拱圈厚度T（图6-3）。
第六章 拱坝
第一节 拱坝的修建特点及修建条件
拱坝在平面上呈拱形，可由混凝土及浆砌石筑成，其荷载主要 借助拱的作用传给两岸，拱内主要是压应力，这样能充分发挥材 料的抗压强度，故其断面尺寸比重力坝小。所以，拱坝具有工程 量小，投资少、工期短、见效怯等优点，在小流域治理及泥石流 防治中应用广泛。
近年来，我国各地修建了不少中小型拱坝，在坝型、材料、 地基处理、施工等方面积累了不少经验。高拱坝也有了很大的发 展，河南省某浆砌石拱坝，坝高达95m。
计算过程…….比较复杂…
（三）整体稳定性计算 当局部稳定性计算的K值较小，或坝址节理裂隙较多，又
考虑到工程处理效果不很理想时，应对拱坝整体抗滑稳定进行 计算。
（四） 改善坝头基岩稳定的措施 1.进行有效的固结灌浆，以提高基岩的抗剪强度和抗压强度。 2.将拱坝嵌入基岩深一些，可获得抗滑动岩体 3.将拱坝设计成向下游倒悬，利用水重增加抗滑稳定性 4.加大拱端厚度改善受力情况，或减少中心角，可增加下游抗滑 岩体 5.将软弱岩层控到新鲜岩层。
1. 等半径拱坝 等半径拱坝在各个高程上拱圈的外半径（R）都相同，有垂直的
上游面及倾斜的下游面。这种拱坝施工较简单，但工程量大，应力 分布不太均匀，最大应力发生在距底部l/3高度范围内，拉力大，不 便于坝顶溢流。在U形河谷，各层拱的中心角和内半径都差不多， 可采用定圆心等外半径拱坝（图6-4）。
图6-4 定圆心等外半径拱坝（适用U形河谷） 在梯形河谷由于下部较窄，若圆心不变，拱的中心角就 很小，不够经济；故可采用定外圆心，等外半径，而变内 圆心，变内半径的拱坝（图6-5），这种拱圈的厚度是变 化的（从拱冠向拱端渐增）。
一、拱坝对坝基及坝头的要求
拱坝对基础（包括两岸拱座）地质条件的要求比重力坝 严格，若地基岩石发生变形时，则对拱坝的影响很大。因此， 拱坝应修建在岩石坚硬完整、均匀、变形小，耐风化、透水 性弱，上下游岸坡稳定，以及没有较大断层破碎带的地区。 同时应避开倾向下游的层状岩层和岩性剧烈变化的夹层!
坝的两端嵌入基岩内，因此对两岸坝头岩体的稳定要求 较高。如果坝头岩石节理、裂隙的走向为顺河流方向及下游 斜入河床，对拱坝稳定最不利。特别是倾角与岸坡坡角近似 一致的节理、裂隙，拱坝很容易沿着这组节理面破裂，因此 必须对坝头岩石的节理、裂隙进行认真地研究
（1）坝体自重薄拱坝和拱坝可不考虑此项荷载，但重力拱坝则 不能忽略。
（2）渗透压力 重力拱坝应考虑此项荷载，薄拱坝和拱坝可忽略 不计，但当坝面出现裂缝时，则应考虑渗透压力对应力分布的影 响。
（3）泥沙压力水库泥沙淤积较大时，应作为主要荷载。
（4）水压力是拱的基本荷载。
（5）温度应力 由于拱坝两端固定在两岸基岩上，当外界温度发 生变化时，不允许拱圈自由收缩，则在坝体内产生拉应力，即温 度应力，其变化对拱坝影响很大，是主要荷载。
图6-5 变内圆心变内半径拱坝（适用梯形河谷）
2. 等中心角拱坝（图6-6）
这种坝各层的拱圈，都具有相同的最有利的中心角，其工程量省， 坝体应力分布均匀，且比较小，最大应力发生于基础层（即距 底部1/3坝高内），适宜在V形河谷修建。坝的上游面多发生 倒悬，特别是靠近岸坡处更为严重，结构不够稳定，施工复杂， 坝身溢流不便，故采用较少。
14所示。设计时需要考虑滑动岩体的重量W和滑动面上13 连续节理滑动面
图6-14 不连续节理滑动面
图6—15基岩滑动面受力
（二）稳定分析的计算
进行基岩危险滑动面分析后，即可选择稳定性较差 的那一部分来
进行核算：先算出危险滑动面附近梁底和拱端的力 系，并求出合力、滑动岩体的重量，然后核算出安全 系数K是否满足要求。如果在滑动面上考虑黏着力的作 用，则应考虑灌浆处理后的效果。如果对局部稳定的 核算没有十分把握，应再对拱坝的整体稳定进行核算。
对于小型砌石拱坝，可采用纯拱法计算拱坝应力
具体计算过程……略
第四节 坝头基岩的滑动稳定分析和重力墩的设计
一、基岩的滑动稳定分析 拱坝是一个推力、空间整体结构，只要基岩的稳定条件良
好，就不会从坝底接触面或坝体内产生滑动，否则就会因局 部稳定性不足而造成基础变形，产生附加应力，造成大坝失 事。 （一）基岩危险滑动面的分析
二、坝头重力墩的稳定计算…..略
第五节 坝身构造和坝基处理
一、坝顶与坝面 坝顶构造与其用途有关，没有交通要求的非溢流拱坝，
顶宽一般采用2.0～4.0m。有交通要求时，可用悬臂加宽 坝顶，并按公路级别确定宽度。溢流拱坝的头部应按水流 作成流线型（图6-21）。
图6-21 坝顶构造示意图
砌石拱坝应注意上游面的防渗问题，可考虑加做一道混 凝土防渗面板。对低坝也可用100号水泥砂浆勾缝防渗。
图6-10 纯拱法示意图
梁拱法：也叫试载法，认为拱坝由一系列的水平环拱所组 成，其荷载由拱和梁共同负担（图6-11）。这种方法理论 上比纯拱法完善，但计算繁杂。有时可进一步简化为拱冠梁 法，只取拱冠处一根梁参加试载法计算，这种方法在拱坝设 计中应用较多。
图6-11 梁拱法示意图
作用在拱坝上的荷载及其特点：
应当指出的是，当L/H的比值相同，河谷形状不同，拱所发挥 的作用也是不一样的；三角形河谷，拱自上而下可以较充分发挥 作用；矩形河谷，在靠近底部时，拱的作用显著减小，绝大部分 荷载需靠悬臂梁负担；梯形河谷，拱的作用介于上述两者之间。
三、拱坝的分类
按拱和悬臂梁分摊荷载的比例来分类，拱坝可分为
薄拱坝、拱坝和重力拱坝等。一般认为当坝底厚度T和 最大坝高H的比值T/H<l0%时，为薄拱坝； T/H=10%～40%，为拱坝； T/H=40%～60%时，为重力拱坝（图6-2）； 当T/H=60%～80%时，则属于重力坝
图6-22 拱坝与两岸连接
拱坝坝址河谷狭窄。不宜开掺溢洪道，多采用坝顶溢洪。 坝顶溢流可分为自由跌落式和挑流式两种，前者构造简单，但 挑流距离较近，后者挑射距离较远，但构造较复杂，为避免下 泄水流冲刷坝基，应对坝基附近岩石进行保护