PPT拱坝基础知识与设计计算讲义

第三章拱拱坝二滩水电站：：抛物线双曲曲拱坝溪洛渡水电站站：双曲拱坝坝一、拱坝的建建设情况1、120m以上的高拱坝坝以瑞士、美美、意、西班班牙居多；2、格鲁吉亚的英英古里拱坝高高272m；3、二滩为目前国国内最高的拱拱坝：241m;4、正在建设中的的金沙江上溪溪落渡水电站站为双曲拱坝坝,坝高：282m.目前世界上已已建成的最高高拱坝是前苏苏联英古里(HHFYPH)双曲拱坝，高高271.5m，坝底厚度86m，厚高比为0.33。其次是意大大利的瓦依昂昂拱坝(Vaiont)，高261.6m，坝底厚22.lm，厚高比为0.084。最薄的拱坝坝是法国的托托拉拱坝，高高88m，坝底厚2m，厚高比为0.023。目前我国已建建成的最高拱拱坝是台湾省省德基双曲拱拱坝(高180m)和青海省龙羊羊峡重力拱坝坝(高178m)，最高的砌石石拱坝是新疆疆石河子拱坝坝，高112m；正在施工的的四川省二滩滩抛物线双曲曲拱坝，高240m，居世界第四四位，标志着着我国在高拱拱坝的勘测、、设计、施工工和科研方面面已达到一个个新的水平。。二、拱坝的特特点拱坝是在平面面上呈凸向上上游的拱形挡挡水建筑物，，借助拱的作用用将水压力的的全部或部分分传给河谷两两岸的基岩。。与重力坝相比比，在水压力力作用下坝体体的稳定不需需要依靠本身身的重量来维维持，主要是利用拱拱端基岩的反反作用来支承承。拱圈截面上主主要承受轴向向反力，可充充分利用筑坝坝材料的强度度。因此，是是一种经济性性和安全性都都很好的坝型型。拱坝需要水平平拱圈起整体体作用，故坝坝身不设永久久伸缩缝，拱坝属于高次次超静定整体体结构。当外外荷载增大或或坝的某一部部分发生局部部开裂时，变变形量较大的的拱或梁将把把荷载部分转转移至变形量量较小的拱或或梁，拱和梁梁作用将会自自行调整。国国内外模型试试验成果表明明：只要坝基基牢固，拱坝坝的超载能力力可以达到设设计荷载的5~11倍，远高于重重力坝。拱坝坝体轻韧韧，地震惯性性力比重力坝坝小，工程实实践表明，其其抗震能力也也是很强的。。迄今为止，，拱坝失事比比例远小于其其他坝型，而而且几乎没有有因坝身问题题而失事的，，拱坝的失事基基本上是由于于坝肩抗滑失失稳所致的。。所以，应十分分重视坝肩岩岩体的抗滑稳稳定分析。因为拱坝是高高次超静定整体结构，所以温度变化化和基岩变形形对坝体应力力的影响比较较显著，在设设计计算时，，必须考虑基基岩变形，并并将温度作用用列为主要荷荷载。拱坝可以安全全溢流，也可可在坝身设置置单层或多层层大孔口泄水水。由于拱坝剖面面较薄，坝体体几何形状复复杂，因此对对于筑坝材料料强度、抗渗渗性和施工质质量等要求都都比重力坝严严格。双河拱坝有限限元实体模型型上游鸟瞰图图双河拱坝仿真真分析有限元元模型三、地质地形形条件河谷形状对荷荷载分布和坝坝体剖面的影影响1、地形条件河谷狭窄，左左右对称，向向下游收缩的的“V”或“U”形地形。宽高比与厚高高比

（a）宽高比：河河谷宽度L与坝高H的比值，（（b）厚高比：坝坝厚T与坝高H的比值。L/H<1.5,T/H<0.2为薄拱坝；L/H=1.5~3.0,T/H=0.2~0.35为一般拱坝；；L/H=3.0~4.5,T/H=0.35~0.60为重力拱坝。。2、地质条件基岩均匀，坚坚固完整，有有足够的强度度、透水性小小而能抗风化化。

上述条条件不能满足足时，需进行行固结灌浆以以增加地基的的整体性和牢牢固程度。3、发展趋势对地形地质条条件的限制有有所放宽，坝坝更高，坝体体薄，坝型多多样化，双曲曲居多，坝顶顶泄流的单宽宽流量加大，，最优化设计计处于实用阶阶段。四、拱坝的形形式:控制拱坝形式式的主要参数有:拱弧的半径、、中心角、圆圆弧中心沿高高程的迹线和和拱厚。按照拱坝的拱拱弧半径和拱拱中心角，可可将拱坝分为为：单曲拱和双曲拱.中心角的影响响:中心角大一些些,拱圈厚度小一一些,拱圈内力小一一些,因此适当加大大中心角是有有利的.但过大的中心心角将使拱端端弧面的切线线与河岸等高高线的夹角变变小,降低拱座的稳稳定形性.1、单曲拱，又称为定外外半径定中心心角拱对对U型或矩形断面面的河谷，其其宽度上下相相差不大，各各高程中心角角比较接近，，外半径可保保持不变，仅仅需下游半径径变化以适应应坝厚变化的的要求。特点：施工简单，，直立的上游游面便于布置置进水孔和泄泄水孔及其设设备，但当河河谷上宽下窄窄时，下部拱拱的中心角必必然会减小，，从而降低拱拱的作用，要要求加大坝体体厚度,不经济.2、双曲拱坝对底部狭窄的的“V”字形河谷，宜宜将各层拱圈圈外半径,上至下逐渐减减小，可大大大减少坝体方方量。变外半径等中中心角拱的特特点：拱坝应力条件件较好，梁呈呈弯曲形状,兼有拱的作用用,更经济，但但有倒悬出出现，设计计及施工较较复杂，对“V”、“U”型河谷都适适用.双曲拱坝拱坝的荷载载一、荷载作用在拱坝坝上的荷载载主要有：：水压力（（静水压力力和动水压压力）、温温度荷载、、自重、扬扬压力、泥泥沙压力、、浪压力、、冰压力和和地震荷载载（地震惯惯性力和地地震动水压压力）等。。一般荷载载的计算方方法与重力力坝基本相相同，这里里只强调作作用的拱坝坝上荷载的的某些特点点。1、自重荷载载对薄拱坝而而言，自重重的影响很很小，几乎乎可忽略不不计，对中中等厚度拱拱坝和重力力拱坝来说说，应考虑虑自重的作作用，自重重荷载由梁梁承担。截面A1、A2间的坝体自自重G可按辛普森森公式进行行计算：2、水平径向荷荷载主要为静水水压力，其其次有泥沙沙压力、浪浪压力、冰冰压力等，，由拱和梁梁共同承担担。分担荷荷载的比例例须通过荷荷载分配的的方法来划划分。当基岩弹模模与坝体相相同时，在在均布径向向荷载作用用下水平面面上的应力力分布的一一般规律是是：3、温度荷载载这是拱坝设设计中的主主要荷载之之一在水压力和和温度荷载载共同引起起的径向变变位中，温温度荷载约约占据1/3至1/2，对坝顶部部分的影响响更大。通通常假定温温度荷载由由拱圈承担担。产生温度荷荷载的两个个原因是：：（1）混凝土施施工过程中中水化热的的散发；（2）外界气温温的变化。。封拱温度：：选用下游以以年平均气气温、上游游以年平均均水温作为为边界条件件，求出此此时的坝体体温度场作作为稳定温温度场。工工程中，一一般选在年年平均气温温或略低时时进行封拱拱。*温升：温度高于封封拱温度。。温升对坝坝肩稳定不不利，对应应力有利；；*温降：温度低于封封拱温度。。温降对坝坝肩稳定有有利，对应应力不利。。＋”为压应力，，“－”为拉应力4、扬压力由于拱坝坝坝底厚度很很小，作用用于坝底的的扬压力较较小，除厚厚拱坝和中中厚拱坝需需考虑扬压压力的作用用外，对薄薄拱坝扬压压力可忽略略不计。二、荷载组组合拱坝设计荷荷载组合可可分为基本本组合和特特殊组合二二类。（一）基本本组合有以下几种种情况：1、水库正常常蓄水位及及相应的尾尾水位和设设计正常温温降，自重重、扬压力力、泥沙压压力、浪压压力、冰压压力。2、水库死水水位（或运运行最低水水位）及相相应的尾水水位和此时时出现的设设计正常温温升，自重重，扬压力力（或不计计），泥沙沙压力，浪浪压力。（二）特殊殊组合分以下几种种情况：1、校核洪水水位及相应应的尾水位位和此时出出现的设计计正常温升升，自重，，扬压力，，泥沙压力力，动水压压力，浪压压力。2、基本组合合1+地震荷载。。3、施工期的的荷载组合合，包括接接缝未灌浆浆和分期灌灌浆两种情情况。（1）接缝未灌浆浆①自重；②遇施工洪洪水时的静静水压力加加自重。（2）分期灌浆①自重及接接缝灌浆部部分坝体浊浊度荷载（（设计正常常温升或设设计正常温温降）；②遭遇施工工洪水时，，静水压力力，自重及及接缝灌浆浆部分坝体体温度荷载载（设计正正常温升））。4、其其他他稀稀遇遇的的不不利利荷荷载载组组合合。。在上上述述荷荷载载组组合合中中，，可可根根据据工工程程的的实实际际情情况况选选择择控控制制性性的的荷荷载载组组合合，，作作为为分分析析坝坝体体应应力力和和坝坝肩肩岩岩体体稳稳定定的的依依据据。。在在初初步步选选择择体体形形时时，，可可用用基基本本组组合合1作为为控控制制性性的的荷荷载载组组合合。。在在地地震震较较频频繁繁的的地地区区，，当当施施工工较较长长时时，，应应采采取取措措施施及及时时封封拱拱，，必必要要时时对对施施工工期期的的荷荷载载组组合合尚尚应应增增加加一一项项“上述述情情况况加加地地震震荷荷载载”，其其地地震震烈烈度度可可按按设设计计烈烈度度降降低低一一度度考考虑虑。。第三三节节拱拱坝坝的的布布置置一、、拱拱坝坝断断面面尺尺寸寸的的初初步步拟拟定定当坝坝高高已已定定，，坝坝体体待待定定的的基基本本尺尺寸寸主主要要是是：：拱圈圈的的平平面面形形式式及及各各层层拱拱圈圈轴轴线线的的半半径径和和中中心心角角，，拱拱冠冠梁梁上上下下游游成成的的形形式式以以及及各各高高程程的的厚厚度度。首首先先要要拟拟定定的的是是平平面面拱拱圈圈的的形形式式及及其其中中心心角角、、半半径径和和厚厚度度，，以以及及拱拱冠冠悬悬臂臂梁梁的的尺尺寸寸。。圆弧弧形形拱拱圈圈的的中中心心角角、、半半径径和和厚厚度度拱坝坝的的水水平平拱拱圈圈以以圆圆弧弧形形最最为为常常用用。。为为从从拱拱坝坝任任意意高高程程取取的的单单位位高高度度的的等等截截面面圆圆拱拱，，设设拱拱圈圈的的外外半半径径为为，，拱拱圈圈中中心心线线半半径径为为，，中中心心角角为为，，在在沿沿外外弧弧均均布布水水压压力力平平衡衡条条件件可可得得“圆简简公公式式”为：：圆弧弧拱拱圈圈水平拱圈的较较优形态合理的拱圈形形式应当是压压力线接近拱拱轴线，使拱拱截面的压应应力分布趋于于均匀，从工工程力学可知知，当单独一一个拱圈在上上游面承受匀匀布水压力时时，其最合理理的形态为圆圆弧拱。但是是对于拱坝来来说，由于其其结构性能具具有水平拱和和垂直梁的作作用，拱梁的的系统共同承承担外荷载，，且水平拱所所分担的水压压力部分往往往是非匀布的的，通常是从从拱冠向拱端端逐渐减少的的。因此最经经济合理的拱拱圈形大辩论论就不一定是是圆弧拱，实实际采用时需需综合考虑经经济、设计及及施工等因素素。铅直剖面（拱拱冠梁）的形形式和尺寸在拱坝的轴线线和拱圈平面面形式确定之之后，铅直剖剖面可以拱冠冠梁为代表，，初步拟定其其尺寸。1、坝顶厚度坝顶厚度应根根据剖面设计计确定，并满满足运行、交交通要求，一一般不应小于于3m。坝顶厚度还还可按下列经经验公式估算算：式中H——坝高(m)L1——坝顶高程外两两拱端新鲜基基岩之间的直直线距离（m）；R轴——顶拱轴线的半半径（m），初估时可取，，此时时相当于顶拱拱中心角为113°。在实际工程程中常以顶拱拱外弧作为拱拱坝的轴线。。2、坝底厚度拱坝的坝底厚厚度主要取决决于坝高和河河谷形状。设设计时可参考考已建成的坝坝高和河谷形形状大致相近近的拱坝来初初步拟定，再再通过计算和和修改布置定定出合适的尺尺寸。作为拱坝优选选的初始方案案，坝底厚度度可按下式计计算：3、拱冠梁的形形态和尺寸拱冠梁剖面的的形态对拱坝坝的竖直曲率率和自重应力力有很大影响响。以往较广广泛采用上游游面近于垂直直的单曲拱坝坝，尽管设计计和施工方便便，但往往很很不经济，近近代大多数较较高的拱坝都都采用双曲形，即竖直剖剖面的上下游游面均有一定定曲率，其明明显的优点是是可利用坝体体自重以减小小由上游面水水压力引起的的坝底上游面面以及坝体上上部下游面的的垂直拉应力力，并利用垂垂直拱的作用用，使悬臂梁梁在水压作用用下产生水平平变位的同时时还有向上变变形的倾向，，该倾向得到到顶拱的支承承，从而减小小了悬臂梁的的弯矩，使拱拱的应力状况况得到改善。。图3.11是几个典型拱拱坝的拱冠梁梁剖面图。拱坝典型剖面面图二、拱坝布置置的原则和要要求拱坝布置的原原则是，根据据坝址地形、、地质、水文文等自然条件件以及枢纽综综合利用要求求统筹布置，，在满足稳定定和建筑物运运用的要求下下，通过调整整拱坝的外形形尺寸，使坝坝体材料的强强度得到充分分发挥，控制制拉应力在允允许范围之内内，而坝的工工程量最省。。因拱坝型式式比较复杂，，断面形状又又随地形地质质情况而变化化，故拱坝布布置需有较多多的方案，进进行全面技术术经济比较，，选择最优方方案。而最终终选定的布置置方案，一般般需经模型试试验论证。拱坝布置的步步骤拱坝布置复杂杂，需结合地地形地质条件件，反复修订订，作多方案案比较，最后后定出布置图图，其步骤如下：：①根据坝址地地形、地质资资料定出开挖挖深度，绘出出坝址利用基基岩面等高线线图。综合考考虑地形、地地质、水文、、施工及运用用条件等，选选择适宜的拱拱坝坝型。②②利利用基岩面等等高线地形图图，试定顶拱拱轴线的位置置。顶拱轴线线的半径可参参考前边的介绍。应量使拱轴轴线与等高线线在拱端处的的夹角不小于于30°，并使两端夹夹角大致相近近。按适当的的中心角和坝坝顶厚度画出出顶拱内外缘缘弧线。③初拟拱冠梁剖剖面尺寸，并并拟定各高程程拱圈的厚度度。一般选取取5~10层拱圈，绘制制各层拱圈平平面图。各层层拱圈的圆心心联线在平面面上最好能对对称于河谷可可利用基岩面面地形图，在在垂直面上，，这种圆心联联线应是光滑滑的曲线。④切取若干垂垂直剖面，检检查其轮廊是是否光滑连续续，倒悬是否否过大，如不不符合要求，，应适当修改改拱圈及梁的的形状尺寸。。⑤⑤根据初定的的坝体尺寸进进行应力计算算及坝肩稳定定较核。如不不符合要求，，应重复以上上步骤修改坝坝体布置和尺尺寸。⑥将拱坝沿拱的的轴线展开，，绘成立视图图，显示基岩岩面的起伏变变化，对突变变处采取削平平或填塞措施施。⑦⑦计算坝体工工程量，作为为不同方案比比较的依据。。由由于于拱坝布置需需反复修改，，并作多方案案比较，目前前已利用计算算机设计。首首先由设计人人员根据地形形地质条件，，初绘拱坝轮轮廓，由计算算机计算控制制点坐标，画画出坝体透视视图、展开图图，在展开图图上画好二维维网格后，计计算机即可自自动形成三维维网格，并用用有限元法计计算出应力，，然后再根据据应力状态修修改坝体形状状，重复几次次即可。采用用这种方法，，坝体上下游游面形状由坐坐标定点，改改变形状方便便，适用于任任何复杂形状状的拱坝。拱端的布置原原则:保证拱端能很很好地嵌入坚坚实的基岩，，有充分的岩岩体承受施加加的荷载，并并应考虑岩石石内节理的倾倾向,以保证在各种种荷载条件下下坝肩的稳定定。*全径向拱座：使拱端推力力接近垂直于于拱座面；*半径向拱座：基岩开挖过过多时，靠上上游侧1/2拱座面与基准准面的交角大大于10º；*非径向拱座：基岩开挖过过多时采用，，拱座面与基基准面的夹角角应小于80º。拱座类型的开开挖类型见图图拱座类类型第四节节拱拱坝的的应力力分析析一、拱拱坝应应力分分析的的常用用方法法拱坝是是一个个空间间弹性性壳体体，其其几何何形状状和边边界条条件都都很复复杂，，难以以用严严格的的理论论计算算求解解拱坝坝坝体体应力力状态态。在在工程程设计计中，，常作作一些些必要要的假假定和和简化化，使使计算算成果果能满满足工工程需需要。。拱坝坝应力力分析析的常常用方方法有有圆筒筒法(p93)、纯拱拱法、、拱梁梁分载载法、、壳体体理论论计算算方法法、有有限单单元法法和结结构模模型试试验法法等。。(1)纯拱法法:假定拱拱坝由由许多多互不不影响响的独独立水水平拱拱圈组组成，，不考考虑梁梁的作作用，，荷载载全部部由拱拱圈承承担。。计算算简单单，但但结果果偏大大，尤尤其对对厚拱拱坝。。对薄薄拱坝坝和小小型工工程较较为适适用。。(2)拱梁分分载法法:假定拱拱坝由由许多多层水水平拱拱圈和和铅直直悬臂臂梁组组成，，荷载载由拱拱梁共共同承承担，，按拱拱、梁梁相交交点变变位一一致的的条件件将荷荷载分分配到到拱、、梁两两个系系统上上。梁梁是静静定结结构，，其应应力容容易计计算；；拱的的应力力则按按弹性性固端端拱进进行，，计算算结果果较为为合理理，但但计算算量大大，需需借助助计算算机，，适于于大、、中型型拱坝坝拱冠梁梁法:最简单单的拱拱梁分分载法法，可可采用用拱冠冠梁作作为所所有悬悬臂梁梁的代代表与与许多多拱圈圈组成成拱梁梁系统统，按按拱、、梁交交点径径向线线变位位一致致的条条件来来建立立变形形协调调方程程,并进行行荷载载分配配,可大大大减少少工作作量。。拱冠梁梁法的的主要步步骤是：①选定定若干干拱圈圈，分分别计计算各各拱圈圈拱顶顶以及及拱冠冠梁与与各拱拱圈交交点在在单位位径向向荷载载作用用下的的变位位，这这些变变位称称为“单位变变位”；②根据据各共共轭点点拱、、梁径径向变变位协协调的的关系系以及及各点点荷载载之和和应等等于总总荷载载强度度的要要求建建立变变位协协调方方程组组；③将上上述方方程组组联立立求解解，得得出各各点的的荷载载分配配；④根据据求届届的荷荷载分分配值值，分分别计计算拱拱冠梁梁和各各拱圈圈的内内力和和应力力。拱冠梁梁法荷荷载分分配示示意图图壳体理理论计计算方方法:采用壳壳体理理论计计算拱拱坝应应力的的近似似方法法，早早在30年代就就由P托克尔尔提出出。由由于坝坝体形形状和和几何何尺度度的变变化以以及边边界条条件的的复杂杂性，，使这这一方方法受受到很很大限限制。。近年年来由由于计计算机机技术术的发发展，，使这这一方方法取取得了了新进进展。。网格格法就就是应应用有有限差差分解解算壳壳体方方程的的一种种计算算方法法，它它适用用于薄薄拱坝坝。我我国广广东泉泉水双双曲拱拱坝用用网格格法进进行应应力计计算，，效果果较好好。有限单单元法法:将地基基和坝坝体划划分为为有限限数量量的单单元，，以节节点相相连接接，用用离散散模型型代替替连续续体结结构进进行坝坝内各各单元元的应应力和和变位位计算算，能能正确确反映映施工工过程程对应应力的的影响响，能能解决决复杂杂边界界条件件和材材料不不均匀匀的问问题，，适用用而有有效，，但计计算量量相当当大，，必须须借助助于计计算机机才能能完成成。有限单单元法法的适适应性性很强强，通通过采采用不不同的的单元元，可可以在在不同同的精精度上上求解解。例例如在在分析析圆筒筒面薄薄壳拱拱坝时时，可可用矩矩形板板单元元(图a)；对于于双曲曲薄拱拱坝，，为适适应不不规则则的外外形和和边界界条件件，常常采用用三角角形板板单元元(图b)；对于于厚度度较大大、外外形复复杂、、地基基不均均匀的的拱坝坝，可可采用用较精精确的的三维维有限限元法法分析析。薄壳拱拱坝的的单元元划分分三维有有限元元分析析适用用于任任何形形状的的拱坝坝，可可以包包括一一定范范围的的基岩岩，如如图所所示。。基岩岩可以以是非非均质质或各各向异异性的的，可可以考考虑任任何性性质的的荷载载，如如基岩岩和坝坝体内内部的的渗流流体积积力、、自重重、温温度荷荷载、、灌浆浆和预预应力力、地地震力力等，，并可可以考考虑塑塑性和和开裂裂等非非线性性影响响，也也可用用于动动力分分析。。三维维有限限元分分析主主要可可分为为四面面体和和六面面体等等参数数单元元两大大类。。四面面体单单元的的优点点是刚刚度矩矩阵简简单，，但必必须划划分较较多数数量的的单元元才能能得到到较好好的成成果。。六面面体单单元，，尤其其是20结点等等参数数单元元，由由于其其计算算精度度高，，外形形为曲曲面六六面体体，能能适应应复杂杂的几几何形形状，，在大大型拱拱坝或或重要要的拱拱坝中中，应应用尤尤为广广泛。。坝体及及基岩岩单元元(三维分分析)(6)结构模型型试验法法:用石膏加加石藻土土组成的的弱性材材料构建建结构模模型，用用应变仪仪测量加加载前后后模型各各点应变变值的变变化，以以此求得得坝体应应力.二、拱坝坝设计的的应力控控制指标标拱坝的应应力控制制标涉及及到筑坝坝材料强强度的极极限值和和有关安安全系数数的取值值。混凝土拱拱坝设计计规范（（SD145-85）对允许许应力尚尚无明确确规定，，设计时时采用的的允许应应力还较较低。对对于较高高的拱坝坝，允许许压应力力常取5.0~6.0MPa，个别的的曾用到到过9.0MPa。规范规定定，对于基本本荷载组组合，安安全系数数为4.0；对于特特殊组合合，安全全系数为为3.5；当考虑虑地震荷荷载时，，混凝土土的允许许压应力力可比静静荷载情情况适当当提高，，但不超超过30%.由于混凝凝土的抗抗压强度度较高，，拱坝断断面设计计常受拉拉受力控控制，拉拉应力较较大部位位常在拱拱冠梁的的上游面面坝基处处，实际际上这个个部位的的拉应力力稍有超超过并不不很危险险。因为为拱坝具具有整体体作用，，即使梁梁底开裂，应力即即自行调调整，使使裂缝发发展到一一定程度度而停止止，而水水平拱承承载的潜潜力仍很很大。因因此现在在一般认认为可适适当提高高梁底上上游面的的允许拉拉应力值值。国内内多数拱拱坝设计计允许拉拉应力值值大致控控制在0.5~1.5MPa之间。而混凝土土拱坝设设计规范范（SD145-85）规定：：对于基本本荷载组组合，允允许拉应应力为1.2MPa；对于特特殊荷载载组合，，允许拉拉应力为为1.5MPa。当考虑虑地震荷荷载时，，允许拉拉应力可可适当提提高，但但不超过过30%。近年来，，随着拱拱坝建筑筑的发展展和人们们对客观观事物认认识的深深化，有有提高允允许应力力、减小小安全系系数的趋趋向。如如美国垦垦力局1977年《拱坝设计计准则》规定：对对于正常常荷载组组合，抗抗压安全全系数为为3.0，允许压压应力为为10.58MPa；对于非非常荷载载组合，，抗压安安全系数数为2.0，允许压压应力为为15.68MPa。在正常常荷载组组合，允允许局部部出现拉拉应力，，但不大大于1.06MPa；在非常常荷载组组合时，，拉应力力不大于于1.57MPa。第五节拱拱肩稳稳定分析析拱坝所承承受的荷荷载大部部分都是是通过拱拱的作用用传到两两岸拱座座岩体，，拱坝所所具有的的一切优优点都是是建立在在拱座稳稳定的基基础上，，拱坝的的重大事事故基本本上均与与拱座滑滑动失稳稳有关。。1959年法国马马尔巴塞塞拱坝因因左岸拱拱座失稳稳而遭到到破坏后后，许多国家家在拱坝坝设计规规范中都都明确规规定必须须进行拱拱座稳定定分析，，对两岸岸拱座的的稳定性性作出论论证，必必要时采采取适当当工程措措施，以以保证拱拱座的稳稳定。抗滑稳定定分析中中的滑动动体边界界，常由由若干个个滑裂面面和临空空面组成成。滑裂裂面一般般应是岩岩体内的的各种结结构面，，尤其是是软弱结结构面。。临空面面则为天天然地表表。下图图列举拱拱座岩体体可能发发生的滑滑动条件件.坝肩基岩岩滑动条条件①在坝的上上游面基基础内存存在水平平拉应力力区，有有产生铅铅直裂缝缝的可能能，因此此滑动体体的上游游边界一一般假定定从拱座座上游面面开始(图a)；若坝肩肩附近有有顺河向向断层破破碎带，，则有可可能在断断层破碎碎带与拱拱座间的的岩体处处发生破破裂，然然后沿断断层破碎碎带向下下游滑移移(图b)。②滑动岩岩体下游游具有滑滑动位移移的空间间，这可可能是河河流转弯弯突然扩扩大或冲冲沟形成成的临空空面(图c)，也可能能是下游游有断层层破碎带带或较宽宽的风化化软弱岩岩脉受力力压缩变变形后形形成的滑滑移空间间(图d)。③滑动岩岩体底部部有缓倾倾角节理理裂隙或或软弱夹夹层面(图e)。平行河流流方向或或向河中中倾斜的的节理可可能导致致滑动，，而在下下游逐渐渐斜入山山内的节节理、裂裂隙则对对稳定影影响不大大；一、拱座座稳定分分析方法法评价拱座座稳定的的方法：一是数值计算算法；二是模型试验验法。数值计算算法可分分为两类类：一是是刚体极极限平衡衡法，将将岩体作作为刚体体考虑；；二是有有限单元元法，将将坝和地地基作为为弹性体体或弹塑塑性体考考虑。模型试验验法也有有两种；；一是线线弹性结结构应力力模型试试验，二二是地质质力学模模型试验验。作用在滑滑动面上上的力S是滑动力力，P是阻滑力力，并考考虑到拱拱端下游游岩体重重量W的作用，，由此可可得抗滑滑稳定安安全系数数为：局部拱座座稳定计计算图三、整体体抗滑稳稳定计算算拱坝整体体稳定需需考虑两两种情况况：一是拱拱座整体体沿滑动动面向下下游滑动动；二是坝坝体绕一一岸旋转转滑动。。（一）拱拱座整体体滑动图a所示为拱拱座岩体体被一些些构造面面所切割割，连同同临空面面组成一一个容易易失稳的的“楔体”。图b所示为被被两个破破裂面和和切切割出出的一块块楔体。。作用在在该楔体体上的荷荷载有：：块体自自重W，坝体作作用力（（由坝体体应力分分析求得得），作作用在破破裂面上上的渗透透压力、、以以及其其它已知知外力（（如地震震惯性力力等）。。图a拱座失稳稳形式图图b滑移体受受力图于是，抗抗滑稳定定安全系系数为：：(二)绕一岸旋旋转滑动动当河谷两两岸地质质情况差差异较大大时，如如一岸的的节理发发育或拱拱座岩体体单薄，，或基岩岩有较弱弱夹层，，则坝体体可能绕绕另一岸岸旋转滑滑动。拱坝的整整体滑动动四、改善善拱座稳稳定的措措施通过拱座座稳定分分析，如如发现不不能满足足要求，，可采取取以下改改善措施施：①加强地地基处理理，对不不利的节节理等进进行有效效的冲洗洗和固结结灌浆，，以提高高其抗剪剪强度。。②加强坝坝肩岩体体的灌浆浆和排水水措施，，减小岩岩体的渗渗透压力力。③将拱端端向岸壁壁深挖嵌嵌进，以以扩大下下游的抗抗滑岩体体，也可可避开不不利的滑滑裂面。。这种做做法对增增加拱座座的稳定定性较有有效。④改进拱拱圈设计计，如采采用三心心拱、抛抛物线拱拱等形式式，使拱拱端推力力尽可能能趋向正正交于岸岸坡。⑤如拱端端基岩承承载能力力较差，，可局部部扩大拱拱端或设设置推力力墩。第六节拱坝的构构造及地地基处理理拱坝的分分缝拱坝是整整体结构构，一般般不作永永久性的的结构分分缝，但但施工需需要分段段浇筑，，各段间间设收缩缩缝，待待坝体温温度冷却却至稳定定温度时时灌浆封封填，使使坝成为为整体。。下图为为拱坝的的横缝和和纵缝示示意图。拱坝的横横缝与纵纵缝（一）横横缝横缝一般般沿径向向或近于于径向布布置，具具体布置置方式有有三种；；①在各分层层高程处处，横缝缝指向水水平拱厚厚中心线线的曲率率中心，，对于变变厚度拱拱坝，也也可用上上游坝面面弧线代代替拱厚厚中心线线。定中中心拱坝坝的横缝缝为竖向向平面，，双曲拱拱坝的横横缝为分分层连续续的扭曲曲面；②横缝以某某一高程程的径向向为准，，其他高高程均与与其一致致，此时时全部横横缝均为为竖向平平面；③横缝在不不同高程程分别采采用上述述两种方方式，缝缝面将为为分层连连续的扭扭曲面和和竖向平平面。国内外拱拱坝采用用第①种种方式居居多；对对于中小小型或坝坝面曲率率变化较较小的拱拱坝，也也可采用用第②种种方式，，第③种种方式则则是结合合坝内泄泄水管道道和溢流流坝布置置需要而而采用的的。横缝间距距一般为为15~20m，横缝内内应设键键槽，其其结构形形式和要要求与重重力坝的的类似。。(二)纵缝和水水平缝拱坝断面面一般较较薄，可可不设纵纵缝。当当坝体厚厚度大于于40～50m时，则需设设置纵缝。。纵缝的布布置和构造造要求与重重力坝类似似。图为龙龙羊峡拱坝坝纵缝布置置图。水平缝布置置要求也与与重力坝类类似。(三)周边缝双曲拱坝底底部有垫座座时，在坝坝体与垫座座间应设置置永久结构构缝，称为为周边缝，，（意大利利设计师首首先设置了了周边缝））其作用是：：①改变坝体体与坝基面面直接连接接的边界条条件。当河河谷形状不不规则或坝坝基存在地地质上的缺缺陷时，仍仍可设计成成经济合理理的拱坝体体型。②有利于深深入比较选选定拱坝体体型。当周周边缝的位位置拟定后后，如实际际的坝基开开挖深度与与预计的情情况略有差差别时，只只需调整垫垫座高度而而不必修改改拱坝体型型。③改善坝体上游游面的应力状状态，可减小小甚至免除上上游面的竖向向拉应力。由由于周边缝多多为连续光滑滑曲面，可使使坝体与垫层层间的应力分分布较均匀，，并可利用垫垫座增大与坝坝基接触面，，调整和减小小该处的压应应力。④减小坝体传传至垫座的弯弯矩，从而减减小垫座和坝坝基面间产生生拉应力的不不利影响，避避免垫座与坝坝基阻水帷幕幕的接触面受受拉而破坏。。⑤可以提前浇浇筑垫座混凝凝土，以覆盖盖和保护基岩岩面，并进行行坝基灌浆。。坝顶及坝面拱坝坝顶的结结构形式和尺尺寸应按使用用要求确定，，当无交通要要求时，非溢溢流坝顶宽度度一般应不小小于3m。在拱坝上游面面一定厚度内内应浇筑抗渗渗和抗冻性较较好的混凝土土，下游面1—2m范围内用抗冻冻性较好的混混凝土。除特特殊情况外，，一般都不配配筋。但在严严寒地区的薄薄拱坝，可在在坝顶配筋以以防渗水冻胀胀而开裂。在在地震区，为为防止坝顶开开裂，可穿过过横缝布置钢钢筋，以增强强坝的整体性性。三、坝内廊道道及排水由于拱坝坝体体应力较高，，廊道对其周周围的坝体应应力有较大影影响。为避免免过多地削弱弱坝体，对于于高度不大、、厚度小于lOm左右的薄拱坝坝，可不设廊廊道，或只设设一层灌浆廊廊道，而将检检查、观测、、交通及坝缝缝灌浆工作移移至坝后桥上上进行。桥宽宽一般为1.2—1.5m，上、下层间间隔20～40m，桥的伸缩缝缝宽约1～3cm，并与坝的横横缝一致。若若设置廊道，，其要求与重重力坝类似。。无冰冻地区的的薄拱坝可不不设坝身排水水管，其他情情况下仍应布布置排水管。。排水管应与与纵向廊道分分层连通，管管距一般为2.5～3.5m，管径一般为为15～20cm。四、拱坝的若若干特殊构造造(一)垫座垫座设置在拱拱坝坝体与基基岩面之间，，在有周边缝缝的拱坝中，，垫座与坝体体分开浇筑,在其他情况下下则多与坝体体一起浇筑。。(二)推力墩、重力力墩、翼坝当拱坝上部坝坝肩基岩面高高程偏低，形形成较大台梯梯时，可设置置推力墩来弥弥补，使拱端端作用力沿水水平方向由推推力墩传递至至坝头处的基基岩。马尔帕塞拱坝坝拱坝由法国著著名的柯-贝公司设计，，柯因设计，，坝高66米，坝顶高程程102.55米，坝顶长222.7米，中心角121度，坝顶厚度度1.5米，底厚6.78米。1952年开工，1954年建成，初期期蓄水缓慢，，历时四年尚尚未蓄满，水水位长期在80~90m高程之间。1959年12月2日水位升至100m高程，当晚坝坝体突然溃决决。拱坝混凝凝土的施工质质量是好的，然而坝基地地址及其处理理存在很多问问题：河床内只有两两个钻孔，孔孔深分别是10.4m、25m；建基面没有有挖到良好基基岩，仅进入入弱风化层约约1m；部分坝基的的变形模量仅仅1.0GPa左右；坝址岩岩体内含有软软弱粘土夹层层和细微裂缝缝，其承载力力只有2.5~3.0MPa，而拱坝所作作用的应力高高达4.0~6.0MPa；由于试灌的的吸浆量小，，决定不作完完整地防渗帷帷幕；坝体底底部的位移很很大，出事前前曾测到16mm的径向位移。。当时世界已建建拱坝600座，其是唯一一一座瞬间溃溃决的拱坝，，“然而不管他的的外貌如何，，他的单薄体体型，他的优优美曲线和它它承受的应力力很高，事实实是：拱坝是是所有建筑物物中最安全的的一种，是一一种从来没有有垮掉过的结结构物。”马尔帕塞拱坝坝失事后，拱拱坝设计着更更为审慎地对对待坝基的地地质勘探和地地基处理，把把体体型也趋趋于扁平化，，使拱坝的合合力方向向山山里偏转，以以利于坝肩的的稳定。注：柯因设计计的90m高的马立奇拱拱坝切除了底底宽7m的上游坝锺混混凝土，第一一座既有水平平曲率又有垂垂直曲率的双双曲拱坝瓦依昂薄拱坝坝：1958年开工，由意意大利坝工专专家西门扎设设计，坝高262m，地形很窄，，坝体极薄，，底厚仅22.6m，混凝土只有有36万m3。1963年库区左岸发发生大滑坡，，滑坡体体积积2.7亿m3，形成涌浪翻翻过大坝，漫漫流水深右岸岸超过坝顶260m，左岸超过坝坝顶100m，造成下游2600人死亡，大坝坝也因水库淤淤满而报废。。大坝仅左岸岸坝顶有一段段长9m、高1.5m的混凝土略有有损坏。五、拱坝的地地基处理拱坝的地基处处理和岩基上上的重力坝基基本相同，只只是要求更加加严格，对两两岸坝肩的处处理尤为重要要。坝基开挖高坝一般应开开挖至新鲜或或微风化的下下部基岩、中中坝应尽量开开挖至微风化化或弱风化的的中、下部基基岩。整个坝坝基利用岩面面的纵坡应平平顺而无突变变，拱端开挖挖应注意本章章第三节所述述的拱端布置置原则。河床床覆盖层原则则上应全部挖挖除，如有困困难，应在结结构上采取措措施。例如贵贵州猫跳河窄窄巷口拱坝，，高39.5m，因河床覆盖盖层较厚，采采用双拱坝体体型，以基础础拱桥跨过覆覆盖层，并用用两排混凝土土防渗墙作为为覆盖层防渗渗。下图贵州州猫跳河窄巷巷口拱坝固结灌浆和接接触灌浆拱坝坝基一般般都要进行全全面的固结灌灌浆，以增加加基岩的整体体性。对于节节理、裂隙发发育的坝基，，尚需扩大固固结灌浆范围围。对于坡度度大于50º~60º的陡壁面，上上游坝基接触触面以及基岩岩中开挖的所所有槽、井、、洞等回填混混凝土的顶部部，尚应进行行接触灌浆，，以提高接触触面上的抗剪剪强度和抗压压强度，防止止沿接触面渗渗漏。帷幕灌浆帷幕线一般布布置在压应力力区，并尽可可能靠近上游游面。帷幕灌灌浆可利用坝坝体内的廊道道进行（图a）；当坝体较较薄或未设廊廊道时，可在在上游坝踵处进行（图b）当有坝头绕绕渗，将影响响拱座岩体稳稳定，或将引引起库水的水水量损失时，，防渗帷幕还还应深入两岸岸山坡内，与与重力坝的情情况类似，但但要求应更严严格。地基灌浆坝基排水在防渗帷幕后后应设置坝基基排水孔和排排水廊道。高高坝以及两岸岸地形较陡、、地质条件复复杂的中坝，，宜在两岸设设置多层排水水平洞，在平平洞内钻设排排水孔，以充充分降低两岸岸岩体内的地地下水位和扬扬压力。断层破碎带的的处理应根据其具体体情况，分析析研究其对坝坝体及地基的的应力、变形形、稳定和渗渗漏的影响，，采取开挖回回填、混凝土土塞或传力墙墙等措施加以以处理，原则则上可参照岩岩基上重力坝坝的地基处理理方法，对特特殊地质情况况，还需作专专门的研究。。优化设计：目标函数：坝体体积约束函数：最大主应力力、施工期拉拉应力、中心心角、倒悬度度、坝体厚度度等。在优化设计的的基础上，我我国提出了两两种拱圈伈线线型：二次曲线拱坝坝、混合曲线线拱坝，第七节拱拱坝材料用于修建拱坝坝的材料主要要是混凝土（（包括常规混混凝土、碾压压混凝土），，中小型工程程长就地取材材，使用浆砌砌块石。对混混凝土和浆砌砌石材料性能能指标的要求求和重力坝相相同。第八节：其他他形式拱坝一、支墩坝工作原理：①组成支墩墩坝由一系列列独立的支墩墩和挡水面板板组成，支墩墩顺坝轴线排排列，上游面面设挡水面板板，遮断河谷谷，形成挡水水面。②传力方式库水压力由面面板→支墩→→地基③工作原理:利用水重和自自重在坝基面面产生的摩擦擦力来抵抗水水平水压力维维持稳定.二、支墩坝的的型式1、平板坝这是支墩坝的的最早型式，，常用的是简简支式平板坝坝。它的面板板是一个平面面，平板与支支墩在结构上上互不相连。。优点：①平板的迎水水面上不产生生拉应力；②对温度变化化的敏感性差差；③地基变形对对坝身应力分分布影响不大大,对地基要求不不十分严格；；适用场合：①①地基不不均匀变化较较大时；②②适用于坝坝高40m以下的坝；这这是由于面板板受力条件的的限制(跨中弯矩大1/8ql2)2、连拱坝一方面由于平平板坝的面板板受力条件不不好，需将面面板的形式加加以改进，砼砼的抗压性能能好，所以可可以把平面的的面板改为圆圆弧面板(拱)，即连拱坝；；另一方面在河河谷较宽时，，若采用拱坝坝，拱作用得得不到充分发发挥，且砼方方量多(中心角越大，，弧长越长)；将面板做成拱拱型的，其受受力条件较好好能较好地利利用材料强度度。适用场合：连拱坝是空间间超静定结构构，对地基变变形、温度变变化较敏感，，故对地基要要求相对要高高。如我国国的梅梅山连连拱坝坝1956年建成成，坝坝高88.24m是当时时世界界上最最高的的，它它比美美国1938年建造造的巴巴特勒勒(Bartlett)坝(87.19m)高1.05m,见图4.2；佛子子岭连连拱坝坝高74.4m,见图4.3，现在在世界界上最最高的的是六六十年年代初初期开开始建建造的的加拿拿大旦旦尼尔尔约翰翰逊(DanielJohnson)连拱坝坝，高高214m。它的的混凝凝土体体积仅仅为同同等高高度重重力坝坝的一一半。。3、大头头坝这是一一种较较为优优越的的坝型型，它它既能能充分分利用用材料料的强强度，，钢筋筋用量量又少少。已建的的大头头坝有有:国内:广东新新丰江江单支支墩大大头坝坝，坝坝