拱坝的布置课件

拱坝的布置

要求：①掌握几种典型的圆弧拱坝的布置方法②掌握ΦA对应力、稳定、经济各方面的影响③掌握拱坝布置的原则及步骤。Ⅰ)拱坝布置的任务：根据拱坝的自然条件，施工条件和运用要求选择拱坝的坝型，拟定坝体的基本尺寸，并进行平面布置，然后经过应力、稳定分析，反复修改，最后确定一个既安全又经济的设计方案。由于拱坝的类型很多，不同的类型，其基本尺寸和平面布置均有一定的差别，但布置的方法及考虑问题的出发点是一致的。因此，本课程主要讲授圆弧拱坝的布置。对其他类型的拱坝布置同学们以后找有关资料自学。Ⅱ)重要性：直接关系大坝的安全、造价、施工及美观。Ⅲ)影响因素：自然条件，施工、运用Ⅳ)具体方法：

a、拱坝CAD，利用编制好的计算机软件自动进行。

b、半自动化方法。

c、人工方法。一)圆弧拱坝的几种典型布置方式1、

等外半径拱坝又叫圆筒形拱坝。①适于：U型或接近U型的梯形河谷，②做法：各层拱圈的外半径相同，中心角2ΦA基本接近或变化较小，为了适应水压力的增长，坝厚从上到下逐渐加厚，因此内半径从上到下逐渐减小。即：⑴内外、圆心同线。

⑵外半径不变。

⑶内半径逐渐缩小如：我国新修建的风滩，响洪甸等拱坝。

响洪甸等外半径重力拱坝凤滩

③优点：形式简单、施工方便、直立的上游面有利于布置进水口，或泄水建筑物的控制设备。④缺点：下部拱中心角必然减小，拱的应力分布不均匀，因此所需断面较大，极不经济。⑤改进：采用定外圆心，定外半径，而变内圆心，变内半径的变厚拱形式。

2、等中心角拱坝：

对V型山谷，若采用等外半径形式拱坝，势必使底部ΦA太小，而不能满足应力要求，为此需要加厚坝体，不经济、不利于发挥拱坝的优点，这时可将各层拱圈的外半径从上到下逐渐减小，而使各层拱圈的ΦA基本相等，布置成定角式拱坝。适于：V型河谷。优点：应力较好，经济。可以比等外半径式节约30%的工程量。缺点：两岸倒悬，对施工不利，空库时坝体应力和稳定有问题。改进：①梁向弯曲，布置成双曲拱坝。

②改用变半径，变中心角拱坝。解释：倒悬及倒悬度,n=△y/△x，

△y：△x=1：△x.

如广东泉水拱坝广东泉水定角式拱坝3、变半径，变中心角拱坝在▽形和接近▽的梯形河谷，为了使拱圈更好的适应河谷断面形状，既克服等ΦA式的倒悬问题，又不象等外半径式那样的不经济，常布置成变半径变中心角式拱坝。优点：比等R外应力好，比等ΦA式倒悬要小，较经济，比R外式省20%适于：▽或4、双曲拱坝：

对变半径、变中心角，定角式拱坝如果在坝体1/5~1/3处向上游突出，使悬臂梁也成为弯曲的形状，就成了双曲拱坝。优点：①

具有壳体作用安全度高。

a、各层拱圈的φA均能接近理想的角度，拱向应力好。

b、梁的弯曲。外荷→水平位移→竖向位移→受阻→M↘和N↗，改变梁的应力。

c、外荷在梁中部产生的应力与自重应力正好相反，可改善梁中部应力。

d、增加拱座的垂直压力，改善稳定

②对泄洪有利----渗气

③布置灵活：可较好的解决倒悬度问题缺点：结构复杂，设计、施工较难。二）圆弧拱坝基本尺寸的拟定：1、基本尺寸包括

①悬臂梁尺寸：a、坝顶、底及各个高程的厚度

b、上下游面曲线的方程

②拱圈尺寸：a、中心角2φA

b、半径R。φAΦA2、悬臂梁尺寸的初步拟定①Tcⅰ)考虑的因素

a、

强度要求：如坝顶承受较大的水压力、冲击力、温度荷载等。

b、

施工要求>=2c、

运用要求：交通，起闭机设备。

d、

经济上要求

e、

美观上要求ⅱ)确定方法：

a、

工程类比

b、

经验公式见书上两个ⅲ)影响：Tc决定顶拱的刚度，对荷载分配、顶拱及梁向应力有明显的影响

②TB

(ⅰ)考虑因素：a、坝高；b、坝型；c、河谷地形；d、地质；e、荷载及材料(ⅱ)确定方法：反复试算

a、

工程类比

b、

经验公式:

朱伯芳公式美国垦务局公式即（4－15）任德林公式：③悬臂梁剖面：

ⅰ)常见形状

龙羊峡白山风滩响洪甸

b、双曲：如：东风、东江、紧水滩、石门、泉水a、单曲：世界知名拱坝拱冠梁剖面

19－胡佛H=223m

28－莫瓦桑H=237m

30－瓦依昂H=262m

世界知名拱坝拱冠梁剖面

34－格兰峡H=217m

37－柯恩布赖茵H=200m

38－英古里H=272m

39－萨扬舒申斯克H=245m中国知名拱坝拱冠梁剖面

ⅱ)双曲拱坝上游面的曲线方程

A、B两个常数可以由下列条件确定

其中一般：

ⅲ)各高程厚度T（y）可以是y的一次二次三次曲线变化ⅳ)下游面方程由：x(y)及T(y)得到2、拱圈尺寸：①几何关系：φA、R、L、T其中：T由悬臂梁剖面设计得到

L河谷宽度为已知

φ、R、L具有如下关系

R=L/(2sinφA)因此要确定拱圈尺寸，只需确定φA或R即可，其他可以由几何关系求得，常选择φA作为要确定的参数。

②ΦA的确定：ⅰ)考虑的因素：a应力；b稳定;c经济；d自然条件。ⅱ)φA对应力的影响及其对应的最优中心角[Φa]

A、“圆筒公式”及其[Φa]

从拱坝中取出一单位高度的水平拱圈,受均匀水压力P,假设该拱圈是圆筒的一部分,因此，任一断面的内力可以近似的为

由上公式可见：在L、P一定时⑴φA越大，σ越小

⑵T越大，σ越小如果材料的允许压应力为[σ]，则可以求得在荷载P作用下所需的拱圈的厚度为：由上可知：当φA越大，则T越小，但是φA大，拱轴线长度增大，最经济的中心角应使拱圈体积最小，即：将代入则可得：即当取φA=[φA]时，为满足应力要求时的最经济拱圈。最早提及此公式的为1879年法国工程师皮来杜（A.pelletrean）B、弹性固端拱

上述圆筒公司只考虑拱内的轴力，没考虑M,V及基础变形的影响。因此所得结果只有在较薄而且φA较大的情况下具有近似意义。一般拱圈应按弹性固端拱计算。分析表明，弹性固端拱具有以下几条结论：

a、应力分布规律：圆弧拱在荷载P作用下,当Ec/ER=1时

b、σAd随T及φA的变化规律c、

σAu随T/L及φA的变化:

d、σou、σod随T/L及φA的变化也可以做出类似的曲线总之：

a、

φA越大，拱圈最大应力变小，最小应力变大，使拱圈应力趋于均匀，对拱圈应力有利

b、

T/L越大，拱圈最大最小应力均变小，因此对压应力有利，对拉应力不利。

c、

在其他因素一定时，φA越大，满足应力要求的T/L越小。ⅲ)φA、T/L对稳定的影响及其对稳定的最优中心角[Φa]稳

分析表明：拱端力自身维持稳定的大小与φA、T/L具有如下的关系：由上可见：a、T/L增大，稳定性差；b、稳定性随中心角的变化呈差—好—差变化。存在一个对稳定最有利的中心角[φA]。当φA>[φA]时，φA越大稳定性越差。因此，φA大对稳定不利。[φA]=10～400左右。

另外，从集中力的扩散角来讲，因此要求a、拱轴线的切线方向与可利用岩石等高线的夹角≥350b、拱圈内弧面的切线方向与可利用岩石等高线的夹角≥300由此可见，在平顺河谷最大中心角不能超过1100。

ⅳ)φA对经济的影响：

φA大，轴线长，拱端开挖量大。但φA大可以减小厚度。因此拱坝存在经济中心角的问题。ⅴ)φA的具体确定：

综合考虑前面的四个因素，一般可以在[φA]稳~[φA]经之间选择，两岸支撑条件好，可以取大些，否则取小些。过去常用2φA=900～1200从顶到底应该逐渐减小。近来，2φA=700～1100，中部中心角较大，向顶、底变小（因为最大应力常发生在1/3～1/2坝高范围之内）

①

R的确定：由几何关系R=L/(2sinφA)②

T的确定：

A、从悬臂梁角度出发。

B、从拱圈角度出发：确定方法：

ⅰ)圆筒公式

ⅱ)类比法

ⅲ)纯拱法三）拱坝布置的原则及步骤：1)原则：①满足安全要求：即第一讲所讲的安全准则②满足运用要求：a、泄洪b、引水c、交通d、厂泄爭位c、施工期③满足施工要求：a、模板制作b、倒悬度：浆砌石：1：0.1～1：0.16，最大1：0.25

砼：1：0.3④经济：在满足上述多项要求的情况下，近可能使整个枢纽的总投资最小，最早受益2)步骤

如左图所示：

①确定可利用岩石等高线

②选定坝型：

I)由L/H确定T/H（薄、中、厚拱坝

Ⅱ)河谷形状→单、双曲

Ⅲ)地形、地质等综合→平面拱形式

③尺寸初拟；

④倒悬度及坝面光滑度检查

⑤应力、稳定校核；

⑥坝体方量计算，方案比较。

①确定可利用岩石等高线根据坝址地形，地质及上部结构的要求，确定开挖线，画出坝址处可利用岩石等高线的地形图，研究河沿形式是否需要加以处理，如使之接近对称或弥补高程不足等措施。

③－1确定拱冠梁剖面根据坝高每隔若干米（5～20）取为拱圈方程，按所定坝形及工程规模初拟拱冠梁剖面。③－2试定顶拱内弧及拱坝的对称中心线首先根据先前介绍的方法，选取一个φA，在可利用岩石等高线上，量取顶拱内弧长L，计算顶拱内弧半径Rd=L/(2sinφA).由Rd及φA按比例在透明纸上画出拱内弧，将画有顶拱内弧的透明纸在可利用岩石等高线上反复移动，使的拱端切线与等高线的的交角大致相近，且交角不小于30度为止。否则调整φA重新进行上述工作，将移动好的顶拱内弧画在地形图上，作顶拱内弧长的垂直平分线。此线即为拱坝的对称中心线。根据顶坝厚，画出顶拱的外圆弧及拱轴线。

③－3布置其它各层的拱圈由第③－1步确定的拱圈高程，量取相应高程等高线的距离Li，初选在拱冠梁剖面上画出各层拱圈中心的连线，并检查该线是否光滑。如果不满足要求，则修改中心角，使该线光滑。由各层拱圈中心的位置，Ru,Rd,Ro,φA.画出各层拱圈。④检查倒悬度及坝面光滑度

从对称中心线开始截取3－4个悬臂梁剖面。检查倒悬度及光滑度。如不满足要求，则修改中心角φA和拱冠梁剖面，重新进行上述工作。

当倒悬度较大时，可以有以下几种处理方法

四．拱坝的优化设计主要是确定：1。拱坝几何