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同学们大家好

本节课我们开始进入拱坝一章的学习

主要内容有概述、拱坝的荷载及其组合

拱坝的体形、拱坝的抗滑稳定分析

拱坝的应力分析、拱坝的材料与构造

拱坝的基础处理、拱坝的坝身泄水建筑物

以及其他型式的拱坝

从标题可以看出

其内容所涉及的主要方面

与重力坝基本相同

均为荷载、体形、结构分析

材料与细部构造、基础处理、泄水建筑物

其中有些内容

比如荷载中的波浪压力、泥沙压力

混凝土材料的性能

止水构造

基础处理中的固结灌浆和帷幕灌浆

泄水中的消能防冲等

与重力坝大同小异

但是由于拱坝和重力坝

在工作特点方面有本质的不同

在多个方面与重力坝也存在巨大的差异

因此

与重力坝的对比分析是

本章学习时需要注意的

下面首先学习概述部分

我们先看几座典型拱坝

如图所示为美国科罗拉多河上的胡佛拱坝

高度221m

坝顶长379m

顶宽13.6m

坝体混凝土248万方

大坝建在深窄峡谷坚硬的基岩上

1936年竣工

图示为四川雅砻江上的二滩拱坝

坝高240m

坝顶弧长774米

坝体混凝土量400万方

由于坝址区地形地质条件较好

采用了双曲薄拱坝型式

在坝体上部和中部分别设置多个表孔和中孔

用以坝身泄洪

大坝2000年完工

建成时为国内最高的拱坝

云南澜沧江上的小湾拱坝

高度292m

2010年建成

为目前世界上最高的拱坝

大坝采用混凝土双曲拱坝型式

建于呈“V”字型的深切、对称河谷上

基岩条件较好

坝身设置5个表孔、6个中孔和2个放空底孔

用于泄水放空

在小湾拱坝建设过程中

开展了多方面的深入研究工作

取得了大量的创新性研究成果

多项成果获国家科技奖励

2019年该工程荣获土木工程詹天佑大奖

图示为小湾拱坝蓄水后的场景

拱坝承受约250m的水头压力

总的水推力大约1800万t

此外还有已建成的

285.5m高的溪洛渡双曲拱坝

以及将于2022年完工的

289m高的白鹤滩双曲拱坝

从以上几图可以看出

比起重力坝来说

拱坝的体形大多很单薄

如此单薄的坝体却需要承担两三百米的水头

千万吨级的水推力

拱坝为什么能保持稳定

以及不发生强度破坏

它有哪些工作特点呢

从体形上看

拱坝是向上游凸起的空间拱形结构

拱坝的两端固结于基岩

如图所示

水荷载由拱和梁共同承担

一部分通过水平拱圈的作用将荷载传至两岸

另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩

这一点与重力坝是存在明显区别的

拱坝可以分为多根拱和梁

通过拱、梁效应承担荷载

因此

拱坝属于多次超静定结构

当外荷载增加或者坝体局部开裂时

拱、梁作用会自行调整

使坝体应力重新分配

因此

拱坝虽然较薄

但是其超载能力较强

安全程度高

据国内外一些拱坝模型试验成果表明

拱坝的超载能力可以达到设计荷载的5~11倍

例如

如图所示意大利的瓦依昂拱坝

高262m

1961年建成

1963年库区左岸2.7亿m3的滑坡体滑入水库

右岸涌浪超过坝顶260m

左岸涌浪超过100m

造成2600多人死亡

水库淤满报废

但是坝体仅小范围有损伤

表明拱坝具有很强的抵抗超载作用的能力

拱是主要承受轴向压力的结构

应力分布较为均匀

有利于发挥材料的强度

因此

坝体厚度可以较薄

节省工程量

拱坝的体积比同一高度的重力坝

大约可节省1/3~2/3

而由于厚度较薄

坝体的几何形状复杂

因此对于设计方案

筑坝材料强度和防渗要求

施工质量等方面的要求更为严格

由于拱坝是超静定结构

坝体运行期随着外界温度变化

而产生的温度应力

会引起拱梁系统的应力调整

因此

温度荷载是其主要荷载之一

这也是与重力坝不同的

拱坝的稳定主要依靠坝肩

因此

拱坝对地形、地质条件的要求高于重力坝

理想的地形条件为

对称、狭窄的河谷

在平面上向下游收缩

如图所示

理想的地质条件为

坝端下游有足够雄厚的

质量较好的坚硬、完整岩体

利于发挥拱的作用

当河谷宽阔

梁的作用增大

拱的作用不明显时

就没有必要再做成拱坝

拱坝可以按照几种方式分类

第一种按照高度分类

低于30m的称为低坝

高度在30~70m之间的称为中坝

高度大于70m的

称为高坝

这种分类方式其实同样适用于

重力坝和土石坝

而且随着坝工建设技术的迅速提高

工程中也有将高坝的分类标准

提升为100m的趋势

第二种是按照厚高比分类

所谓厚高比

如图所示

为拱坝底部厚度T与坝高H的比值

厚高比小于0.2的

称为薄拱坝

厚高比介于0.2和0.35之间的

为中厚拱坝

厚高比大于0.35的

称为厚拱坝

也可以称为重力拱坝

对于薄拱坝

主要依靠坝肩维持稳定

其拱效应较强

对于厚拱坝或重力拱坝

梁的作用也比较明显

一部分依靠河床坝基维持稳定

第三种

按照曲率分类

如图所示

对于只有水平向曲率

坝体上游面铅直的

称为单曲拱坝

而水平和竖直向都有曲率的

称为双曲拱坝

一般来说

如图所示

单曲拱坝更适用于U型河谷

其底部拱的效应显著降低

大部分荷载依靠梁的作用来承担

坝体底部需增加厚度

双曲拱坝更适于修建在V型河谷

其中左右对称的V型河谷最适于发挥拱的作用

靠近底部的水压力虽然很大

但拱圈较短

承受压力的能力很强

因此底部仍然可以做的较薄

如图所示为单曲拱坝

双曲薄拱坝

双曲厚拱坝的拱冠梁断面示意图

单曲拱坝一般底部较厚

而双曲拱坝的厚薄程度

需根据实际地形地质条件和功能要求而定

同重力坝一样

拱坝也是可以通过坝身泄水的

所以实际工程中拱坝的体型

特别是顶部表孔的型式

可以有多种型式

如图所示为不同型式的拱冠梁剖面

可以说

拱坝的体形姿态优美、婀娜多姿

为最美坝型

第4种分类方式是按照结构型式

除了拱端嵌固于基岩的常规拱坝之外

还有周边缝拱坝、空腹拱坝和重力墩拱坝

如图所示

周边缝拱坝适用于地形不规则的河谷

或局部有深槽的情况

在下部设置垫座

并设置永久周边缝

形成铰接支座

可以减小河谷地形的不规则性

和地质上局部软弱带的影响

改进拱坝的支承条件

空腹拱坝如图所示

与空腹重力坝类似

只是轴线是拱形

其坝内有空腔

可以放置电站厂房

其优缺点与空腹重力坝相似

重力墩拱坝可以用于河谷形状不规则

或河谷一岸平缓及存在阶地时

可以设置如图所示的重力墩

补齐地形

重力墩作为拱坝的支承结构的一部分

可以增加坝高或减少开挖量

以上无论哪种型式的拱坝

其工作特点都是相似的

也都存在荷载、体形、稳定和应力安全

材料和构造、泄水等多方面的设计要点

这些将在后续课程中逐步展开