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同学们好

本节课我们学习拱坝的荷载及其组合

与重力坝类似

拱坝的荷载也有自重、水压力

温度荷载、扬压力、泥沙压力

浪压力、冰压力、地震荷载等多个方面

但是也有差异

对于重力坝来说

其主要荷载为自重、水压力、扬压力三项

而对于拱坝来说

其主要荷载为自重、水压力

和温度荷载

也就是说

扬压力对拱坝的影响减小

而温度荷载成为拱坝的主要荷载

以下仅针对拱坝荷载

与重力坝的差异之处进行详细介绍

1、自重

自重不就是坝体的总重力吗

和重力坝应该相同吧

其实不然

拱坝自重大小的计算

也就是体积乘以容重

当然是与重力坝相同的

但其不同之处在于

对于拱坝应力和变形行为的影响

这与坝体的施工方式有关

如图所示

为考虑混凝土温控的需要

适应混凝土浇筑能力的限制

拱坝一般采用柱状法分块施工

在施工期

分块间存在横缝

各坝段独立浇筑施工完成

此后待各坝段因自重引起的变形完成后

再对横缝进行接缝灌浆

也叫封拱灌浆

封拱灌浆后

才能形成拱圈

发挥拱的作用

坝体才形成整体的拱坝

对于上述这种施工方式

在封拱灌浆前

自重产生的各坝块变形已经完成

因此全部的自重仅由梁承担

灌浆之后才形成的拱是不承担坝体自重作用的

某些情况下

为防洪度汛或提前蓄水等

拱坝也可以在施工到某一高程后

对下部的坝块先进行灌浆封拱

如图所示形成下部的拱坝

可以发挥拱的效应

此后水库部分蓄水

水压力的作用

由下部拱坝的拱圈和梁系共同承担

而后若继续浇筑拱坝直至坝顶

则新施工的上部柱状块的自重荷载

由下部的拱和梁共同承担

由以上两种情况可以看出

自重引起的坝体工作性态

与其施工分期和加载方式密切相关

这是在进行拱坝应力

变形和稳定分析时需要注意的

2、水压力

如图所示

拱坝受到的水压力有上

下游水位产生的静水压力

以及坝体泄水过流时产生的动水压力

对于静水压力

拱坝的上游面是空间曲面

水压力作用在上游面上

各点处垂直于坝面

指向拱的径向

其示意图如图所示

可以将各水推力沿上

下游方向和横河向进行分解

当拱坝两岸对称时

横河向的分力可以左右抵消

总体效果为指向下游的水推力

当拱形不对称时

则可能承受横河向的推力

对坝肩稳定可能产生不利影响

对于双曲拱坝

上游面不是铅直的

因此存在竖直方向的推力分量

当坝体的下部为倒悬体时

总的竖直方向推力甚至向上

将对拱坝的稳定产生不利

另外

蓄水必然是在拱坝封拱灌浆后发生

因此

水压力由拱和梁共同承担

3、温度荷载

在本章概述中提到

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

拱坝分块浇筑施工

各坝块混凝土浇筑完成后

为减少水化热温升应力的影响

需要在各坝块充分冷却

温度趋于相对稳定后才进行封拱灌浆

封拱时的温度称为封拱温度

一般选择年均气温或略低时

封拱灌浆后

形成整体拱坝

此后

坝体温度随外界温度周期性变化

相对于封拱温度的改变

产生坝体的膨胀或收缩

同时拱坝受坝肩的约束

由此产生温度应力

总体上来说

温降引起坝体收缩

但由于约束的存在

使得拱圈整体承受受拉趋势

对坝体应力不利

温升时引起坝体膨胀

总体受压

拱端推力增大

对坝肩岩体的稳定不利

对于坝体各个细部

其拉压状态有所不同

如图为拱坝温升

温降时坝体应力变化示意图

黑色线条表示拱圈的初始形状

当温度降低时

假设拱圈收缩变为蓝色线条

显然

在拱圈中间部位存

在上游侧受压、下游侧受拉的趋势

而两端有所不同

由于坝肩的约束

在拱端上游面受拉

下游面受压

温升产生拱圈膨胀

对应红色线条

其各部位的拉压状态相反

另外

拱坝的上、下游以及不同高程处

受水温、气温变化的影响不同

而且温变趋势和速度也可能存在不同

使得坝体的应力更加复杂

实际温度荷载的计算需要考虑三个过程

在施工期

各坝块自身产生水化热温升

后期又冷却

此过程中产生坝体的初始应力

此时各坝块接近静定结构

封拱灌浆后

坝体变为超静定结构

温变荷载开始发挥作用

传递到拱、梁体系

在运行期

受外界气温变化的影响产生温度应力

以封拱灌浆时的温度场和应力场作为零点

只计算当前温度与封拱温度的变化

所引起的温度应力

4、扬压力

由于拱坝较薄

底面积相对重力坝来说要小的多

扬压力总体不大

对于薄拱坝

可以忽略扬压力的影响

对于重力拱坝和中厚拱坝应考虑扬压力

在计算坝肩岩体的抗滑稳定时

扬压力作用面积较大

效应明显

必须计入渗透水压力的不利影响

5、地震荷载

对于重力坝

接近于静定结构

而且坝体宽厚

也有横缝的存在

因此

计算地震荷载的影响时

主要考虑顺河向的地震力作用

而拱坝属于超静定空间结构

顺河向、横河向地震作用的效应都较为显著

均会引起坝体拱、梁体系应力的重新分配

因此均需要考虑

对于双曲拱坝

竖向地震作用也会产生重要影响

也需要考虑

其他荷载泥沙压力、浪压力、冰压力等

与重力坝中的计算方法相同

不再赘述

拱坝的荷载同样需要考虑荷载的组合

表格所示为拱坝的荷载组合

同样分为基本组合和特殊组合两大类

对于基本组合

正常蓄水位工况除考虑常规荷载外

温度荷载分为设计正常温降

和正常温升两种情况下的计算分析

设计洪水位和死水位工况下

考虑正常温升

对于特殊组合

校核洪水位考虑拱坝温升应力

地震工况除考虑地震荷载外

需额外考虑温升、温降两种情况的影响

特殊组合中

还需要考虑施工期的几种情况

未封拱灌浆时

仅考虑坝体自重

若还未封拱灌浆

但遭遇了施工期洪水

需要额外考虑静水压力对各坝块的影响

灌浆期考虑自重和温降

灌浆期遭遇施工洪水时

需考虑自重、静水压力和温升作用

上述组合较多

实际工程中

应根据各种荷载同时作用的可能性

选择最不利情况作为分析坝体应力

和坝肩岩体抗滑稳定的依据

由此保证拱坝在施工期和运行期的安全