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同学们好

本节课我们学习拱坝的体形与布置

拱坝属于空间壳体结构

其体形设计比重力坝复杂的多

合理的体形应是在满足枢纽布置

施工和运行等要求的前提下

通过调整外形和尺寸

使得坝体材料的强度能得以充分发挥

不出现不利的应力状态

保证坝肩岩体的稳定

并且工程量最省

造价最低

水平拱圈常用圆弧拱

对于一定的河谷地形

拱圈可以选择不同的半径和中心角

如图所示

中心角越大

拱的作用可以得到更好的发挥

坝体应力均匀

拱圈可以减薄

但拱端推力与下游河流方向的夹角变小

沿下游方向的分力更多

对坝肩的稳定不利

而且拱圈弧长增加

工程量增加

当中心角减小

半径增加时

如图中红色拱圈所示

此时通过拱圈向山体内

传播的水推力分量更多

沿下游方向的分力减小

利于坝肩岩体的抗滑稳定

但是拱圈变的扁平

拱效应作用降低

应力条件变差

因此

实际工程中

为平衡拱圈内的应力改善

和坝肩岩体的抗滑稳定性

拱坝顶拱的中心角一般为80°~110°

除了上述圆弧拱

实际工程中还采用多种变曲率的拱圈型式

如图

除了单心圆弧

还可采用三心圆、双心圆

或者采用抛物线、椭圆

对数螺旋线的型式

例如

二滩、小湾和溪洛渡三座双曲拱坝

均选择了抛物线形的水平拱圈型式

黄河上的拉西瓦双曲拱坝则采用了

对数螺旋线型式的拱圈型式

上述所有这些变曲率型式的拱圈

其目的均在于寻求一种平衡

使得拱的中部受力尽量均匀

而拱端推力又尽量有利于坝肩稳定

也就是在拱的中部

重点关注的是坝体应力的改善

应加大曲率

可以做的较薄

而拱端则重点关注的是

坝肩推力向山体内的传播

应减小曲率

增加扁平程度

与山体更接近于垂直

拱圈型式的选择与河谷地形密切相关

对于U形河谷

低高程水压力很大

但拱圈较长

对坝体应力不利

因此多采用单曲拱坝

底部厚度增大

对于V形河谷

非常适合发挥拱圈的拱作用

底部仍可较薄

多采用变曲率的双曲拱坝

对于不对称河谷

可采用调整坝轴线、增加重力墩等

措施使得坝体尽可能接近对称

也可以采用非对称的拱

如图所示为贵州大花水双曲薄拱坝

高134.5m

厚高比仅为0.171

其拱圈型式采用抛物线型

而且在左岸设置了重力墩

以适应河谷的地形地质条件

拱圈型式和中心角选定后

还需进行第二步

即确定拱冠梁的型式和尺寸

拱冠梁即坝体中央向上游侧

最为凸出的部位所对应的坝体剖面

对于单曲拱坝

上游面铅直

在给定坝高条件下

一般来说

需要确定拱冠梁的坝顶厚度TC

坝底厚度TB和坝中厚度T0.45H

这三个厚度可以按

规范建议的经验公式计算

并考虑施工、运行

交通等方面的需要来综合确定

对于双曲拱坝

如图所示

还需要确定上游面上

凸点A、坝踵B、坝顶C三个点的位置

其中

A点和坝顶C点的竖直向距离Z0由凸度β1控制

β1=Z0/H

一般为0.6~0.7

A点距离坝顶C点的水平向距离

DA则由凸度β2 控制

β2=DA/H

一般为0.15~0.2

B点相对A点倒悬

其倒悬度S=XA-B/HA-B

即A、B两点间的水平向距离除以竖直向高差

一般为0.15~0.3

A、B、C三点确定后

再选择上、下游的曲线型式

比如可以采用圆弧、抛物线等曲线方程

或者采用厚度的变化曲线型式

即可以初定出拱坝的上、下游曲线

经上述一系列步骤

拱冠梁的剖面尺寸可以基本确定

拱圈型式、中心角

以及拱冠梁剖面尺寸初步拟定后

即初步确定了坝体的体形

但是能否满足坝体安全和坝肩稳定的要求

还需要经坝体和坝肩的应力和稳定计算

在计算分析结果的基础上再进行适当调整

除了拱坝的体形设计外

拱坝还需要嵌入坝肩

由坝肩岩体提供支承

才能保证坝体的安全运行

拱坝和坝肩是相互作用和影响的

因此还需要考虑拱端的布置

如图所示

在拱端

坝肩岩体一般宜开挖成全径向

即基岩开挖面沿拱的半径方向

垂直于拱端坝轴线

拱端深嵌入坝肩岩体

下游侧河谷相对收缩

这种方式有利于拱圈应力向坝肩的传播

不产生沿开挖面的剪切力

较好地保证坝体的抗滑稳定

全径向开挖的缺点是开挖量较大

有时为了节省开挖量

也可以考虑采用半径向开挖或非径向开挖

半径向开挖如图所示

即在拱端开挖面上

坝轴线下游侧采用径向开挖

而上游侧采用非径向开挖

可以减少开挖量如图中红色阴影所示

但是这种开挖方式

上游侧坝体与坝肩岩体斜交

在开挖面上的传力效果变差

可能存在沿开挖面的剪应力

坝体的抗滑稳定性降低

非径向开挖如图所示

即整个开挖面与坝肩均是斜交的

坝体在开挖面上可能存在更大的剪应力

但是其可以减少的开挖量更多

图示若采用全径向开挖

红色阴影部分需要挖除

另外考虑坝体施工空间的需要

蓝色阴影部分也需要挖除

而采用全断面非径向开挖时

红色和蓝色阴影部分保留

大大减少了开挖量

实际工程中

需结合具体情况

在保证坝体和坝肩稳定性的前提下

可以考虑非径向开挖

以节省开挖工程量

上述确定拱坝体形

及开挖方案的过程较为复杂繁琐

实际工程设计中

可采用计算机辅助完成

如图所示

为某拱坝体形设计软件

在软件中可以选择拱坝的类型

坝轴线和坝的体形

可求出给定条件下的最佳方案

可以显著提高拱坝体形设计的效率和水平

拱坝的设计也可以在

通用的土木工程三维设计软件中进行

如图所示是在Autodesk Revit软件中

进行的拱坝体形和开挖设计

这种设计方式在三维地质模型上展开

不但考虑实际地形

还可以对地质岩体进行分层建模

根据建坝要求进行坝基开挖

体形设计、坝基防渗设计等

软件拥有快捷而精确的工程量统计功能

如坝体方量、开挖量等

可以给出详细的报表和汇总数据

供设计参考

软件平台也可以与三维CAE计算软件

如Ansys、Adina、Abaqus、Flac3D等

联合开展结构计算

分析结构的稳定性、变形和应力的安全性等

为建筑物的设计提供强力的支持

此外

类似的三维设计软件通常

还有强大的图纸输出功能

可以根据需要输出不同视角

不同剖面的图形

以及实现自动标注

而且

出图与建筑物本身有链接关系

当建筑物设计体形有所调整时

输出的图形会随之自动更新

大大减少了传统上各类视图

和剖面图的二维出图工作量

为适应行业的发展和需要

上述这些前沿性的行业设计软件和技术

是需要同学们关注并学习使用的