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第十章拱坝
§10-1 概述
一、拱坝的特点
拱坝是一个凸向上游的空间壳体结构,在平面上呈拱形。
建坝材料可用混凝土或浆砌石。
作用于坝身的上游水压力和泥沙压力等外荷载,大部分是通过拱的作用传给两岸基岩,另一部分经拱的底部传到坝底基岩。而坝体的稳定性主要是依靠两岸坝端的反力作用,并不全靠坝体自重来维持稳定,这是拱坝的一个主要工作特点。
拱坝内力以压应力为主,断面应力分布较均匀,因
而可以充分发挥脆性材料抗压强度高的特点。拱的作用利用越充分,材料的强度特点就更能发挥,坝体厚度可以减薄,可以节省工程量。对于同一坝址,拱坝体积比同一高度的重力坝大约可节省1/3~2/3,所以从经济意义上讲,拱坝是一种优越的坝型。拱坝除坝顶以外,周边都嵌入河岸和河底的基岩,成为固定连接,所以坝体是一个高次超静定结构。有较大的承受超载的能力,因为当外荷载增大或坝的某一部位发生局部开裂时,坝体的梁作用和拱作用将自行调整。例如,当梁的负担过大时,由于整体变位的相互制约,荷载也可转移一部分到拱圈,使坝应分出现重分布,原来应力较低的部位将承受增大的应力。在极端情况下,如拱坝已发生水平裂缝,只要拱的作用能
保证坝体承载能力还是存在的。根据国内外拱坝
结构模型试验研究表明,拱坝的超载能力可以
达到设计荷载的5~11倍。
在抗震性能上,由于拱坝是整体性的空间结
构,坝体比较轻韧,弹性较好,只要基岩稳定,
拱坝抗震能力是比较好的。意大利的柯尔费诺拱
坝,高40m,曾遭受破坏性地震,附近市镇的建
筑大都被毁,这个坝却没有裂缝和伤损。我国河
北省邢台地区峡沟水库的浆砌石拱坝,高78m,
在满库情况下曾经受1966年3月的强烈地震,震
后检查坝体,并未发现任何裂缝和损坏。
坝身不设永久性伸缩缝,因此温度变化基岩变形对拱坝应力的影响比较显著。在设计拱坝时,温度荷载必须列为一项主要荷载。
保证拱坝坝肩岩体稳定是拱坝设计、施工和运行中的重要问题。
二、拱坝的地形和地质条件
(一)地形条件
地形条件往往是决定拱坝结构型式、工程布置以及经济性的主要因素。理想的地形条件应是左右两岸对称,岸坡平顺无突变,在平面(地形)上向下游收缩的峡谷段。
二、地质条件
地质条件是修建拱坝的一个关键问题。河谷两岸的基岩必须能承受由拱端传来的巨大推力,在任何工作情况下都能保持稳定,不致危坝体的安全。理想的地质条件是基岩比较均匀、坚固完整、有足够的强度、透水性小而且能抵抗风化等。
实际上很难要求坝址地基完全没有节理裂隙或局部的断层破碎带,但必须经过严格的地基处理。
三、拱坝的形式
河谷地形对拱坝的几何形状有很大的影响。区分不同形式拱坝的主要参数是:拱弧半径、拱中心角、拱坝厚度。
按照坝体的拱弧半径和拱中心角,通常可分为(1)等半径式拱坝;(2)定角式拱坝;(3)变半径式拱坝等。
现取单位高度的等截面圆拱来说明坝体几何尺寸的特点。在沿外弧均布的压力p的作用下,设拱圈厚度为T,外弧拱半径为Ru,拱形中心角为2φA。假定拱圈两端与河岸的支承条件为滚动支座,拱圈内部只存在沿拱轴线方向的均布压应力。支座反力N的方向拱端轴线方向相切。坐标轴y为拱圈的对称轴,沿y轴方向按力的平衡条件可列出下列平衡方程:
即
如坝体的容许应力为[σ] ,按强度条件N/A≤[σ],可得出所需要的拱圈厚度T为:
由此可知,拱圈的厚度取决于荷载强度p及拱圈外半径Ru。设拱圈两端的直线距离L为一定时,Ru越小,相应的2φA越大,拱圈弧长越大,所需的厚度T越小。以拱圈的体积最小为目标,可求出最佳中心角2φA =133º34´。
合理的拱弧中心角或拱弧半径R不能仅以坝体工程量的多少为准,还要考虑拱端推力的方向是否对坝肩岩体的稳定有利。当拱弧中心角越大,即拱弧半径越小时,找拱端推力的方向越趋向于平行河岸线,这对坝肩岩体稳定性非常不利;相反,
当拱弧中心角越小,即拱弧半径越大时,拱端推力越趋向于垂直河岸线,对坝肩岩体稳定性越有利,但这时拱的效应降低,而坝体要显著增厚。考虑到这两者之间的关系,在布置拱坝时,坝顶拱弧中心角的适用范围是75°-110°(90°-130°),坝底拱弧中心角的适用范围是60°-90°。拱顶中心角常常是一项控制性的指标,它影响到整个坝体的曲率,设计时必须结合河谷具体条件及工程布置要求来考虑。
二、拱坝的布置
(一)U形河谷的适用坝型
U形河谷的上下宽度相差不显著,一般可选用单曲拱坝。拱坝的上游面为铅直圆筒面。由于不同
高程的拱圈受到不同的水压力,所以,从坝顶向下,坝体厚度也要逐渐加大。
这种坝型构造简单、施工较方便,上游坝面垂直也有利于布置泄(引)水孔。但坝体一般较厚,材料用量较大。
(二)V形河谷的适用坝型
对于底部狭窄的V形河谷,为了不致降低拱的效应,宜将各层拱圈的外半径从上到下逐步减小,使各