3.2拱坝的体形和布置.docx

任务2拱坝的体形和布置

拱坝的体形和布置是相互关联的。合理的体形应该是：在满足枢纽布置、运用和施工等要求的前提下，通过调整其外形和尺寸，使坝体材料强度得以充分发挥，不出现不利的应力状态，并保证拱座的稳定，而工程量最省，造价最低。

3.2.1坝体尺寸的初步拟定

坝体尺寸主要是指：拱圈的平面形式及各层拱圈轴线的半径和中心角；拱冠梁（中央铅直剖面）上，下游面形式及其沿高程的厚度。当坝高已定，首先要拟定的就是顶拱轴线，然后是拱冠梁和拱圈的形式及尺寸。有关顶拱轴线的选定，见后面的拱坝布置。

（一）拱冠梁的形式和尺寸

在拱坝的轴线和顶拱确定以后，即可拟定拱冠梁的尺寸。

在U形河谷中，可采用上游面铅直的单曲拱坝，在V形和接近V形河谷中，多采用具有竖向曲率的双曲拱坝。

拱冠梁的厚度可根据我国《水工设计手册》建议的公式初步拟定。

(3-2)

(3-3)

(3-4)

式中Tc、TB、T0.45H-拱冠梁顶厚、底厚和0.45H高度处的厚度，m;

φc-顶拱的半中心角，(o)；

R轴-顶拱中心线的半径，m；

Rf-混凝土的极限抗压强度，kPa;

E-混凝土的弹性模量，kPa；

L-两岸可利用基岩面间河谷宽度沿坝高的平均值，m;

H-拱冠梁的高度，m；

[σ]-坝体混凝土的容许压应力，kPa;

L0.45H-拱冠梁0.45H高度处两岸可利用基岩面间的河谷宽度，

m。美国垦务局建议的公式为

(3-5)

(3-6)

式中L1-坝顶高程处拱端可利用基岩面间的河谷宽度，m;

L2-坝底以上0.15H处拱端可利用基岩面间的河谷宽度，m。

前一组公式是根据混凝土强度确定的，后一组则是根据拱坝设计资料总结出来的，可以互为参考。在选择拱冠梁的顶部厚度时，还应考虑工程规模和运用要求，如无交通规定，一般为3～5m，不宜小于3m。坝顶厚度体现了顶部拱圈的刚度。顶拱刚度不仅对坝体上部应力有影响，而且对拱冠梁附近的梁底应力也有较大的影响。当河谷上部较宽时，适当加大坝顶厚度将有利于降低梁底上游面的拉应力。

对于双曲拱坝，拱冠梁的上游面曲线可用凸点与坝顶的高差Z0=β1H，凸度β2=DA/H和最大倒悬度S(A、B两点之间的水平距离与其高差之比)来描述，见图3-8。拟定这些参数的原则是：控制悬臂梁的自重拉应力不超过0.3～0.5MPa，对高坝还可适当加大，并使坝体在正常荷载组合情况下具有良好的应力状态。坝的下部向上游倒悬，由于自重在坝踵产生的竖向压应力，可抵消一部分由水压力产生的竖向拉应力，但倒悬度不宜太大，一般不超过0.3。根据我国对东风、拉西瓦等11座拱坝的β1、β2和S值的敏感性计算分析，其适合范围是：β1=0.6～0.7，β2=0.15～0.2，S=0.15～0.3。对基岩交形模量较高或宽高比较大的河谷，β1、β2取小值、S取大值。定出A、B、C三点位置后，可由圆弧线或几段不同圆心和半径圆弧组成的曲线、二次抛物线，通过三点定出上游面曲线。对于下游面，可根据拟定的TA、TB、TC定出相应的三个点A、B、C，然后采用与上游面相同的方法定出下游面曲线。对于单曲拱坝，拱冠梁上游面是铅直线，下游面是倾斜直线或几段折线。

（二）水平拱圈的形式选择

水平拱圈以圆弧拱最为常用。由式(3-1)可知，加大中心角，可减小拱圈厚度，改善坝体应力。但从稳定条件考虑，过大的中心角将使拱轴线与河岸基岩等高线间的交角过小，以致拱端推力过于趋向岸边，不利于拱座的稳定。现代拱坝，顶拱中心角多为90o～110o；对向下游缩窄的河谷，可采用110o～120o；当坝址下游基岩内有软弱带或坝肩支承在比较单薄的山嘴时，则应适当减小拱的中心角，使拱端椎力转向岩体内侧，以加强坝肩稳定，如：日本的矢作拱坝最大中心角为76o，菊花拱坝为74o。

由于拱坝的最大应力常在坝高1/3～1/2处，所以，大部分拱坝工程在坝的(0.4～0.7H)范围内采用较大的中心角，由此向上向下中心角都减小，如：我国的泉水挟坝（图3-5），最大中心角为101o24，约在2/5坝高处；伊朗的卡雷迪拱坝，最大中心角为117o，位于坝的中下部。

合理的拱圈形式应当是压力线接近拱轴线，使拱截面内的压应力分布趋于均匀。在河谷狭窄而对称的坝址，水压荷载的大部分靠拱的作用传到两岸，采用圆弧拱圈，在设计和施工上都比较方便。但从水压荷载在拱梁系统的分配情况看，拱所分担的水荷载并