拱坝概述.ppt

二滩二滩第三章第三章 拱坝的设计拱坝的设计-1 1-主主 要要 内内 容容4第一节第一节 概述概述123第二节第二节 拱坝的体形与布置拱坝的体形与布置第三节第三节 拱坝的荷载和应力分析拱坝的荷载和应力分析第四节第四节 拱座稳定分析拱座稳定分析567第五节第五节 拱坝泄洪拱坝泄洪第六节第六节 拱坝的构造和地基处理拱坝的构造和地基处理-2 2-3.1 概概 述述一、拱坝的特点一、拱坝的特点二、拱坝坝址的地形和地质条件二、拱坝坝址的地形和地质条件三、拱坝的形式三、拱坝的形式四、拱坝的发展概况四、拱坝的发展概况-3 3-一、拱坝的定义 定义：拱坝是一空间壳体结构，坝体结构是由一系列凸向上游的水平拱圈和一系列竖向悬臂梁组成。拱坝坝体结构既有拱作用又有梁作用，具有双向传递荷载的特点。所承受的水平荷载一部分由拱的作用传至两岸岩体，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩，如图所示。拱座和拱冠梁 拱坝的拱圈着力点坐落的两岸岩体部分称作拱座或坝肩；位于基岩最深处水平拱圈拱顶处的悬臂梁称作拱冠梁。拱冠梁拱冠梁拱座或坝肩拱座或坝肩水平拱圈水平拱圈拱坝的特点 拱坝的结构：拱坝的结构：拱坝是固接在基岩上的空间壳体结拱坝是固接在基岩上的空间壳体结构（高次超静定结构）构（高次超静定结构）拱坝的受力：拱坝的受力：拱坝所承受的水平荷载一部分通过拱坝所承受的水平荷载一部分通过拱的作用压向两岸岩体，另一部分通过竖直梁的拱的作用压向两岸岩体，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。作用传到坝底基岩。拱坝的稳定：拱坝的稳定：拱坝体的稳定主要依靠两岸拱端的拱坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，并不全靠坝体自重来维持。反力作用，并不全靠坝体自重来维持。-6 6-拱梁系统的调整拱梁系统的调整拱圈自身调整为二次拱拱圈自身调整为二次拱 结构受力条件好结构受力条件好,材料强度可以充分发挥；材料强度可以充分发挥；超载能力大，安全度高；超载能力大，安全度高；抗震性能好；抗震性能好；温度、地基变形是主要荷载；温度、地基变形是主要荷载；对地质、地形条件要求高；对地质、地形条件要求高；拱坝坝身单薄，体形复杂，设计和施工的难度较大拱坝坝身单薄，体形复杂，设计和施工的难度较大在泄洪方面，拱坝不仅可以在坝顶安全溢流，在泄洪方面，拱坝不仅可以在坝顶安全溢流，而且可以在坝身开设大孔口泄水。而且可以在坝身开设大孔口泄水。因此，拱因此，拱 坝坝 的特的特 点点-7 7-一、对地形的要求 （一）地形条件影响因素：拱坝的结构形式、工程布置以及经济性的主要因素。（二）坝址处河谷形状特征指标：通常用河谷“宽高比”及“河谷断面形状”表示。二、拱坝坝址的地形和地质条件二、拱坝坝址的地形和地质条件 1.宽高比与厚高比 宽高比：指拱坝基础开挖后对应坝顶高程处的河谷的宽度L与最大坝高H的比值。厚高比：坝底最大厚度T与最大坝高H的比值，即T/H，用其表示拱坝薄厚程度。L/H2的深窄河谷中可建薄拱坝；L/H=23的中等宽度河谷可修建中厚拱坝；L/H34.5的宽河谷多修建厚拱坝；L/H4.5的宽浅河谷，宜建重力坝或拱形重力坝。宽高比的影响：L/H值小，说明河谷深窄，水平拱圈跨度较短，拱的刚度较大，受力大部分传给两岸，坝体较薄;L/H值较大时，坝体较厚。-1010-宽高比宽高比宽高比宽高比 厚高比厚高比厚高比厚高比当当当当L/H1.5L/H1.5L/H1.5L/H1.5时，薄拱坝；时，薄拱坝；时，薄拱坝；时，薄拱坝；T/H 0.2T/H 0.2T/H 0.2T/H 0.35T/H0.35T/H0.35T/H0.35L/H4.5L/H4.5L/H4.5L/H4.5时，时，时，时，宜建重力坝或拱形重力坝宜建重力坝或拱形重力坝宜建重力坝或拱形重力坝宜建重力坝或拱形重力坝。2.河谷断面形状 V形，最适宜发挥拱的作用；河谷断面形状 U形，大部分荷载由梁作用承担；梯形，介于两者之间。河谷断面形状的影响：同一宽高比，不同河谷断面形状对拱梁系统的荷载分配及坝体剖面的影响，如图。河谷形状对荷载分配及剖面的影响3、河谷、河谷顺顺河流方向的形状河流方向的形状以平顺河流或呈收缩形河流较好，要避免河道的出口和以平顺河流或呈收缩形河流较好，要避免河道的出口和转弯处。转弯处。-1212-4、河谷、河谷对对称性称性拱坝一般比较适合于对称河谷。拱坝一般比较适合于对称河谷。拱的跨度沿高程急剧变化会引起坝体应力集中拱的跨度沿高程急剧变化会引起坝体应力集中-1313-（三）理想的地形条件：（三）理想的地形条件：狭窄而对称的河谷断面，岸坡狭窄而对称的河谷断面，岸坡平顺而无突变，坝肩山体雄厚，平顺而无突变，坝肩山体雄厚，宽高比小，且地形在平面上顺水宽高比小，且地形在平面上顺水流方向呈向下游收缩的峡谷段。流方向呈向下游收缩的峡谷段。（一）地基对坝体的影响 1.两岸的基岩必须能承受由拱端传来的推力;2.保持稳定并保证坝体的安全；3.坝体地基选择应尽量地避开有严重地质缺陷的坝址。二、对地质的要求（二）理想的地质条件（二）理想的地质条件岩石比较均匀岩石比较均匀坚硬完整有足够的强度坚硬完整有足够的强度透水性要小、能抵抗水的侵蚀透水性要小、能抵抗水的侵蚀抗风化能力强抗风化能力强坚固完整坚固完整讨讨 论论变形参数变形参数E E、u u：均匀：均匀强度参数强度参数R R、c c、f f：抗渗性抗渗性K K、JJ：渗透性小：渗透性小耐久性：抗侵蚀、抗风化耐久性：抗侵蚀、抗风化无地质上的缺陷：没有大的断裂无地质上的缺陷：没有大的断裂构造和软弱夹层等。构造和软弱夹层等。-1616-随着经验积累和地基处理技术水平的不断提高，在地质条件较差的地基上也建成了不少高拱坝，如：意大利的圣杰斯汀那拱坝，高153m，基岩变形模量只有坝体混凝土的15110；葡萄牙的阿尔托拉巴哥拱坝，高94m，两岸岩体变形模量之比达l:20；我国的龙羊峡拱坝，高178m，基岩被众多的断层和裂隙所切割，岩体破碎，且位于9强震区。但当地质条件复杂到难于处理，或处理工作量太大、费用过高时，则应另选其他坝型。龙羊峡水电站三、拱坝的形式三、拱坝的形式（）按厚高比分（）按厚高比分厚拱坝厚拱坝中厚拱坝中厚拱坝薄拱坝薄拱坝厚高比厚高比 拱坝的型式拱坝的型式-1818-（2）按坝体形态分）按坝体形态分按照拱坝的拱弧半径和拱中心角，可将拱坝分为：按照拱坝的拱弧半径和拱中心角，可将拱坝分为：单曲拱坝（单曲拱坝（singlecurvature arch dam）双曲拱坝（双曲拱坝（doublecurvature arch dam）-1919-单曲拱坝（单曲拱坝（singlecurvature arch dam）定义：只在水平截面上呈拱形，悬臂梁断面不弯曲或曲率很小定义：只在水平截面上呈拱形，悬臂梁断面不弯曲或曲率很小。适用范围：接近矩形或较宽的梯形、适用范围：接近矩形或较宽的梯形、U型河谷。型河谷。特点：施工简单，便于布置进水孔和泄水孔及其特点：施工简单，便于布置进水孔和泄水孔及其设备；当河谷上宽下窄时，降低拱的作用，加大设备；当河谷上宽下窄时，降低拱的作用，加大坝体厚度，不经济，工程量大。坝体厚度，不经济，工程量大。（仅下游弧面半径改变）（仅下游弧面半径改变）等外半径变内中心角拱坝等外半径变内中心角拱坝对于底部狭窄的“V”字形河谷适用。此时，各层拱圈自拱冠向拱端逐渐变厚。-2121-双曲拱双曲拱坝坝（doublecurvature arch dam）定义：定义：在水平和铅直截面上都呈拱形。在水平和铅直截面上都呈拱形。双曲拱坝（doublecurvature arch dam）特特点点：悬悬臂臂梁梁兼兼有有垂垂直直拱拱的的作作用用，对对降降低低坝坝体体拉拉应应力力有有利利。在在水水压压力力作作用用下下，双双曲曲拱拱坝坝中中部部垂垂直直梁梁的的应应力力是是上上游游面面受受压压，下下游游面面受受拉拉，与与自自重重产产生生的的梁梁应应力力相相反反，可可相互抵消相互抵消-2323-其中：其中：变外半径等中心角变外半径等中心角 对底部狭窄的“V”字形河谷，宜将各层拱圈外半径,由上至下逐渐减小，可大大减少坝体方量。特点：拱坝应力条件较好，梁呈弯曲形状,兼有拱的作用,更经济，但有倒悬出现，设计及施工较复杂，对“V”、“U”型河谷都适用.-2424-变外半径变圆心变外半径变圆心 让梁截面也呈弯曲形状，因此悬臂梁也具有拱的作用；让梁截面也呈弯曲形状，因此悬臂梁也具有拱的作用；这种形式更能适应这种形式更能适应“V”、梯形及其他形状的河谷，布置更、梯形及其他形状的河谷，布置更加灵活，结构复杂，施工难度大。加灵活，结构复杂，施工难度大。特点：应力状态尽一步改善，节省工程量，结构更加复杂，特点：应力状态尽一步改善，节省工程量，结构更加复杂，施工难度更大，被广泛采用。施工难度更大，被广泛采用。-2525-三、按水平拱圈形式分 圆弧拱坝、多心拱坝、变曲率拱坝（椭圆拱坝和抛物线拱坝等）。（四）按坝的结构分（四）按坝的结构分拱座嵌固的拱坝最常用拱座嵌固的拱坝最常用设周边缝的拱坝设周边缝的拱坝改善受力条件改善受力条件空腹拱坝空腹拱坝坝体较厚时，坝身内设空腔坝体较厚时，坝身内设空腔有重力墩的拱坝有重力墩的拱坝在坝的两岸端部设重力墩，保证坝肩稳定在坝的两岸端部设重力墩，保证坝肩稳定-2727-（一）拱坝发展阶段（一）拱坝发展阶段拱坝建设的拱坝建设的萌芽阶段萌芽阶段（1854年以前）年以前）拱坝建设的拱坝建设的起步阶段起步阶段（1854年年1917年）年）拱坝建设的拱坝建设的成熟阶段成熟阶段（1917年年1960年）年）拱坝建设的拱坝建设的熟练阶段熟练阶段（1960年至今）年至今）四、拱坝的发展概况四、拱坝的发展概况1、萌芽阶段（、萌芽阶段（1854年以前）年以前）起源：起源：早在一、二千年以前，人们就已意识到拱结构有较强的拦蓄水流的能力，开始修建高早在一、二千年以前，人们就已意识到拱结构有较强的拦蓄水流的能力，开始修建高10余米的圆筒形拱坝余米的圆筒形拱坝。特点：特点：水平截面为拱形，但未真正利用拱结构的优点，水平截面为拱形，但未真正利用拱结构的优点，似拱坝结构似拱坝结构。贡献：贡献：为发展积累了经验。为发展积累了经验。举例：举例：意大利的高桥（意大利的高桥（Ponte Alto）拱坝。）拱坝。-2929-意意大大利利高高桥桥拱拱坝坝的的建建设设过过程程-3030-2、起步阶段、起步阶段(18541917)标标 志志：1854年年，法法 国国 43m43m高高 的的 左左 拉拉（ZolaZola）拱坝。）拱坝。所所用用理理论论：该该拱拱坝坝以以圆圆筒筒公公式式为为指指导导，主主要要利利用用水水平平拱拱的的作作用用来来保保证证大大坝坝的的安安全全，忽略梁的作用。忽略梁的作用。-3131-3、成熟阶段（、成熟阶段（19171960年）年）标志：标志：1917年，瑞士蒙特萨耳文斯（年，瑞士蒙特萨耳文斯（Montsalvens）拱坝（）拱坝（H=55m），正式提出多拱梁分载的概念。），正式提出多拱梁分载的概念。主要成就：主要成就：拱梁分载的概念（拱冠梁法，多拱梁法）；拱梁分载的概念（拱冠梁法，多拱梁法）；拱坝体形多元化（双曲拱坝及带缝拱坝拱坝体形多元化（双曲拱坝及带缝拱坝 的发展）；的发展）；抗滑稳定概念的形成及发展。抗滑稳定概念的形成及发展。-3232-n n1936193619361936年，美国人建设了当时世界上最高的拱坝年，美国人建设了当时世界上最高的拱坝年，美国人建设了当时世界上最高的拱坝年，美国人建设了当时世界上最高的拱坝HooverHooverHooverHoover（胡佛）拱坝，坝（胡佛）拱坝，坝（胡佛）拱坝，坝（胡佛）拱坝，坝高高高高221m221m221m221m，底厚，底厚，底厚，底厚201m201m201m201m，座跨科罗拉多河。，座跨科罗拉多河。，座跨科罗拉多河。，座跨科罗拉多河。-3333-3434-国国内内拱拱坝坝建建设设n n中中中中国国国国第第第第一一一一座座座座拱拱拱拱坝坝坝坝建建建建造造造造于于于于1927192719271927年年年年，福福福福建建建建厦厦厦厦门门门门的的的的上上上上里里里里浆浆浆浆砌砌砌砌石石石石拱拱拱拱坝坝坝坝，坝坝坝坝高高高高27m27m27m27m。但但但但旧旧旧旧中中中中国国国国的的的的拱拱拱拱坝坝坝坝建建建建设设设设极极极极为为为为缓缓缓缓慢慢慢慢，至至至至1949194919491949年年年年，我我我我国国国国仅仅仅仅修修修修建了建了建了建了2 2 2 2座座座座15m15m15m15m以上的砌石拱坝。以上的砌石拱坝。以上的砌石拱坝。以上的砌石拱坝。-3535-n n响洪甸拱坝位于淮河支流西淠河上，属于响洪甸镇，是我国自行设计和响洪甸拱坝位于淮河支流西淠河上，属于响洪甸镇，是我国自行设计和响洪甸拱坝位于淮河支流西淠河上，属于响洪甸镇，是我国自行设计和响洪甸拱坝位于淮河支流西淠河上，属于响洪甸镇，是我国自行设计和施工的第一座等半径同圆心混凝土重力拱坝，施工的第一座等半径同圆心混凝土重力拱坝，施工的第一座等半径同圆心混凝土重力拱坝，施工的第一座等半径同圆心混凝土重力拱坝，19561956年年年年4 4月开工建设，月开工建设，月开工建设，月开工建设，19581958年年年年7 7月竣工。最大坝高月竣工。最大坝高月竣工。最大坝高月竣工。最大坝高87.587.5米。米。米。米。-3636-4、拱坝建设的熟练阶段（、拱坝建设的熟练阶段（1960年至今）年至今）标标志志：1960年年，建建成成的的意意大大利利瓦瓦依依昂昂（Vaiont）拱坝（）拱坝（H=262m）。）。主主要要成成就就：拱拱坝坝新新的的结结构构形形式式、计计算算方法及其体型优化的方法。方法及其体型优化的方法。是是世世界界最最高高的的薄薄拱拱坝坝,也也是是世世界界最最高高的的一一座座报报废废坝坝.-3737-意大利瓦依昂拱坝失事 意大利的瓦依昂（Vajont）双曲拱坝，1961年建成，是当时世界上最高的双曲拱坝，1963年10月9日晚，由于水库左岸大面积滑坡，使2.7亿m3的滑坡体以28m/s的速度滑入水库，高速下滑的山体造成约250m的涌浪，冲向对岸，漫过坝顶，并向上游回潮，淹没多处村镇使水库报废，造成巨大的生命、财产损失。致使1925人丧生，水库被填满，但拱坝坝体并未失事，仅在两岸坝肩附近的坝体内发生两三条裂缝，据估算，拱坝当时已承受住相当于8倍设计荷载的作用，由此可见拱坝的超载能力是较大的。-3838-拱坝坝顶长190m坝顶厚3.4m坝底厚22.6m坝体厚高比为0.086-3939-4040-4141-受灾前受灾后受灾后-4242-4343-4444-（二）世界拱坝建设的时空分布（二）世界拱坝建设的时空分布主要分布在中国、美国及西欧的阿尔卑斯山地区的法国、主要分布在中国、美国及西欧的阿尔卑斯山地区的法国、意大利及瑞士等国。意大利及瑞士等国。拱坝在各类大坝中所占的比例随坝高的增加而增加。拱坝在各类大坝中所占的比例随坝高的增加而增加。60 60 200m m以上以上45 45 15020030 30 100150拱坝所占比例（）拱坝所占比例（）坝坝 高（高（m m）-4545-在时间上，拱坝建设有三个高峰期第一个高峰期为1920-1930年，年时间共建成余座拱坝，建设的地点主要集中在美国，特别是集中在加利福尼亚州第二个高峰期为1950-1960年，年时间共建成150余座拱坝，建设的地点主要集中在西欧的阿尔卑斯山地区的法国、意大利及瑞士等国第三个高峰期为1970-1980年，年时间共建成余座拱坝，建设的地点主要集中在中国。年以前：美国代表世界拱坝水平：美国胡佛大坝的建成，应该说美国代表着世界拱坝建设的水平，对拱坝拱梁结构概念的形成、应力分析方法的产生和发展以及大体积混凝土坝成套施工及温控技术的发展作出过巨大的贡献。1936-1975拱坝建设的先进水平转移到了西欧（法、意、瑞），其主要贡献在于对双曲拱坝结构等轻、巧、薄拱坝结构的发展以及拱坝结构模型实验方法的发展。进入年代末期，代表世界拱坝建设水平的国家移至前苏联，它以高拱坝建设为其主要标志。年代末期，代表世界拱坝建设水平的国家是中国，其主要标志有对非圆弧拱型拱坝的发展、体型优化技术、拱坝的实践、复杂自然条件下修建拱坝的技术（包括宽河谷、大流量、复杂地基等）、特高拱坝的建设、动静力应力稳定分析方法的完善及其软件的开发、拱坝技术的发展等。（三）世界拱坝之最（三）世界拱坝之最已建的最高拱坝：已建的最高拱坝：前苏联英古力（前苏联英古力（Inguri）拱坝）拱坝 （H=272m，n=2.8，T/H=0.33）中国小湾拱坝中国小湾拱坝 （H=292m，n=2.83，T/H=0.238）中国锦屏拱坝中国锦屏拱坝 （H=305m，n=1.6，T/H=0.19）已建的最薄拱坝：已建的最薄拱坝：法国的托拉拱坝（法国的托拉拱坝（Tolla Dam）（H=88m，TB=2m，T/H=0.023）前进-4848-Name：Inguri（英古力）（英古力）Country：GeorgiaRiver：InguriType：archHeight：272 m Reservoir volume：1,110*106 m3 Year of completion:2001 Owner:Sakenergo Cost of works:2.3 mio.CHF Duration of services 1996-2001Cost of services:0.7 mio.CHFName：Tolla Dam（托拉）（托拉）Country：FranceType：archYear of completion:1959Height：88 mBase thickness：2mT/H：0.023 The dam is a complete success and has been shown to posses adequate margins of safety.Whether or not such thin dam is psychologically justifiable is another matter.-5050-小湾拱坝小湾拱坝是双曲拱坝（抛物线型混凝土双曲拱坝），最大坝高为292m。返回-5151-我国在建高拱坝我国在建高拱坝305m305m305m305m的锦屏一级的锦屏一级的锦屏一级的锦屏一级 （雅砻江）（雅砻江）（雅砻江）（雅砻江）阶段：大坝混凝土浇筑阶段：大坝混凝土浇筑阶段：大坝混凝土浇筑阶段：大坝混凝土浇筑；特点：地质条件复杂；特点：地质条件复杂；特点：地质条件复杂；特点：地质条件复杂；电站装机：电站装机：电站装机：电站装机：360360360360万千瓦。万千瓦。万千瓦。万千瓦。锦锦锦锦 屏屏屏屏 一一一一 级级级级 水水水水 电电电电 站站站站 锦屏一级水电站是雅砻江下游河段的控制性水库工程，主要任务是发电，锦屏一级水电站是雅砻江下游河段的控制性水库工程，主要任务是发电，兼调洪和拦沙作用，是川电外送的主要电源点之一。装机容量兼调洪和拦沙作用，是川电外送的主要电源点之一。装机容量3600MW3600MW，多年，多年平均年发电量平均年发电量174174亿亿kWkWh h。总库容。总库容77.777.7亿亿m3m3，调节库容，调节库容49.149.1亿亿m3m3，属年调节，属年调节水库。水库。工程特点：地质条件复杂，双曲拱坝高工程特点：地质条件复杂，双曲拱坝高305m305m，是，是世界第一高拱坝。世界第一高拱坝。-5252-278m278m的溪洛渡的溪洛渡 （金沙江）（金沙江）溪洛渡水电站工程于溪洛渡水电站工程于20032003年底开始筹建，年底开始筹建，20052005年年底正式开工，底正式开工，20072007年实现截流，计划年实现截流，计划20132013年首批年首批机组发电，机组发电，20152015年工程完工。年工程完工。特点：超大泄量；特点：超大泄量；电站装机：电站装机：12601260万千瓦万千瓦 。中国第二世界第三。中国第二世界第三4992349923立方米立方米/秒，其规模为世界第一秒，其规模为世界第一.-5353-拱坝发展主要趋向:对坝址地形地质条件有所降低；对坝址地形地质条件有所降低；厚度减薄，允许应力逐渐加大；厚度减薄，允许应力逐渐加大；坝顶溢流，坝身开孔，坝顶溢流，坝身开孔，q q加大；加大；在较强地震地区可建拱坝；在较强地震地区可建拱坝；计算理论、计算方法的发展可进行优化设计；计算理论、计算方法的发展可进行优化设计；对材料特性（坝体坝基）由线性对材料特性（坝体坝基）由线性非线性；非线性；碾压砼拱坝碾压砼拱坝-5454-