拱坝的体型和布置课件

第三节 拱坝的体型和布置,第三节 拱坝的体型和布置,拱坝布置总体原则,：,根据所选定坝址的地形、地质、枢纽布置、运用要求和施工等条件，选择拱坝体形，拟定坝体尺寸，进行拱坝布置，然后经应力分析和坝肩岩体稳定分析，并通过反复修改以求得一个经济、安全的体形布置方案。,拱坝布置总体原则：,拱圈中心角的确定,（1）根据坝身应力和经济方面的要求选择中心角,计算模型简化,（圆筒公式）,简化计算,荷载大，要求拱圈厚度大。同样的荷载和跨度，半径越大，要求拱圈厚度也越大，即半径小比较有利。另一方面，当跨度固定时，半径小，则拱的中心角增大，拱圈的弧长增加，又是不利的。为了求得最有利的半径或最有利的中心角，应使,拱圈的体积最小,。,拱圈厚度T,拱圈中心角的确定（1）根据坝身应力和经济方面的要求选择中心,拱圈体积,半 径 R,拱圈厚度,拱圈体积,对中心角求导,拱坝最优中心角,拱圈体积半 径 R拱圈厚度拱圈体积对中心角求导拱坝最优中心角,由于拱圈毕竟与圆筒有差别，拱圈受力并非均匀，加之拱圈亦仍处于“拱坝”中，要受到它的强大约束，仍从应力与经济出发，最优中心角并非，一般在 之间。,对于拱圈应力状况，根据中国水利水电科学研究院汪景琦的研究成果，中心角大些应力条件好，拱端较拱冠更易发生拉应力，当中心角大于115,O,时拱冠不再受拉，当中心角大于158,0,时拱冠、拱端均不再受拉。由此可见，一些专家主张在基岩条件较好的情况下用大一些的中心角，例如有的坝选150,0,或更大，是有一定道理的。,由于拱圈毕竟与圆筒有差别，拱圈受力并非均匀，加之拱圈亦仍处于,（2）根据坝肩稳定与安全性要求选择中心角,拱圈中心角的确定,设圆弧拱圈沿外弧承受均匀压力,P,作用下拱端的轴力和剪力分别为，拱端推力为R，推力角为,随着拱圈逐渐受弯，轴向力逐渐增大，剪力逐渐减小，第一项逐渐加大，即促使值单调地增大。另一方面，随着拱圈逐渐受弯，值逐渐变大，而促使值单调地减小,从坝肩稳定来看，最优中心角在值变化在 之间，考虑到实际拱坝可能遇到的情况，最优中心角大体在 之间。,（2）根据坝肩稳定与安全性要求选择中心角 拱圈中心角的确定,（3）根据工程经验和规范选择中心角,拱圈中心角的确定,综上所述，中心角的大小直接影响到应力条件、工程造价和坝肩岩体的稳定。当中心角较大时，拱圈应力条件较好，坝体工程量也较小，但拱端处的推力会更接近于平行河岸,对坝头稳定不利。自玛尔巴塞坝崩垮后，20世纪60年代以来，在世界范围内，拱坝界的认识有一个飞跃，就是普遍承认拱坝基础的重要性是第一位的。因此，选择中心角时，应当是在满足坝肩稳定条件下，尽量加大中心角，水平拱圈最大中心角应根据稳定、应力、工程量等因素，采用75,0,110,0,。而在坝的底部，由于拱作用实际不大，拱中心角可减小，一般在50,0,80,0,之间。,（3）根据工程经验和规范选择中心角 拱圈中心角的确定 综上所,拱坝体形选择,从河谷剖面形状出发选择拱坝体形,V形河谷,由于河谷高、中、低部跨度变化过大，需采用等角拱坝或变角变径拱坝,双曲拱坝,。以获得良好的工程布置。,U形河谷,由于其高、中、低部的河谷宽度差别不大，不论从对坝体的应力或从对坝肩的稳定来说，采用定心定径拱坝或,单曲拱坝,，都可获得良好的大坝和坝肩工作性态，没有必要再在垂直曲率上做文章。,拱坝体形选择 从河谷剖面形状出发选择拱坝体形 V形河谷 由,梯形河谷,底部具有一定甚至相当的宽度，不像U形河谷岸坡常在70,0,或80,0,以上，而且它的河谷总宽度一般都比前两种大。鉴于此，要获得全部高程或主要高程内的比较理想的拱圈，梯形河谷仍需采用双曲拱坝。,梯形河谷岸坡比较陡时，几乎接近于U形谷；河谷底宽较小时，几乎接近于V形河谷。对这两种情况，应分别采用接近于,单曲拱坝,和接近于,双曲拱坝,的坝型。总之，拱坝体形应随河谷情况的不同而渐变。,拱坝体形选择,不对性河谷,坝体的水平拱可设计成不对称的拱，或采用其它措施,河谷形状不规则或者有局部深槽,可设计成有垫座的拱坝。,梯形河谷 底部具有一定甚至相当的宽度，不像U形河谷岸坡常,单曲拱坝和双曲拱坝,单曲拱坝,在U形河谷中造价经济。这种拱坝一般都有一个直立的筒形参考面，而且常常是上游面，体形很简单，便于设计、施工，泄水、引水布置方便，在一定程度上具有重力坝泄放大流量比较方便可靠的优点。因此，虽然双曲拱坝近几十年来已得到较大发展，但单曲拱坝仍具有其不能被替代的适用场所。,单曲拱坝和双曲拱坝单曲拱坝在U形河谷中造价经济。这种拱坝一般,单曲拱坝和双曲拱坝,双曲拱坝,相对单曲拱坝优点,(1)坝身力学工作性态优良。,(2)坝肩力学工作条件优良。,(3)抗震性能好。,(4)易于布置坝顶溢流。,(5)超载能力强。,(6)有利于取消纵缝，提高大坝整体性。,(7)经济优越性。,单曲拱坝和双曲拱坝双曲拱坝相对单曲拱坝优点,拱坝体形设计要求,（一）拱圈与地形的匹配要求,（1）“要求”,圈内弧面与该高程可利用岩体等高线间的夹角宜大于或等于 ，这无疑是从拱坝推力在基础岩体中的安全扩散传递，求得稳定和较好的坝肩工作条件而提出的。,（2）肩宽要求,拱坝一般要有一个拱座肩宽L要求。拱座肩宽L的含义在于：拱坝受力后拱端下游是应力最大部位，如果L很小或没有，则拱端下游附近岩体容易发生较大面积的屈服，恶化坝肩工作条件甚至难以正常运行。目前，对拱座肩宽L还没有一个具体的数值要求，对于具体工程，可通过模型试验或简单二维有限元计算分析研究确定其取值范围。,拱坝体形设计要求（一）拱圈与地形的匹配要求（1）“,（3）拱端布置要求,拱端与基岩的接触面宜开挖成全半径向的，以使拱端推力接近垂直于拱座面。但在坝体下部，当按全半径向开挖将使上游面可利用岩体开挖过多时，可考虑自坝顶往下由全半径向拱座渐变为l2半径向拱座。,(二)枢纽协调要求,（1）拱坝枢纽布置中，除进行拱坝布置外，还有诸如发电引水道的进水口、钢管、坝身泄水孔、坝后厂房等其他建筑物和设备的布置需要考虑，这是枢纽布置的总要求。,（3）拱端布置要求 拱端与基岩的接触面宜开挖成全半径向的,（2）如果拱坝上游面是垂直柱面的单曲拱坝，发电和泄水的进水口及设备配套布置比较好办。如果是在双曲拱坝上，特别是在要设置泄放或输水量大的进水口的双曲拱坝上，处理好上述布置，体形设计会受到约束,（3）对于枢纽布置要求设置大型坝后厂房的情况，如果钢管要安放在坝内，则体形设计中要注意坝体厚度与它的匹配问题，同时要考虑到钢管可能要留槽安装的要求；如果是坝前“抱管”，则上游倒悬度过大，结构布置困难；同样“背管”对下游倒悬度过大的适应件也足很差的。,（2）如果拱坝上游面是垂直柱面的单曲拱坝，发电和泄水的进水口,坝面倒悬及倒悬的处理要求,倒悬度,由于上、下层拱圈半径及中心角或拱圈曲线参数的变化，坝体上游面不能保持直立。如上层坝面突出于下层坝面，就形成了坝面的倒悬，这种上、下层错动的水平距离与其间高差之比称为倒悬度,坝面倒悬及倒悬的处理要求倒悬度,从总体倒悬来看，对前倾双曲拱坝，施工期在自重、灌浆压力等作用下，下游面产生的拉力不应大于0305MPa，同时要满足倾覆安全系数要求；对于上游过分甚至全坝后倒的双曲拱坝，也要求上游面不发生过大拉应力。对于局部倒悬，一般认为：上游面上部倒悬不控制于施工；上游面下部倒悬由于离建基面近，常有上游开挖边坡或者采取一定结构措施可以找到依托，一般问题不大；下游面上部倒悬问题较严重，因为属高空倒悬，坝块没有任何依托，只能靠不断上升的两侧灌过浆的坝体和本块下部坝体来维持稳定性，倒悬度过大时，施工极为困难，有时会形成对大坝上升速率的控制。,从总体倒悬来看，对前倾双曲拱坝，施工期在自重、灌浆压力等作用,坝面倒悬处理的措施,(1)使靠近岸边的坝体上游面维持直立，这样，河床中部坝体将俯向下游,。,坝面倒悬处理的措施(1)使靠近岸边的坝体上游面维持直立，这,(2)使河床中间的坝体上游面维持直立，而岸边坝体向上 游倒悬。,(2)使河床中间的坝体上游面维持直立，而岸边坝体向上 游倒悬,（3）协调前两种方案，使河床段坝体稍俯向下游，岸坡段坝体稍向上游倒悬。,设计时宜采用第三种折中处理方式，以减小坝面的倒悬度。按一般施工经验，浆砌石拱坝倒悬度可控制在11016，局部可为1514左右；混凝土拱坝可达13左右。对向上游倒悬的岸边段坝体，在其下游面可能产生过大的拉应力，必要时需在上游坝脚加设支墩,（3）协调前两种方案，使河床段坝体稍俯向下游，岸坡段坝体稍向,拱坝体形布置设计步骤,（1）确定坝顶高程,坝顶高程为水库静水位加 ,按下式计算并选其,最大值,：,波浪高度，按重力坝一章公式计算，m；,波浪中心线至水库正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；,安全超高，下表规定采用,拱坝体形布置设计步骤（1）确定坝顶高程 坝顶高程为水库静水位,荷载组合,(运用情况),坝的级别,1,2,3,基本组合(正常蓄水位),0.7,0.5,0.4,特殊组合(校核洪水位),0.5,0.4,0.3,安全超高表,（2）绘制可利用基岩面等高线地形图,根据坝址地形图、地质图和地质查勘资料，定出开挖深度，画出可利用基岩面等高线地形图，一般在该图上进行拱坝的剖面和平面布置。,荷载组合坝的级别123基本组合(正常蓄水位)0.70.50.,（3）确定坝轴线位置和坝顶中心角,在可利用基岩面等高线地形图上，试定顶拱轴线的位置。在实际工程中常以顶拱外弧线作为拱坝的轴线。如果是圆拱，顶拱轴线的半径 可用，为坝顶高程处两拱端可利用基岩面的直线距离。,上述半径绘制坝轴线在透明纸上，并在可利用基岩面等高线地形图上移动调整位置，尽量使拱轴线与基岩等高线在拱端处的夹角不小于30，并使两端夹角大致相等，进而确定坝轴线的位置。在此基础上，再调整确定中心角 。为此，在地形图上可按选定的半径、中心角、坝顶高程及顶拱厚度画出顶拱的平面布置图。,（3）确定坝轴线位置和坝顶中心角 在可利用基岩面等高线地形图,（4）确定拱冠梁剖面的位置,拱冠梁通常位于河谷开挖后的最深部位。如果河谷对称或基本对称，其位置往往取于河床中部；很不对称的河谷，可适当偏移。,（5）拱冠梁顶厚与底厚尺寸初步拟定,（4）确定拱冠梁剖面的位置拱冠梁通常位于河谷开挖后的最深部位,（6）拱冠梁中部厚度初定,拱冠梁中部厚度一般是指上游面具有最大外挺(凸)值相对点的厚度。该厚度可用两种方法之一初定：其一，按圆筒公式并以全水压估算出厚度；其二，可以按照弹性固端拱圈，并以全水头进行应力初步核估求出。,（7)最大外挺高度 及最大外挺值 的初定,建议对的取值可在（0.30.45）h内考虑，但需控制悬臂粱仅在自重作用下产生的拉应力不超(0.30.5)MPa,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。,（6）拱冠梁中部厚度初定 拱冠梁中部厚度一般是指上游面具有最,对于最大外挺值美国垦务局在初选方案中规定该值为095。我国有专家提出用描述相对最大外挺值，并建议按下述情况考虑该初值：弧高比小于1时，在02以下选取；弧高比为1020时，在020025附近选取；弧高比为2035时，在025030附近选取；弧高比大于35时，在020025附近选取。但不论如何选取，其最大倒悬度必须控制在0.3以内较为适宜。,(8)坝基外挺值 的确定,我国专家提出了以上游面下部倒悬度 即作为指标来确定值的观点，并建议：当弧高比在1以下时，该值可在002以下选用；弧高比为l3时，其值在00201附近选取；弧高比为34时，可以在01015间取值,对于最大外挺值美国垦务局在初选方案中规定该值为0,(9)拱冠梁剖面拟定,有了拱坝在3个高度处的外挺值、最大外挺高度，即可确定上游面曲线。有了上游面和3个特征厚度，则可定出相应高程下游面的3个点。对于该3点，用圆或二次或其他曲线可以定出下游面轨迹。,(10)拱坝平面布置,拱冠梁剖面初定后，拱冠粱各高程的厚度即可定。按照初拟拱冠梁剖面尺寸，自坝顶往下，一般选取510道拱圈，绘制各层拱圈平面图，其布置原则与顶拱相同。,(9)拱冠梁剖面拟定 有了拱坝在3个高度处的外挺值、最大外挺,(11)