水利水电工程概论课件-第4章-2节拱坝.ppt
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1、第二节 拱坝(arch dam),图片名称:猫跳河红岩水电站 电站地点:贵州修文 所在河流:猫跳河 所在水系:长江水系 主要坝型:双曲拱坝 坝顶高程:890米 最大坝高:60米,猫跳河红岩水电站,二滩双曲拱坝,图片名称:二滩水电站 电站地点:四川省攀枝花市 所在河流:雅砻江 所在水系:长江水系 主要坝型:混凝土拱坝 坝高:240 米,石门拱坝,图片名称:石门水库 电站地点:陕西汉中 所在河流:褒河 所在水系:黄河水系 主要坝型:混凝土拱坝 坝顶高程:620.0米 最大坝高:88米,湖南东江拱坝,凤滩拱坝,普定碾压混凝土拱坝,一、拱坝的特点 1、拱坝的结构 拱坝是固接在基岩上的空间壳体结构。,拱
2、:在竖向荷载作用下能产生水平推力的结构叫 拱式结构,三铰拱,固端拱,二铰拱,曲梁,重力坝:是胶结在基岩上的一个变截面悬臂梁。是一个静定结构,它所受的荷载通过悬臂梁的作用传到地基。这个计算模型就决定了它的安全准则主要是抗滑稳定和无拉应力,也决定了它的断面非常肥大。,拱坝:是一个三边嵌固在基岩上的变曲率、变厚度的多次超静定空间壳体结构。,2、 拱梁系统的含义,拱坝是一种空间壳体结构,也可视为由梁拱组成。 在水平方向上可切割为许多拱圈,拱圈的两端支承于岩座; 在垂直方向可分割成许多垂直的悬臂梁,梁的下端支承于坝基。,拱坝在主要荷载径向压力作用下,由于拱坝是一个整体的空间受力结构,因此它必然在梁上产生
3、应力,也在拱向产生应力。如果在梁上产生的那一部分荷载叫做梁承担的荷载,在拱上产生应力的另一部分荷载叫拱承担的荷载,那么径向压力可以分成两部分,其分配图为: 因此,以后 如果我们说 某荷载由拱 梁共同承担 则表示在该 荷载作用下, 在拱和梁向 均产生应力。,重力坝在所受的荷载作用下,只在梁向产生应力,处于平面应力状态,所以荷载全由梁承担。 拱坝所承受的水平荷载大部分通过拱的作用传给两岸岩体;小部分通过梁的作用传到坝底基岩。 因此,拱坝稳定主要指两岸坝肩稳定。,3、空间整体作用的特点:,拱坝四周嵌固于基岩,属于高次超静定结构,当发生超载或产生局部裂缝时,坝体拱梁作用自行调整,坝体的应力将重新分配,
4、原来低应力区的应力增大,高应力不再增长,裂缝停止发展甚至闭合。根据国内外拱坝结构模型实验成果表明,拱坝的超载能力可达到设计荷载的511倍。,实例:意大利瓦依昂(Vajont)双曲拱坝,1961年建成,坝顶长190.5m,顶宽3.4m,底宽22.7m,最大坝高265.5m,是当时世界上最高的混凝土薄拱坝。1963年10月9日晚,由于连续降雨,水库水位上涨,左岸靠坝的上游发生大体积岩石滑坡,近3亿m3的滑坡体以40 m/s的速度滑入水库并冲上右岸,掀起150m高的涌浪,涌浪溢过坝顶,冲向下游,致使2600人丧生,但拱坝并未破坏,仅在坝肩附近的坝内发生二、三条裂缝。据估算,拱坝当时已承受住相当于8倍
5、设计荷载的作用力,由此可见该拱坝的超载能力。,意大利瓦依昂(Vajont)双曲拱坝,4、拱坝具有较高的抗震能力: 拱坝是一个整体的空间壳体结构,坝体轻韧而富有弹性。当基础及坝肩岩体稳定时,其抗震能力较强。 5、荷载特点: 对于拱坝,温度荷载是主要荷载之一。拱坝周边固接于基岩上,温度变化及地基变形等对坝体应力有显著影响。据实测资料分析表明,由温度变化引起的径向位移,约占总位移的1/32/3。,6、坝身泄流及施工较为复杂,拱坝坝身较为单薄,坝身溢流可能引起坝身及闸门振动,致使材料疲劳; 坝身下泄水流具有向心集中作用,挑距不远,易于造成对河床及河岸冲刷; 坝身开设泄水孔会破坏拱坝作用并使孔口周边应力
6、复杂。,拱坝施工过程,二、拱坝的分类,1、按高度分: 高(H70m)、中、低(H30m) 2、按厚高比分: TB/H 0.2 薄拱坝; TB/H = 0.20.35 中厚拱坝; TB/H 0.35 厚拱坝或重力拱坝,3、按结构分: 周边固定拱坝 周边缝拱坝 有重力墩的拱坝 空腹拱坝 铰拱坝 预应力拱坝,4、 按坝体曲率分:单曲拱坝;双曲拱坝,坝面在垂直方向上曲率不为零,单曲拱坝: 又称为定外半径定中心角拱。 对U型或矩形断面的河谷,其宽度上下相差不大,各高程中心角比较接近,外半径可保持不变,仅需下游半径变化以适应坝厚变化的要求。 特点:施工简单,直立的上游面便于布置进水孔和泄水孔及其设备,但当
7、河谷上宽下窄时(V型河谷),下部拱的中心角必然会减小,从而降低拱的作用,要求加大坝体厚度,不经济。,单曲拱坝,双曲拱坝: 在底部狭窄的V形河谷,若仍用等半径式拱坝,势必使底部中心角过小而加大拱厚。为此宜将各层拱圈的外半径从上到下逐渐减小,以使各层拱圈的中心角尽量接近,这种布置坝体在水平面和铅直面均呈曲线形,称为双曲拱坝。,双曲拱坝,5、 按水平拱的形式分: 圆弧拱坝; 二心圆拱坝; 三心圆拱坝; 抛物线拱坝; 椭圆拱坝; 对数螺旋线拱坝; 双曲线拱坝。,6、按水平拱的厚度变化分: 等厚拱坝;变厚拱坝(厚度向拱端逐渐增加的圆拱、拱端局部加厚的圆拱),三、拱坝对地形的要求,拱坝对地形的要求主要从四
8、方面考虑: 1、河谷狭窄:用来描述河谷宽窄的参数是河谷的宽高比 n=L/H=坝顶处河谷的宽度/最大坝高,当n小时,河谷狭窄,拱的作用大,因此坝可以修的很薄,根据一般经验有: n2时,适于修建薄拱坝,T/H0.2 n=23时,中厚拱坝,T/H0.20.35 n= 34时,厚拱坝 ,T/H 0.35 n4时,重力坝或拱形重力坝,2、 河谷的断面形状,典型的河谷断面形状有三种: 这三种断面即使在宽高比相同的情况下,所修的拱坝的厚薄、形状都不一样。,V形河谷:上宽下窄,在下部虽然水压力较大,但拱的跨度较小,拱承担的荷载较大,拱作用发挥较充分,因此坝可以修的较薄、经济。 U形河谷:靠近底部处拱跨较大,拱
9、的作用显著降低,梁的作用相应增大,因此坝底部较厚。 梯形河谷介于二者之间。,V形河谷,U形河谷,宽高比相同河谷形状不同的两种情况(V形和U形),3、河谷顺河流方向的形状 以平顺河流或呈收缩形河流较好,要避免河道的出口和转弯处。,4、 河谷对称性 河谷对称,拱坝的应力、稳定比较均匀平顺,局部不对称的河谷,往往造成应力集中,因此拱坝一般比较适合于对称河谷,当河谷不对称时,可以经过一定的处理使之对称。,挖,推力墩,重力墩,翼墙,砼塞,周边缝,上重下拱,四、拱坝对地质的要求,由于拱坝的安全的关键是拱座的稳定问题,而且拱座的位移将引起坝内较大的应力。特别是不对称位移会产生较为不利的应力,因此,拱坝从一开
10、始就对两岸的地质条件提出了严格的要求,较理想的地质条件是: 基岩比较均匀、坚硬完整、有足够的强度、透水性小,抗风化。二岸拱座附近河岸边坡稳定,整体性好,没有大的断裂构造和软弱夹层,在荷载作用下不产生大的变形。,随着拱坝建设的不断发展,拱坝的地形、地质条件越来越复杂。搞清各种地形、地质条件对拱坝应力、稳定及变形的影响以及相应的处理措施,是设计拱坝的首要任务,在这方面国内外已经积累了大量的经验,有不少的成功的例子。 1、 变形参数E、u:均匀 2、 强度参数R、C、f:有足够的强度 3、 抗渗性K、J:渗透性小 4、 耐久性:抗侵蚀、抗风化 以上四方面均要求无地质上的缺陷:没有大的断裂构造和软弱夹
11、层等。,实际很难找到理想地质条件,坝基总存在节理,裂隙,软弱层局部断裂破碎,因此,必须查明工程地质情况,采取妥善的处理措施,使其满足设计要求。 如龙羊峡拱坝,高178m,基岩被众多的断层和裂缝切割,岩体破碎,且位于9度强震区,但基础经过处理后,达到了设计要求;瑞士的康脱拉拱坝,有顺河向陡倾角断层,宽3m4m,断层本身挤压破碎严重,但经过基础处理,成功地建成了高220m的拱坝。,五、拱坝的发展概述,1、 拱坝发展阶段 1.1、拱坝建设的萌芽阶段(1854年以前) 1.2、拱坝建设的起步阶段(18541917年) 1.3、拱坝建设的成熟阶段(19171960年) 1.4、拱坝建设的熟练阶段(196
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