水利水电工程概论课件-第4章-2节拱坝.ppt

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：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，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（1960年至今）,1.1、拱坝建设的萌芽阶段（1854年以前）,人类修建拱坝始于罗马时期，是类比砌石圆拱结构及桥梁等建筑物。将拱坝当作一个放在水中的铅直圆筒来考虑。计算公式就是普通的薄壁圆筒公式。 似现代拱坝的挡水建筑物：如法国的鲍姆(Baume)拱坝，西班牙的阿尔曼扎(Almanza)、阿里肯特（Alicante）、埃尔切（Elche）拱坝，意大利的高桥（Ponte Alto）拱坝等。其中高桥拱坝于年建成时仅4.98米，以后随着水库不断淤积不断加高，共加高次，最后一次是年加高至39米。这座坝的建设过程充分体现了人们单凭经验在实践中摸索前进的过程。,意大利的高桥（Ponte Alto）拱坝于1612年建成时仅4.98米，以后随着水库不断淤积不断加高，共加高次，最后一次是年加高至39米。,在年以前，所有修建的拱坝水平截面虽为拱形，但由于缺乏理论指导，并没有真正认识到利用拱结构的优点，只能说是一种似拱坝结构。但该阶段的拱坝实践为后期拱坝的发展积累了经验，可以称之为拱坝的萌芽阶段。,1.2、拱坝建设的起步阶段（18541917年）,标志：1854年，法国工程师左拉(Zola)在普罗旺斯地区艾克斯设计建成米高的左拉拱坝。该拱坝以圆筒公式为指导，主要利用水平拱的作用来保证大坝的安全。 所用理论：将拱坝坝体比拟成一系列独立叠置的水平圆弧形拱圈，在外荷作用下通过水平拱圈的作用，将其传至两岸，忽略了拱坝上、下拱圈传力的梁的作用。在对水平拱圈结构的认识上又可分为“圆筒结构”和“固端拱”两种。,实际上，拱坝在工作时，拱圈之间是相互关联和制约的。因此，这一方法是近似的，计算出的拱应力一般偏大，尤其对于重力拱坝，误差更大。 纯拱法对于狭窄河谷中的拱坝，仍不失为一个简单而实用的计算方法。,1.3、拱坝建设的成熟阶段（19171960年）,标志：美国的维切尔(H.Vischer)和瓦格纳（L.wagener），他们在年校核熊谷拱坝及甜水（Sweetwater ）拱坝时引入了拱冠梁的概念，并利用拱冠梁与水平拱在共轭点上的径向变位一致的条件，将径向压力分配到拱和梁上，从而初步形成了拱梁分载的概念。 1917年瑞士坝工专家格伦纳（H.E.Gruner）和两位助手史图基（A.Stucky）和济科（H.Gicot ）在设计瑞士第一座拱坝蒙特萨耳文斯（Montsalvens）拱坝时（H=55m），正式提出多拱梁分载的概念。并采用拱梁径向变位一致的多拱梁法进行了该坝的应力计算。该坝的设计及建造，标志着拱坝的建设已从起步阶段进入了成熟阶段。,主要成就：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（周边缝、底缝）的发展）； 抗滑稳定概念的形成及发展,双曲拱坝的形成,Malpasset Dam :It failed not long after it was built in 1959. Dimensions & Quantities: height:60 m length:225 m retained water volume：50 ×106m3,1.4、拱坝建设的熟练阶段（1960年至今）,标志：经过拱坝建设成熟阶段的发展，人们无论在拱坝的安全准则、还是在应力稳定分析方法上均已成熟，已达到建设米以上拱坝的水平。年完成的意大利瓦依昂（Vaiont）拱坝（H=262m）标志着拱坝建设已进入熟练阶段。 成就：拱坝新的结构形式、计算方法及其体型优化的方法。,The dam looking from the side vaiont dam,Picture of the Vaiont landslide,This is a view of the landslide from upstream,发生滑坡前瓦依昂滑坡横剖面图,发生滑坡后瓦依昂滑坡横剖面图,2、世界拱坝建设的时空分布,自从年止年底：全世界已建1608座高度大于15米的拱坝。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。 拱坝在各类大坝中所占的比例随坝高的增加而增加。 如在100-150米大坝中拱坝约占30% ； 对150-200米的大坝约占45%； 对200米以上的大坝约占。,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。 19361975: 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。,h=223m,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。,世界拱坝之最,已建最高拱坝：前苏联英古里拱坝 H=272m,n=2.8 T/H=0.15 在建最高拱坝：中国小湾拱坝 H=292m,n=2.83,T/H=0.238 在设计的最高拱坝：中国锦屏拱坝 H=305m ,n=1.6,T/H=0.19,Name : Inguri Country :Georgia River :Inguri Type :arch Height : 271.5 m Reservoir volume : 1'110*106 m3 Year of completion : 2001 Owner :Sakenergo Cost of works : 2.3 mio. CHF Duration of services 1996-2001 : Cost of services : 0.7 mio. CHF,The world thinnest arch dam A few dams have been experiments in themselves. The La Gage dam in France and the Tolla Dam in Corsica were both made exceedingly thin in order to provide a full-scale check on the validity of theoretical analyses when applied to dams approaching the ultimate degree of slenderness. The two dams are a complete success and have been shown to posses adequate margins of safety. Whether or not such thin dams are psychologically justifiable is another matter,二滩水电站是一座以发电为主的大型水力发电枢纽，它的坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高240米，是中国已建成的最高坝，它的高度在世界同类型坝中居第四位。,二滩水电站,世界在建的最高双曲拱坝：小湾抛物线型混凝土双曲拱坝，最大坝高为292米,世界知名拱坝拱冠梁剖面 19胡佛H=223m 28莫瓦桑H=237m 30瓦依昂H=262m,世界知名拱坝拱冠梁剖面 34格兰峡H=217m 37柯恩布赖茵H=200m 38英古里H=272m 39萨扬舒申斯克H=245m,中国知名拱坝拱冠梁剖面 1-1龙羊峡 1-2乌江渡 1-3白山 1-4凤滩 1-5响洪甸 2-1东风 2-2东江 2-3紧水滩 2-4石门,