拱壩解析PPT課件

1、第一節(jié)第一節(jié) 概述概述認識拱壩認識拱壩拱壩是一空間殼體結(jié)構(gòu)拱壩是一空間殼體結(jié)構(gòu),壩體結(jié)構(gòu)可近似看作由一系列凸向壩體結(jié)構(gòu)可近似看作由一系列凸向上游的上游的水平拱圈水平拱圈和一系列和一系列豎向懸臂梁豎向懸臂梁所組成。拱壩兩岸的所組成。拱壩兩岸的巖體部分稱作拱座或壩肩；拱壩最大的梁稱拱冠梁。巖體部分稱作拱座或壩肩；拱壩最大的梁稱拱冠梁。 第1頁/共32頁l結(jié)構(gòu)特點和受力特點結(jié)構(gòu)特點和受力特點拱與梁的共同作用拱與梁的共同作用穩(wěn)定性主要依靠兩岸壩肩的反力作用穩(wěn)定性主要依靠兩岸壩肩的反力作用承受軸向壓力，有利于發(fā)揮砼及漿砌石材料的抗壓強度；承受軸向壓力，有利于發(fā)揮砼及漿砌石材料的抗壓強度；拱梁所承受的荷載

2、可相互調(diào)整拱梁所承受的荷載可相互調(diào)整, , 超載能力高。超載能力高。一、拱壩的特點一、拱壩的特點l穩(wěn)定特點穩(wěn)定特點l內(nèi)力特點內(nèi)力特點第2頁/共32頁抗震性能好抗震性能好拱壩壩身可以泄水拱壩壩身可以泄水幾何形狀復雜，施工難度大幾何形狀復雜，施工難度大l荷載特點荷載特點一、拱壩的特點一、拱壩的特點考慮基巖變形，并將溫度荷載作為一項主要荷載?？紤]基巖變形，并將溫度荷載作為一項主要荷載。l性能特點性能特點l泄洪特點泄洪特點l設(shè)計和施工特點設(shè)計和施工特點第3頁/共32頁二、拱壩對地形和地質(zhì)條件的要求二、拱壩對地形和地質(zhì)條件的要求1.1.對地形的要求對地形的要求理想的地形是左右理想的地形是左右兩岸對稱，岸

3、坡平兩岸對稱，岸坡平順無突變，在平面順無突變，在平面上向下游收縮的峽上向下游收縮的峽谷段。壩端下游側(cè)谷段。壩端下游側(cè)要有足夠的巖體支要有足夠的巖體支承，以保證壩體的承，以保證壩體的穩(wěn)定。穩(wěn)定。第4頁/共32頁據(jù)工程經(jīng)驗：據(jù)工程經(jīng)驗：L/H1.5:L/H1.5:窄深河谷中可修建薄拱壩（窄深河谷中可修建薄拱壩（/H0.2/H0.2）；）；L/H=2L/H=23:3:中等寬度河谷中可修建中厚拱壩中等寬度河谷中可修建中厚拱壩 ( (/H0.2/H0.35)/H0.35) ；L/HL/H4.5:4.5:寬淺河谷中，只宜修建重力壩或拱形重力壩。寬淺河谷中，只宜修建重力壩或拱形重力壩。壩址處河谷形狀特征用河

4、谷壩址處河谷形狀特征用河谷“寬高比寬高比”L/HL/H及河谷及河谷的斷面形狀兩個指標來表示。的斷面形狀兩個指標來表示。二、拱壩對地形和地質(zhì)條件的要求二、拱壩對地形和地質(zhì)條件的要求第5頁/共32頁左右對稱的左右對稱的V形河谷最適宜發(fā)揮拱的作用，靠近底部水形河谷最適宜發(fā)揮拱的作用，靠近底部水壓強度最大，但拱跨短，因而底拱厚度仍可較?。粔簭姸茸畲?，但拱跨短，因而底拱厚度仍可較??；U形河形河谷靠近底部拱的作用顯著降低，大部分荷載由梁的作用來谷靠近底部拱的作用顯著降低，大部分荷載由梁的作用來承擔，故厚度較大，梯型河谷的情況則介于這兩者之間。承擔，故厚度較大，梯型河谷的情況則介于這兩者之間。河谷形狀對荷載

5、分配和壩體剖面的影響河谷形狀對荷載分配和壩體剖面的影響 二、拱壩對地形和地質(zhì)條件的要求二、拱壩對地形和地質(zhì)條件的要求第6頁/共32頁基巖均勻單一、完整基巖均勻單一、完整穩(wěn)定、強度高、剛度穩(wěn)定、強度高、剛度大、透水性小和耐風大、透水性小和耐風化等。兩岸壩肩的基化等。兩岸壩肩的基巖必須能承受由拱端巖必須能承受由拱端傳來的巨大推力、保傳來的巨大推力、保持穩(wěn)定并不產(chǎn)生較大持穩(wěn)定并不產(chǎn)生較大的變形。的變形。2.2.對地質(zhì)的要求對地質(zhì)的要求二、拱壩對地形和地質(zhì)條件的要求二、拱壩對地形和地質(zhì)條件的要求第7頁/共32頁按壩體體形分為：按壩體體形分為：單曲拱壩單曲拱壩雙曲拱壩雙曲拱壩三、拱壩的類型三、拱壩的類型

6、第8頁/共32頁1.1.一般荷載的特點一般荷載的特點 水平徑向荷載水平徑向荷載 靜水壓力、泥沙壓力、浪壓力及冰壓力。靜水壓力、泥沙壓力、浪壓力及冰壓力。一、拱壩的設(shè)計荷載一、拱壩的設(shè)計荷載hpw 將將p p轉(zhuǎn)化為拱軸線上的壓力強度轉(zhuǎn)化為拱軸線上的壓力強度p p時，則時，則RpRpu/ 水平徑向靜水壓力的計算為：水平徑向靜水壓力的計算為：其他荷載的計算同重力壩的計算辦法其他荷載的計算同重力壩的計算辦法l靜水壓力是壩體上的主要荷載，由拱、梁系統(tǒng)共靜水壓力是壩體上的主要荷載，由拱、梁系統(tǒng)共同承擔，可通過拱梁分載法來確定拱系和梁系上的同承擔，可通過拱梁分載法來確定拱系和梁系上的荷載分配。荷載分配。第9

7、頁/共32頁)AA4A(Z61G2m1c l荷載的分配：全部自重應由懸臂梁承擔。荷載的分配：全部自重應由懸臂梁承擔。壩塊自重壩塊自重G G可按辛普森公式計算：可按辛普森公式計算：2 2自重自重拱壩壩體一般較薄，對薄拱壩通?？珊雎圆挥?。拱壩壩體一般較薄，對薄拱壩通?？珊雎圆挥?。對于中厚拱壩和厚拱壩需要計算。對于中厚拱壩和厚拱壩需要計算。 3 3揚壓力揚壓力在拱壩的穩(wěn)定分析中必須考慮揚壓力的作用。在拱壩的穩(wěn)定分析中必須考慮揚壓力的作用。第10頁/共32頁 二、溫度荷載二、溫度荷載溫度荷載是拱壩設(shè)計的主要荷載。溫度荷載是拱壩設(shè)計的主要荷載。封拱溫度封拱溫度拱壩系分塊澆筑，經(jīng)充分冷卻，當壩體溫度逐漸降

8、拱壩系分塊澆筑，經(jīng)充分冷卻，當壩體溫度逐漸降至相對穩(wěn)定值時，進行封拱灌漿，形成整體。在封至相對穩(wěn)定值時，進行封拱灌漿，形成整體。在封拱時的壩體溫度稱作封拱溫度。拱時的壩體溫度稱作封拱溫度。溫度荷載是指拱壩形成整體后，壩體溫度相對于溫度荷載是指拱壩形成整體后，壩體溫度相對于封拱溫度的變化值。封拱溫度的變化值。！拱壩封拱一般選在氣溫為年平均氣溫或略低于拱壩封拱一般選在氣溫為年平均氣溫或略低于年平均氣溫時進行年平均氣溫時進行！第11頁/共32頁水壓力作用水壓力作用溫降荷載：壩體溫度低于封拱溫度時的溫度變化值。溫降荷載：壩體溫度低于封拱溫度時的溫度變化值。溫降作用溫降作用當壩體溫度低于封拱溫度時，拱圈

9、將縮短并向下游變位，當壩體溫度低于封拱溫度時，拱圈將縮短并向下游變位，由此產(chǎn)生的彎矩、剪力及位移的方向都與庫水壓力作用由此產(chǎn)生的彎矩、剪力及位移的方向都與庫水壓力作用下所產(chǎn)生的彎矩、剪力及位移的方向相同，但軸力方向下所產(chǎn)生的彎矩、剪力及位移的方向相同，但軸力方向相反。相反。封拱時溫度愈低，溫降越小，建成后愈有封拱時溫度愈低，溫降越小，建成后愈有利于降低壩體拉應力。利于降低壩體拉應力。第12頁/共32頁溫升作用溫升作用溫升荷載：壩體溫度高于封拱溫度時的溫度變化值。溫升荷載：壩體溫度高于封拱溫度時的溫度變化值。水壓力作用水壓力作用當壩體溫度高于封拱溫度時，稱溫升，拱圈將伸長并向當壩體溫度高于封拱溫

10、度時，稱溫升，拱圈將伸長并向上游變位，由此產(chǎn)生的彎矩、剪力和位移的方向與庫水上游變位，由此產(chǎn)生的彎矩、剪力和位移的方向與庫水壓力所產(chǎn)生的方向相反，但軸力方向則相同。壓力所產(chǎn)生的方向相反，但軸力方向則相同。一般情況下，溫降對壩體應力不利；溫升將使一般情況下，溫降對壩體應力不利；溫升將使拱端推力加大，對壩肩穩(wěn)定不利。拱端推力加大，對壩肩穩(wěn)定不利。第13頁/共32頁溫度荷載的計算溫度荷載的計算393T47t1 44. 2T57.57t1 均勻溫度變化均勻溫度變化等效線性溫差等效線性溫差非線性溫度變化非線性溫度變化壩體溫度壩體溫度第14頁/共32頁基本組合：基本組合：三拱壩的荷載組合三拱壩的荷載組合重

11、力壩的基本荷載和特殊荷載劃分也適用于拱重力壩的基本荷載和特殊荷載劃分也適用于拱壩，只是在基本荷載中還應列入溫度荷載。壩，只是在基本荷載中還應列入溫度荷載。正常蓄水位及相應尾水位的靜水壓力和設(shè)正常蓄水位及相應尾水位的靜水壓力和設(shè)計正常溫降、自重等計正常溫降、自重等. .水庫死水位或運行最低水位及相應尾水位時的水庫死水位或運行最低水位及相應尾水位時的靜水壓力和設(shè)計正常溫升、自重等靜水壓力和設(shè)計正常溫升、自重等. .其他常遇的不利組合其他常遇的不利組合第15頁/共32頁特殊組合：特殊組合：校核洪水位及相應尾水位的靜水壓力和設(shè)計正常校核洪水位及相應尾水位的靜水壓力和設(shè)計正常溫升、自重等溫升、自重等.

12、.正常蓄水位及相應尾水位的靜水壓力和設(shè)計正正常蓄水位及相應尾水位的靜水壓力和設(shè)計正常溫降、自重等與地震荷載。常溫降、自重等與地震荷載。其他稀遇的不利組合其他稀遇的不利組合第16頁/共32頁第三節(jié) 拱壩的布置拱壩的設(shè)計步驟拱壩的設(shè)計步驟修改修改壩體應力、壩壩體應力、壩肩穩(wěn)定分析肩穩(wěn)定分析拱壩平拱壩平面布置面布置安全安全與否與否最終布最終布置圖置圖細部細部構(gòu)造構(gòu)造設(shè)計圖設(shè)計圖第17頁/共32頁 在滿足壩體應力和壩肩穩(wěn)在滿足壩體應力和壩肩穩(wěn)定的前提下，盡可能地使定的前提下，盡可能地使工程量最省，造價最低、工程量最省，造價最低、安全度高和耐久性好。安全度高和耐久性好。拱壩布置的基本內(nèi)容：拱壩布置的基本

13、內(nèi)容：根據(jù)地形、地質(zhì)、水文及施工條件，選擇壩型根據(jù)地形、地質(zhì)、水文及施工條件，選擇壩型, ,選定平選定平面布置形式；初擬壩體剖面基本尺寸、壩體的平面布面布置形式；初擬壩體剖面基本尺寸、壩體的平面布置等，確定各高程拱圈半徑、中心角、拱厚等參數(shù)。置等，確定各高程拱圈半徑、中心角、拱厚等參數(shù)。拱壩布置的原則是：拱壩布置的原則是：拱壩的布置第18頁/共32頁一、拱圈參數(shù)的選擇一、拱圈參數(shù)的選擇拱圈形狀的主要參數(shù)：拱圈形狀的主要參數(shù)：中心角、半徑、厚度。中心角、半徑、厚度。1. 1. 拱圈中心角拱圈中心角 upRT 2dsinN2dPRu 2d2dsin TNpRu 2Tsinl2TRRAu Asin)

14、p2(lp2T 可見對于一定的河谷，拱圈中心角越大，拱圈厚度越小可見對于一定的河谷，拱圈中心角越大，拱圈厚度越小拱壩的布置第19頁/共32頁體積最小時（最優(yōu)中心角）體積最小時（最優(yōu)中心角）A2A2AAAAsin)p2(360pl8sin)p2(lp2sinl23602RT23602V )(VVA 0ddV 0A341332 演算可解得演算可解得拱壩的布置第20頁/共32頁拱截面應力條件較好時拱截面應力條件較好時)2Tsinl(TpA 拱厚一定時，中心角愈大，應力愈小，應拱厚一定時，中心角愈大，應力愈小，應力條件愈好。若按固端拱計算，當中心角力條件愈好。若按固端拱計算，當中心角1651650 0

15、時，拱端上游面的應力將由時，拱端上游面的應力將由拉應力拉應力變?yōu)閴簯ΑＷ優(yōu)閴簯?。拱壩的布置?1頁/共32頁2A2A壩肩穩(wěn)定條件和工程量考慮壩肩穩(wěn)定條件和工程量考慮從壩肩穩(wěn)定考慮，過大從壩肩穩(wěn)定考慮，過大的中心角將使拱端內(nèi)弧面的中心角將使拱端內(nèi)弧面切線與巖面等高線的夾角切線與巖面等高線的夾角減小，對壩肩穩(wěn)定不利。減小，對壩肩穩(wěn)定不利。中心角過大，拱圈弧長中心角過大，拱圈弧長增加，工程量增加。增加，工程量增加。 拱壩的布置第22頁/共32頁l應力條件相同時，拱中心角愈大，拱圈厚度應力條件相同時，拱中心角愈大，拱圈厚度T T愈小，愈小，愈經(jīng)濟。拱圈體積最小時的中心角愈經(jīng)濟。拱圈體積最小時的中心

16、角22A A=133=1333434。l拱厚拱厚T T一定時，拱中心角愈大，拱端應力條件愈好。一定時，拱中心角愈大，拱端應力條件愈好。采用較大中心角比較有利，但選用很大的中心角將很采用較大中心角比較有利，但選用很大的中心角將很難滿足壩肩穩(wěn)定的要求，也會引起拱圈弧長增加，抵難滿足壩肩穩(wěn)定的要求，也會引起拱圈弧長增加，抵消了一部分由減小拱厚所節(jié)省的工程量。消了一部分由減小拱厚所節(jié)省的工程量。l從有利于壩肩穩(wěn)定考慮，要求拱端內(nèi)弧面切線與可從有利于壩肩穩(wěn)定考慮，要求拱端內(nèi)弧面切線與可利用巖面等高線的夾角不得小于利用巖面等高線的夾角不得小于3030。l一般情況下頂拱中心角采用實際可行的最大值，常一般情況

17、下頂拱中心角采用實際可行的最大值，常采用采用9090110110；往下拱圈的中心角逐漸減小。底；往下拱圈的中心角逐漸減小。底拱中心角在拱中心角在50508080之間選取。之間選取。 結(jié)論結(jié)論第23頁/共32頁二拱冠梁的形式和尺寸二拱冠梁的形式和尺寸2 2、拱圈半徑：拱圈半徑： 由幾何條件確定由幾何條件確定3 3、拱厚：壩頂厚度，壩底厚度，具體見拱冠梁的尺寸、拱厚：壩頂厚度，壩底厚度，具體見拱冠梁的尺寸 1 1、剖面尺寸的擬定、剖面尺寸的擬定壩頂高程的確定壩頂高程的確定；壩頂厚度壩頂厚度T TC C按工程規(guī)模、運用和交通要求確定，按工程規(guī)模、運用和交通要求確定，如無交通要求，一般采用如無交通要求

18、，一般采用3 35m5m；壩底厚度壩底厚度T TB B是表征拱壩厚薄的一項控制數(shù)據(jù)。是表征拱壩厚薄的一項控制數(shù)據(jù)。拱壩的布置第24頁/共32頁水工設(shè)計手冊水工設(shè)計手冊建議的公式。建議的公式。 /)E2/R3(R2T21fCC軸軸 HL7 . 0TB H45. 0H45. 0HL385. 0T )L2 . 1H(01. 0T1C 122H321B)122H(LHL0012. 0T BH45. 0T95. 0T 美國墾務局建議的公式美國墾務局建議的公式拱壩的布置第25頁/共32頁2 2、剖面形式、剖面形式單曲拱壩：拱單曲拱壩：拱冠上游面是鉛冠上游面是鉛直線，下游面直線，下游面是傾斜的直線是傾斜的直

19、線或幾段折線。或幾段折線。雙曲拱壩雙曲拱壩拱壩的布置第26頁/共32頁三、三、水平水平拱圈的形態(tài)拱圈的形態(tài)合理的水平拱圈應當是壓力線接近拱軸線，使合理的水平拱圈應當是壓力線接近拱軸線，使拱截面內(nèi)的壓應力分布趨于均勻。拱截面內(nèi)的壓應力分布趨于均勻。 三心圓拱：由三段圓弧構(gòu)成的三心圓拱，通常三心圓拱：由三段圓弧構(gòu)成的三心圓拱，通常兩側(cè)弧段的半徑比中間的大，從而可以減小中兩側(cè)弧段的半徑比中間的大，從而可以減小中間弧段的彎矩，使壓應力分布均勻，改善拱端間弧段的彎矩，使壓應力分布均勻，改善拱端與兩岸巖體的連接條件，更有利于壩肩的巖體與兩岸巖體的連接條件，更有利于壩肩的巖體穩(wěn)定。穩(wěn)定。變曲率拱：橢圓拱、拋

20、物線拱等變曲率拱，拱變曲率拱：橢圓拱、拋物線拱等變曲率拱，拱圈中段的曲率較大，向兩側(cè)逐漸減小，使拱圈圈中段的曲率較大，向兩側(cè)逐漸減小，使拱圈中的壓力線接近中心線，拱端推力方向與岸坡中的壓力線接近中心線，拱端推力方向與岸坡等高線的夾角增大，有利于壩肩巖體的抗滑穩(wěn)等高線的夾角增大，有利于壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定。定。拱壩的布置第27頁/共32頁四、布置四、布置1. 1. 單曲拱壩單曲拱壩布置步驟布置步驟（1 1）畫出可利用基巖面等高線地形圖。）畫出可利用基巖面等高線地形圖。（2 2）在地形圖上，將頂拱軸線繪在透明紙上，盡量使拱軸線）在地形圖上，將頂拱軸線繪在透明紙上，盡量使拱軸線與基巖等高線在拱端處的夾

21、角不小于與基巖等高線在拱端處的夾角不小于3030，并使兩端夾，并使兩端夾角大致相同。角大致相同。（3 3）初擬拱冠梁剖面尺寸，自壩頂往下，一般選取）初擬拱冠梁剖面尺寸，自壩頂往下，一般選取5 51010道拱道拱圈，繪制各層拱圈平面圖。圈，繪制各層拱圈平面圖。拱端的布置原則：全徑向或者半徑向拱端的布置原則：全徑向或者半徑向拱壩的布置第28頁/共32頁（4 4）切取若干鉛直剖面，檢查其輪廓線是否光滑連續(xù)，確）切取若干鉛直剖面，檢查其輪廓線是否光滑連續(xù)，確定倒懸程度。并把各層拱圈的半徑、圓心位置以及定倒懸程度。并把各層拱圈的半徑、圓心位置以及中心角分別按高程點繪，連成上、下游面圓心線和中心角分別按高程點繪，連成上、下游面圓心線和中心角線。中心角線。（5 5）進行應力計算和壩肩巖體抗滑穩(wěn)定校核。）進行應力計算和壩肩巖體抗滑穩(wěn)定校核。（6 6）將壩體沿拱軸線展開，繪成拱壩上游或下游展視圖，）將壩體沿拱軸線展開，繪成拱壩上游或下游展視圖，顯示基巖面的起伏變化，對于