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混凝土拱坝

/concrete arch dam/
条目作者曹楚生

曹楚生

最后更新 2022-01-20
浏览 232
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在平面上呈凸向上游的拱形,并在结构上起拱作用的混凝土坝

英文名称
concrete arch dam
所属学科
水利工程

拱坝兴建较早,早期较著名的拱坝有16世纪前后西班牙埃尔切坝及意大利蓬塔尔多坝。后者在1611年建成时坝高5米,经数次改建,到1883年坝高增至38米。19世纪欧洲和美国修建了一些不高的混凝土拱坝,到20世纪才大量修建混凝土拱坝。20世纪30年代,著名的胡佛坝建成,高221米。50年代以后意大利、瑞士、法国等欧洲国家建成了大量双曲拱坝。日本、美国、苏联等国家也相继修建较多混凝土拱坝。响洪甸水库重力拱坝是中国第一座高拱坝(坝高87.5米),80年代建成的龙羊峡水电站重力拱坝(178米),90年代建成的东风水电站双曲拱坝(173米)、二滩拱坝(240米),2010年后建成的拉西瓦、小湾、锦屏一级和溪洛渡水电站拱坝等,代表了中国混凝土拱坝发展的几个重要阶段。

①按拱坝的结构作用分类。可分为纯拱、以拱为主、以梁为主3类。习惯上相应地称作纯拱坝、拱坝和重力拱坝,统称拱坝。②按拱坝体形分类。可分为双曲拱坝、单曲拱坝。坝底厚度与坝高之比小于0.2的常称作薄拱坝,大于0.35的称作厚拱坝,在0.2~0.35之间的称作中厚拱坝。拱坝体形可分为定中心、定半径和变中心、变半径两大类。前者的中心角是变化的,上部大而下部小;而后者又可分为定中心角和变中心角两种及拱冠梁(拱冠处的悬臂梁)接近直立和俯向下游的另两种形式。按水平拱的形式分类。可分为圆拱坝、多心圆拱坝、变曲率拱坝,其中变曲率拱坝有抛物线形、椭圆形和对数螺旋线形等。按水平拱的厚度分类。可分为等厚和变厚两类。等厚拱坝的水平拱圈厚度不变,变厚拱坝的水平拱圈从拱冠到拱端逐渐加厚,以改善拱圈的应力条件。按拱坝曲率分类。可分为单曲和双曲。单曲拱坝在水平断面上有曲率,而悬臂梁断面不弯曲或曲率很小,双曲拱坝在水平断面和悬臂梁断面中都有曲率。

混凝土拱坝的水平剖面由曲线形拱构成,两端支撑在两岸基岩上。竖直剖面呈悬臂梁形式,底部坐落在河床或两岸基岩上。混凝土拱坝主要依靠拱的作用,即利用两端拱座的反力,同时还依靠自重维持坝体的稳定。混凝土拱坝的结构作用可视为两个系统,即水平拱系统和竖直梁系统。水荷载及温度荷载等由两个系统共同承担。当河谷宽高比较小时,荷载大部分由水平拱系统承担;当河谷宽高比比较大时,荷载大部分由竖直梁系统承担。拱坝与重力坝相比可较充分地利用坝体的强度,体积一般较重力坝为小。拱坝的超载能力常比其他坝型高。拱坝主要的缺点是对坝址河谷形状及地基要求较高,另外需要在相对较短的时间内将温度降至接缝灌浆温度,以便于大坝封拱后形成整体,因此混凝土温控的难度相对较大。

拱坝体形和布置主要取决于坝址地形、水文地质、水工、施工等条件,包括溢洪、泄水和发电等求。在初选基本体形的基础上,具体制定各高程拱圈的形式、中心位置、中心角、曲率半径和厚度等,在拱冠剖面图(拱坝中央的径向竖直剖面)及平面图上进行布置比较后最终确定。

对于定半径、定中心拱坝,中心角变化的体形,常见于宽高比较大的或接近U型的河谷,一般上游面呈竖直面,外半径从上到下相等,拱中心轨迹在立面中呈竖直线,重力拱坝以此类或接近此类的为多,代表工程有龙羊峡水电站(坝高178米)、构皮滩水电站(坝高232.5米)等。

对于变中心、变半径、中心角固定或变化的体形,该形式变化多,更适应不同坝址河谷地形地质条件的变化。常用于宽高比较小的V形或梯形河谷。各高程拱中心轨迹呈曲线形或倾斜的直线形,上部半径大,下部半径小。调整各高程中心、半径、中心角、厚度等参数,可使:拱坝体形及布置与地形更趋和谐。坝体应力均匀合理。各高程拱座推力更指向岸里,以改善拱座及坝肩稳定条件。此类拱坝为改善拱坝应力及稳定要求,水平拱圈除采用圆拱外,还常采用3心或多心圆拱及变曲率曲线拱,如抛物线、椭圆或对数螺旋线拱等,通常拱坝中心角上部宜在90~110°,下部逐渐变小。拱座宜嵌入两岸基岩内一定深度以改善拱座及坝基稳定条件。一般拱座的水平剖面宜做成半径向,以便更好地发挥拱的作用。拱坝沿坝轴线方向设径向横缝,缝面一般做成键槽并设置灌浆系统。此类拱坝适应能力更强,布置灵活,工程量更低,但是由于结构复杂,设计与施工难度都较高,温控难度大。双曲拱坝中薄拱坝或中厚拱坝以这类形式居多。近年来建成的代表工程有位于黄河上游的拉西瓦(坝高250米)、位于澜沧江的小湾拱坝(坝高294.5米)、雅砻江上的锦屏一级拱坝(坝高305米)和位于金沙江上的溪洛渡拱坝(坝高285.5米)等。

混凝土拱坝体形的各种参数应在不同荷载组合下,进行应力计算及坝基和坝肩稳定计算分析而后优化选定,具体包括:荷载。拱坝承受的主要荷载,除坝面水荷载、自重、地震荷载外,温度荷载对拱坝应力及稳定影响较大,必须予以考虑。应力分析。拱坝体形的各种参数必须通过应力及稳定计算优化选定。一般认为拱坝的应力分析比重力坝等其他坝型更为重要,常用的拱坝应力计算方法有拱梁分载法及有限元法。传统的拱坝试载法是美国垦务局于1923年开始研究和运用的。采用电子计算机技术后,拱坝试载法改为拱梁分载法。除常用的上述两种方法外,还有壳体理论法、纯拱法、斜拱法和有效拱法等。拱座和坝肩稳定。拱坝所受荷载通过拱的作用及悬臂梁的作用传至拱座及梁基。坝体沿基岩面或连同部分基岩沿基岩内某些软弱面的抗滑稳定,即拱座及坝肩稳定是至关重要的。

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