二灘第三章拱壩的設計-1-主要內容4第一節概述123第二節拱壩的體形與布置第三節拱壩的荷載和應力分析第四節拱座穩定分析567第五節拱壩泄洪第六節拱壩的構造和地基處理-2-3.1概述一、拱壩的特點二、拱壩壩址的地形和地質條件三、拱壩的形式四、拱壩的發展概況-3-一、拱壩的定義定義：拱壩是一空間殼體結構，壩體結構是由一系列凸向上游的水平拱圈和一系列豎向懸臂梁組成。

拱壩壩體結構既有拱作用又有梁作用，具有雙向傳遞荷載的特點。所承受的水平荷載一部分由拱的作用傳至兩岸巖體，另一部分通過豎直梁的作用傳到壩底基巖，如圖所示。拱座和拱冠梁拱壩的拱圈著力點坐落的兩岸巖體部分稱作拱座或壩肩；位于基巖最深處水平拱圈拱頂處的懸臂梁稱作拱冠梁。拱冠梁拱座或壩肩水平拱圈拱壩的特點

拱壩的結構：拱壩是固接在基巖上的空間殼體結構（高次超靜定結構）拱壩的受力：拱壩所承受的水平荷載一部分通過拱的作用壓向兩岸巖體，另一部分通過豎直梁的作用傳到壩底基巖。

拱壩的穩定：拱壩體的穩定主要依靠兩岸拱端的反力作用，并不全靠壩體自重來維持。-6-①拱梁系統的調整②拱圈自身調整為二次拱

結構受力條件好,材料強度可以充分發揮；

超載能力大，安全度高；

抗震性能好；

溫度、地基變形是主要荷載；

對地質、地形條件要求高；拱壩壩身單薄，體形復雜，設計和施工的難度較大在泄洪方面，拱壩不僅可以在壩頂安全溢流，而且可以在壩身開設大孔口泄水。因此，拱壩的特點-7-

一、對地形的要求（一）地形條件影響因素：拱壩的結構形式、工程布置以及經濟性的主要因素。（二）壩址處河谷形狀特征指標：通常用河谷“寬高比”及“河谷斷面形狀”表示。二、拱壩壩址的地形和地質條件

1.寬高比與厚高比寬高比：指拱壩基礎開挖后對應壩頂高程處的河谷的寬度L與最大壩高H的比值。

厚高比：壩底最大厚度T與最大壩高H的比值，即T/H，用其表示拱壩薄厚程度。

L/H＜2的深窄河谷中可建薄拱壩；

L/H=2～3的中等寬度河谷可修建中厚拱壩；

L/H>3～4.5的寬河谷多修建厚拱壩；

L/H>4.5的寬淺河谷，宜建重力壩或拱形重力壩。

寬高比的影響：L/H值小，說明河谷深窄，水平拱圈跨度較短，拱的剛度較大，受力大部分傳給兩岸，壩體較薄;L/H值較大時，壩體較厚。-10-

寬高比厚高比當L/H<1.5時，薄拱壩；T/H<0.2時L/H=1.5～3.0，中厚拱壩；T/H=0.2～0.35L/H=3.0～4.5，厚拱壩；T/H>0.35L/H>4.5時，宜建重力壩或拱形重力壩。

2.河谷斷面形狀V形，最適宜發揮拱的作用；河谷斷面形狀U形，大部分荷載由梁作用承擔；

梯形，介于兩者之間。

河谷斷面形狀的影響：同一寬高比，不同河谷斷面形狀對拱梁系統的荷載分配及壩體剖面的影響，如圖。河谷形狀對荷載分配及剖面的影響3、河谷順河流方向的形狀以平順河流或呈收縮形河流較好，要避免河道的出口和轉彎處。-12-4、河谷對稱性拱壩一般比較適合于對稱河谷。拱的跨度沿高程急劇變化會引起壩體應力集中-13-（三）理想的地形條件：狹窄而對稱的河谷斷面，岸坡平順而無突變，壩肩山體雄厚，寬高比小，且地形在平面上順水流方向呈向下游收縮的峽谷段。（一）地基對壩體的影響1.兩岸的基巖必須能承受由拱端傳來的推力;2.保持穩定并保證壩體的安全；3.壩體地基選擇應盡量地避開有嚴重地質缺陷的壩址。二、對地質的要求（二）理想的地質條件巖石比較均勻堅硬完整有足夠的強度透水性要小、能抵抗水的侵蝕抗風化能力強堅固完整討論變形參數E、u：均勻強度參數R、c、f：抗滲性K、[J]：滲透性小耐久性：抗侵蝕、抗風化無地質上的缺陷：沒有大的斷裂構造和軟弱夾層等。-16-

隨著經驗積累和地基處理技術水平的不斷提高，在地質條件較差的地基上也建成了不少高拱壩，如：意大利的圣杰斯汀那拱壩，高153m，基巖變形模量只有壩體混凝土的1／5~1／10；葡萄牙的阿爾托·拉巴哥拱壩，高94m，兩岸巖體變形模量之比達l:20；我國的龍羊峽拱壩，高178m，基巖被眾多的斷層和裂隙所切割，巖體破碎，且位于9°強震區。但當地質條件復雜到難于處理，或處理工作量太大、費用過高時，則應另選其他壩型。龍羊峽水電站三、拱壩的形式（１）按厚高比分厚拱壩中厚拱壩薄拱壩厚高比

拱壩的型式

-18-（2）按壩體形態分按照拱壩的拱弧半徑和拱中心角，可將拱壩分為：單曲拱壩（single－curvaturearchdam）雙曲拱壩（double－curvaturearchdam）-19-單曲拱壩（single－curvaturearchdam）定義：只在水平截面上呈拱形，懸臂梁斷面不彎曲或曲率很小。適用范圍：接近矩形或較寬的梯形、U型河谷。特點：施工簡單，便于布置進水孔和泄水孔及其設備；當河谷上寬下窄時，降低拱的作用，加大壩體厚度，不經濟，工程量大。（僅下游弧面半徑改變）

等外半徑變內中心角拱壩對于底部狹窄的“V”字形河谷適用。此時，各層拱圈自拱冠向拱端逐漸變厚。-21-雙曲拱壩（double－curvaturearchdam）定義：在水平和鉛直截面上都呈拱形。雙曲拱壩（double－curvaturearchdam）特點：懸臂梁兼有垂直拱的作用，對降低壩體拉應力有利。在水壓力作用下，雙曲拱壩中部垂直梁的應力是上游面受壓，下游面受拉，與自重產生的梁應力相反，可相互抵消-23-其中：變外半徑等中心角對底部狹窄的“V”字形河谷，宜將各層拱圈外半徑,由上至下逐漸減小，可大大減少壩體方量。特點：拱壩應力條件較好，梁呈彎曲形狀,兼有拱的作用,更經濟，但有倒懸出現，設計及施工較復雜，對“V”、“U”型河谷都適用.-24-變外半徑變圓心

讓梁截面也呈彎曲形狀，因此懸臂梁也具有拱的作用；這種形式更能適應“V”、梯形及其他形狀的河谷，布置更加靈活，結構復雜，施工難度大。特點：應力狀態盡一步改善，節省工程量，結構更加復雜，施工難度更大，被廣泛采用。-25-

三、按水平拱圈形式分

圓弧拱壩、多心拱壩、變曲率拱壩（橢圓拱壩和拋物線拱壩等）。（四）按壩的結構分拱座嵌固的拱壩－最常用設周邊縫的拱壩－改善受力條件空腹拱壩－壩體較厚時，壩身內設空腔有重力墩的拱壩－在壩的兩岸端部設重力墩，保證壩肩穩定-27-（一）拱壩發展階段拱壩建設的萌芽階段（1854年以前）拱壩建設的起步階段（1854年－1917年）拱壩建設的成熟階段（1917年－1960年）拱壩建設的熟練階段（1960年－至今）四、拱壩的發展概況1、萌芽階段（1854年以前）起源：早在一、二千年以前，人們就已意識到拱結構有較強的攔蓄水流的能力，開始修建高10余米的圓筒形拱壩。特點：水平截面為拱形，但未真正利用拱結構的優點，似拱壩結構。貢獻：為發展積累了經驗。舉例：意大利的高橋（PonteAlto）拱壩。-29-意大利高橋拱壩的建設過程-30-2、起步階段(1854－1917)標志：1854年，法國43m高的左拉（Zola）拱壩。所用理論：該拱壩以圓筒公式為指導，主要利用水平拱的作用來保證大壩的安全，忽略梁的作用。-31-3、成熟階段（1917－1960年）標志：1917年，瑞士蒙特薩耳文斯（Montsalvens）拱壩（H=55m），正式提出多拱梁分載的概念。主要成就：拱梁分載的概念（拱冠梁法，多拱梁法）；拱壩體形多元化（雙曲拱壩及帶縫拱壩<周邊縫、底縫>的發展）；抗滑穩定概念的形成及發展。-32-1936年，美國人建設了當時世界上最高的拱壩Hoover（胡佛）拱壩，壩高221m，底厚201m，座跨科羅拉多河。-33--34-國內拱壩建設中國第一座拱壩建造于1927年，福建廈門的上里漿砌石拱壩，壩高27m。但舊中國的拱壩建設極為緩慢，至1949年，我國僅修建了2座15m以上的砌石拱壩。-35-響洪甸拱壩位于淮河支流西淠河上，屬于響洪甸鎮，是我國自行設計和施工的第一座等半徑同圓心混凝土重力拱壩，1956年4月開工建設，1958年7月竣工。最大壩高87.5米。

-36-4、拱壩建設的熟練階段（1960年－至今）標志：1960年，建成的意大利瓦依昂（Vaiont）拱壩（H=262m）。主要成就：拱壩新的結構形式、計算方法及其體型優化的方法。是世界最高的薄拱壩,也是世界最高的一座報廢壩.-37-意大利瓦依昂拱壩失事

意大利的瓦依昂（Vajont）雙曲拱壩，1961年建成，是當時世界上最高的雙曲拱壩，1963年10月9日晚，由于水庫左岸大面積滑坡，使2.7億m3的滑坡體以28m/s的速度滑入水庫，高速下滑的山體造成約250m的涌浪，沖向對岸，漫過壩頂，并向上游回潮，淹沒多處村鎮使水庫報廢，造成巨大的生命、財產損失。致使1925人喪生，水庫被填滿，但拱壩壩體并未失事，僅在兩岸壩肩附近的壩體內發生兩三條裂縫，據估算，拱壩當時已承受住相當于8倍設計荷載的作用，由此可見拱壩的超載能力是較大的。-38-拱壩壩頂長190m壩頂厚3.4m壩底厚22.6m壩體厚高比為0.086

-39--40--41-受災前受災后-42--43--44-（二）世界拱壩建設的時空分布主要分布在中國、美國及西歐的阿爾卑斯山地區的法國、意大利及瑞士等國。拱壩在各類大壩中所占的比例隨壩高的增加而增加。60200m以上45150－20030100－150拱壩所占比例（％）壩高（m）-45-在時間上，拱壩建設有三個高峰期第一個高峰期為1920--1930年，１０年時間共建成２００余座拱壩，建設的地點主要集中在美國，特別是集中在加利福尼亞州第二個高峰期為1950--1960年，１０年時間共建成150余座拱壩，建設的地點主要集中在西歐的阿爾卑斯山地區的法國、意大利及瑞士等國第三個高峰期為1970--1980年，１０年時間共建成５００余座拱壩，建設的地點主要集中在中國。

１９３６年以前：美國代表世界拱壩水平：美國胡佛大壩的建成，應該說美國代表著世界拱壩建設的水平，對拱壩拱梁結構概念的形成、應力分析方法的產生和發展以及大體積混凝土壩成套施工及溫控技術的發展作出過巨大的貢獻。1936--1975拱壩建設的先進水平轉移到了西歐（法、意、瑞），其主要貢獻在于對雙曲拱壩結構等輕、巧、薄拱壩結構的發展以及拱壩結構模型實驗方法的發展。進入７０年代末期，代表世界拱壩建設水平的國家移至前蘇聯，它以高拱壩建設為其主要標志。８０年代末期，代表世界拱壩建設水平的國家是中國，其主要標志有對非圓弧拱型拱壩的發展、體型優化技術、ＲＣＣ拱壩的實踐、復雜自然條件下修建拱壩的技術（包括寬河谷、大流量、復雜地基等）、特高拱壩的建設、動靜力應力穩定分析方法的完善及其軟件的開發、拱壩ＣＡＤ技術的發展等。

（三）世界拱壩之最已建的最高拱壩：前蘇聯英古力（Inguri）拱壩 （H=272m，n=2.8，T/H=0.33）

中國小灣拱壩 （H=292m，n=2.83，T/H=0.238）中國錦屏拱壩 （H=305m，n=1.6，T/H=0.19）已建的最薄拱壩：法國的托拉拱壩（TollaDam） （H=88m，TB=2m，T/H=0.023）前進-48-Name：Inguri（英古力）Country：Georgia

River：Inguri

Type：arch

Height：272m

Reservoirvolume：1,110*106m3

Yearofcompletion:2001

Owner:Sakenergo

Costofworks:2.3mio.CHF

Durationofservices1996-2001

Costofservices:0.7mio.CHFName：TollaDam（托拉）Country：France

Type：arch

Yearofcompletion:1959Height：88m

Basethickness：2m

T/H：0.023

Thedamisacompletesuccessandhasbeenshowntopossesadequatemarginsofsafety.Whetherornotsuchthindamispsychologicallyjustifiableisanothermatter.-50-小灣拱壩是雙曲拱壩（拋物線型混凝土雙曲拱壩），最大壩高為292m。返回-51-我國在建高拱壩305m的錦屏一級（雅礱江）階段：大壩混凝土澆筑

；特點：地質條件復雜；電