4 第四章 水利水电工程(3-5).ppt

第四章水利水电工程,第三节岩基上的重力坝GravityDambasedontherockfoundation,,,,,第四章水利水电工程第三节岩基上的重力坝,本节内容提要一、重力坝概述二、重力坝的设计要点三、重力坝的构造四、重力坝的地基处理,第四章第三节岩基上的重力坝一、重力坝概述,1、定义GravityDam重力坝是指依靠自身重量克服外力以保持、维持稳定的水利电力大坝，主要依靠坝体自重保持强度和稳定。几个相关概念（1）混凝土重力坝的坝高是指坝顶与坝基开挖面狭断层带之类除外的最低点之间的高程差。如坝顶有车行道，则坝顶是指车行道的路面弧顶；如没有车行道，则坝顶是指人行道的高程。即使路缘和人行道比车道高，也仍把车行道的路面弧顶作为坝顶。（2）壅水高度或坝的挡水高度指坝轴线上原河床最低点与最高控制水位之间的高程差,（3）坝长系指在坝顶沿坝轴线量取的从一边坝头接触面至另一边坝头接触面的距离，不包括岸边溢洪道的长度；如果溢洪道完全布置在坝上，而不是位于特地从岸边开挖出的地方，则坝长包括溢流坝段。（4）混凝土重力坝的体积应包括主坝以及未用施工缝或收缩缝与主坝分开的所有大体积混凝土附属建筑物。如水电站厂房布置在下游坝趾时，则应把在坝基总开挖面中的下游面，作为坝体混凝土的界限。重力坝是人类使用最早的一种水利大坝，已有几千年的历史；公元前2900多年时的埃及已建高15米顶宽240米的挡水坝。,,,丹江口大坝,,,碧口水电站,,,大埔电站,坝顶泄洪闸,2、重力坝的特点1）分段组成；重力坝沿坝轴线方向并非是一个连续的整体，而是由许多长为15-20m的坝段所组成。坝段之间留有10-20mm的间隙，充填柔性防水材料，目的是为了在气温发生变化时，不致因为坝体胀缩而发生裂缝，故称为伸缩缝。实际上，每个坝段都要在工程荷载作用下安全可靠。2）安全可靠；据统计，重力坝在各类坝型中失事率最低，由于重力坝的断面尺寸较大，与地基接触面积广，应力比较低而分布均匀，而且防渗性强，耐久性好。因而对于抵抗长期渗漏、意外荷载、地震、特大洪水漫顶和战争破坏能力都较强。3）设计施工技术简单、方便。重力坝的结构概念明确，设计方法比较简单，施工技术容易控制；既可以采用机械化施工，也可以合理使用人工劳动力施工。,4对地形和地质条件的适应性较好。重力坝对地基质量的要求不高，具有一定强度的基岩都可以适用，几乎在任何形状的峡谷中均能建造，且能较好的适应岩石物理性质的变化和各种非均质地基。5）施工导流和永久性泄洪问题容易解决。重力坝施工期可以利用坝体导流，坝体的基本断面更宜于坝顶布置溢洪道，而且可以泄放很大流量。在坝体内设置泄水底孔也比其他坝型简单，一般不需开挖导流隧洞、泄水隧洞或另设溢洪道等增加工程造价。我国大部分河流水量充沛，河谷段狭窄而洪水泄量大，重力坝可以较好适应这种自然条件。6）缺点重力坝断面大，耗用水泥多；材料强度尚未充分利用；需要温控散热需要温控散热等措施；坝基接触面积大导致扬压力大；重力坝的总趋势是尽可能降低扬压力，改进结构型式，改善混凝土工艺，简化施工以加快进度降低造价。,,,,,,,,,3、重力坝的分类；（1）重力坝据断面构造特点分类①实体重力坝；坝的断面全部为实体，坝段之间仅留有10-20m的窄缝。②宽缝重力坝；把实体重力坝的横向伸缩缝加宽即成为宽缝重力坝。宽缝的设置能使扬压力降低，并可节省混凝土10％以上，但施工技术复杂、模板用量大。③空腹重力坝；在坝体内设置大型纵向空腔的重力坝。空腹直接设在基岩面上，可以减少坝底扬压力，节约坝体混凝土方量。空腔布置适当，还可改善坝体应力。但它施工困难，钢筋用量也较多，。④预应力重力坝；利用受拉钢缆或钢杆对重力坝上游侧施加压力，以增加坝身稳定，可改善坝身应力分布，从而减少坝身混凝土用量。这种坝施工复杂，用钢量多，通常只限于中小型坝。,我国已建成的岩基上的高坝多数是重力坝，刘家峡水电站大坝是宽缝重力坝，坝高为147m。安康水电站重力坝高为125m。在国外的的瑞士大狄克桑斯坝，高为285m。（2）依据坝高分为①低坝；坝高在30m以下为低坝；②高坝；坝高在70m以上为高坝；③中坝；坝高在30-70m之间的为中坝。,第四章第三节岩基上的重力坝二、重力坝的设计要点1、施加在重力坝上的作用荷载及其组合（1）施加在重力坝上的作用①坝体及坝上永久设备的自重永久性的固定设备如闸门、固定式启闭机等的自重，在设计时都应考虑在内。②上、下游坝面上的静水压力；静水压力是作用在坝面上的主要荷载。可按静力学原理分水平及垂直力进行计算。③溢流坝反弧段上的动水压力；④扬压力；⑤泥沙压力；,⑥浪压力；⑦冰压力；⑧地震作用等。设计时应当根据建筑物的具体工作情况，决定作用设计值的组合用来验算坝体的强度和稳定。,,（2）作用的组合为了进行合理组合，将在坝体上的永久作用与可变作用合并称为基本作用，将偶然作用称为特殊作用。①基本作用重力坝的基本作用包括坝体及其上永久设备的自重；正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力选择一种控制情况；相应于正常蓄水位或设计洪水位的扬压力、泥沙压力、浪压力、冰压力、土压力；相应于设计洪水位时的动水压力；其它出现机会较多的作用。②特殊作用重力坝的特殊作用包括校核洪水位时的静水压力；相应于校核洪水位时的扬压力、浪压力、动水压力；地震作用；其它偶然作用。,2、坝址选择影响因素（1）有关坝址选择的两个最主要问题是①该坝址必须是能支承坝体及其附属建筑物（地质、岩体结构方面）；②坝址以上地区要有形成水库的合适条件（地形、水文方面）。（2）河流上可能有几个合适的坝址，选择坝址时应考虑以下几个方面①地形；坝址狭窄，建坝的用料最少，因而可节省投资。这种坝址可能适合作拱坝，应研究这一可能性。②地质；坝基应没有大的断层和剪切带。如果坝基有断层和剪切带，则为了保证坝基的可靠比可能需要进行昂贵的坝基处理。③当地情况；有一些坝址需要将原有的道路、铁路、筋电线和渠道改线，这将会增加工程的总投资。,④附属建筑物；虽然附属建筑物的投资常比坝的投资少，但在选择坝址时仍应考虑附属建筑物的影响，以得出投资最少的方案。例如，如果河流的流量大，可能需要较大的溢洪道和导流工程，那么所选定的坝址，应能很好地适应这些附属建筑物的布置，以降低工程的总投资。⑤交通；坝址的交通条件对于工程总投资有很明显的影响，交通困难的地方，道路修建费用昂贵。坝址附近有适合布置施工附属企业和放置设备的场地时，可以降低施工费用。,3、重力坝设计要点（1）重力坝设计的主要内容①设计剖面；参照已建的条件相似的工程，初步拟定剖面尺寸；②稳定分析；保证坝体不会沿地基面或地基中的软弱结构面产生滑动；③应力分析；满足设计要求，保证坝体和地基有足够的强度；④构造设计；根据施工和运用要求确定坝体的构造，如廊道系统、排水系统、分缝等；⑤地基处理；包括地基的防渗、排水、断层软弱带的处理等；⑥溢流坝或泄水孔的孔口设计；包括孔口尺寸、体形及消能防护设计等。,（2）设计步骤①初步拟定断面的高度和宽度；设计重力坝时首先要根据坝址的工程地质条件和已有的重力坝的断面设计资料，初步拟定剖面的尺寸；然后通过稳定和强度验算进行修改，在满足要求后，成为设计断面。②确定重力坝的断面形式；重力坝的主要作用是上游水库的静水压力。静水压力沿深度呈三角形分布。为节省坝体材料，重力坝的断面也取为与水压力相应的三角形横截面。纵断面一般分成几个坝段分别设计；但坝顶不能取为尖顶，考虑到实际的用途，如作为过河的通道级要有不小于2.5m的宽度。,③坝高坝顶高度；依据设计洪水位和校核洪水位高度确定；为了避免流漫过坝顶，在坝顶之上设置防浪墙。防浪墙的高度是设计最高静水位为准，在加上一段超高⊿h，其计算公式为⊿h＝2hi＋h0＋hc2hi；波浪高度（一般按照规范确定）；h0；波浪中心线高出静水位的高度；hc；安全超高。,④坝体坡度取决于高度和坝基的坚硬程度和坝体材料的强度。良好基岩（f≥0.7）时坝底宽度B与坝高H的关系可取B＝0.7H；f≤0.5的基岩，抗滑稳定性对坝面坡度起控制作用。坡面坡度过大在上游坝面可能出现拉应力。一般的截面形式是上游坝面的上部做成铅直面，下部做成正坡，折坡点一般在1/3-2/3坝高处正坡的边坡系数n＝0.1-0.25下游的坝面边坡系数m0.6-0.8；,⑤重力坝的稳定性评价重力坝有两种破坏形式滑移（剪切）和倾覆。方法稳定性验算。（要求稳定系数k＝1.3-1.6）,（3）重力坝的泄水方式要减轻水流冲刷的危害，就必须采取消杀水能的措施。泄水的方式有坝顶溢流和坝身开孔泄流。1）坝顶溢流溢流坝；断面多为三角形、流线型，以使水流量尽量平衡下泄。中小型水库的溢流坝一般不设闸门，大型水库需要设置闸门调节水流量。,,,坝顶溢流,,,2）坝身泄水孔为了灌溉、发电、供水及防洪、检修水库、冲淤排沙等的需要，常在重力坝的坝身下部设置泄水孔。泄水孔进口的底板高程决定于泄水孔的用途。泄水孔进口处设有闸门，可用坝顶上的闸门机开启和关闭。泄水孔距设计蓄水位的深度越大，闸门受到的水压力越高。,,,120栈桥上照的溢流表孔和深孔,,,（4）下游重力坝的消能方式①挑流消能②底流消能（消力池）,第四章第三节岩基上的重力坝三、重力坝的构造特点重力坝的主要构造是分缝、排水和廊道。1、重力坝坝体的分缝为了满足施工要求如混凝土浇筑能力及施工期温度控制等以及防止坝在运用期间由于温度变化和地基差异沉降等导致坝体出现裂统，在坝体内需要进行分缝。1横缝横缝垂直于坝轴线设置，将坝体分成若干坝段，横缝间距即坝段宽度一般为12-20m，主要取决于地基特性、河谷地形、温度变化、结构布置和浇筑能力等。横缝又可分为沉降缝和温度缝，都是永久性缝。横缝若兼有双重作用，也称为温度沉降缝。永久性横缝的缝面常为平面，不进行接缝灌浆，可用沥青油毛毡隔开，缝宽为1-2cm，横缝内的构造有各种做法，都必须设置专门的止水。,2纵缝为了适应浇筑能力和减小施工期温度应力，常用平行于坝轴线的纵缝把一个坝段分成几块浇筑。待坝体湿度降低到稳定稳应后，再进行接缝灌浆，使坝结成整体。纵缝有垂宣纵缝和水平纵缝，两种纵缝交错排列。,2、坝体排水措施在坝体各种接缝面设置的止水系统，难以完全防止渗水。为了减小渗水的有害影响，还须设置竖向的排水管道系统．将坝体和坝基的渗水由埋没在坝体中的竖向排水管道排入坝体内预留的廊道，用抽水机排到下游。坝体内的竖向排水管道的位置靠近上游面，排水管是多孔混凝土管，在浇筑坝体时即埋人坝内。,3、廓道系统在混凝土坝中，为了灌浆、排水、观测、检查及交通等的需要，必须在坝内设置各种廊道，这些廊道在坝内互相连通，构成廓道系统（1）基础灌浆廊道；坝基上游面的帷幕溜浆常需在坝体浇筑到一定高程后开始进行，以便利用混凝土的压重来提高灌浆压力．保证灌浆质量。为此需在坝踵部位设置灌浆廓道。廓道断面一般采用城门洞形，断面尺寸应能满足灌浆作业的要求．一般底宽为2.5-3.0m，高为3.0-4.0m。2检查排水廓道；为了便于检查巡视并排除坝体排水管收集的渗水，常在靠近坝体上游面每隔15-20m高程设置一检查廊道，兼作排水廊道。其横断面也采用上圆下方，最小宽度为1.2m，最小高度2.2m。对于高坝，一般还应设电梯，以电梯井连通各层廊道。,,,,,第四章第三节岩基上的重力坝四、重力坝的地基处理方法包括开挖清理、灌浆、排水以及特殊软弱地层的处理等。1、开挖处理所谓坝基开挖是把覆盖层和风化破碎的岩石全部挖掉，以使大坝直接建造在坚实的岩基上。对重力坝地基的开挖深度要求高坝应挖到新鲜或微风化下部的基岩，中坝宜挖到微风化或弱风化下部基氨对两岸地形较高部位的坝段，其开挖基岩的标准可比河床部位适当放宽。基岩开挖后，在浇筑混凝土前，需要进行彻底的清理和冲洗，将一切松动岩坎和凸出的夹角清除，基坑中的勘探钻孔、井、洞均应回填封堵。,2、坝基的固结灌浆固结灌浆的目的在于提高基岩的整体性和弹性模量，减少基岩受力后的变形，提高基岩的抗压、抗剪强度，降低坝基的渗透性。现场试验成果证明在对节理裂隙较发育的基岩进行固结灌浆处理后，基岩的弹性模量可以提高30-100％；有时可达1.5-2.0倍，甚至更多。坝基的固结灌浆一般布置在坝踵和坝趾部分及局部节理裂隙发育和破碎带及其附近的范围内。孔距一般为3-4m，孔深为5-8m，应根据地质条件及灌浆试验最后决定。帷幕上游区的固结灌浆孔深一般为8-15m。3、帷幕灌浆帷幕灌桨是在坝上游面的基岩中钻孔，用高压将水泥浆或其它浆液注入岩体的裂隙中，胶结后形成防接报幕。其作用是降低渗透压力，防止坝基产生机械管涌或化学管涌，即防止基岩裂缝中的充填物被带定或溶滤，减少坝基渗透流量。,帷幕灌浆设计，主要是确定帷幕的深度钻孔深度、帷幕厚度钻孔的排数、排距、孔距及伸人岸坡的范围等.帷幕灌浆的排数，在一般情况下，高坝可设两排，中、低坝可设一排；对地质条件较差的地段，可适当增加帷幕排数。当帷幕由几排孔组成时，一般仅将其中的一排孔钻灌至设计深度，其余各排的孔深可取设计深度的1／22／3。防渗帷幕伸入岸坡的范围及深度，应根据工程地质，水文地质条件确定，并与河床部位的灌桨帷幕相连接。,4、坝基排水坝基排水一般包括排水孔幕和基面排水。主排水孔一般设在基础灌浆廊道内，在帷幕灌浆完成以后钻孔，以免浆液堵塞。排水孔距帷幕下游面约0.5-0.1倍帷幕孔距，在坝基面上排水孔与帷幕孔的距离不宜小于2m。排水孔一般略向下游倾斜，与帷幕成10-15交角。排水孔孔距为2-3m，孔径约为150-200mm，孔深一般为帷幕深度的40-60％。在基岩裂阻发育地区，为了有效地降低扬压力，可在坝底基岩表面上做排水底道或排水管道。这些排水管道在平面上纵横相连，形成坝基排水网，渗水经排水网汇入集水并，用水泵抽排向下游。5、断层、软弱夹层和溶洞的处理断层破碎带强度低，弹性模量小，可能使坝基产生不均匀沉降。如果破碎带与水库连通，还特使坝底的渗透压力加大，甚至产生管涌，危及大坝安全必须对其加固处理。,对倾角较陡的断层破碎带，可采取开挖回填混凝土的措施。混凝土塞的高度可取断层宽度的1-1.5倍，且不得小于1.0m。如破碎带延伸至上、下游边界线以外，则混凝土塞也应向外廷伸，延伸的长度取1.5-2倍混凝土塞的高度。对于与水库连通的破碎带，必须作好防渗处理，可采用钻孔灌浆，混凝土防渗墙或防渗塞等措施对溶洞的处理，主要采取开挖、回填和灌浆等措施配合应用。对于浅洞可直接挖除洞中的充填物，回填混凝土。,,,第四章水利水电工程第四节岩基上的拱坝ArchDambasedontherockfoundation,第四章水利水电工程第四节岩基上的拱坝本节内容提要一、拱坝概述二、拱坝的结构与构造三、地基处理,第四章第四节岩基上的拱坝一、拱坝概述1、拱坝的含义拱坝是突向上游水库的一个壳体结构，坝面向上游弯曲并起拱作用的水利大坝。,拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，拱冠剖面呈竖直的或向上游弯曲。坝体结构是由水平的拱圈和竖向的悬臂梁共同组成。拱坝所承受的水平荷载一部分通过水平拱的作用传给两岸的基岩，另一部分通过竖向的悬臂梁的作用传到坝底基岩。拱坝的坝肩是指拱坝所座落的两岸岩体部分，亦称拱座。拱冠梁系指位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁，一般它位于河谷的最大深处。,,,重庆江口电站,,,上游面,溢流面,,,下游面,,贵州猫跳河修文水电站,,白山水电站,,安徽陈村水电站,金沙江上的溪落渡水电站,2、拱坝的特点（1）拱坝都建造于河川上游的狭谷地带，坝体座露在基岩上。修建拱坝要有适宜的地形条件和地质条件。建坝材料可用混凝土或浆砌石。（2）作用于坝身的上游水压力，大部分是通过拱的作用，由拱坝的坝端传向河谷两岸的基岩；另一部分经拱坝的底部传向河底的基岩。拱是一种主要承受轴向压力的推力结构。拱内弯矩较小，应力分布比较均匀，这一特点能适应坝体材料（混凝土或浆砌石）抗压强度高的特性，使材料的强度得到充分的发挥。（3）拱坝的厚度远小于同一坝址同一坝高的重力坝的坝体厚度。工程量大约可以比重力坝减少1/3到2/3。（4）拱坝的整体稳定性要靠河谷两岸及河底基岩的稳定性来支持，拱坝周边都嵌入河岸和河底的基岩，成为固定连接，其安全可靠度是很大的。,拱坝四周嵌固于基岩，属于高次超静定结构，有较大的承受超载的能力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5～11倍。,具有较好的抗震性能。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40m/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。,（5）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，由温度变化引起的径向位移，约占总位移的1/3～2/3。（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。,3、拱坝的分类1）拱坝可按其基本剖面形态分类（两类）①单曲拱坝singlecurvaturearchdam垂直横剖面至少有一侧上游面保持铅直。这种坝定型简单，施工放样也方便。它适用于U形河谷。②双曲拱坝doublecurvaturearchdam是指水平剖面和垂直横剖面都呈现突向上游的弧形曲线，双曲拱坝适用于V形河谷。2）按拱坝的相对厚度分类；拱坝的厚度和工程量密切相关，设厚度为T，高度为H，厚高比T／H称为拱坝的相对厚度。通常认为①T／H＜0.15者为薄形拱坝；②T／H＝0.15-0.4者为一般拱坝；③T／H＝0.4-0.6者重力拱坝gravity-archdam。,双曲拱坝,,,4、拱坝的技术参数（1）建造参数；设L为拱坝坝项两端的直线距离，H为坝高。当河谷的宽高比L/H≤2-3时，最适于设计建造拱坝。在L/H＝3.0-4.5的河谷，一般要修重力拱坝，即兼有重力坝和拱坝两种特性的中间坝型。在L/H＞4.5的宽浅河谷，一般认为修建拱坝就没有意义（2）设计参数；区分这些不同形式拱坝的主要参数是拱坝的拱弧半径R、拱中心角和拱坝厚度T和高度H。就拱坝的工程规模和技术难度来说，拱坝主要标志是拱坝的高度。世界上高于200m的拱坝已建成不少。苏联的英古里拱坝，高达272m，厚高比T/H＝0.33；我国台湾省大成拱坝，坝高为181m，厚高比T/H＝0.11；龙羊峡拱坝坝高为175m，四川二滩拱坝，坝高为240m。,拱坝的技术参数,拱坝的拱弧半径R、拱中心角和拱坝厚度T,半径,变半径、变中心角拱坝示意图,,拱间槽,第四章第四节岩基上的拱坝二、拱坝的结构与构造1、拱坝的荷载及应力分析1）拱坝上的作用拱坝上的作用有上、下游静水压力、溢流坝段的动水压力、坝底扬压力、泥沙压力、自重、浪压力、冰压力、温度作用、地震作用等；拱坝自重应力小，扬压力也小；库水压力是主要荷载；温度变化引起拱坝内力的变化很大，因而温度作用是拱坝的一种主要作用。在拱坝施工过程中，要先分块浇筑，在充分冷却，使坝体温度已趋于相对稳定之后，再向分块的缝隙灌浆封拱，使拱坝成为整体。封拱时的气温即为坝体温升、温降的计算基准。一般拱坝封坝选在年平均气温时进行。,当坝体温度上升到高于封拱温度时，坝轴线伸长使坝体向上游面变位，结果是拱端上游受压，下游面受拉，拱冠则上游面受拉，下游面受压；温升将使拱端推力增大对坝肩基岩的稳定性不利。当坝体温度下降低于封拱温度时，坝轴线收缩使坝体向下游变位，结果使拱端上游面受拉，下游面受压，拱冠则是上游面受压而下游面受拉。温降将使拱冠下游面增大拉应力，对坝体的应力状态不利。,2）拱坝应力分析（1）拱坝应力分析方法①弹塑性理论和数值方法拱坝的应力分析属于弹性壳体的应力分析范围，可用有限单元法进行计算。②结构模型试验方法根据相似理论，采用结构模型试验的办法，求取坝体各部位的应力。③结构力学近似求解方法作了适当的简化假定用一般结构力学方法求出近似的又是可以实际应用的结果。实际应用之一拱梁法；,Ⅰ）原理拱梁法是用一系列的拱圈和一系列的悬臂梁的共同作用来代替实际拱坝的力学效果。Ⅱ）步骤1设想拱坝是由一道连一道的嵌入河谷两岸岩基的水平拱圈垒成的，同时，又是由一根接一根的固接于岩基的竖直或者弯曲悬臂梁沿着拱圈中心线围成的。假定这两个系统水平拱圈形成的拱系与竖直悬臂梁的梁系共同承担实际拱坝所承受的荷载。Ⅲ）步骤2用分别对拱系和梁系的力学计算来代替对实际拱坝的计算。只要拱、梁系统的计算应力不超过实际坝体材料的容许应力，就保证了实际坝体的安全可靠。,,悬臂梁,梁的下端固定于基岩中,,水平拱圈,2、拱坝的布置拱坝布置的任务是结合坝址地形、地质、水文和施工条件选择坝轧拟定坝体基本尺寸，作为坝体应力分析的依据。然后反复修改以求得安全可靠、经济合理的设计方案。（1）拱坝的几何尺寸现以等厚度圆筒拱坝为例，说明拱坝的拱弧半径、拱弧中心以及拱坝厚度之间的相互关系。设沿圆筒拱坝的竖立方向取单位为1m的高度，得出一厚度为Tm，外弧半径为Ram，拱形圆心角为2ФA，截面积为A＝T*1m2的等厚拱圈。沿拱外作用有压强为PkPa的均布水压力。,假定拱圈两端与河岸的支承条件为滚动支座，拱圈内部只存在沿拱轴线方向的均布压应力。支座压力N的方向与拱端轴线方向相切，坐标轴Y为拱圈的对称轴，沿Y轴方向按力的平衡条件可列出下列平衡方程如坝体材料的容许应力为σ，按强度条件N/A≤σ，可得出所需要的拱圈厚度T为,拱圈的厚度取决于荷载强度P和拱圈外径R；设拱圈两端的直线距离L一定时，R越小，相应的2A越大，所需的厚度T越小；T↓P*R↓/σ但是2A有限度，当拱端推力的方向趋于平行河岸线时对拱肩岩体稳定非常不利；相反，2A越小，R越大，厚度T越大；拱端推力的方向趋于垂直河岸线，对拱肩岩体稳定有利；以拱圈体积最小为目标，可以求出最佳中心角2A＝13334。经验表明，拱坝设计的坝顶拱弧2A＝90－110；坝底拱弧2A＝60－80；见下图,（2）拱坝的布置AU形温谷的适用坝型U形河谷的上下宽度相差不显著，可以选用单曲拱坝。上游面为铅直圆筒面；不同高程的拱圈受到不同的水压力采用不同的厚度。坝型构造简单、施工方便，上游坝面垂直也有利于布置泄引水孔。但这种坝体一般较厚，材料用量较大。BV型河谷的适用坝型对于底部狭窄的v形河谷，工程实践中广泛采用上下拱圈的外半径和中心角都不相等的“变半径、变中心角”式的坝型，这就是双曲拱坝试验研究和实际运用已证明它比单曲拱的拱坝承载力大。坝顶向下游倒悬有利于坝顶溢流。所以尽管设计、施工复杂，但仍然被广泛采用。,河谷形状对荷载分配及剖面的影响,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,龙羊峡,水平拱圈的形态（1）单心圆拱（2）三心圆及椭圆拱（3）抛物线拱（4）对数螺旋线拱（5）二心拱,,天台里石门水库,,和,3、拱坝的泄水方式1自由跌流式将拱坝坝顶做成非真空的标准堰型，水流经溢流堰自由跌落至下游河床。这种型式工程量小且结构简单，它适用于坝址河床基岩良好的薄拱坝或小型拱坝。2鼻坎挑流式在自由跌落式堰项曲线的末端，以反孤段连接时，就成为坝顶挑流式。水流经过这种高坎挑出后，跌落点距坎脚比自由跌流更远些。鼻坎挑流式适用于单宽流量较大或坝体较厚的重力拱坝。我国湖南省风滩重力拱坝就采用高低鼻坎挑流的泄水方式。3坝身泄水孔式是指位于水面以下一定深度的中孔或低孔。中孔多用于泄洪；底孔多用来冲刷泥沙。,湖南东江拱坝,溢流洞,四川二滩拱坝,坝身泄流,,凤滩拱坝,,普定碾压混凝土拱坝,4、增强岩体稳定性的措施经过计算分析，拱座的稳定性不够，可采用适当的针对性措施（1）对不利的节理裂隙进行冲洗和灌浆，提高其抗剪强度。（2）将拱端向岸壁深挖嵌进，以扩大下游的抗滑岩体。（3）改进拱圈设计，如采用抛物线拱等，使拱端推力尽可能趋向正交于岸坡。（4）如基岩承压能力较差，可局部扩大拱端或采用推力墩。,5、拱坝与河岸的连接方式（1）径向连接一般要求拱端落在新鲜或微风化的岩石上。为了较好地传递拱端轴向压力，基岩面应挖成径向，如图10-11a；（2）阶梯形连接有时为了减少开挖，可将基岩面开挖成阶梯形，如图10-11b；（3）折线形连接将基岩面挖成折线形状如图10-11c。此外，为了保证拱座的稳定，拱轴线与基岩等高线的交角应大于30o。,,,,,,,,,坝身和基础的连接，有时采用垫座，即将坝身靠基础部分的断面尺寸加大，形成一底座。这样，既可改善河谷断面形状的不规则性，又能改善坝体应力。,坝顶,坝底（加大基础形成的垫座）,,,,第四章第四节岩基上的拱坝三、地基处理1、拱坝的地基处理拱坝的地基处理要求更严格。对两岸坝肩的处理尤为重要。拱坝的地基包括坝肩必须是新鲜坚固的岩层。岩面要开挖整齐，凹凸相差不宜超过0.3m。拱坝地基开挖量往往很大。如瑞士莫瓦桑拱坝，坝体混凝土200 xl04m3，而坝基开挖量就达140 x104m3。地基开挖后，应进行固结灌浆，其范围应延伸到上下游坝面以外。帷幕灌浆应伸人相对隔水层，若相对隔水层埋藏很深，帷幕孔深可采用0.3-0.7倍坝高。地质条件复杂的地段，帷幕孔深可达1倍坝高。为减少孔深，两岸坝肩的帷幕灌浆在两岸的分层平洞中进行见图10-14。意大利的圣杰斯汀纳拱坝，在两岸各开挖了三层平洞，各层高差约50m，,基本原则是要有效地提高坝址的各水性能，增强岩体的坚固性能和降低坝底的渗透压力。,2、拱坝支座的稳定问题拱坝的布置及坝体应力分析工作完成之后，还有一项重要工作，就是要对河谷两岸支承拱坝的岩体稳定性进行分析。已往的拱坝失事记录表明，坝肩岩体失稳是造成事故的主要原因。所以，工程地质工作者要对拱坝支座的稳定性进行认真细致的调查研究和分析计算。,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3m～4m，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。,,,,第四章第四节岩基上的拱坝四、浆砌石拱坝在我国拱坝建设中占有很大的比重，全国已建和在建的拱坝中，约有80％是砌石拱坝。广泛应用的主要原因①山区石多土少．便于就地取材，节省三材；②工程量比同样高度的重力坝约小40％；③坝顶可以溢流；④施工导流和度汛较易解决；⑤施工技术便于群众掌握。,,,,,,,2004,,,,,,,,,,,,,,,,构皮滩高拱坝,1934年12月，中央红军红一师杨得志团浴血强渡、一举突破乌江天险。如今，当年“江界河战役”旧址早已成为水文站；装机300万千瓦、双曲拱坝高达232.5米的构皮滩水电站正在这里拔地而起。八九联营体,,,,,,,,,,,,,,,,第四章水利水电工程,第五节土石坝Earth,④钢筋混凝土斜墙,⑤沥青防渗体沥青防渗体有较好的防渗性、抗震性及塑性，在发生裂缝时能自行愈合。当坝址附近缺少适宜于做防渗体的粘性土时可采用沥青混凝土做防渗体；即可做成斜墙，也可做成心墙。沥青混凝土心墙发生裂缝时修补很困难，一般在沥青混凝土心墙上游设置一些细粒土料，以备在心墙产生裂缝时自行借助水力冲填裂缝。斜墙则在迎水面涂沥青玛缔脂保护层，以减轻沥青混凝土的老化问题。3、排水措施（四种）坝体设置排水设备，可将坝体内的渗水有组织地排出坝外，以降低浸润线和孔隙水压力，增强下游坝体的稳定性，防止渗漏变形与冻胀破坏作用；常用的排水构造型式有四种,①贴坡排水,②棱体排水,③褥垫排水将厚约0.4-0.5m的块石平铺在坝体内部的坝基上，深入坝体内长度不大于1/4-1/3坝底宽度，向下游纵坡为0.005-0.01；当下游无水使可有效降低浸润线，有助于坝基排水固结。但对不均匀沉陷适应性差，容易断裂，而且难以检修，故一般不单独使用。,④综合排水在实际工作中，为充分发挥各种型式排水的优点，降低造价，常将几种排水型式组合成综合式排水。例如为了节省石料，可以考虑在正常水位以上用贴坡排水，以下用棱体排水；还可采用棱体与祷垫式排水的组合形式。,贴坡排水,棱体排水,祷垫式排水,棱体排水,4、反虑层①反虑层的设置部位反虑层设置在防渗墙与坝体或排水体与地基及坝体之间；②反虑层作用是预防土体在渗流作用下发生管涌，防止坝体渗透变形；反虑层既能顺利地排水，降低孔隙水压力，又能阻止土粒被渗透水流携走；③反虑层的构造反虑层厚度依坝高而定，一般为2－4m，但不得小于0.5-1.0m；反虑层由2－3层不同粒径的砂砾石或碎石铺成，渗流方向近垂直层面，粒径由小逐渐增大。,5、护坡①护坡的作用土石坝的上下游坡面均设护坡，以防止波浪淘蚀、雨水冲刷、冻胀和干裂破坏坝体的稳定性；②护坡的构造上游护坡表层常采用堆石、干砌石或浆砌石；底层设置砂、砾石垫层。下游护坡要求较低，常用堆石或单层干砌石修筑，厚度为0.1-0.15m；在气候温和的地区的粘土均质坝，可采用草皮作护坡。干砌石是采用最多的一种护坡型式；干砌石护坡厚度为0.25-0.4m，保护范围一般由坝顶至水库最低水位以下2.5m；,第四章第五节土石坝四、土石坝稳定性分析1、渗流变形及其危害渗流对土体产生渗流作用力，从宏观上看，这种渗流力将影响坝的应力和变形状态，应用连续介质力学方法可以进行这种分析。从微观上看，渗流力作用于无粘性土的颗粒以及粘性土的骨架上，可使其失去平衡，产生以下几种形式的渗流变形1管涌。指坝体和坝基土体中部分颗粒被渗流水带走的现象。细颗粒被带走后，孔隙扩大，管涌还将进一步发展。一般将管涌区分为内部管涌与外部管涌两种情况．前者颗粒移动只发生于坝体内部，后者颗粒可被带出坝体之外。管涌只发生于无粘性土中。2流土。指在渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象。流土常见于渗沉从坝下游逸出处。,3接触冲刷。指细粒土砂土或粘土与祖粒土交界面上，细粒土被渗流水冲动发生破坏的现象。此时渗流方向与交界面平行。4剥离。指粘性土与粗粒土接触面上，由于渗流作用使土颗粒与整体结构分离的现象。剥离可发生于粘性土与反滤层交界面处。5化学管涌（溶蚀）。指土体中的盐类被渗流水溶解带走的现象。渗流变形可在小范围内发生．也可发展至大范围．导致坝体沉降、坝坡塌陷或形成集中的渗流通道等，危及坝的安全。,下图所示是美国一座土坝因渗流变形造成破坏的实例。该坝建于黄土地基上，黄土下面是一层已经胶结而多孔的砾岩，砾岩之下是节理发育的基岩。水库初次苦水时，库底就出现了36m范围的大渗境，泥浆从下游几百米以外的地面流出。失事后发现砾岩中有孔径36cm的连续渗流通道，黄土饱和时崩解成为泥浆、从砾岩通道中自由流出。,2、土石坝的稳定分析时具有代表性的几种工况1施工期包括竣工时，竣工剖面、施工拦洪剖面以及边施工、边蓄水过程的临时蓄水剖面上、下游坝坡的稳定。这种工况粘性土坝坡和防渗体在填筑过程中产生的孔隙水压力一股来不及消敬，故需考虑孔隙水压力对坝坡稳定的影响。在强震区这种工况还要与设计地震作用的1／2相组合。2稳定渗流期。上游为正常蓄水位或设计洪水位，下游分别为相应水位时下游坝坡的稳定。此时，地震作用只与正常蓄水位工况相组合。3水库水位降落期。水库自某一稳定的运行蓄水位快速降落至死水位、防汛水位或其它低水位过程中上游坝坡的稳定。这种工况需要考虑不稳定渗流所形成的孔隙水压力的影响。,3、土石坝失稳（1）失稳形状①曲线滑动面；此类滑动面为一顶部陡而向底部渐缓的曲面，多发生在粘性土坝坡中，在稳定性计算时，可简化为圆弧面。②直线或折线滑动面；这种滑动面一般发生在非粘性土坝坡中。当坝体干燥或全浸入水中时呈直线形；在坝坡部分处于水下时呈折线形，其转角在水位高程附近，若斜墙坝上游按失稳时，可能沿着斜墙与坝体交界面滑动并形成由三段直线构成的折线滑动面。③复合滑动面；这种滑动面多发生于厚心墙或由粘性土及非粘性上构成的多种土质坝。若滑动面通过性质不同的几种土料坝体或坝基内存在软弱夹层时，则形成曲、直线组成的复合式滑动面。,（2）坝坡稳定分析方法土坝的静力稳定计算采用刚体极限平衡法；包括瑞典圆弧法、计及条块间作用力的简化毕肖普法及用于折线滑动面静力稳定计算的滑楔法。对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，可采用瑞典圆弧法，但瑞典圆弧法给出的结果过于保守，理论上也有缺陷，有时给出较大的误差，所以已逐渐被简化毕肖普法所代替。4、地基处理（1）地基处理的目的①控制坝基渗流以减少水量损失，保证坝坡渗透稳定②控制坝基稳定，以使坝基有足够的强度，避免坝体和坝基发生滑动；③控制变形，以防止产生不均匀沉降和总沉将量过大，导致坝体开裂影响坝的正常运用。,（2）地基处理方法土石坝地基处理主要处理目的是控制渗流，常采用垂直防渗措施，截断渗流以减少渗透、保证稳定；包括①粘性土截水墙开挖深槽回填粘性土，与心墙或斜墙连成完整的防渗体,②混凝土防渗墙即地下连续墙，用钻机沿坝基防渗线钻一排相互连接的孔或挖槽深至基岩，在孔槽内浇筑混凝土，顶部与防渗体相接，形成一道连续的混凝土防渗墙；优点是施工快、造价低、防渗效果好。,③帷幕灌浆一般采用水泥粘性土浆，灌浆结石强度约为0.4-0.5MPa，帷幕的渗透系数约为10-4-10-5cm/s④防渗铺盖采用垂直防渗困难时可采用防渗铺盖，由坝踵沿库底伸向上游的水平防渗结构，它不能完全截断渗流，但可延长渗流路径、降低渗透坡度，减少渗流量。⑤排水减压措施设置排水沟和排水减压井等减轻坝址处的渗透压力，防止在坝下游产生管涌、流土和沼泽化。⑥盖重反压在坝址附近一定范围内堆放砂砾石等透水材料作为盖重，以平衡由剩余水头产生的上举力（扬压力）。,5、土石坝与坝基、岸边的连接,,,,,,,,沥青混凝土,,