重力式拱壩

1、拱與梁的共同作用；

2、穩(wěn)定性主要依靠?jī)砂豆岸说姆戳ψ饔?，因而?duì)地基的要求很高；

3、拱是一種推力結(jié)構(gòu)，承受軸向壓力，有利于發(fā)揮砼及漿砌石材料的抗壓強(qiáng)度；

4、拱梁所承受的荷載可相互調(diào)整, 因此可以承受超載；

5、拱壩壩身可以泄水；

6 、不設(shè)永久性伸縮縫；

7、抗震性能好；

8、幾何形狀復(fù)雜，施工難度大。

拱壩布置的原則是，根據(jù)壩址地形、地質(zhì)、水文等自然條件以及樞紐綜合利用要求統(tǒng)籌布置，在滿足穩(wěn)定和建筑物運(yùn)用的要求下，通過調(diào)整拱壩的外形尺寸，使壩體材料的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，控制拉應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)，而壩的工程量最省。因拱壩型式比較復(fù)雜，斷面形狀又隨地形地質(zhì)情況而變化，故拱壩布置需有較多的方案，進(jìn)行全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇最優(yōu)方案。而最終選定的布置方案，一般需經(jīng)模型試驗(yàn)論證。拱壩布置的步驟:拱壩布置復(fù)雜，需結(jié)合地形地質(zhì)條件，反復(fù)修訂，作多方案比較，最后定出布置圖。

其步驟如下：

①根據(jù)壩址地形、地質(zhì)資料定出開挖深度，繪出壩址利用基巖面等高線圖。綜合考慮地形、地質(zhì)、水文、施工及運(yùn)用條件等，選擇適宜的拱壩壩型。

②利用基巖面等高線地形圖，試定頂拱軸線的位置。頂拱軸線的半徑可參考 。應(yīng)盡量使拱軸線與等高線在拱端處的夾角不小于30°，并使兩端夾角大致相近。按適當(dāng)?shù)闹行慕呛蛪雾敽穸犬嫵鲰敼皟?nèi)外緣弧線。

③初擬拱冠梁剖面尺寸，并擬定各高程拱圈的厚度。一般選取5~10層拱圈，繪制各層拱圈平面圖。各層拱圈的圓心聯(lián)線在平面上最好能對(duì)稱于河谷可利用基巖面地形圖，在垂直面上，這種圓心聯(lián)線應(yīng)是光滑的曲線。

④切取若干垂直剖面，檢查其輪廊是否光滑連續(xù)，倒懸是否過大，如不符合要求，應(yīng)適當(dāng)修改拱圈及梁的形狀尺寸。

⑤根據(jù)初定的壩體尺寸進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算及壩肩穩(wěn)定較核。如不符合要求，應(yīng)重復(fù)以上步驟修改壩體布置和尺寸。

⑥將拱壩沿拱的軸線展開，繪成立視圖，顯示基巖面的起伏變化，對(duì)突變處采取削平或填塞措施。

⑦計(jì)算壩體工程量，作為不同方案比較的依據(jù)。

重力式拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物，借助拱的作用將水壓力的全部或部分傳給河谷兩岸的基巖。與重力壩相比，在水壓力作用下壩體的穩(wěn)定不需要依靠本身的重量來維持，主要是利用拱端基巖的反作用來支承。拱圈截面上主要承受軸向反力，可充分利用筑壩材料的強(qiáng)度。因此，是一種經(jīng)濟(jì)性和安全性都很好的壩型。

平面上呈拱形并在結(jié)構(gòu)上起拱的作用的壩。重力式拱壩的水平剖面由曲線形拱構(gòu)成，兩端支承在兩岸基巖上。豎直剖面呈懸臂梁形式，底部座落在河床或兩岸基巖上。重力式拱壩一般依靠拱的作用，即利用兩端拱座的反力，同時(shí)還依靠自重維持壩體的穩(wěn)定。重力式拱壩的結(jié)構(gòu)作用可視為兩個(gè)系統(tǒng)，即水平拱和豎直梁系統(tǒng)。

水荷載及溫度荷載等由此二系統(tǒng)共同承擔(dān)。當(dāng)河谷寬高比較小時(shí)，荷載大部分由水平拱系統(tǒng)承擔(dān)；當(dāng)河谷寬高比較大時(shí)，荷載大部分由梁承擔(dān)。重力式拱壩比之重力壩可較充分地利用壩體的強(qiáng)度。其體積一般較重力壩為小。其超載能力常比其他壩型為高。重力式拱壩主要的缺點(diǎn)是對(duì)壩址河谷形狀及地基要求較高。

重力式拱壩的基礎(chǔ)處理要慎重對(duì)待。務(wù)必查明地質(zhì)條件的薄弱環(huán)節(jié)。在工程措施上要不惜代價(jià)徹底解決。不能輕率處理。對(duì)水文、試驗(yàn)等工作應(yīng)按規(guī)程規(guī)范辦理，這樣才能提高設(shè)計(jì)精度，不然將造成工程失事的遺留病害。所以應(yīng)保證在安全的前提下求經(jīng)濟(jì)合理。

重力式拱壩壩址地質(zhì)條件，一般是上部巖石比下部差，左右岸岸坡均有軟弱夾層。為了使重力式拱壩傳給基巖的推力分散，易于保持穩(wěn)定，中小型重力式拱壩工程，擴(kuò)大其拱端尺寸，即將壩布置為變截面圓拱成大頭重力式拱壩是有效的。但相對(duì)于重力壩，重力式拱壩對(duì)壩址巖石基礎(chǔ)的要求相對(duì)重力壩要少一些。

拱壩的地基處理和巖基上的重力壩基本相同，只是要求更加嚴(yán)格，對(duì)兩岸壩肩的處理尤為重要。

重力式拱壩壩基開挖

高壩一般應(yīng)開挖至新鮮或微風(fēng)化的下部基巖、中壩應(yīng)盡量開挖至微風(fēng)化或弱風(fēng)化的中、下部基巖。整個(gè)壩基利用巖面的縱坡應(yīng)平順而無突變，拱端開挖應(yīng)注意本章第三節(jié)所述的拱端布置原則。河床覆蓋層原則上應(yīng)全部挖除，如有困難，應(yīng)在結(jié)構(gòu)上采取措施。例如貴州貓?zhí)诱锟诠皦危?9.5m，因河床覆蓋層較厚，采用雙拱壩體型，以基礎(chǔ)拱橋跨過覆蓋層，并用兩排混凝土防滲墻作為覆蓋層防滲。

重力式拱壩固結(jié)灌漿和接觸灌漿

拱壩壩基一般都要進(jìn)行全面的固結(jié)灌漿，以增加基巖的整體性。對(duì)于節(jié)理、裂隙發(fā)育的壩基，尚需擴(kuò)大固結(jié)灌漿范圍。對(duì)于坡度大于50o~60o的陡壁面，上游壩基接觸面以及基巖中開挖的所有槽、井、洞等回填混凝土的頂部，尚應(yīng)進(jìn)行接觸灌漿，以提高接觸面上的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，防止沿接觸面滲漏。

重力式拱壩帷幕灌漿

帷幕線一般布置在壓應(yīng)力區(qū)，并盡可能靠近上游面。帷幕灌漿可利用壩體內(nèi)的廊道進(jìn)行；當(dāng)壩體較薄或未設(shè)廊道時(shí)，可在上游壩腳處進(jìn)行（圖3.25，b）當(dāng)有壩頭繞滲，將影響拱座巖體穩(wěn)定，或?qū)⒁饚?kù)水的水量損失時(shí)，防滲帷幕還應(yīng)深入兩岸山坡內(nèi)，與重力壩的情況類似，但要求應(yīng)更嚴(yán)格。

重力式拱壩壩基排水

在防滲帷幕后應(yīng)設(shè)置壩基排水孔和排水廊道。高壩以及兩岸地形較陡、地質(zhì)條件復(fù)雜的中壩，宜在兩岸設(shè)。

拱壩的應(yīng)力控制標(biāo)涉及到筑壩材料強(qiáng)度的極限值和有關(guān)安全系數(shù)的取值?；炷凉皦卧O(shè)計(jì)規(guī)范（SD145-85）對(duì)允許應(yīng)力尚無明確規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)采用的允許應(yīng)力還較低。對(duì)于較高的拱壩，允許壓應(yīng)力常取5.0~6.0MPa，個(gè)別的曾用到過9.0MPa。規(guī)范規(guī)定，對(duì)于基本荷載組合，安全系數(shù)為4.0；對(duì)于特殊組合，安全系數(shù)為3.5；當(dāng)考慮地震荷載時(shí)，混凝土的允許壓應(yīng)力可比靜荷載情況適當(dāng)提高，但不超過30%。

由于混凝土的抗壓強(qiáng)度較高，拱壩斷面設(shè)計(jì)常受拉受力控制，拉應(yīng)力較大部位常在拱冠梁的上游面壩基處，實(shí)際上這個(gè)部位的拉應(yīng)力稍有超過并不很危險(xiǎn)。因?yàn)楣皦尉哂姓w作用，即使梁底開烈，應(yīng)力即自行調(diào)整，使裂縫發(fā)展到一定程度而停止，而水平拱承載的潛力仍很大。因此現(xiàn)在一般認(rèn)為可適當(dāng)提高梁底上游面的允許拉應(yīng)力值。國(guó)內(nèi)多數(shù)拱壩設(shè)計(jì)允許拉應(yīng)力值大致控制在0.5~1.5 MPa之間。而混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SD145-85）規(guī)定：對(duì)于基本荷載組合，允許拉應(yīng)力為1.2 MPa；對(duì)于特殊荷載組合，允許拉應(yīng)力為1.5 MPa。當(dāng)考慮地震荷載時(shí)，允許拉應(yīng)力可適當(dāng)提高，但不超過30%。

近年來，隨著拱壩建筑的發(fā)展和人們對(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的深化，有提高允許應(yīng)力、減小安全系數(shù)的趨向。如美國(guó)墾力局1977年《拱壩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》規(guī)定：對(duì)于正常荷載組合，抗壓安全系數(shù)為3.0，允許壓應(yīng)力為10.58 MPa；對(duì)于非常荷載組合，抗壓安全系數(shù)為2.0，允許壓應(yīng)力為15.68 MPa。在正常荷載組合，允許局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，但不大于1.06 MPa；在非常荷載組合時(shí)，拉應(yīng)力不大于1.57 MPa。 2100433B

溢流拱壩是指從壩的頂部溢流的拱壩。

拱壩的若干特殊構(gòu)造

(一)墊座

墊座設(shè)置在拱壩壩體與基巖面之間，在有周邊縫的拱壩中，墊座與壩體分開澆筑, 在其他情況下則多與壩體一起澆筑。

(二)推力墩、重力墩、翼壩

當(dāng)拱壩上部壩肩基巖面高程偏低，形成較大臺(tái)梯時(shí)，可設(shè)置推力墩來彌補(bǔ)，使拱端作用力沿水平方向由推力墩傳遞至壩頭處的基巖。

人類修建拱壩具有悠久的歷史。早在一、二千年以前，人們就已意識(shí)到拱結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的攔蓄水流的能力，開始修建高10余米的圓筒形圬工拱壩。13世紀(jì)末，伊朗修建了一座高60米的砌石拱壩。到20世紀(jì)初，美國(guó)開始修建較高的拱壩，如1910年建成的巴菲羅比爾拱壩，高99m。20~40年代，又建成若干拱壩，其中有高達(dá)221m的胡佛壩（Hoover Dam）。與此同時(shí)，拱壩設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)也有較大的進(jìn)展，如應(yīng)力分析的拱梁試何載法、壩體溫度計(jì)算和溫度控制措施、壩體分縫和接縫灌漿、地基處理技術(shù)等。

50年代以后，西歐各國(guó)和日本修建了許多雙曲拱壩，在拱壩體形、復(fù)雜壩基處理、壩頂溢流和壩內(nèi)開孔泄洪等重大技術(shù)上又有新的突破，從而使拱壩厚度減小，壩高加大，即使在比較寬闊的河谷上修建拱壩也能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。進(jìn)入70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限單元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的逐步采用，使拱壩設(shè)計(jì)和計(jì)算周期大為縮短，設(shè)計(jì)方案更加經(jīng)濟(jì)合理。水工及結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)技術(shù)、混凝土施工技術(shù)、大壩安全監(jiān)控技術(shù)的不斷提高，也為拱壩的工程技術(shù)發(fā)展和改進(jìn)創(chuàng)造了條件。目前世界上已建成的最高拱壩是前蘇聯(lián)英古里(HHFYPH)雙曲拱壩，高271.5m，壩底厚度86m，厚高比為0.33。其次是意大利的瓦依昂拱壩(Vaiont)，高261.6m，壩底厚22.lm，厚高比為0.084。最薄的拱壩是法國(guó)的托拉拱壩，高88m，壩底厚2m，厚高比為0.023。

近40多年來，中國(guó)修建了許多拱壩。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至1985年底，全國(guó)①已建壩高15m以上的各種拱壩總數(shù)達(dá)800余座，約占全世界已建拱壩總數(shù)的1/4強(qiáng)。在拱壩設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)型式、泄洪消能、施工導(dǎo)流、地基處理及樞紐布置等方面都有很大進(jìn)展，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，目前中國(guó)已建成的最高拱壩是臺(tái)灣省德基雙曲拱壩(高180m)和青海省龍羊峽重力拱壩(高178m)，最高的砌石拱壩是新疆石河子拱壩，高112m；正在施工的四川省二灘拋物線雙曲拱壩，高240m，居世界第四位，標(biāo)志著中國(guó)在高拱壩的勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工和科研方面已達(dá)到一個(gè)新的水平。 2010年8月中國(guó)云南小灣水電站建成以后，成為當(dāng)時(shí)世界上最高的拱壩---壩高292M，壩頂高程1245M，壩頂長(zhǎng)922.74M，拱冠梁頂寬13M，底寬69.49M。