第三节 拱坝的布置

一、拱坝断面尺寸的初步拟定

　　当坝高已定，坝体待定的基本尺寸主要是：拱圈的平面形式及各层拱圈轴线的半径和中心角，拱冠梁上下游成的形式以及各高程的厚度。首先要拟定的是平面拱圈的形式及其中心角、半径和厚度，以及拱冠悬臂梁的尺寸。(XMW)

　　圆弧形拱圈的中心角、半径和厚度

　　拱坝的水平拱圈以圆弧形最为常用。图3-10为从拱坝任意高程取的单位高度的等截面圆拱，设拱圈的外半径为 ，拱圈中心线半径为 ，中心角为 ，在沿外弧均布水压力平衡条件可得“圆简公式”为：

图3.10 圆弧拱圈

　　水平拱圈的较优形态

　　合理的拱圈形式应当是压力线接近拱轴线，使拱截面的压应力分布趋于均匀，从工程力学可知，当单独一个拱圈在上游面承受匀布水压力时，其最合理的形态为圆弧拱。但是对于拱坝来说，由于其结构性能具有水平拱和垂直梁的作用，拱梁的系统共同承担外荷载，且水平拱所分担的水压力部分往往是非匀布的，通常是从拱冠向拱端逐渐减少（图3-1c）的。因此最经济合理的拱圈形大辩论就不一定是圆弧拱，实际采用时需综合考虑经济、设计及施工等因素。(XMW)

　　铅直剖面（拱冠梁）的形式和尺寸

　　在拱坝的轴线和拱圈平面形式确定之后，铅直剖面可以拱冠梁为代表，初步拟定其尺寸。(XMW)

1、坝顶厚度

　　坝顶厚度应根据剖面设计确定，并满足运行、交通要求，一般不应小于3m。坝顶厚度还可按下列经验公式估算：

式中　H——坝高(m)

L₁——坝顶高程外两拱端新鲜基岩之间的直线距离（m）；

R_辆——顶拱轴线的半径（m），初估时可取 ，此时相当于顶拱中心角为113°。在实际工程中常以顶拱外弧作为拱坝的轴线。(XMW)

2、坝底厚度

　　拱坝的坝底厚度主要取决于坝高和河谷形状。设计时可参考已建成的坝高和河谷形状大致相近的拱坝来初步拟定，再通过计算和修改布置定出合适的尺寸。(XMW)

　　作为拱坝优选的初始方案，坝底厚度可按下式计算：

式中　 K——经验系数，一般可取K=35×10^-4

——分别为第一层及倒数第二层拱圈处两拱端新鲜基岩面之间的直线距离（m）；

3、拱冠梁的形态和尺寸

　　拱冠梁剖面的形态对拱坝的竖直曲率和自重应力有很大影响。以往较广泛采用上游面近于垂直的单曲拱坝，尽管设计和施工方便，但往往很不经济，近代大多数较高的拱坝都采用双典形，即竖直剖面的上下游面均有一定曲率，其明显的优点是可利用坝体自重以减小由上游面水压力引起的坝底上游面以及坝体上部下游面的垂直拉应力，并利用垂直拱的作用，使悬臂梁在水压作用下产生水平变位的同时还有向上变形的倾向，该倾向得到顶拱的支承，从而减小了悬臂梁的弯矩，使拱的应力状况得到改善。图3.11是几个典型拱坝的拱冠梁剖面图。(XMW)

图3.11 拱坝典型剖面图

二、拱坝布置的原则和要求

　　拱坝布置的原则是，根据坝址地形、地质、水文等自然条件以及枢纽综合利用要求统筹布置，在满足稳定和建筑物运用的要求下，通过调整拱坝的外形尺寸，使坝体材料的强度得到充分发挥，控制拉应力在允许范围之内，而坝的工程量最省。因拱坝型式比较复杂，断面形状又随地形地质情况而变化，故拱坝布置需有较多的方案，进行全面技术经济比较，选择最优方案。而最终选定的布置方案，一般需经模型试验论证。(XMW)

　　拱坝布置的步骤:拱坝布置复杂，需结合地形地质条件，反复修订，作多方案比较，最后定出布置图，其步骤如下：　　

　　①根据坝址地形、地质资料定出开挖深度，绘出坝址利用基岩面等高线图。综合考虑地形、地质、水文、施工及运用条件等，选择适宜的拱坝坝型。

　　②利用基岩面等高线地形图，试定顶拱轴线的位置。顶拱轴线的半径可参考 （参见公式3-13）。应量使拱轴线与等高线在拱端处的夹角不小于35°，并使两端夹角大致相近。按适当的中心角和坝顶厚度画出顶拱内外缘弧线。

　　③初拟拱冠梁剖面尺寸，并拟定各高程拱圈的厚度。一般选取5~10层拱圈，绘制各层拱圈平面图。各层拱圈的圆心联线在平面上最好能对称于河谷可利用基岩面地形图，在垂直面上，这种圆心联线应是光滑的曲线。

　　④切取若干垂直剖面，检查其轮廊是否光滑连续，倒悬是否过大，如不符合要求，应适当修改拱圈及梁的形状尺寸。

　　⑤根据初定的坝体尺寸进行应力计算及坝肩稳定较核。如不符合要求，应重复以上步骤修改坝体布置和尺寸。

　　⑥将拱坝沿拱的轴线展开，绘成立视图，显示基岩面的起伏变化，对突变处采取削平或填塞措施。

　　⑦计算坝体工程量，作为不同方案比较的依据。

　　由于拱坝布置需反复修改，并作多方案比较，目前已利用计算机设计。首先由设计人员根据地形地质条件，初绘拱坝轮廓，由计算机计算控制点坐标，画出坝体透视图、展开图，在展开图上画好二维网格后，计算机即可自动形成三维网格，并用有限元法计算出应力，然后再根据应力状态修改坝体形状，重复几次即可。采用这种方法，坝体上下游面形状由坐标定点，改变形状方便，适用于任何复杂形状的拱坝。

坝面倒悬的处理

　　拱端的布置原则: 原则：保证拱端能很好地嵌入坚实的基岩，有充分的岩体承受施加的荷载，并应考虑岩石内节理的倾向,以保证在各种荷载条件下坝肩的稳定。(XMW)

　　* 全径向拱座：使拱端推力接近垂直于拱座面；

　　* 半径向拱座：基岩开挖过多时，靠上游侧1/2拱座面与基准面的交角大于10o；

　　* 非径向拱座：基岩开挖过多时采用，拱座面与基准面的夹角应￡80o。(XMW)

　　拱座类型的开挖类型见图3.12.

图3.12 拱座类型

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