拱坝

27
摘要拱坝在平面上呈凸向上游的拱形,拱的两端支承于两岸的山体上。立面上有时也呈凸向上游的曲线形,整个拱坝是一个空间壳体结构。拱坝一般是依靠拱的作用,即利用两端拱座的反力,同时还依靠自重来维持坝体稳定。拱坝的结构作用可视为两个系统,即水平拱和竖直梁系统。水平荷载和温度荷载由这两个系统共同...

拱坝

拱坝在平面上呈凸向上游的拱形,拱的两端支承于两岸的山体上。立面上有时也呈凸向上游的曲线形,整个拱坝是一个空间壳体结构。拱坝一般是依靠拱的作用,即利用两端拱座的反力,同时还依靠自重来维持坝体稳定。拱坝的结构作用可视为两个系统,即水平拱和竖直梁系统。水平荷载和温度荷载由这两个系统共同承担。拱坝与重力坝相比可充分利用坝体的强度,其体积较重力坝为小,超载能力比其他坝型为高。

拱坝特点

拱坝是一个空间的壳体挡水结构物,平面上呈拱形拱向上游。在水和淤积泥沙等水平为主的荷载作用下,大部分荷载将通过拱的作用传递到两岸基岩上,少部分荷载将通过垂直梁的作用传给坝底基岩。所以,主要依靠两岸拱端的反力作用维持其稳定性是拱坝的工作特点。

由于设计上可以追求拱坝在外荷载作用下主要产生轴向压力(使设计拱轴线接近荷载压力线),则拱圈断面上偏心距产生的弯矩将很小,断面应力分布也较均匀,从而可充分利用混凝土或浆砌石料的抗压强度,使坝体厚度较薄,节省筑坝材料。所以与同高度重力坝相比,其工程量可节省1/3~2/3。拱坝的抗震能力也较高。

拱坝是周边固支的高次超静定空间壳体结构,当外荷载增大或某部位产生局部开裂时,坝体中梁和拱的作用将会自行调整。拱坝的抗震能力也较高。根据模型试验成果,拱坝的超载能力可以达到设计荷载的5~11倍。

另一方面,由于拱坝是嵌固于基岩上的整体结构,坝体一般不设永久伸缩缝,所以地基变形和温度变化对坝体内力的影响较大。故设计时,地基变形与温度荷载也列为主要荷载,对坝肩地质条件和处理措施更应特别重视。由于坝体较薄,形状复杂,故对施工质量、材料强度和防渗要求等方面也都比较严格。

早在罗马帝国时代就修筑有圆筒形圬工拱坝。20世纪以来,随着施工技术、计算理论和试验手段的不断改进,拱坝发展很快。

拱坝类型

为达到安全、经济、合理的目的,适应具体的地形、地质和运用条件,随着技术的进展,拱坝有多种类型(结构型式)。常见的有单曲拱坝、双曲拱坝、斜拱坝、周边缝拱坝、双拱坝、空腹拱坝、预应力拱坝等。

1.单曲拱坝

修建在U形河谷中的拱坝,常采用定圆心、等外半径的布置型式。这样,各层拱圈,尤其是靠下部的拱圈,仍能采用较大中心角,充分发挥拱的作用,减小坝体厚度。对V形或梯形河谷,为改善坝体应力状态,减薄坝体厚度,可采取变圆心、变半径的布置型式,沿坝高随河谷跨度的减小,变动各层拱圈的圆心位置,减小半径,使各层拱圈都能有较大的中心角,加强拱的作用(图2-7),但应注意控制“倒悬”现象。

2.双曲拱坝

双曲拱坝是20多年来采用较多的一种坝型,它同时具有平面和竖直拱的作用,能充分发挥拱、梁结构的受力特性和材料强度,改善坝体应力状态、增加强度的安全度。这类拱坝也常采用变圆心、变半径的布置形式,使各层拱圈都具有较理想的中心角。当坝顶溢流时,可使坝身向下游倒悬,以便水舌挑射远离坝脚。

3.斜拱坝

斜拱坝有两类:一类是拱坝坝身倒向下游,利用斜拱作用,把荷载传给坝底基岩;另一类是对于上部岸坡地质较差情况,通过设缝把上部坝体布置成斜拱,使上部荷载通过斜拱传给坝底基岩。

4.周边缝拱坝

也叫铰接拱坝,特点是坝体与基岩铰接,如安徽黄山寨西拱坝。其优点是周边缝能松弛坝体周边弯曲应力;缝与基岩间的座垫可传递和扩散荷载,使应力、变形的变化均匀;且座垫的形状尺寸可机动调整,以适应不同的地形、地质条件;有座垫也便于提前进行地基处理。其主要缺点是施工较复杂,整体性和刚度较差,容易渗漏等。

5.双拱坝

如贵州猫跳河窄巷口拱坝,河床砂砾石覆盖层很深。为避免大量开挖,横跨河床修建一座基础拱桥,在拱桥上又修建一座双曲混凝土拱坝

6.空腹拱坝

如湖南凤滩混凝土空腹重力拱坝。这种坝型可减少坝体工程量,降低扬压力,也有利于坝体散热和解决泄洪问题,空腹内还可布置厂房。

7.预应力拱坝

在坝体内埋设预应力锚索,可利用对坝体预先施加的压应力抵消其他荷载产生的拉应力,如瑞士的杜尔德马叶拱坝。

拱坝按过水条件还可分为溢流与非溢流的。

拱坝按建筑材料又分为混凝土(常态振捣的、干硬碾压的、堆石自密实的)和浆砌石的。

混凝土拱坝按其坝高分为低坝(小于30m)、中坝(30~70m)和高坝(大于70m)。

拱坝坝址

1.地形条件

地形条件是选择拱坝结构型式、枢纽布置以及经济性的主要影响因素,可从河谷剖面形状、坝址地形变化等方面进行分析。理想的地形条件应是两岸对称,岸坡平顺,平面上向下游收缩的峡谷地段,且拱端下游有足够厚的岩体支承,以利稳定。

一般将可能建拱坝的河谷形状大致分为V形、梯形和U形三种典型剖面。

从承受水平压力及拱厚变化等条件分析,以V形剖面最为有利,适宜于修建薄拱坝。

2.地质条件

地质条件的好坏是修建拱坝的一个关键问题。拱坝要求河谷两岸的基岩应能承受拱端传来的巨大推力,任何情况下都应保持稳定,而不致危及坝体安全。良好的地质条件应是基岩均匀、完整、无断层破碎带、无严重节理裂隙、有足够的强度、透水性小、抗风化能力强等。实际上完美无缺的坝址是没有的,节理、裂隙、局部的断层、破碎带总是存在的,所以对地基应进行妥善的处理。对穿过坝肩的断层、破碎带应特别注意,采取必要的工程措施。有可能时,上下移动坝址,以避开破碎地带。

选择坝址时,一般还需进行综合分析和多种方案的技术经济比较。如考虑枢纽的整体布置、施工方案、建材供应情况、管理单位要求、今后发展综合经营的可能等。

拱坝布置

拱坝的布置是拱坝设计的重要程序。具体内容包括:结合坝址的地形、地质、水文、枢纽运用要求和施工条件等选择合理坝型,拟定坝体基本尺寸(初选拱冠梁剖面,选定各高程拱圈的圆心位置、中心角、半径和厚度等参数),进行平面布置;然后按拟定尺寸作应力及稳定分析,再根据分析成果修正坝体布置,使最终达到安全经济合理的目的。

拱坝布置的步骤

(1)由地形、地质资料拟定开挖深度,绘出建基面的等高线图,初选各层拱圈的圆心对称中心线。

(2)由地形、地质、水文、施工、运用、管理等条件,综合分析后选择合宜的坝类型。

(3)由所选坝型及工程规模,沿坝高不同高程选取5~10个拱圈层面进行布置,并初拟拱冠梁断面。

(4)进行各层拱圈布置时,要求各层拱弧应基本对称于初选的对称中心线(此线可按以后平面布置的情况进行修改,使更为合理)。

(5)初选各层拱圈的中心角及半径时,可按前述范围及考虑因素进行选择。通常先选定坝顶拱圈,再定坝底拱圈(底部嵌入基岩较深或地形有突变,则可改选倒数第二层)。初选圆心轨迹线后,再从上向下完成布置,然后可截取几个竖向的悬臂梁剖面,检查梁外缘轮廓是否光滑,倒悬度是否过大。单曲拱坝圆心轨迹线,一般沿坝高应是光滑连续的曲线。双曲拱坝在顶、底拱圈确定后,需按地形特征拟定连续、适宜的圆心轨迹线,以确定其他层的拱圈半径。当局部拱圈外部地形特殊时,可适当调整原圆心轨迹线。

(6)根据上述拟定的拱圈及悬臂梁尺寸,进行坝体应力分析和稳定及工程量计算。再由计算成果,优化修改各部分尺寸并重复上述计算,直到满意为止。

布置的同时还应保持坝面连续。具体连续要求,一是指悬臂梁轮廓、各层拱圈的圆心对称中心线、中心角及半径变化、基岩轮廓线等都基本光滑平顺,无突出齿坎或其他突然变化的部位;二是在岩性(如弹性模量)方面最好也能均匀或连续变化。当实际地形变化不对称和不连续时,可按前述措施进行处理。

拱坝泄流

由于拱坝坝身比较单薄,在较高水头和较大单宽流量的情况下泄流,易引起坝体振动,使坝身应力恶化。且坝轴线为弧形,泄流会产生向心集中,使消能困难。这些问题通过工程实践已逐步得到改善和解决。如陕西石门拱坝,溢流水头达23.5m,单宽流量100m3/(s·m),说明只要对消能和坝身振动做妥善处理,拱坝安全泄流是完全可能的。

拱坝的泄水方式,主要有坝顶溢流和坝身孔口泄流两类。坝顶溢流一般分为自由跌落式、鼻坎挑流式、滑雪道式等。采用坝身泄水方式也日益普遍,坝身泄水孔可分为中孔与深孔等型式。

1.自由跌落式溢流拱坝

这种型式结构简单,溢流段常设在坝中河床部分 。水流自坝顶自由跌落到下游,落点距坝脚较近,对河床冲刷力大,所以常适用于单宽流量较小,下游河床有坚实岩基、有较深水垫的情况。否则,为减轻下游的冲刷,除减小单宽流量外,可在下游修建护坦防冲;为抬高下游水位,也可筑低的壅水坝,如湖南半江拱坝 ,俄罗斯的英古里拱坝 (坝高272m)和厚高比最小的托拉拱坝(坝高88m,底厚2.43m,T/H=0.027)都采用这种溢流型式。

2.挑流鼻坎式溢流拱坝

在拱坝顶部适当加厚做成挑流鼻坎,使水流挑射远离坝脚,既可减轻坝下冲刷,又能减小溢流时坝体的振动,适用于单宽流量和落差都较大的情况。

3.滑雪道式溢洪道

这类溢洪道常布置在拱坝两侧或中央河床段,坝体下游可做成实体式或溢流面板式,如图2-31所示。滑雪道末端设挑流坎,两侧溢流的型式可将两股挑射水流相互撞击,能消除60%~70%的动能。此类溢洪道,水流平顺,可避免坝身振动。由于挑坎高程低,起挑流速大,所以挑流消能效果很好。在下游滑雪道式面板下,还可布置水电站厂房,既节省投资又比较安全。

4.坝身泄水孔口

泄水孔口分中孔及深孔,其特点是水头高、流速大、射程远,但超泄能力低。为减小坝体内拉应力和便于闸门的设计制造,孔口尺寸不宜过大。工作水头在20~30m时,尺寸约为10m×10m,为改善坝体应力,孔口型式宜采用圆形或椭圆形。

拱坝消能

拱坝泄流具有以下两个特点:

(1)水流过坝后具有向心集中现象,水舌入水处单位面积能量大,造成集中冲刷,因此消能防冲设计要防止发生危害性的河床集中冲刷。

(2)拱坝河谷一般比较狭窄,当泄流量集中在河床中部时,两侧形成强力回流,淘刷岸坡,因此消能防冲设计要防止危及两岸坝肩的岸坡冲刷或淘刷。

拱坝消能形式通常有以下几种。

1、水垫消能

水流从坝顶表孔或坝身孔口直接跌落到下游河床,利用下游水流形成的水垫消能。由于水舌入水点距坝趾较近,故需采取相应的防冲措施,一般都在坝下游一定距离处设置消力坎、二道坝或挖深式消力池。如法国的乌格朗拱坝,利用下游施工围堰做成二道坝,抬高下游水位;我国的红岩双曲拱坝,在下游设置二道坝形成水垫消能。

2、挑流消能

这是拱坝采用最多的消能形式。鼻坎挑流式、滑雪道式和坝身泄水孔式大都采用各种不同形式的鼻坎,使水流扩散、冲撞或改变方向,在空中消减部分能量后再跌入水中,以减轻对下游河床的冲刷。

为减小水流向心集中,国内外一些拱坝将布置在两侧或一侧的溢洪道的挑流鼻坎做成窄缝式或扭曲挑坎,使挑射出的水舌能沿河谷纵向拉开,既减少落点处单位面积能量,又不冲两岸。

3、空中冲击消能

对于狭窄河谷中的中、高拱坝,可利用过坝水流的向心作用特点,在拱冠两侧各布置一组溢流表孔或泄水孔,使两侧水舌在空中交汇,冲击掺气,沿河槽纵向激烈扩散,从而消耗大量的能量,减轻对下游河床的冲刷,但应注意两侧闸门必须同步开启,否则射流将直冲对岸,危害更大。我国修建的陈村水库、泉水水库和广西的山花水库(坝高45m)等均采用了两侧挑流对冲消能。

在大流量的中、高拱坝上,采用高低坎大差动形式,形成水股上下对撞消能。这种消能形式不仅把集中的水流分散成多股水流,而且由于通气充分,有利于减免空蚀破坏。我国的白山重力拱坝采用高差较大的溢流面低坎和中孔高坎相间布置,形成挑流水舌相互穿射、横向扩散、纵向分层的三维综合消能,效果很好。但对撞水流造成的“雾化”程度更为严重,应适当加以控制。

4、底流消能

对重力拱坝,也可采用底流消能。我国拱坝较少采用。

泄水拱坝的下游一般都需采取防冲加固措施,如护坦、护坡、二道坝等。护坦、护坡的长度、范围以及二道坝的位置和高度等,应由水工模型试验确定。

拱坝材料

常用修筑拱坝的材料有混凝土及钢筋混凝土、浆砌块石等,近年来发展了碾压混凝土。高的拱坝多采用常态混凝土,双曲或较薄的拱坝则多采用钢筋混凝土,中、小型拱坝多采用碾压混凝土和浆砌石。拱坝对混凝土要求较高,如坝体内部混凝土90d龄期不低于C20,除强度指标外,还有抗渗和耐久性、低热等要求。拱坝体内的混凝土或浆砌块石,为节省材料也可进行分区,分区原则与重力坝相同。

为控制施工期温度应力,常态混凝土应分缝、分块浇筑。拱坝多为整体结构,除周边缝拱坝的缝为永久性的以外,其他拱坝分缝均为临时缝,都需封堵。温度应力为拱坝主要荷载之一,为减小其影响,应在坝体混凝土冷却到稳定温度以后,再进行封拱灌浆,灌浆布置见图2-34。拱坝的分块留缝也分窄缝与宽缝,混凝土拱坝多为窄缝,必须用灌浆方法封堵。浆砌石拱坝一般多不分缝,当砌体水泥用量大或必须在高温季节施工时,则要考虑分缝。分缝时多留临时宽缝,缝宽一般0.7~1.2m。

拱坝构造

拱坝的坝顶超高、坝内廊道和竖井的构造等,均与重力坝类同。当交通道路宽度大于拱坝坝顶厚度时,坝顶两侧可做成悬臂式结构。

拱坝上游面常采用防渗混凝土面板或钢丝网喷浆防渗护面(多用于薄拱坝),以加强防渗。厚拱坝在混凝土面板下游,还可设排水管幕,以减小悬臂梁上游面的拉应力,配合排水孔幕,还需设检修廊道。因拱坝主要依靠两岸基岩支撑而维持稳定,故拱坝的地基处理要求严格。一般应开挖至新鲜坚实岩层,并应使拱端深嵌入两岸基岩内。为减小渗漏和坝底、坝头处渗透压力,拱坝底部和两岸也须进行帷幕灌浆,帷幕深度可达0.5~1.0倍设计水头。其下游可设排水孔幕,将渗水排出,以减小渗压。特殊地质情况,应做专门研究。

拱坝发展

目前世界拱坝发展速度之快仅次于土石坝,且多修建高拱坝、双曲拱坝和薄拱坝。各国拱坝发展快,其原因为:①工程量较小,投资较省,并具有超载潜力大等优点;②打破了或放松了过去对修建拱坝的传统规定,如过去要求河谷宽高比不大于3.0~3.5,现提高到5~6,甚至个别拱坝提高至10~12;③适当放宽了对地基的要求并提高了地基处理技术。世界各国100m以上高坝中以拱坝最多,据统计,拱坝占100m及200m以上混凝土坝总数的比例相应为33%及45%。

目前我国已建成的二滩双曲拱坝,最大坝高240m;最高的拱坝是即将建成的锦屏一级水电站混凝土双曲拱坝,坝高305m,目前也是世界最高拱坝;最薄的拱坝是广东省的泉水双曲拱坝,坝高80m,原高比T/H为0.112。

为适应不同的地质条件和布置要求,还修建了一些特殊的拱坝,如湖南省凤滩拱坝,采用了空腹形式;贵州省的窄巷口水电站,采用拱上拱的工程措施,以跨过河床的深厚砂砾层。

目前我国在建的最大坝高达278m的金沙江溪洛渡双曲拱坝、澜沧江小湾拱坝(292m)以及拟建的雅砻江锦屏一级(305m)双曲拱坝,均超过世界最高的英古里拱坝,这在我国拱坝建设史上是空前的,标志着我国坝工建设的快速发展。

继续阅读
 最后更新:2024-4-12