第三章　拱坝

第一节　概述

一、拱坝的结构特点与工作特点

就结构特点而言，拱坝是三面固结于基岩上的空间壳体结构，拱向上游凸出，且不设永久性分缝，是高次超静定结构，见图3-1。因此，它具有如下的工作特点：①具有双向传力的性能，拱坝荷载可一部分通过拱的作用传向两岸岩体，借用山体抗力承担荷载，另一部分通过竖直悬臂梁传给坝底基岩；②拱是推力结构，在外载作用下拱内主要产生轴向压力，弯矩较小，应力分布较均匀，这有利于发挥圬工材料的抗压性能，可使坝体做得较薄，与同高的重力坝相比，一般拱坝可节省工程量1/3～2/3；③拱坝具有较高的超载能力。当坝体某一部位因超载发生局部开裂时，坝体的拱梁作用将会自行调整，使应力产生有利的重新分布或使裂缝终止，有试验表明，只要拱座稳定，拱坝的超载能力可达到其设计荷载的5～11倍；④拱坝轻韧，富有弹性和整体性好，借助岩基对地震动能的吸收，它又具有较强的抗震能力。至今，国内外已在较高地震烈度区修建了许多高而薄的双曲拱坝，且已有不少拱坝经受住了强震的考验。如美国的帕柯依玛拱坝，高110m，1971年2月美国西部圣费尔南发生地震，该坝距震中仅14km，实测地震水平加速度1.25倍重力加速度，垂直加速度0.7倍重力加速度，远超过设计加速度值，而坝未出现裂缝。我国河北省峡沟水库砌石拱坝，高78m，满库情况下经受了1966年3月发生的邢台强烈地震，坝内未发现裂缝和损坏。但实践证明，拱坝的上述诸多优越性都是以拱座岩体稳定为前提的，这一点是拱坝安全与经济的必备条件。

由于拱坝是不设永久性横缝的整体超静定结构，设计时需计入温度变化和地基位移对坝体应力的影响。此外，拱坝体形复杂，剖面较薄，设计施工难度大，对施工质量、筑坝材料强度和防渗要求，以及对地形地质条件及地基处理的要求均较高。

二、拱坝的类型

（1）按坝高拱坝可分为低坝、中坝和高坝。坝高H＜30m者为低坝；H＝30～70m者为中坝；H＞70m者为高坝。

（2）按厚高比即拱坝最大坝高处的坝底厚度TB与坝高H之比，拱坝可分为：薄拱坝）；中厚拱坝和厚拱坝。

（3）按坝体曲率，拱坝可分为单曲拱坝和双曲拱坝。单曲拱坝仅在水平面内有曲率，其竖直悬臂梁断面不弯曲或曲率很小；而双曲拱坝是在水平面及铅直面内均有曲率的拱坝。

（4）按水平拱圈形状，拱坝可分为单心圆弧拱；双心、多心复合圆弧拱；变曲率的抛物线或椭圆拱；等厚或变厚度拱等。

三、拱坝的地形地质条件

（一）地形条件

拱坝地形条件是指开挖后可被利用筑坝的河谷基岩面形状，它很大程度上决定着拱坝采用的坝型、工程布置特征和经济性。选择适宜的拱坝地形条件，一般从以下几方面考虑。

1.河谷宽高比

河谷宽高比是指坝顶高程处开挖后的河谷宽度与坝高之比，见图3-2。由于在超静定系统中，结构的承载能力与其刚度成正比，因此在宽高比小的河谷中建拱坝，拱圈的跨度小，刚度大，拱分担的荷载比例大，作用显著，坝体可做得较薄。根据工程经验，当＜2时，在满足应力与稳定要求的条件下，建成的拱坝往往较薄，属薄拱坝；当＝2～3时，建成的拱坝一般为中厚拱坝；＝3～4.5时，一般为厚拱坝（过去认为＞4.5已不宜建拱坝，但近年来随着筑坝经验的不断丰富，在＞4.5的河谷上修筑拱坝亦获得了较好的经济性，如我国安徽的陈村厚拱坝，高75m，＝5.6；法国设计的南非亨德利·维尔沃特双曲拱坝，高90m，＝10。可见，较小的河谷宽高比对修建拱坝是有利的。

2.河谷断面形状

宽高比相同的河谷，其断面形状可能会各异，而不同的河谷断面形状，拱的作用不同，适宜的拱坝体形及其经济性也不同。工程中常见的河谷断面形状有V形、U形（见图3-2）和梯形3种。对于左右对称的V形河谷，拱跨度沿水深逐渐减小，拱圈刚度及其承载能力则沿水深逐渐增加，这一规律恰好适应水压力沿水深增加的特点，因此拱坝厚度可做得较薄（为了使跨度较小的底部拱圈同时又具有足够的曲率，发挥拱的作用，进一步减薄坝体，这种地形更宜于修建双曲拱坝）；U形河谷，拱坝顶、底拱圈跨度接近，刚度相差不大，因而沿水深增加的水压力需要由悬臂梁增加截面厚度来承担，坝体往往较厚，适宜修建单曲拱坝；梯形河谷则介于以上二者之间，可建单曲拱坝或双曲拱坝。

3.河谷平面形态

河谷的平面形态可用开挖后的基岩等高线来描述，大致有三种：①沿水流方向呈漏斗型；②喇叭形；③顺直型。对于漏斗型河谷，基岩面等高线向下游呈收缩状，两岸岩体愈向下游愈为雄厚，在这样的河谷上建拱坝，可保证坝体有足够的稳定性；对于喇叭形河谷，基岩面等高线呈扩散状，愈向下游河谷增宽，山体减薄，拱座支承的可靠度差，不宜修建拱坝；顺直型河谷则介于上述二者之间，在良好的地质情况下，也可以作为拱坝坝址。

综上，修建拱坝的理想地形条件是：宽高比小的V形对称河谷，两岸山体雄厚，岸坡平顺，平面上呈向下游收缩的漏斗形。

（二）地质条件

坝基地质条件是修建拱坝成败的关键，而坝基的关键是两岸坝肩的岩体，必须能够承担由拱端传来的巨大推力，并在任何情况下保持稳定。具体地讲，拱坝理想的地质条件是，基岩坚硬致密，质地均匀，有足够的强度，透水性小，抗风化能力强，无大的断裂构造和软弱夹层。但实际上，理想的地质条件并不多见，天然坝基总会存在某些地质缺陷。这时需要认真查清地质情况，分析研究地基处理的措施，并进行严格地处理，使之达到设计要求。近年来随着拱坝设计、施工及地基处理技术水平的提高，目前已有一些拱坝修建在地质条件较差的地基上，运行情况正常。例如美国的邦达瑞双曲拱坝，坝高110m，坝基下就有一条横切河谷的断层。苏联的英古里双曲拱坝，坝高271.5m，其下为构造断层与多裂隙构造共存的复杂的石灰岩坝基。