第三章　拱坝

第一节　概述

一、拱坝的特点

拱坝是一空间壳体结构，其坝体结构可近似看作由一系列凸向上游的水平拱圈和一系列竖向悬臂梁所组成，如图3－1所示。

坝体结构既有拱作用又有梁作用，因此具有双向传递荷载的特点。其所承受的水平荷载一部分由拱的作用传至两岸岩体，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩，如图3－2所示。拱坝所坐落的两岸岩体部分称为拱座或坝肩；位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁称为拱冠梁，一般位于河谷的最深处。

拱坝在外荷载作用下的稳定性主要是依靠两岸拱端的反力作用，并不完全依靠坝体重量来维持稳定。这样就可以将拱坝设计得较薄。

拱结构是一种推力结构，在外荷作用下内力主要为轴向压力，有利于发挥筑坝材料（混凝土或浆砌块石）的抗压强度。若设计得当，拱圈的应力分布较为均匀，弯矩较小，拱的作用就发挥得更为充分，材料抗压强度高的特点就愈能充分发挥，从而坝体厚度就越薄。一般情况下，拱坝的体积比同一高度的重力坝体积约可以节省1/3～2/3，因而，拱坝是一种比较经济的坝型。

拱坝是高次超静定结构，当发生超载或坝体某一部位产生局部裂缝时，坝体的梁作用和拱作用将自行调整，梁向荷载和拱向荷载将相互转移，坝体应力将重新分配，原来低应力部位将承担增大的应力，原来高应力部分的应力不再增长，裂缝可能停止发展甚至闭合。所以，只要拱座稳定可靠，拱坝的超载能力是很高的。国内外拱坝的结构模型破坏试验也表明，混凝土拱坝的超载能力可达设计荷载的5～11倍。

拱坝坝体轻韧，弹性较好，整体性好，故抗震性能也是很高的。在工程实践中，至今尚未发现有拱坝因地震而破坏或失事，例如意大利的卢美（Lumie）双曲拱坝（高136m），1975年5月6日经历了烈度为8～9度的地震，实测地震加速度为0.44g，但坝体安全无损。所以拱坝是一种安全性能较高的坝型。目前，在地震区已修建了不少拱坝，如世界最高的的英古里拱坝，坝高272m，修建在9级强地震区。

拱坝坝身不设永久伸缩缝，其周边通常是固接于基岩上，因而温度变化和基岩变化对坝体应力的影响较显著，设计时必须考虑基岩变形，并将温度荷载作为一项主要荷载。

在泄洪方面，过去常认为拱坝坝体比较单薄，不宜从坝身宣泄很大的流量。但实践证明，拱坝不仅可以在坝顶安全溢流，而且可以在坝身开设大孔口泄水。目前坝顶溢流或坝身孔口泄水的单宽流量已超过200m3/（s·m）。近年来，拱坝溢流已渐趋普遍。

拱坝坝身单薄，体型复杂，设计和施工的难度较大，因而对筑坝材料强度、施工质量、施工技术以及施工进度等方面要求较高。

二、拱坝对地形和地质条件的要求

（一）对地形的要求

地形条件是决定拱坝结构型式、工程布置以及经济性的主要因素。理想的地形应是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。坝端下游侧要有足够的岩体支承，以保证坝体的稳定，如图3－2所示。

坝址处河谷形状特征常用河谷“宽高比”L/H及河谷的断面形状两个指标来表示。

拱坝的厚薄程度，常以坝底最大厚度T和最大坝高H的比值，即“厚高比”T/H来区分。当T/H＜0.2时，为薄拱坝；当T/H＝0.2～0.35时，为中厚拱坝；当T/H＞0.35时，为厚拱坝或重力拱坝。

L/H值小，说明河谷窄深，拱坝水平拱圈跨度相对较短，悬臂梁高度相对较大，即拱的刚度大，梁的刚度小，坝体所承受的荷载大部分是通过拱的作用传给两岸，因而坝体可设计得较薄。反之，当L/H值很大时，河谷宽浅，拱作用较小，荷载大部分通过梁的作用传给地基，坝断面必须设计得较厚。一般情况下，在L/H＜2的窄深河谷中可修建薄拱坝；在L/H＝2～3的中等宽度河谷中可修建中厚拱坝；在L/H＝3～4.5的宽河谷中多修建重力拱坝；在L/H＞4.5的宽浅河谷中，一般只宜修建重力坝或拱形重力坝。随着近代拱坝建设的发展，已有一些成功的实例突破了这些界限。美国的奥本三心双曲拱坝高210m，河谷断面宽高比为6；法国设计的南非亨德列·维乐沃特双曲拱坝高90m，河谷断面宽高比已达10。

不同河谷即使具有同一宽高比，其断面形状可能相差很大。图3－3代表两种不同类型的河谷形状在水压荷载作用下，拱梁系统的荷载分配以及对坝体剖面的影响。左右对称的V形河谷最适宜发挥拱的作用，靠近底部水压强度最大，但拱跨短，因而底拱厚度仍可较薄；U形河谷靠近底部拱的作用显著降低，大部分荷载由梁的作用来承担，故厚度较大；梯形河谷的情况则介于这两者之间。

（二）对地质的要求

地质条件也是拱坝建设中的一个重要问题。拱坝地基的关键是两岸坝肩的基岩，它必须能承受由拱端传来的巨大推力，并保持稳定，不产生较大的变形，以免恶化坝体应力甚至危及坝体安全。理想的地质条件是：基岩均匀单一、完整稳定、强度高、刚度大、透水性小和耐风化等。但是，理想的地质条件是不多的，应对坝址的地质构造、节理与裂隙的分布，断层破碎带的切割等认真查清。必要时，应采取妥善的地基处理措施。

随着经验的积累和地基处理技术水平的不断提高，在地质条件较差的地基上也建成了不少高拱坝。我国的龙羊峡重力拱坝，基岩被8条大断层和软弱带所切割，风化深，地质条件复杂，且位于9度强震区，但经过艰巨细致的基础处理，成功地建成了高达178m的混凝土重力拱坝。

三、拱坝的形式

1.按拱坝的曲率分

按拱坝的曲率分有单曲和双曲。单曲拱坝在水平断面上有曲率，而悬臂梁断面上不弯曲或曲率很小［图3－4（a）］。单曲拱坝适用于近似矩形的河谷或岸坡较陡的U形河谷。双曲拱坝在水平断面和悬臂梁断面都有曲率，拱冠梁断面向下游弯曲［图3－4（b）］。双曲拱坝适用于V形河谷。

2.按水平拱圈型式分

按水平拱圈型式可分为圆弧拱坝、多心拱坝、变曲率拱坝（椭圆拱坝和抛物线拱坝等）。圆弧拱［图3－5（a）］坝拱端推力方向与岸坡边线的夹角往往较小，不利于坝肩岩体的抗滑稳定。多心拱坝［图3－5（b）、（c）］由几段圆弧组成，且两侧圆弧段半径较大，可改善坝肩岩体的抗滑稳定条件。变曲率拱坝（抛物线拱、椭圆拱等）的拱圈中间段曲率较大，向两侧曲率逐渐减小，如图3－5（d）～（f）所示。

四、拱坝的发展概况

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（图3－6）；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（图3－7）。

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。