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通过拱的作用将大部分水平荷载传递至两岸岩体的坝。拱坝修建在岩基上,用混凝土或浆砌石筑成,其水平剖面拱向上游,竖向剖面可以直立,或有一定的弯曲(见图)。拱坝主要依靠两岸岩体支承由拱传来的水压力、地震荷载等水平荷载,以保持坝身的稳定,而不是主要依靠自重来保持稳定。同时,拱坝是一种拱形结构,材料强度能够得到充分发挥。因而,拱坝的体积一般只有重力坝的30%~60%。只要坝基,特别是两岸坝肩地质条件良好,拱坝的安全度也比重力坝高。

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拱坝按坝体厚度分为薄拱坝、中厚拱坝(一般拱坝)和厚拱坝(重力拱坝);按坝体形态分为单曲拱坝和双曲拱坝;按建筑材料分为混凝土拱坝和浆砌石拱坝。此外,通过坝顶溢流的称为溢流拱坝;坝体内有大尺寸纵向空腔的拱坝又可分为空腹拱坝和腹拱拱坝。

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,理想的地形是左右两岸对称的V形狭谷,拱两端下游有足够的支承岩体,以保证坝体稳定。河谷形状特性常以宽高比(L/H)(坝顶高程处河谷度宽L和最大坝高H的比值)来表示。当L/H小时,拱的作用比较大,可修建较薄的拱坝;反之,拱坝的厚度较大。拱坝厚薄程度常以厚高比T/H(最大坝高处的坝底厚度T与坝高H的比值)来表示。根据工程的实践经验,L/H<1.5的河谷可建薄拱坝(T/T/H<0.2);L/H=1.5~3.0的河谷宜建中厚拱坝(T/H=0.2~0.35);L/H=3.0~4.0的河谷多修建重力拱坝(T/H>0.35);L/H>4..0的宽浅河谷,拱的作用已很小,一般认为修建拱形重力坝或重力坝较为合适。河谷断面形状对拱坝厚度有相当大的影响,V形河谷最适于发挥拱的作用,拱坝底部厚度可以较薄;U形河谷靠近底部拱的作用显著降低,所以厚度较大,梯形河谷介于两者之间。

拱坝要求地基岩石坚固完整,质地均匀,有足够的强度、不透水性和耐久性,没有不利的断裂构造和软弱夹层。特别是坝肩岩体,在拱端力系和绕坝渗流等作用下要能保持稳定,不产生过大的变形。拱坝地基一般需做工程处理。通常对坝基和坝肩做帷幕灌浆、固结灌浆,设置排水孔幕。如有断层破碎带或软弱夹层等地质构造,需做加固处理。

拱坝在枢纽中的布置,主要考虑泄水设施、水电站厂房和通航建筑物的位置,要求彼此协调、运用方便,并经济、安全。坝顶可以溢流,也可在坝内设泄水孔,或在拱端设滑雪道式溢洪道。发电厂房可以布置在拱坝的下游侧或岸边,也有设在坝内的,水电站压力管道可以全部放在坝内;也可从进水口水平穿过坝体,再沿下游坝面布置坝后背管;还可竖立于拱坝上游侧,从底部水平穿过坝体至厂房。

坝体混凝土浇筑后,有一个先升温后降温的过程。为了减少在降温过程中产生的温度应力和裂缝,混凝土拱坝常采用柱状浇筑,每块边长约15~20m,形成两组竖向缝。一组与拱轴线正交,称横缝;另一组与拱轴线大致平行,称纵缝。缝面需做键槽,并设置灌浆系统。待混凝土充分收缩,坝体温度接近稳定温度后,灌注水泥浆,使各坝块连结成整体。若坝底厚度小于30m,可不设纵缝。对于厚拱坝,因水泥水化热散发较慢,为了提早灌浆和降低温度应力,常在坝内埋设水管,通水冷却。当采用碾压混凝土筑坝,横缝间距加大,一般不设纵缝,也不埋设冷却水管。

为保证拱坝安全运行,并积累资料,坝的内部及其表面还常埋设若干监测设备,以观测变形、温度、应变、渗压和缝隙宽度变化等。

世界上第1座拱坝是法国鲍姆(Borm)砌石拱坝,坝高12m,建在公元3世纪。约在1837年,法国开始用圆筒理论设计左拉(Zola)砌石拱坝,坝高42.5m。1884年,美国修建世界上第1座混凝土拱坝-熊谷(Bear Valley)拱坝,高20m,拱坝的设计方法逐渐从用圆筒理论过渡到拱梁分载理论。

20世纪30年代,美国胡佛坝的修建,使拱坝的设计和施工技术,如试载法、结构模型试验、坝体温度控制、混凝土配合比设计、坝体分缝、柱状浇筑和接缝灌浆技术等,得到较大进展。该坝坝高221.4m,是当时世界上最高的拱坝。

20世纪50年代以后,西欧各国和日本修建了许多薄拱坝,拱坝技术又有新的发展。如坝的水平剖面,从单心圆拱发展为三心圆拱或抛物线拱;改变上下层拱的曲率半径,使竖向剖面弯曲,以适应河谷地形,改善拱坝的应力分布等。20世纪70年代以来,由于计算机的广泛应用,逐步采用有限元法进行应力、稳定分析,对考虑地基变形、地震作用、温度变化、坝内孔口和坝基地质构造等影响的计算,都能获得较为满意的结果,为拱坝设计提供了有利条件。由于地基加固技术的提高,在地质条件较差的坝址也能修建拱坝。

截至1999年,世界上共修建坝高30m以上的拱坝1102座。最高的是格鲁吉亚英古里坝。中国共修建坝高30m以上的拱坝517座。


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