拱壩

拱壩是在平面上呈凸向上遊的拱形擋水建築物，藉助拱的作用將水壓力的全部或部分傳給河谷兩岸的基岩。與重力壩相比，在水壓力作用下壩體的穩定不需要依靠本身的重量來維持，主要是利用拱端基岩的反作用來支承。拱圈截面上主要承受軸向反力，可充分利用築壩材料的強度。因此，是一種經濟性和安全性都很好的壩型。

平面上呈拱形並在結構上起拱的作用的壩。拱壩的水平剖面由曲線形拱構成，兩端支承在兩岸基岩上。豎直剖面呈懸臂樑形式，底部座落在河牀或兩岸基岩上。拱壩一般依靠拱的作用，即利用兩端拱座的反力，同時還依靠自重維持壩體的穩定。拱壩的結構作用可視為兩個系統，即水平拱和豎直梁系統。

水荷載及温度荷載等由此二系統共同承擔。當河谷寬高比較小時，荷載大部分由水平拱系統承擔；當河谷寬高比較大時，荷載大部分由梁承擔。拱壩比之重力壩可較充分地利用壩體的強度。其體積一般較重力壩為小。其超載能力常比其他壩型為高。拱壩主要的缺點是對壩址河谷形狀及地基要求較高。

拱壩的基礎處理要慎重對待。務必查明地質條件的薄弱環節。在工程措施上要不惜代價徹底解決。不能輕率處理。對水文、試驗等工作應按規程規範辦理，這樣才能提高設計精度，不然將造成工程失事的遺留病害。所以應保證在安全的前提下求經濟合理。

拱壩壩址地質條件，一般是上部岩石比下部差，左右岸岸坡均有軟弱夾層。為了使拱壩傳給基岩的推力分散，易於保持穩定，中小型拱壩工程，擴大其拱端尺寸，即將壩佈置為變截面圓拱成大頭拱壩是有效的。但相對於重力壩，拱壩對壩址岩石基礎的要求相對重力壩要少一些。

人類修建拱壩具有悠久的歷史。早在一、二千年以前，人們就已意識到拱結構有較強的攔蓄水流的能力，開始修建高10餘米的圓筒形圬工拱壩。13世紀末，伊朗修建了一座高60米的砌石拱壩。到20世紀初，美國開始修建較高的拱壩，如1910年建成的巴菲羅比爾拱壩，高99m。20~40年代，又建成若干拱壩，其中有高達221m的胡佛壩（Hoover Dam）。與此同時，拱壩設計理論和施工技術也有較大的進展，如應力分析的拱梁試何載法、壩體温度計算和温度控制措施、壩體分縫和接縫灌漿、地基處理技術等。

50年代以後，西歐各國和日本修建了許多雙曲拱壩，在拱壩體形、複雜壩基處理、壩頂溢流和壩內開孔泄洪等重大技術上又有新的突破，從而使拱壩厚度減小，壩高加大，即使在比較寬闊的河谷上修建拱壩也能體現其經濟性。進入70年代，隨着計算機技術的發展，有限單元法和優化設計技術的逐步採用，使拱壩設計和計算週期大為縮短，設計方案更加經濟合理。水工及結構模型試驗技術、混凝土施工技術、大壩安全監控技術的不斷提高，也為拱壩的工程技術發展和改進創造了條件。目前世界上已建成的最高拱壩是前蘇聯英古裏(HHFYPH)雙曲拱壩，高271.5m，壩底厚度86m，厚高比為0.33。其次是意大利的瓦依昂拱壩(Vaiont)，高261.6m，壩底厚22.lm，厚高比為0.084。最薄的拱壩是法國的托拉拱壩，高88m，壩底厚2m，厚高比為0.023。

近40多年來，中國修建了許多拱壩。據不完全統計，至1985年底，全國①已建壩高15m以上的各種拱壩總數達800餘座，約佔全世界已建拱壩總數的1/4強。在拱壩設計理論、計算方法、結構型式、泄洪消能、施工導流、地基處理及樞紐佈置等方面都有很大進展，積累了豐富的經驗，目前中國已建成的最高拱壩是台灣省德基雙曲拱壩(高180m)和青海省龍羊峽重力拱壩(高178m)，最高的砌石拱壩是新疆石河子拱壩，高112m；正在施工的四川省二灘拋物線雙曲拱壩，高240m，居世界第四位，標誌着中國在高拱壩的勘測、設計、施工和科研方面已達到一個新的水平。 ^[1]  2010年8月中國雲南小灣水電站建成以後，成為當時世界上最高的拱壩---壩高292M，壩頂高程1245M，壩頂長922.74M，拱冠梁頂寬13M，底寬69.49M。

1、拱與梁的共同作用；

2、穩定性主要依靠兩岸拱端的反力作用，因而對地基的要求很高；

3、拱是一種推力結構，承受軸向壓力，有利於發揮砼及漿砌石材料的抗壓強度；

4、拱梁所承受的荷載可相互調整, 因此可以承受超載；

5、拱壩壩身可以泄水；

6 、不設永久性伸縮縫；

7、抗震性能好；

8、幾何形狀複雜，施工難度大。

河谷狹窄，左右對稱，向下遊收縮的“V”或“U”形地形。寬高比與厚高比：

（a）寬高比：河谷寬度L與壩高H的比值，

（b）厚高比：壩厚T與壩高H的比值。

L/H<1.5, T/H <0.2 為薄拱壩；

L/H=1.5~3.0, T/H =0.2 ~0.35 為一般拱壩；

L/H=3.0~4.5, T/H =0.35 ~0.60 為重力拱壩。

向下遊收縮:B-B壩址雖然河谷狹窄，地但位於向下遊擴散的喇叭口處，兩岸拱座單薄,對穩定不利，而A-A處壩址兩岸拱座厚實，拱軸線與等高線接近垂直，因此應將A-A處選為壩址。

基岩均勻，堅固完整，有足夠的強度、透水性小而能抗風化。上述條件不能滿足時，需進行固結灌漿以增加地基的整體性和牢固程度。

控制拱壩形式的主要參數有:拱弧的半徑、中心角、圓弧中心沿高程的跡線和拱厚。按照拱壩的拱弧半徑和拱中心角，可將拱壩分為：單曲拱和雙曲拱。中心角的影響：中心角大一些, 拱圈厚度小一些, 拱圈內力小一些，因此適當加大中心角是有利的，但過大的中心角將使拱端弧面的切線與河岸等高線的夾角變小，降低拱座的穩定形性。

又稱為定外半徑定中心角拱

對U型或矩形斷面的河谷，其寬度上下相差不大，各高程中心角比較接近，外半徑可保持不變，僅需下游半徑變化以適應壩厚變化的要求。

特點：施工簡單，直立的上游面便於佈置進水孔和泄水孔及其設備，但當河谷上寬下窄時，下部拱的中心角必然會減小，從而降低拱的作用，要求加大壩體厚度,不經濟。對於底部狹窄的“V”字形河谷可考慮採用等外半徑變中心角拱壩。

（1） 變外半徑等中心角

對底部狹窄的“V”字形河谷，宜將各層拱圈外半徑，上至下逐漸減小，可大大減少壩體方量。

變外半徑等中心角拱的特點：拱壩應力條件較好，梁呈彎曲形狀，兼有拱的作用，更經濟，但有倒懸出現，設計及施工較複雜，對“V”、“U”型河谷都適用。

（2）變外半徑變圓心

讓梁截面也呈彎曲形狀，因此懸臂樑也具有拱的作用；這種形式更能適應“V”、梯形及其他形狀的河谷，佈置更加靈活，結構複雜，施工難度大。變外半徑變圓心拱的特點：應力狀態盡一步改善，節省工程量，結構更加複雜，施工難度更大，被廣泛採用為桐坑溪雙曲砌石拱壩。 ^[1] 

作用在拱壩上的荷載主要有：水壓力（靜水壓力和動水壓力）、温度荷載、自重、揚壓力、泥沙壓力、浪壓力、冰壓力和地震荷載（地震慣性力和地震動水壓力）等。一般荷載的計算方法與重力壩基本相同，這裏只強調作用的拱壩上荷載的某些特點。

1、自重荷載

對薄拱壩而言，自重的影響很小，幾乎可忽略不計，對中等厚度拱壩和重力拱壩來説，應考慮自重的作用，自重荷載由梁承擔。

2、水平徑向荷載

主要為靜水壓力，其次有泥沙壓力、浪壓力、冰壓力等，由拱和梁共同承擔。分擔荷載的比例須通過荷載分配的方法來劃分。

3、温度荷載

這是拱壩設計中的主要荷載之一，在水壓力和温度荷載共同引起的徑向變位中，温度荷載約佔據1/3至1/2，對壩頂部分的影響更大。通常假定温度荷載由拱圈承擔。產生温度荷載的兩個原因是：

（1）混凝土施工過程中水化熱的散發；

（2）外界氣温的變化。

封拱温度：選用下游以年平均氣温、上游以年平均水温作為邊界條件，求出此時的壩體温度場作為穩定温度場。工程中，一般選在年平均氣温或略低時進行封拱。

温升：温度高於封拱温度。温升對壩肩穩定不利，對應力有利；

温降：温度低於封拱温度。温降對壩肩穩定有利，對應力不利。

拱壩設計荷載組合可分為基本組合和特殊組合二類。

（一）基本組合

有以下幾種情況：

1、水庫正常蓄水位及相應的尾水位和設計正常温降，自重、揚壓力、泥沙壓力、浪壓力、冰壓力。

2、水庫死水位（或運行最低水位）及相應的尾水位和此時出現的設計正常温升，自重，揚壓力（或不計），泥沙壓力，浪壓力。

（二）特殊組合分以下幾種情況：

1、校核洪水位及相應的尾水位和此時出現的設計正常温升，自重，揚壓力，泥沙壓力，動水壓力，浪壓力。

2、基本組合1+地震荷載。

3、施工期的荷載組合，包括接縫未灌漿和分期灌漿兩種情況。

（1）接縫未灌漿

①自重；

②遇施工洪水時的靜水壓力加自重。

（2）分期灌漿

①自重及接縫灌漿部分壩體濁度荷載（設計正常温升或設計正常温降）；

②遭遇施工洪水時，靜水壓力，自重及接縫灌漿部分壩體温度荷載（設計正常温升）。

拱壩佈置的原則是，根據壩址地形、地質、水文等自然條件以及樞紐綜合利用要求統籌佈置，在滿足穩定和建築物運用的要求下，通過調整拱壩的外形尺寸，使壩體材料的強度得到充分發揮，控制拉應力在允許範圍之內，而壩的工程量最省。因拱壩型式比較複雜，斷面形狀又隨地形地質情況而變化，故拱壩佈置需有較多的方案，進行全面技術經濟比較，選擇最優方案。而最終選定的佈置方案，一般需經模型試驗論證。拱壩佈置的步驟:拱壩佈置複雜，需結合地形地質條件，反覆修訂，作多方案比較，最後定出佈置圖。

其步驟如下：①根據壩址地形、地質資料定出開挖深度，繪出壩址利用基岩面等高線圖。綜合考慮地形、地質、水文、施工及運用條件等，選擇適宜的拱壩壩型。

②利用基岩面等高線地形圖，試定頂拱軸線的位置。頂拱軸線的半徑可參考 。應儘量使拱軸線與等高線在拱端處的夾角不小於30°，並使兩端夾角大致相近。按適當的中心角和壩頂厚度畫出頂拱內外緣弧線。

③初擬拱冠梁剖面尺寸，並擬定各高程拱圈的厚度。一般選取5~10層拱圈，繪製各層拱圈平面圖。各層拱圈的圓心聯線在平面上最好能對稱於河谷可利用基岩面地形圖，在垂直面上，這種圓心聯線應是光滑的曲線。

④切取若干垂直剖面，檢查其輪廊是否光滑連續，倒懸是否過大，如不符合要求，應適當修改拱圈及梁的形狀尺寸。

⑤根據初定的壩體尺寸進行應力計算及壩肩穩定較核。如不符合要求，應重複以上步驟修改壩體佈置和尺寸。

⑥將拱壩沿拱的軸線展開，繪成立視圖，顯示基岩面的起伏變化，對突變處採取削平或填塞措施。

⑦計算壩體工程量，作為不同方案比較的依據。

拱壩是一個空間彈性殼體，其幾何形狀和邊界條件都很複雜，難以用嚴格的理論計算求解拱壩壩體應力狀態。在工程設計中，常作一些必要的假定和簡化，使計算成果能滿足工程需要。拱壩應力分析的常用方法有圓筒法、純拱法、拱梁分載法、殼體理論計算方法、有限單元法和結構模型試驗法等。

(1)純拱法：假定拱壩由許多互不影響的獨立水平拱圈組成，不考慮梁的作用，荷載全部由拱圈承擔。計算簡單，但結果偏大，尤其對厚拱壩。對薄拱壩和小型工程較為適用。(2) 拱梁分載法：假定拱壩由許多層水平拱圈和鉛直懸臂樑組成，荷載由拱梁共同承擔，按拱、梁相交點變位一致的條件將荷載分配到拱、梁兩個系統上。梁是靜定結構，其應力容易計算；拱的應力則按彈性固端拱進行，計算結果較為合理，但計算量大，需藉助計算機，適於大、中型拱壩。

(3)拱冠梁法：最簡單的拱梁分載法，可採用拱冠梁作為所有懸臂樑的代表與許多拱圈組成拱梁系統，按拱、梁交點徑向線變位一致的條件來建立變形協調方程, 並進行荷載分配, 可大大減少工作量。

(4)殼體理論計算方法：採用殼體理論計算拱壩應力的近似方法，早在30年代就由P托克爾提出。由於壩體形狀和幾何尺度的變化以及邊界條件的複雜性，使這一方法受到很大限制。近年來由於計算機技術的發展，使這一方法取得了新進展。網格法就是應用有限差分解算殼體方程的一種計算方法，它適用於薄拱壩。中國廣東泉水雙曲拱壩用網格法進行應力計算，效果較好。

(5)有限單元法：將地基和壩體劃分為有限數量的單元，以節點相連接，用離散模型代替連續體結構進行壩內各單元的應力和變位計算，能正確反映施工過程對應力的影響，能解決複雜邊界條件和材料不均勻的問題，適用而有效，但計算量相當大，必須藉助於計算機才能完成。

拱壩的應力控制標涉及到築壩材料強度的極限值和有關安全係數的取值。混凝土拱壩設計規範（SD145-85）對允許應力尚無明確規定，設計時採用的允許應力還較低。對於較高的拱壩，允許壓應力常取5.0~6.0MPa，個別的曾用到過9.0MPa。規範規定，對於基本荷載組合，安全係數為4.0；對於特殊組合，安全係數為3.5；當考慮地震荷載時，混凝土的允許壓應力可比靜荷載情況適當提高，但不超過30%。由於混凝土的抗壓強度較高，拱壩斷面設計常受拉受力控制，拉應力較大部位常在拱冠梁的上游面壩基處，實際上這個部位的拉應力稍有超過並不很危險。因為拱壩具有整體作用，即使梁底開烈，應力即自行調整，使裂縫發展到一定程度而停止，而水平拱承載的潛力仍很大。因此現在一般認為可適當提高梁底上游面的允許拉應力值。國內多數拱壩設計允許拉應力值大致控制在0.5~1.5 MPa之間。而混凝土拱壩設計規範（SD145-85）規定：對於基本荷載組合，允許拉應力為1.2 MPa；對於特殊荷載組合，允許拉應力為1.5 MPa。當考慮地震荷載時，允許拉應力可適當提高，但不超過30%。

近年來，隨着拱壩建築的發展和人們對客觀事物認識的深化，有提高允許應力、減小安全係數的趨向。如美國墾力局1977年《拱壩設計準則》規定：對於正常荷載組合，抗壓安全係數為3.0，允許壓應力為10.58 MPa；對於非常荷載組合，抗壓安全係數為2.0，允許壓應力為15.68 MPa。在正常荷載組合，允許局部出現拉應力，但不大於1.06 MPa；在非常荷載組合時，拉應力不大於1.57 MPa。

通過拱座穩定分析，如發現不能滿足要求，可採取以下改善措施：

①加強地基處理，對不利的節理等進行有效的沖洗和固結灌漿，以提高其抗剪強度。

②加強壩肩巖體的灌漿和排水措施，減小巖體的滲透壓力。

③將拱端向岸壁深挖嵌進，以擴大下游的抗滑巖體，也可避開不利的滑裂面。這種做法對增加拱座的穩定性較有效。

④改進拱圈設計，如採用三心拱、拋物線拱等形式，使拱端推力盡可能趨向正交於岸坡。

⑤如拱端基岩承載能力較差，可局部擴大拱端或設置推力墩。

拱壩的若干特殊構造

(一)墊座

墊座設置在拱壩壩體與基岩面之間，在有周邊縫的拱壩中，墊座與壩體分開澆築, 在其他情況下則多與壩體一起澆築。

(二)推力墩、重力墩、翼壩

當拱壩上部壩肩基岩面高程偏低，形成較大台梯時，可設置推力墩來彌補，使拱端作用力沿水平方向由推力墩傳遞至壩頭處的基岩。

拱壩的地基處理和岩基上的重力壩基本相同，只是要求更加嚴格，對兩岸壩肩的處理尤為重要。

壩基開挖：高壩一般應開挖至新鮮或微風化的下部基岩、中壩應儘量開挖至微風化或弱風化的中、下部基岩。整個壩基利用巖面的縱坡應平順而無突變，拱端開挖應注意本章第三節所述的拱端佈置原則。河牀覆蓋層原則上應全部挖除，如有困難，應在結構上採取措施。例如貴州貓跳河窄巷口拱壩，高39.5m，因河牀覆蓋層較厚，採用雙拱壩體型，以基礎拱橋跨過覆蓋層，並用兩排混凝土防滲牆作為覆蓋層防滲。

固結灌漿和接觸灌漿：拱壩壩基一般都要進行全面的固結灌漿，以增加基岩的整體性。對於節理、裂隙發育的壩基，尚需擴大固結灌漿範圍。對於坡度大於50o~60o的陡壁面，上游壩基接觸面以及基岩中開挖的所有槽、井、洞等回填混凝土的頂部，尚應進行接觸灌漿，以提高接觸面上的抗剪強度和抗壓強度，防止沿接觸面滲漏。

帷幕灌漿：帷幕線一般佈置在壓應力區，並儘可能靠近上游面。帷幕灌漿可利用壩體內的廊道進行；當壩體較薄或未設廊道時，可在上游壩腳處進行（圖3.25，b）當有壩頭繞滲，將影響拱座巖體穩定，或將引起庫水的水量損失時，防滲帷幕還應深入兩岸山坡內，與重力壩的情況類似，但要求應更嚴格

壩基排水：在防滲帷幕後應設置壩基排水孔和排水廊道。高壩以及兩岸地形較陡、地質條件複雜的中壩，宜在兩岸設。