薄拱坝 坝体最大厚度与坝高之比小于0.2的拱坝。薄拱坝多建于狭窄的河谷。20世纪30年代薄拱坝始建于法国和意大利,以后其他国家也陆续修建。
薄拱坝体积小,工程量少,造价较省,工期可以缩短。由于坝的厚度较薄,拱或壳体结构的作用较大,必须妥善选择坝的体形,以改善坝体应力分布,并需保证混凝土浇筑和岩基处理特别是两岸坝肩部位地基处理的施工质量,以满足强度、防渗和耐久性等方面的要求。薄拱坝的轮廓布置要经过多方案比较优选确定。混凝土等级根据坝体应力选定。
为了不使坝内渗透坡降增大,坝体不设排水管,廊道也较少。薄拱坝可以采用坝顶溢流。20世纪60年代以后,采用坝内孔口泄流的逐渐增多。水电站厂房可布置在坝后或岸边。混凝土薄拱坝不设纵缝,并只设少数临时性横缝。
世界上最高的薄拱坝是意大利的瓦依昂(Vaiont)拱坝,坝高262m,最大厚度23.22m,1960年建成(见图)。中国最高的薄拱坝是台湾德基坝,坝高180m,最大厚度20m。
重力拱坝 坝体最大厚度与坝高之比大于0.35的拱坝,又称厚拱坝。
重力拱坝承受的水压力、温度作用和地震作用等,相当大的一部分由悬臂梁作用传至底部岩基,另一部分由拱的作用传至两岸。河谷愈宽,悬臂梁的作用愈大,拱的作用愈小。当河谷宽高比大于5时,拱的作用很小,荷载主要由悬臂梁承担,坝体剖面和工程量与重力坝接近,但坝的安全度仍比重力坝高。
重力拱坝多采用单曲拱坝体型。一般为定圆心,定外半径,结构简单,设计施工方便,在中小型工程特别是砌石拱坝中,采用这种体形的较多。中国最高的重力拱坝是龙羊峡水电站的重力拱坝,坝高178m,最大厚度80m,厚高比0.45,拱外半径265m,最大中心角80°58'。
重力拱坝的下游面坡度较缓,有可能采用坝面溢流和较大的单宽流量。对混凝土强度和对地基的要求比薄拱坝低。坝体内可设排水管和各种廊道。水电站厂房可布置在坝后。应力分析可采用拱梁分载法、有限元法或结构模型试验。实践表明,重力拱坝坝踵附近,常有一个竖向拉应力区。分析计算时,应考虑该拉应力区出现裂缝的影响。例如,取扣除拉应力区以后的有效截面来计算梁的变位系数;灌浆帷幕布置在该拉应力区的下游等。
混凝土重力拱坝厚度较大,施工时除设置横缝外,有时还需设置纵缝。纵横缝均需进行接缝灌浆,以保证坝身形成整体。若采用碾压混凝土筑坝,可不设纵缝,横缝间距也可加大。
双曲拱坝 水平剖面和竖向剖面都弯曲的拱坝。双曲拱坝是拱坝普遍采用的一种坝型,是高拱坝的发展趋势。在世界上16座200m以上拱坝中,双曲拱坝占大多数,有不少属于薄拱坝。双曲拱坝较适用于V形或梯形河谷。
双曲拱坝的主要优点是利用壳体结构的力学特点,使应力分布比较均匀,结构安全度较高,坝体工程量较少。但双曲拱坝施工较复杂。
为改善应力分布,常使双曲拱坝水平拱的曲率,自上而下逐渐增大,两岸坝段的竖向剖面,将向上游倒悬,如图(a)。为减小向上游的倒悬量,可将上部拱的位置略向下游移动,即河中竖向剖面的上部,略向下游俯悬,如图(b)。
双曲拱坝在水压力作用下,中间坝段悬臂梁上部的应力,常是上游面受压,下游面受拉;当稍向下游俯悬时,该部位的自重应力,常是上游面受拉,下游面受压。二者可以部分相互抵消。但若俯悬过多,需采取施工措施,避免封拱前上游面因自重产生的拉应力过大而出现裂缝。
竖向弯曲的程度还与工程布置有关。如上部俯悬的拱坝,对布置自由跌落式的坝顶溢流比较有利。双曲拱坝亦可设置坝身泄水孔。
双曲拱坝的轮廓布置,要经过方案比较优选确定。双曲拱坝的应力分析除计算外,有时还辅以结构模型试验。应力计算方法常用的是拱梁分载法,1970年以后多采用三维有限元法进行验证。对于地基复杂的重要工程,应同时采用有限元法计算和结构模型试验,相互验证。
20世纪40年代,法国、意大利首先采用双曲拱坝。世界最高的双曲拱坝是格鲁吉亚英古里坝,高271.5m。至1999年,中国已建成的坝高30m以上的500余座拱坝中,双曲拱坝约占一半。
溢流拱坝 从坝的顶部溢流的拱坝。一般在溢流段设闸墩、闸门、启闭机和交通桥,两侧设导墙,下游接消能工;有的不设闸门。重力拱坝下游面坡度接近于坝面溢流所要求的坡度,溢流段可布置在河床中部。中等厚度的拱坝,可在岸坡坝段溢流,如图(a)。薄拱坝的溢流布置形式有:①坝顶自由跌落式,如图(b),一般布置在河床中部,适用于较小的单宽流量;②坝下游侧设有由构架支承的溢流面,构成滑雪道式溢流,或利用厂房顶过流,也可将水流从厂房前挑至下游较远处,适用于较大的单宽流量;③利用两岸坝段对称溢流,通过鼻坎挑射至远处,使两股水流相互碰撞,以消耗一部分能量。拱坝多建在狭窄河谷,挑流消能多采用异型鼻坎,使挑射水流落水点在纵向或横向分散,以减轻对河床的冲刷。
若设计泄流量过大,河中坝段全部溢流,水流向下游集中,使冲刷坑深度加大,河谷狭窄时,还可能影响两岸边坡的稳定。设计时应使水舌充分扩散,或在下游做二道坝,增加水垫深度。为避免小流量时冲刷坝脚,可在坝的下游基岩表面,做混凝土护坦。水流所经过的混凝土表面,包括进口、溢流坝面和鼻坎等,需平整光滑。
溢流拱坝的溢流段长度、孔数、孔口尺寸、位置等,需根据泄洪量大小,对坝体应力与下游冲刷的影响等研究确定。使水流不危及大坝与其他建筑物的安全,尽量不影响其他建筑物的正常运行。此外,还需根据泄流量、水头、地质条件和运用要求等设计消能工。溢流拱坝最终的布置、溢流型式和消能工,一般需要通过水工模型试验验证。