任务一 掌握拱坝工作原理、特点、类型、适用情况
拱坝为空间壳体结构，当外荷载增大或坝的某一部分发生局部开裂时，坝体的拱和梁作用将会自行调整，使坝体应力重新分配。目前世界上第一高的拱坝为四川省锦屏一级水电站大坝，坝高305m，如图3-1所示。
图3-1 四川省锦屏一级水电站大坝
一、拱坝工作原理
拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，坝体结构可近似看成是由一系列水平拱圈和一系列竖向悬臂梁所组成，其承受的荷载一部分通过拱的作用传至两岸基岩，另一部分通过竖直梁的作用传至坝底基岩，如图3-2所示。
图3-2 拱坝平面及剖面图
1—拱荷载；2—梁荷载
二、拱坝的特点
与其他坝型相比，拱坝具有以下特点。
1.稳定特点
拱坝在外荷载作用下的稳定性主要依靠两岸拱端的反作用力，不像重力坝那样依靠自重来维持稳定，这样可以将拱坝设计得较薄。但拱坝对坝址地形地质条件要求较高，对地基处理的要求也较为严格。在拱坝的设计与施工中，除考虑坝体强度外，还应十分重视坝肩岩体的抗滑稳定和变形。
2.结构特点
拱坝不设永久伸缩缝，超载能力强，安全度高，当外荷增大或坝的某一部位发生局部开裂时，坝体拱和梁的作用因受变位的相互制约而自行调整，坝体应力出现重分配，原来应力较低的部位将承受增大的应力。从模型试验来看，拱坝的超载能力可以达到设计荷载的5～11倍。例如，意大利的瓦依昂拱坝，坝高262m，库容1.5亿m3，1961年建成，1963年10月9日坝头的左岸水库岸坡发生2.7亿m3的高速岩石滑坡，涌浪爬高左岸约100m、右岸约260m，涌浪过后检查大坝的情况，除左岸坝顶局部破坏外，大坝一切完好。
拱坝坝体轻韧，弹性较好，工程实践证明，拱坝具有良好的抗震性能。例如，美国的巴柯依玛拱坝，1971年遭受强烈的地震作用后，“大震未倒”。目前，世界上高地震地区的拱坝日益增多。据不完全统计，坝高大于200m、地震烈度在Ⅷ～Ⅹ度的有3座，坝高超过150m、地震烈度在Ⅷ～Ⅺ度的有9座，坝高大于100m、地震烈度在Ⅷ～Ⅺ度的有14座，坝高大于100m、地震烈度在Ⅶ度及Ⅶ度以上者有40余座。
拱结构是一种推力结构，在外荷载作用下，有利于充分发挥筑坝材料（混凝土或砌块石）的抗压强度。若设计得当，拱圈应力分布较为均匀，弯矩较小，拱的作用发挥得更为充分，材料抗压强度高的特点就越能充分发挥，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可节省1/3～2/3。因此，拱坝是一种比较经济的坝型。
3.荷载特点
拱坝不设永久伸缩缝，其周边通常固结于基岩上，温度变化和基岩变形对坝体应力的影响比较显著，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。
除以上三大特点外，拱坝不仅可以在坝顶安全溢流，而且可以在坝身设置单层或多层大泄流孔，泄洪量和单宽流量也越来越大。目前，有的工程单宽流量达到200m3/（s·m），我国的溪洛渡拱坝坝身总泄流量达到30000m3/s。
由于拱坝剖面较薄，坝体几何形状复杂，因此对于施工质量、筑坝材料强度和防渗要求等都较重力坝严格。
综上所述，拱坝是一种坝身及基础工作条件好、超载能力极强的坝工结构，有最可靠的抵御意外洪水和涌浪翻坝的能力，抗震性能好，耐久性能够得到充分保证，垮坝事故率低，综合安全性高，同时又较为经济的一种坝型。
三、拱坝的类型
1.按坝的高度划分
拱坝按高度可分为高坝、中坝、低坝三类，坝高大于70m为高坝，坝高在30～70m之间为中坝（包括30m、70m），小于30m的为低坝。
2.按拱坝坝顶中心角划分
拱坝按坝顶中心角可分为一般弯曲程度拱坝和扁平（扁薄）拱坝，前者坝顶中心角多为105°～125°，后者多为60°～90°，更多的是60°～80°。
3.按水平拱圈形式划分
拱坝水平拱圈形式可分为：①单圆心拱；②多心拱（二心、三心、四心等）；③抛物线拱；④椭圆拱；⑤对数螺旋线拱。水平拱圈的形式如图3-3所示。
水平拱圈以单圆心拱最为常用。合理的拱圈形式应当是压力线接近拱轴线，使拱截面内的压应力分布趋于均匀。对于在河谷狭窄而对称的坝址，水平荷载的大部分靠拱的作用传到两岸，采用圆弧拱圈，在设计和施工上都比较方便。但从水平荷载在拱梁系统的分配情况看，拱所分担的水平荷载并不是沿拱圈均匀分布，而是从拱冠向拱端逐渐减小。因此，为改善拱圈的受力条件，并考虑到坝肩岩体的抗滑稳定，最合理的拱圈形式应当是变曲率、变厚度、扁平的。基于这个原因，拱坝建设实践中，对建在较宽河谷中的拱坝，或者峡谷中较高的拱坝，拱圈形式已由早期的单圆心拱向多圆心拱、抛物线拱、椭圆拱和对数螺旋线拱等多种形式发展。
4.按厚高比划分
拱坝最大坝高处的坝底厚度T与坝高H之比，称为拱的厚高比T/H。按厚高比可将拱坝划分为：①薄拱坝，T/H＜0.2；②中厚拱坝，T/H＝0.2～0.35（包括0.2、0.35）；③厚拱坝（或重力拱坝），T/H＞0.35。
图3-3 拱坝水平拱圈的形式
5.按中心角和半径沿高度变化划分
按中心角和半径沿高度变化划分，拱坝可分为定圆心定半径拱坝、等中心角拱坝和变中心角变半径拱坝三种。定圆心定半径拱坝是拱坝坝轴面的圆心和半径均固定或基本固定，如我国的龙羊峡拱坝、白山拱坝等。
等中心角拱坝是指大坝从坝顶到坝底，有相等或基本相等中心角（或矢跨比）的拱坝，如美国的萨尔曼河拱坝等，如图3-4所示。
图3-4 等中心角拱坝（单位：m）
变中心角变半径拱坝是指各高程中心角和半径均有一定程度变化的拱坝，一般是随着高度从坝顶或某一高程向下，中心角（或矢跨比）变小，如我国的石门拱坝等，如图3-5所示。
图3-5 变中心角变半径拱坝（单位：m）
6.按拱坝垂直方向曲率划分
在垂直方向上无曲率或基本没有曲率的称单曲拱坝，在垂直方向上有曲率的称双曲拱坝，如图3-6所示。
图3-6 单、双曲拱坝示意图
7.按坝身结构型式划分
按坝身结构型式划分，拱坝可分为：①一般拱坝（单曲、双曲拱坝）；②混合型拱坝（贵州省乌江渡拱坝）；③上拱下部支墩式拱坝；④空腹拱坝（凤滩混凝土空腹重力拱坝）；⑤多层拱坝；⑥拱上拱坝（贵州省窄巷口混凝土拱坝）；⑦周边缝拱坝（天生桥砌石拱坝）；⑧平底缝拱坝；⑨铰拱坝；⑩预应力拱坝。
8.其他分类方法
按建筑材料分为砌石拱坝、混凝土拱坝和钢筋混凝土拱坝。
按照施工方法分为常态混凝土拱坝、碾压混凝土拱坝、装配式混凝土拱坝和分期施工拱坝。
按泄洪结构与拱坝坝身有无结构关系，可分为坝身泄洪拱坝、坝外泄洪拱坝。
按河谷相对宽度的宽窄，分为宽谷拱坝和窄谷拱坝（坝顶高程处河谷宽与坝高比值不大于1，即大体上弧高比1.2以下的拱坝）。
按对称与否，分为对称（基本对称）拱坝和不对称拱坝。
按拱圈厚度是否变化，分为等厚拱坝和变厚拱坝。
四、拱坝的布置原则
拱坝布置的原则是，根据坝址地形、地质、水文等自然条件及枢纽综合利用要求统筹布置，在满足稳定和建筑物运用的要求下，通过调整拱坝的外形尺寸，使坝体材料的强度得到充分发挥，控制拉应力在允许范围之内，同时坝的工程量最小。
1.一般规定
（1）拱坝宜修建在河谷较狭窄、地质条件较好的坝址上。
（2）拱坝坝轴线应选在河谷两岸较厚实的山体上。
（3）拱坝布置应根据坝址地形、地质、水文等自然条件及枢纽的综合利用等要求，进行全面技术经济比较，选择最优方案。
拱坝布置应符合下列要求：
（1）泄洪方式的选择，应根据泄洪量大小，结合工程具体情况确定。除有明显合适的岸边泄洪通道外，宜首先研究采用拱坝坝身泄洪的可行性。
（2）与拱坝相邻的其他建筑物布置，应分析研究其对拱坝应力及拱座稳定的影响。
（3）应分析研究拱坝两岸山体存在不利结构面、缓倾角节理、软弱夹层和下游临空面等因素对拱坝布置的影响，以及采用拱座加固措施的可行性。
（4）应分析研究施工导流、工程施工等对拱坝布置的影响。
（5）最终选定的1级、2级拱坝布置方案，应进行水工模型试验；3级拱坝必要时也应进行水工模型试验。
（6）拱坝设计应进行优化，在满足坝体应力、拱座稳定的条件下，选择最优体形。
2.拱坝体型选择
（1）拱坝体型应根据坝址河谷形状、地质条件、拱座稳定、坝体应力、泄洪布置以及施工条件等因素进行选择。
（2）根据坝址河谷形状选择拱坝体型时，应符合下列规定：
1）V形河谷，可选用双曲拱坝。
2）U形河谷，可选用单曲拱坝。
3）介于V形与U形之间的梯形河谷，可选用单曲拱坝或者双曲拱坝。
4）当坝址河谷的对称性较差时，坝体的水平拱可设计成不对称的拱，或采用其他措施。
5）当坝址河谷形状不规则或河床有局部深槽时，宜设计成有垫座的拱坝。
（3）当地质、地形条件不利时，选择拱坝体形应符合下列要求：
1）可采用两端拱圈呈扁平状、拱端推力偏向山体深部的变曲率拱坝。
2）可采用拱端逐渐加厚的变厚度拱或设垫座的拱坝。
3）当坝址两岸上部基岩较差或地形较开阔时，可设置重力墩或推力墩与拱坝连接。
（4）拱坝体形设计应符合下列要求：
1）必要时采用坝体应力变化平缓的变厚度、变曲率，并符合规范规定。
2）水平拱圈最大中心角应根据稳定、应力、工程量等因素，选为75°～110°。拱端内弧面的切线与利用岩面等高线的夹角不应小于30°，若夹角小于30°，应专门研究拱座的稳定性，调整坝体作用于拱座上的各种作用力的合力方向。
3）合理设计垂直悬臂梁断面，在满足施工期自重拉应力控制标准及坝表孔布置的要求下，可选取较大的下游面倒悬度（水平比垂直）。悬臂梁的上游面倒悬度不宜大于0.3ϒ1。
（5）根据坝体应力、拱座稳定及工程具体条件，可采用抛物线、椭圆、双曲线、多心圆、对数螺线、统一二次曲线等变曲率拱型。
3.拱坝泄洪布置
（1）拱坝泄洪布置，应根据体型、坝高、泄洪量大小、电站厂房位置、泄洪方式（如溢洪道、泄洪洞等）、坝址地形、地质、施工条件、施工期导流及度汛的要求等，经过综合比较选定。常用的拱坝泄流方式有坝顶泄流、坝身孔口泄流、坝面泄流、坝肩滑雪道泄流、坝后厂顶溢流（厂前挑流）等。
（2）拱坝坝身泄洪，其溢流段的长度、泄洪孔尺寸及孔数、位置等，应根据泄洪量和水头大小，对坝体应力及下游冲刷的影响与后果，枢纽运行要求，以及对相邻建筑物的影响等方面研究确定。
（3）当采用拱坝坝身泄洪时，应符合下列要求：
1）下泄水流与坝趾应保持足够的安全距离，下游宜保持足够的水垫深度。
2）应重视泄洪水流挑入河床对两岸山体稳定和其他建筑物运行安全的影响。
3）泄洪量较大时，宜研究落水点纵向拉开、横向扩散或采用对冲消能。
4）应重视泄洪雾化对下游两岸山体、电气设备以及交通等的不利影响，必要时应采取相应的防护措施。
（4）坝身设置的中部偏上的中孔、中部偏下的深孔或底部附近的底孔应符合下列要求：
1）孔口的位置宜避开高应力区和基础约束区。
2）孔口尺寸应根据坝体厚度、应力集中程度、水头大小、闸门允许尺寸等确定。
3）孔口数目应根据所承担的泄洪量大小、坝体应力影响程度等确定。
4）孔口断面宜采用高宽比为0.8～1.6的矩形。
（5）当采用坝身孔口泄洪时，宜设置拦（清）、导（泄）等防污排污措施，并参照《水利水电工程进水口设计规范》（SL285—2003）的规定执行。
4.其他布置要求
（1）当采用坝后式或坝内式厂房时，拱坝坝内或坝面压力管道的布置应根据坝体厚度、压力管道受力状况、施工与运行条件等，经技术经济比较研究确定。布置型式有下列三种：
1）压力管道斜向或垂直布置于坝体内。
2）压力管道从进水口高程水平穿过坝体，再沿下游坝面向下“背管”布置。
3）压力管道贴坝体上游面，垂直下延到机组高程后，再水平穿过坝体布置。
（2）当坝身需要布置供水孔、排沙孔或放水底孔时，其孔口位置、尺寸、数目及形状等应根据其要求和坝体应力情况，参照规范规定执行。
（3）拱坝两岸的连接建筑物（重力墩、推力墩等）的型式、尺寸，应根据地形、地质情况及与坝体连接的方式等，通过应力稳定分析计算确定。