拱壩設計的步驟與方法研究

摘要：現代水工設計中，拱壩的優化設計已日趨成熟，但是，拱壩設計中要應對的因素也是千變萬化的。文章主要基于實際經驗出發，分析拱壩設計應遵從科學規律，從而達到設計優化的目的。

關鍵詞：拱壩設計；步驟；方法

中圖分類號：TV642.4文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）18-0145-01

1拱壩壩體布置的步驟與方法

①確定拱壩軸線、頂拱和拱圈形式。

②確定拱冠梁的剖面形式和尺寸。在拱壩軸線、頂拱和拱圈形式確定之后，即可確定拱冠梁的剖面形式和尺寸，包括壩頂部厚度、壩底部厚度和剖面形狀（或上游面曲線）。

③壩體平面布置。壩體平面布置的一般步驟如下：根據壩址地形地質資料，確定開挖深度，繪出利用巖石面（開挖后的表面）的等高線平面圖；綜合考慮壩址地形、地質、水文、施工及運用條件等，選擇適宜的拱壩壩型；按照前述方法初步擬定拱冠梁斷面形式和尺寸。

④在地形圖上進行拱壩平面位置的初步布置，要求拱弧近似對稱于中心線，初步選定中心角及半徑，中心角一般為90°～100°左右。選定中心角后，先定壩頂拱圈，再繪制壩底拱圈，然后初擬圓心軌跡線，并從上往下繪制各層拱圈。

⑤在拱壩布置圖上截取幾個剖面，檢查懸臂梁外部輪廓是否光滑，倒懸是否過大，在總體上是否遵循連續原則。當實際地形變化不連續時，可采取適當的結構措施，如布置重力墩、推力墩、墊座和開挖處理等方法調整地形。

⑥根據所擬拱圈尺寸，進行壩體工程量計算、應力分析穩定審核，根據計算成果，再按需要修改各部分尺寸，重復上述工作，直至獲得符合技術經濟要求的壩體輪廓布置為止。

2拱壩設計分析

2.1拱壩壩體的應力分析

①拱壩的荷載。拱壩的荷載包括靜水壓力、動水壓力、自重、泥沙壓力、冰壓力、浪壓力、揚壓力、溫度作用以及地震作用等，基本上與重力壩相同。但由于拱壩本身的結構特點，有些荷載計算方法及其對壩體應力的影響與重力壩不盡相同，設計中需要注意。

②拱壩的應力分析。拱冠梁法是按中央懸臂梁（拱冠梁）與若干層水平拱在其相交點變位一致的原則下分配荷載的拱壩應力分析方法，是簡化了的拱梁分載法。一般是沿壩高選取5～7層水平拱圈，僅考慮承受徑向荷載，并假定荷載沿拱圈為均勻分布。

2.2拱壩壩肩巖體抗滑穩定分析

在完成拱壩平面布置和應力計算之后，應對壩肩巖體進行抗滑穩定分析，這是許多國家拱壩設計規范中都明確規定的。

①壩肩巖基的危險滑動面。在進行穩定計算時，首先應把壩軸線附近基巖的節理、裂隙以及各種軟弱結構面的產狀調查清楚，才能判斷可能滑動面的位置。如果節理走向大致平行于河流，而傾角大致平行于或緩于山坡，則對穩定極為不利，特別是對于張開的節理，其間有軟弱充填物存在時，這種節理往往是危險的滑動面。巖基中往往有許多組節理存在，并相互交錯，把基巖分成各種形狀的塊體，情況很復雜。進行穩定分析時，可假定幾種不同的滑動面，計算其相應的安全系數。

②局部抗滑穩定與整體抗滑穩定分析。抗滑穩定計算，首先進行局部抗滑穩定驗算，即在高度方向設定n個典型高程（一般取應力計算時的幾個水平拱圈高程），在每個典型高程處取單位高度的拱圈進行分層校核，如各層拱的穩定性均無問題，則整個壩體必然是安全的。局部穩定不滿足要求時，就必須進一步分析整體的穩定性。

③改善措施。壩肩穩定是拱壩設計中一個關鍵性的問題。通過校核計算和地質分析，如壩肩的抗滑穩定不能滿足要求時，應采取以下改善措施：

第一，加強地基處理，對不利的節理進行有效的沖洗和固結灌漿，以提高其抗剪強度；對可能滑動的軟弱結構面，設置抗滑混凝土塞或置換混凝土；設置支撐樁，將推力轉移至堅固的巖體。第二，將拱端向岸壁深挖嵌進，以擴大下游的抗滑巖體。第三，在拱圈布置時，盡量使拱端推力接近垂直于節理走向，以增強摩擦力，并減少滑動力，或改進拱圈形式，使拱端推力盡可能趨向正交于岸坡。第四，如基巖承壓較差，可局部擴大拱端或采用推力墩。

2.3拱壩的壩身泄水

根據拱壩壩身泄水結構布置的特點，拱壩壩身的泄水方式可以歸納為壩頂自由跌流、壩頂小鼻坎挑流、壩面泄流、滑雪道泄流和壩身孔口泄流等。

①壩頂自由跌流。對于較薄的雙曲拱壩或小型拱壩，常采用壩頂自由跌流的方式。溢流頭部可做成平頂式，也可做成非真空的標準堰形。這種形式適用于基巖良好、單寬泄流量較小的情況。由于落水點距壩址較近，壩下必須設有護坦等防護措施。

②壩頂小鼻坎挑流。該形式是在壩頂溢流堰曲線末端以反弧段連接成為挑流鼻坎。挑流鼻坎多采用連續式結構，挑坎末端與堰頂之間的高差一般不大于6~8 m，為堰頂設計水頭Hd的1.5倍左右；坎的挑角100°≤a≤25°；反弧半徑R與Hd大致接近。差動式齒坎可促使水流在空中擴散，增大與空氣的摩擦，減少單位面積的入水量，但在構造與施工上都較復雜，且宜受空蝕破壞。過堰水流經鼻坎挑射后，落水點距壩址較遠，適用于泄流量較大的較薄拱壩。

③壩面泄流。壩面泄流是指將水流順壩面下泄至底部后，經挑流底坎或消力池消能的泄水方式，一般只適用于斷面較厚，而且下游面坡度比較規則的重力拱壩。

④滑雪道泄流。滑雪道泄流是拱壩特有的一種泄洪方式，其溢流面由溢流壩頂和與之相連接的渡槽組成。水流過壩以后，流經渡槽，由槽末端的挑流鼻坎挑出，使水流在空中擴散，下落到距壩址較遠的地點。挑流坎一般都較堰頂低很多，落差較大，因而挑距較遠，適用于泄洪量較大的拱壩。

3壩內布置規劃和構造設計

①拱壩壩縫。當壩頂厚度大于40 m時，可考慮設計縱縫。縱縫基本上平行于壩軸線布置，其作用主要是防止混凝土沿上下游方向收縮而產生裂縫。橫縫宜采用徑向或接近徑向布置，間距為15~25 m，其主要作用是防止混凝土沿壩軸線方向收縮而產生裂縫。縱、橫縫將壩體切割為若干柱狀體，混凝土按此柱狀體澆筑上升。縱、橫縫面上一般設有鍵槽，并進行接縫灌漿，以保持壩的整體性。縱、橫縫的設置需考慮多種因素統籌安排。由于縱、橫縫不僅給施工帶來很多不便，而且縫面只能傳遞壓剪應力，一般難以傳遞拉應力，是壩體的薄弱部位。因此，在滿足設計與施工的情況下，應盡量減少縱、橫縫數量。

②拱壩廊道。縱向廊道距上游面不宜太近，應布置在壓應力區，且不過分惡化壩體應力，同時應滿足防滲要求。廊道上游壁壩體厚度一般為0.05～0.1倍該處水庫水頭，且不小于3 m。對于低壩或薄拱壩，可不設廊道，常在壩后或混凝土澆筑面上進行帷幕灌漿，后者將影響大壩澆筑進度。

③壩頂布置。壩頂布置包括壩頂高程、壩頂寬度的確定；解決好壩頂交通、閘門啟閉設備、觀測設備、照明設備、排水及動力電纜溝等布置以及相互關系，以滿足施工、運行及防洪等要求。拱壩壩頂的超高值與重力壩相同，其結構形式和尺寸應按使用要求來確定；壩頂結構尺寸應滿足運行、交通、觀測、照明等要求。非溢流壩段，壩頂實體寬度是由拱壩體形設計確定，不宜小于3 m；溢流壩段或廠房壩段，應結合泄水和引水建筑物進水口布置，滿足啟閉設備操作運行要求；如有公路通過，還應滿足行車和人行道要求及壩頂照明、電纜布置要求。

④壩體排水布置。壩內一般采用豎向排水管，管間距宜為2.5～3.5 m，管內徑宜為15～25 cm。排水管的水，一般排至縱向廊道的排水溝內，各層縱向廊道的滲漏水，與基礎排水統籌安排形成一個排水系統，或自流排到壩外，或集中引到排水井，再抽排至下游。

4結語

總而言之，在拱壩設計與規劃上，要做到因地制宜，實事求是，靈活運用設計方法進行壩體內部與外部的布置，才能提高設計水平。

參考文獻：

[1] 張仲卿.碾壓混凝土拱壩[M].北京:中國水利水電出版社， 2002.

[2] 朱伯芳.碾壓混凝土拱壩的溫度控制和接縫設計[J].國際 水力發電，2003，(8).