第三章　拱壩

第一節　概述

一、拱壩的特點

拱壩是一空間殼體結構，其壩體結構可近似看作由一系列凸向上游的水平拱圈和一系列豎向懸臂梁所組成，如圖3－1所示。

壩體結構既有拱作用又有梁作用，因此具有雙向傳遞荷載的特點。其所承受的水平荷載一部分由拱的作用傳至兩岸巖體，另一部分通過豎直梁的作用傳到壩底基巖，如圖3－2所示。拱壩所坐落的兩岸巖體部分稱為拱座或壩肩；位于水平拱圈拱頂處的懸臂梁稱為拱冠梁，一般位于河谷的最深處。

拱壩在外荷載作用下的穩定性主要是依靠兩岸拱端的反力作用，并不完全依靠壩體重量來維持穩定。這樣就可以將拱壩設計得較薄。

拱結構是一種推力結構，在外荷作用下內力主要為軸向壓力，有利于發揮筑壩材料（混凝土或漿砌塊石）的抗壓強度。若設計得當，拱圈的應力分布較為均勻，彎矩較小，拱的作用就發揮得更為充分，材料抗壓強度高的特點就愈能充分發揮，從而壩體厚度就越薄。一般情況下，拱壩的體積比同一高度的重力壩體積約可以節省1/3～2/3，因而，拱壩是一種比較經濟的壩型。

拱壩是高次超靜定結構，當發生超載或壩體某一部位產生局部裂縫時，壩體的梁作用和拱作用將自行調整，梁向荷載和拱向荷載將相互轉移，壩體應力將重新分配，原來低應力部位將承擔增大的應力，原來高應力部分的應力不再增長，裂縫可能停止發展甚至閉合。所以，只要拱座穩定可靠，拱壩的超載能力是很高的。國內外拱壩的結構模型破壞試驗也表明，混凝土拱壩的超載能力可達設計荷載的5～11倍。

拱壩壩體輕韌，彈性較好，整體性好，故抗震性能也是很高的。在工程實踐中，至今尚未發現有拱壩因地震而破壞或失事，例如意大利的盧美（Lumie）雙曲拱壩（高136m），1975年5月6日經歷了烈度為8～9度的地震，實測地震加速度為0.44g，但壩體安全無損。所以拱壩是一種安全性能較高的壩型。目前，在地震區已修建了不少拱壩，如世界最高的的英古里拱壩，壩高272m，修建在9級強地震區。

拱壩壩身不設永久伸縮縫，其周邊通常是固接于基巖上，因而溫度變化和基巖變化對壩體應力的影響較顯著，設計時必須考慮基巖變形，并將溫度荷載作為一項主要荷載。

在泄洪方面，過去常認為拱壩壩體比較單薄，不宜從壩身宣泄很大的流量。但實踐證明，拱壩不僅可以在壩頂安全溢流，而且可以在壩身開設大孔口泄水。目前壩頂溢流或壩身孔口泄水的單寬流量已超過200m3/（s·m）。近年來，拱壩溢流已漸趨普遍。

拱壩壩身單薄，體型復雜，設計和施工的難度較大，因而對筑壩材料強度、施工質量、施工技術以及施工進度等方面要求較高。

二、拱壩對地形和地質條件的要求

（一）對地形的要求

地形條件是決定拱壩結構型式、工程布置以及經濟性的主要因素。理想的地形應是左右兩岸對稱，岸坡平順無突變，在平面上向下游收縮的峽谷段。壩端下游側要有足夠的巖體支承，以保證壩體的穩定，如圖3－2所示。

壩址處河谷形狀特征常用河谷“寬高比”L/H及河谷的斷面形狀兩個指標來表示。

拱壩的厚薄程度，常以壩底最大厚度T和最大壩高H的比值，即“厚高比”T/H來區分。當T/H＜0.2時，為薄拱壩；當T/H＝0.2～0.35時，為中厚拱壩；當T/H＞0.35時，為厚拱壩或重力拱壩。

L/H值小，說明河谷窄深，拱壩水平拱圈跨度相對較短，懸臂梁高度相對較大，即拱的剛度大，梁的剛度小，壩體所承受的荷載大部分是通過拱的作用傳給兩岸，因而壩體可設計得較薄。反之，當L/H值很大時，河谷寬淺，拱作用較小，荷載大部分通過梁的作用傳給地基，壩斷面必須設計得較厚。一般情況下，在L/H＜2的窄深河谷中可修建薄拱壩；在L/H＝2～3的中等寬度河谷中可修建中厚拱壩；在L/H＝3～4.5的寬河谷中多修建重力拱壩；在L/H＞4.5的寬淺河谷中，一般只宜修建重力壩或拱形重力壩。隨著近代拱壩建設的發展，已有一些成功的實例突破了這些界限。美國的奧本三心雙曲拱壩高210m，河谷斷面寬高比為6；法國設計的南非亨德列·維樂沃特雙曲拱壩高90m，河谷斷面寬高比已達10。

不同河谷即使具有同一寬高比，其斷面形狀可能相差很大。圖3－3代表兩種不同類型的河谷形狀在水壓荷載作用下，拱梁系統的荷載分配以及對壩體剖面的影響。左右對稱的V形河谷最適宜發揮拱的作用，靠近底部水壓強度最大，但拱跨短，因而底拱厚度仍可較薄；U形河谷靠近底部拱的作用顯著降低，大部分荷載由梁的作用來承擔，故厚度較大；梯形河谷的情況則介于這兩者之間。

（二）對地質的要求

地質條件也是拱壩建設中的一個重要問題。拱壩地基的關鍵是兩岸壩肩的基巖，它必須能承受由拱端傳來的巨大推力，并保持穩定，不產生較大的變形，以免惡化壩體應力甚至危及壩體安全。理想的地質條件是：基巖均勻單一、完整穩定、強度高、剛度大、透水性小和耐風化等。但是，理想的地質條件是不多的，應對壩址的地質構造、節理與裂隙的分布，斷層破碎帶的切割等認真查清。必要時，應采取妥善的地基處理措施。

隨著經驗的積累和地基處理技術水平的不斷提高，在地質條件較差的地基上也建成了不少高拱壩。我國的龍羊峽重力拱壩，基巖被8條大斷層和軟弱帶所切割，風化深，地質條件復雜，且位于9度強震區，但經過艱巨細致的基礎處理，成功地建成了高達178m的混凝土重力拱壩。

三、拱壩的形式

1.按拱壩的曲率分

按拱壩的曲率分有單曲和雙曲。單曲拱壩在水平斷面上有曲率，而懸臂梁斷面上不彎曲或曲率很小［圖3－4（a）］。單曲拱壩適用于近似矩形的河谷或岸坡較陡的U形河谷。雙曲拱壩在水平斷面和懸臂梁斷面都有曲率，拱冠梁斷面向下游彎曲［圖3－4（b）］。雙曲拱壩適用于V形河谷。

2.按水平拱圈型式分

按水平拱圈型式可分為圓弧拱壩、多心拱壩、變曲率拱壩（橢圓拱壩和拋物線拱壩等）。圓弧拱［圖3－5（a）］壩拱端推力方向與岸坡邊線的夾角往往較小，不利于壩肩巖體的抗滑穩定。多心拱壩［圖3－5（b）、（c）］由幾段圓弧組成，且兩側圓弧段半徑較大，可改善壩肩巖體的抗滑穩定條件。變曲率拱壩（拋物線拱、橢圓拱等）的拱圈中間段曲率較大，向兩側曲率逐漸減小，如圖3－5（d）～（f）所示。

四、拱壩的發展概況

目前世界拱壩發展速度之快僅次于土石壩，且多修建高拱壩、雙曲拱壩和薄拱壩。各國拱壩發展快，其原因為：①工程量較小，投資較省，并具有超載潛力大等優點；②打破了或放松了過去對修建拱壩的傳統規定，如過去要求河谷寬高比不大于3.0～3.5，現提高到5～6，甚至個別拱壩提高至10～12；③適當放寬了對地基的要求并提高了地基處理技術。世界各國100m以上高壩中以拱壩最多，據統計，拱壩占100m及200m以上混凝土壩總數的比例相應為33%及45%。

目前我國已建成的二灘雙曲拱壩，最大壩高240m；最高的拱壩是即將建成的錦屏一級水電站混凝土雙曲拱壩，壩高305m，目前也是世界最高拱壩；最薄的拱壩是廣東省的泉水雙曲拱壩，壩高80m，原高比T/H為0.112。

為適應不同的地質條件和布置要求，還修建了一些特殊的拱壩，如湖南省鳳灘拱壩，采用了空腹形式（圖3－6）；貴州省的窄巷口水電站，采用拱上拱的工程措施，以跨過河床的深厚砂礫層（圖3－7）。

目前我國在建的最大壩高達278m的金沙江溪洛渡雙曲拱壩、瀾滄江小灣拱壩（292m）以及擬建的雅礱江錦屏一級（305m）雙曲拱壩，均超過世界最高的英古里拱壩，這在我國拱壩建設史上是空前的，標志著我國壩工建設的快速發展。