重力式拱壩是一種建築在峽谷中的攔水壩，做成水平拱形，凸邊面向上游，兩端緊貼著峽谷壁。重力式拱壩能把一部分水平荷載傳給兩岸，常用與攔水發電等工程。
基本介紹
- 中文名：重力式拱壩
- 拼音：zhong li shi gong ba
- 功能：攔截水流
- 領域：水利工程
- 結構：空間殼體結構
- 材質：鋼筋混凝土
設計情況,地基處理,壩基開挖,固結灌漿和接觸灌漿,帷幕灌漿,壩基排水,工作特點,布置原則,控制指標,
設計情況
重力式拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建築物，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。重力式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，底部座落在河床或兩岸基岩上。重力式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。重力式拱壩的結構作用可視為兩個系統，即水平拱和豎直梁系統。
水荷載及溫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。重力式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。重力式拱壩主要的缺點是對壩址河谷形狀及地基要求較高。
重力式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。
重力式拱壩壩址地質條件，一般是上部岩石比下部差，左右岸岸坡均有軟弱夾層。為了使重力式拱壩傳給基岩的推力分散，易於保持穩定，中小型重力式拱壩工程，擴大其拱端尺寸，即將壩布置為變截面圓拱成大頭重力式拱壩是有效的。但相對於重力壩，重力式拱壩對壩址岩石基礎的要求相對重力壩要少一些。
地基處理
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。整個壩基利用岩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布置原則。河床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，因河床覆蓋層較厚，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
帷幕線一般布置在壓應力區，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，將影響拱座岩體穩定，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
在防滲帷幕後應設定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。
工作特點
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。
布置原則
拱壩布置的原則是，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布置，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，故拱壩布置需有較多的方案，進行全面技術經濟比較，選擇最優方案。而最終選定的布置方案，一般需經模型試驗論證。拱壩布置的步驟:拱壩布置複雜，需結合地形地質條件，反覆修訂，作多方案比較，最後定出布置圖。
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。
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布置和尺寸。
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。
控制指標
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，隨著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。
