赵华清

(贵阳市水利交通发展投资(集团)有限公司，贵阳550018)

1 拱坝概述

拱坝属于拦水坝中的一种，该坝建筑地理位置一般位于峡谷中，其形态多呈现为水平拱形且凸边面指向上游，两端通过和峡谷山壁紧紧相连接而组成空间壳体结构，进而起到对上游水资源进行拦截和存储的作用。

该坝在设计时，需要对建筑的峡谷地区进行考察，为了保证坝体所有水压力均匀、分散和转移，其设计和修建的拱坝形态往往呈现左右对称，其建筑位置常常选定呈“U”或“V”形峡谷较窄的地带。

拱坝的分类与坝体设计有着紧密联系，根据坝体的宽、高、厚3者的比例，可以将拱坝分成3种类型:一般拱坝、薄拱坝以及重力拱坝。

各类拱坝都向上游弯曲，呈弧形，通过拱的作用，将上游水压力进行分散和转移，让峡谷两端的基岩来承受，这种分散、转移水压力的结构维持了坝体的稳定，且该稳定与坝体借助自身的重量并无太大关系。

它主要与坝体对拱端基岩结构设计有很大关系，通过利用基岩所呈现的反作用来对坝体重量进行支承和稳定[1]。

设计坝体形态时，其能影响坝体整体形态的参数主要有3种:

1)拱弧的半径大小。

2)中心角。

3)圆弧中心沿高程的迹线和拱厚。

不同的河谷地段其地形和地质特点不同，因此，拱坝拱弧半径大小和拱中心角两者的设计也因而发生改变，根据变化的程度可以将拱坝形式分成单曲拱与双曲拱[2－3]。

1.1 单曲拱

单曲拱也被叫做定外半径定中心角拱，若是坝体修建所在河谷地形呈现为矩形或者U型断面，那么其宽度上下并无太大差距，且各高程中心角大小和形态比较类似，外半径一般保持不变，可以通过改变下游半径来适应和符合坝厚变化的要求。

1.2 双曲拱

1.2.1 变外半径等中心角

一般“V”字形河谷其底部较为狭窄，可以通过将各层拱圈外半径从上至下进行逐渐缩减，进而形成变外半径等中心角拱，这样不仅可以大大减少坝体方量，增强拱坝强度，而且更经济实用。

1.2.2 变外半径变圆心

将梁截面也设计成弯曲形状，让悬臂梁同时具有拱的作用，形成变外半径变圆心角拱，这种形式的拱坝更能适应“V”、梯形及其他形状的河谷，布置更加灵活，但是其结构复杂，施工难度也较大。

2 拱坝荷载作用分析及控制指标

拱坝抗震能力的强弱与拱坝承受的荷载作用有着很大关系，要做好拱坝的抗震设计，首先需要对拱坝的荷载作用及各部位荷载作用的控制目标进行了解。

作用在拱坝上的荷载作用主要有:

1)水压力(静水压力和动水压力)作用;

2)温度荷载作用;

3)自重;

4)扬压力;

5)泥沙压力;

6)浪压力;

7)地震荷载作用(地震惯性力和地震动水压力)等[4]。

2.1 拱坝荷载分析

拱坝荷载分析包括自重荷载作用、水平径向荷载作用和地震荷载作用。

2.1.1 自重荷载作用

一般来说，薄拱坝本身重量可以可忽略不计，不会对拱坝稳定产生影响，而对于重力拱坝和中等厚度拱坝来说，其自重的作用必须纳入设计考虑范围，且坝体的自重荷载作用通常由拱坝梁体分担或承担。

2.1.2 水平径向荷载作用

静水压力占据主要地位，其次有浪压力、泥沙压力、冰压力等，压力分散设计时，常常会依靠拱坝的拱体以及梁体来对上述压力进行共同分担。如图1所示。

图1 水平径向荷载作用示意图

2.1.3 地震荷载作用

地震荷载作用又称地震力作用，通常是指地表结构物由于地震波能量的作用而受到的惯性力、土压力和水压力的总称。

由于水平振动对建筑物的影响最大，因而在地表的建筑工程中一般只考虑水平振动，它是现代拱坝建筑施工中重点考虑的主要荷载作用之一。

通常地震产生的荷载作用以地震波形式不同分为3种:

1)横波。即前后左右波动的能量，对地表拱坝施加前后左右的作用力，使拱坝整体获得前后左右的加速度而不停的抖动，通常会使拱坝产生水平扭矩，如果拱坝形体不规则、质量和刚度偏心率较大的话，则会发生严重的扭曲变形，甚至断裂坍塌。

2)纵波。即上下波动的能量，对拱坝施加垂直方向的作用力，产生上下作用的加速度，从而加大或减小拱体和梁体的自稳，引发弯矩变化，破坏拱坝的弹塑性。

3)面波，又称L波。纵波和横波在地表相遇后相互激发产生的混合波，具有横、纵波的双重特点，但是比横波和纵波的振幅都要强，对拱坝施加上下、前后、左右的地震应力，使拱坝产生不定方向的剧烈晃动，可使拱坝拱体弯矩失去重心，左右移动，破坏拱坝力学平衡，造成巨大破坏[5]。

2.2 荷载控制目标

对拱坝的荷载进行有效控制，设立合理的荷载控制目标，不仅是保证拱坝工程整体质量的要求，现行的混凝土拱坝设计规范，是在原有设计规范的基础上重新编制而成，对以往的很多不足进行了改善。

1)在地震烈度6度以下、3级以上水工建筑物，其拱坝设计应加入对地震荷载作用的分析，增设相应的抗震措施。

在抗震烈度为7度的地区，其设计地震荷载加速度为0.1g;抗震烈度为6度的地区，其设计地震荷载加速度为0.05g。

2)对拱坝拱梁的分载进行受力分析时，要综合考虑地形、地质条件，要布置拱梁网络结构，在受力梯度变化大的部分，要加密拱梁网格结构。

3)对高度超过100 m的拱坝，应采用4向以上的变位拱梁分载分析方法，基础计算范围≥1.5倍坝高，并对拱坝荷载进行等效处理。

3 拱坝抗震设计

基于以上对拱坝荷载的分析，可知决定坝体抗震能力的主要因素在于拱坝基岩、拱坝结构、拱坝荷载以及当地地震强态度。

因此，只要针对以上几方面的因素采取措施，即可做好拱坝的抗震设计。

拱坝抗震设计包括地质勘测、地震统计资料分析和坝体局部设计。

3.1 地质勘测

对拱坝进行设计以前，首先要对坝址的地质、地形以及水文等条件进行仔细勘测，修建拱坝的基岩要均匀、坚固完整、有足够的强度、透水性要小，而且要有足够的抗风化能力，以避免因拱坝基岩不坚固造成拱坝荷载不能有效分散。

3.2 地震统计资料分析

对当地的地震统计资料进行分析，包括震源位置、地震强度、地震次数以及地震影响等相关信息。

对拱坝未来可能承受的地震荷载、水流荷载等进行精确计算，依据现行的拱坝设计规范确定拱坝抗震烈度，应该选用的拱坝材料、拱坝宽高比和厚高比、制定拱坝坝体结构及施工技术，确保拱坝的抗震烈度能够承受该地区频发的地震带来的地震荷载[6]。

3.3 坝体布局设计

良好的坝体布局设计可以均衡拱坝各部位的荷载，充分利用地质、地形条件，有效发挥施工技术、工程材料的性能，是保证拱坝安全的重要因素[7]。

1)根据坝址地形、地质以及抗震烈度要求等资料计算出合适的地基开挖深度，精心绘制出坝址基岩面的等高线地形图。

综合考虑坝址的地形、地质、水文、施工难度及工程材料、施工设备的运用条件等，选择最合理的拱坝坝型。

2)利用基岩面等高线地形图，制定出拱坝顶拱轴线的位置，并以顶拱轴线的半径做参考基准，设计出拱冠梁剖面尺寸，并同时设计出各高程拱圈的厚度，确定拱坝高度及宽高比和厚高比。

3)有针对性得切取某部分垂直剖面，对其轮廊进行检查，观察是否连续光滑，倒悬大小是否合适，要按拱坝设计规范的相关要求，科学合理化。

4)根据设计时指定的的坝体尺寸来对整个应力进行计算，同时进行拱坝整体的静态荷载作用以及地震荷载作用计算和坝肩稳定性校核，对拱坝的各项荷载进行均衡分布，如不符合设计规范要求，应及时的修改坝体布置和尺寸。

5)以拱坝沿拱体的轴线方式进行展开，并绘制成立体视图，这能显示出拱坝基岩面的起伏变化，对突变处或断层处进行必要的削平或填塞加固处理，保证拱坝基岩面具有足够的强度支撑拱坝的各项荷载作用。

6)拱坝结构尽量采用高性能的低水化热钢筋混凝土，以有效减轻拱坝整体的自重，降低地震荷载;同时，也避免由于水化热引发温度变化造成拱坝混凝土开裂，使拱坝强度下降。

4 结语

拱坝作为我国的一项重要基础工程设施，其抗震能力的强弱，对于保护下游地区居民的生命和财产安全有着重要意义。

同时，拱坝作为一种大型的高层建筑，其抗震设计涉及了地质、地震、工程结构、工程力学、工程材料等多门学科，是一项复杂的系统工程。

因此，在拱坝的抗震设计工作中，我们一定要加强各部门的合作，严格履行自己的职责，确保拱坝抗震设计工作高质量、高效率完成。

[1]曹去修，向光红，崔玉柱，等.高地震烈度区特高拱坝抗震设计[J].水力发电，2009，35(05):52－55.

[2]李仁鸿.高拱坝抗震设计中相关因素的影响分析[C]//水电·2006国际研讨会.北京:中国水利水电出版社，2006:545－552.

[3]李仁鸿.溪洛渡拱坝抗震设计中相关因素的影响分析[J].水电站设计，2006，22(02):22 －24，45.

[4]林健勇，苏岩，周飞平，等.天花板碾压混凝土双曲拱坝抗震设计[J].水力发电，2011，37(06):52－53.

[5]陈厚群，纪军.西部能源重大研究计划重点资助项目“西部高拱坝抗震安全前沿性基础科学问题研究”取得重要进展[J].中国科学基金，2010(06):282－287.

[6]王开拓，辛全才，马金磊，等.强震区高拱坝抗震安全研究[J].中国水利，2010(10):6－10.

[7]谢能刚，孙林松，赵雷.拱坝拱圈结构的抗震多目标博弈设计[J].水利水运工程学报，2005(04):39－43.