第六节　拱坝的材料与构造

一、拱坝的材料

拱坝的材料主要是混凝土，中、小型工程常就地取材，采用浆砌石。拱坝对材料强度的要求高于重力坝。坝体混凝土一般以60天或90天龄期极限抗压强度fc为设计强度，抗拉强度一般取fc的1/10～1/15。坝体各部位混凝土强度，除应满足规范要求外，对高坝近坝基部位混凝土的90天龄期强度不得低于C25，内部不低于C20，为保证混凝土的早期抗裂性，还应控制表层混凝土17天龄期强度不低于C10。对坝体厚度小于20m的薄拱坝，混凝土强度可不必分区，对较高拱坝或较厚的重力拱坝，由于应力差异较大，可在坝体内部、外部和拱端分别采用不同强度等级，拱端应力较大，可提高混凝土强度等级，坝体内部应力较低，可用较低强度的混凝土。除强度外还应保证坝体对混凝土耐久性方面的要求，但一般也不作专门分区。对承受高速水流和挟沙水流冲刷的坝内管孔、溢流面等部位，混凝土应具有很好的抗磨性，应降低混凝土水灰比，采用高硬度骨料，提高振捣密实程度和表面光度，也可局部提高混凝土强度等级，或作专门的层面。拱坝一般只在上游坝面（1/10～1/15）h（h为水面下深度）厚度范围内浇筑抗渗和抗冻性能较好的混凝土，在下游坝面1～2m范围内浇筑抗冻性能较好的混凝土。

二、坝顶

拱坝的坝顶超高与重力坝相同，当无交通要求时，非溢流坝坝顶宽度，中、高坝一般不小于3m，低坝不小于2m，坝顶构造及溢流坝段坝顶工作桥、交通桥等的尺寸与布置均同于重力坝。地震区拱坝应尽量减轻上部结构自重，以提高其抗震性能；严寒地区的拱坝，为防止坝顶渗水冻胀开裂，可在顶部适当配置钢筋。

三、拱坝分缝

为施工散热，防止混凝土产生温度及收缩裂缝和满足浇筑能力要求，拱坝也需要分层分块浇筑，各块之间设置收缩缝，待坝体混凝土冷却到稳定温度（一般为年平均气温或比之低2～3℃）时，再用水泥浆封灌，使拱坝成为整体。拱坝收缩缝有横缝和纵缝两种，见图3-36。横缝一般沿半径或接近半径向布置，这样，在灌浆压力作用下，坝段的扭应力及位移最小，可灌性好，灌浆质量高。对于单曲拱坝，沿径向布置的横缝是一铅直平面，而对双曲拱坝，由于各层拱圈半径方向不一致，沿径向布置的横缝是一连续扭曲面，施工较为复杂。为简化施工，对中小型坝或坝面曲率变化不大的拱坝，也可以1/2坝高处的拱圈径向为准作铅直平面来分缝。横缝间距一般15～25m，横缝底部缝面与地基面夹角不得小于60°，应尽量接近正交，横缝内设置铅直方向的梯形缝槽，见图3-37（a），以提高缝面的径向抗剪强度。

对于较薄的拱坝，一般可不设纵缝。当坝体厚度大于40m时，可考虑设置纵缝，相邻坝块间的纵缝应错开5～8m，以利于增强拱坝的整体性。为方便施工，纵缝一般为铅直，到缝顶附近缓转成与下游坝面正交，避免浇筑块出现尖角。为提高纵缝铅直向抗剪强度，纵缝内设水平向三角形键槽，槽的其中一面宜和一个主应力的方向接近垂直，见图3-37（c）。

按封拱时填灌方式不同，拱坝收缩缝有窄缝和宽缝二种。窄缝施工时不留缝宽，是由混凝土收缩自然形成的缝，施工时缝内预埋灌浆系统，封拱时可进行压力灌浆。宽缝是指相邻坝块间留有一定宽度的收缩缝，见图3-37（b），缝宽一般为0.7～1.2m，必要时还可加大，如法国鲍尔重力拱坝，高121m，为适应地基处理需要，缝宽达4m。宽缝内设键槽，封拱时直接用混凝土填塞。宽缝散热条件好，但封拱混凝土冷却后仍可能产生新的收缩缝，较高的拱坝还需进行再灌浆，多用于中小型工程。大中型工程和较高的拱坝，一般采用窄缝。

四、廊道、坝体排水与管孔

为满足检查、观测、灌浆、排水等要求，拱坝坝体内也需要设置廊道与竖井，其布置与尺寸基本上与重力坝相同。对高度不大的拱坝，在坝体内可只设一层灌浆廊道，而将检查、观测、封拱灌浆等工作移到坝后桥上进行，坝后桥桥宽一般为1.2～1.5m，上下层间隔20～40m，兼作两岸交通通道，在与坝体横缝对应处应留有伸缩缝，缝宽1～3cm。

建在无冰冻地区的拱坝，坝身可不设排水管，对较厚的或建在寒冷地区的拱坝，一般需设置竖向排水管，管径为15～20cm，间距为2.5～3.5m。图3-38为我国安徽响洪甸重力拱坝最大剖面的廊道及坝体排水管布置图。

拱坝坝体内管道及孔口的布置、尺寸、数目、形状等，应根据运用要求和坝体应力情况确定。由于拱坝坝体单薄，一般说，应避免孔数过多，孔径过大和位置过于集中；孔口位置应避开高应力区及基础约束区。从坝体剖面看，离坝底1/3～1/2坝高的区域内应力较大；从平面看，拱冠与拱端处应力较大，不宜布置管孔。从运用与受力情况看，为泄洪用的泄水孔多用四角抹圆的矩形断面，因流速较高，最好用钢板衬砌，当内水压力不大时，也可不用，孔口周边需局部配筋。为发电、灌溉和供水等目的而设的坝内管孔，一般泄流量和断面较小，常用圆形断面，进口多为矩形，二者间用渐变段连接。

五、垫座与周边缝

当坝址河谷地形不规则、断面不对称或局部有深槽时，为使拱坝获得较好的体形，改善坝体应力情况，可在基岩与坝体之间做一断面扩大的人工基础，即垫座。垫座与坝体之间形成周边缝，见图3-39。根据河谷具体情况，垫座可设在坝体的全部或一部分周边。周边缝为一永久性缝，一般做成二次曲线或卵形曲线，在径向断面上多为圆弧曲线，半径多取该处坝体厚度的1倍以上，缝面略向上游倾斜，与坝体传至垫座上的压力正交，为方便施工也有的做成一般弧线或直线。垫座厚度由坝体传来的作用力和地基承载能力确定，一般大于坝体厚度，高度一般为1～5m。

拱坝设置垫座后，可改善拱坝的支承条件，周边缝接近起铰的作用，可减小坝体传至垫座的弯矩，从而减小甚至消除坝体上游面的竖向拉应力，使坝体和垫座间的应力分布趋于均匀，也减小了灌浆帷幕受拉破坏的可能性。同时，垫座增大了与基岩的接触面积，改善了坝基的受力状态。但周边缝不同程度地削弱了拱坝的整体刚度，坝体和垫座间抗滑稳定的安全度较低，采用时须经充分论证。

拱坝设置周边缝后，梁的刚度有所减弱，拱的作用相对加强。对宽浅河谷的小型拱坝，也有的为了提高拱的作用，采用设周边缝的拱坝，例如我国浙江的光明、东溪等双曲拱坝，就设置了沥青底滑缝垫座。

六、重力墩和推力墩

当坝址河谷一岸或两岸较宽阔，或可利用基岩面的高程偏低，或坝基某处地质条件有缺陷时，为了调整河谷断面形状或减小宽高比，可设置重力墩或推力墩作为拱坝坝端的人工支座，见图3-40。而有时在较平缓的一岸需设置岸边溢洪道或其他型式坝段（如重力坝或土坝）时，其与拱坝之间也需设重力墩连接。重力墩主要是依靠自重在墩底与基岩接触面间产生的摩擦力来承担拱端作用力，其自重应根据拱端抗滑稳定的要求确定。推力墩则是将拱端作用力沿水平方向传给基岩，作用与垫座相似，其厚度大于坝体厚度，按拱梁法计算坝体应力时，一般作为坝基部分考虑。