第二节　拱坝的荷载及组合

一、拱坝的设计荷载

作用于拱坝的荷载有静水压力、动水压力、温度荷载、自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、冰压力和地震荷载等。但由于拱坝的结构特点使上述荷载对坝体应力的影响与重力坝又不尽相同。

（一）一般荷载的特点

1.水平径向荷载

水平径向荷载包括：静水压力、泥沙压力、浪压力及冰压力。其中，静水压力是坝体上的最主要荷载，应由拱、梁系统共同承担，可通过拱梁分载法来确定拱系和梁系上的荷载分配。

水平径向静水压力强度的计算如下：

式中　p——作用于坝面的静水压力强度；

γ——水的重度；

h——计算点处的水深。

将p转化为拱轴线上的压力强度p′时，则

式中　Ru、R——拱圈外弧半径和平均半径。

2.自重

混凝土拱坝在施工时常分段浇筑，最后进行灌浆封拱形成整体。在拱坝形成整体前，各坝段的自重变位和应力已形成，全部自重应由悬臂梁承担。

由于拱坝各坝块的水平截面都呈扇形，如图3－8所示，截面A1与A2间的坝块自重G（kN）可按辛普森公式计算：

式中　γh——混凝土重度，kN/m3；应根据选定的混凝土配合比通过试验确定，无试验资料时可采用23.5～24.0kN/m3；

ΔZ——计算坝块的高度，m；

A1、A2、Am——上、下两端和中间截面的面积，m2。

或简单地按式（3－4）计算：

3.扬压力

拱坝坝体一般较薄，坝体内部扬压力对应力影响不大，对薄拱坝通常可忽略不计；较厚拱坝宜考虑扬压力作用；在进行拱座及坝基稳定分析时必须计算扬压力的作用。

（二）温度荷载

拱坝为一超静定结构，在上、下游水温，气温周期性变化的影响下，坝体温度将随之变化，并引起坝体的伸缩变形，在坝体内将产生较大的温度应力，在薄拱坝中影响更大。据实测资料分析表明，在由水压力和温度变化共同引起的径向总位移中，后者约占1/3～1/2。温度荷载是拱坝设计的主要荷载。

拱坝是分块浇筑，需充分冷却。当坝体温度逐渐降至相对稳定值时，进行封拱灌浆，形成整体。拱坝封拱一般选在气温为年平均气温或略低于年平均气温时进行。封拱时温度越低，建成后越有利于降低坝体拉应力。在封拱时的坝体温度称为封拱温度，它是衡量坝体温升和温降的计算基准。所谓温度荷载是指拱坝形成整体后，坝体温度相对于封拱温度的变化值。当坝体温度低于封拱温度时，称为温降，拱圈将缩短并向下游变位，如图3－9（a）所示，由此产生的弯矩、剪力及位移的方向都与库水压力作用下所产生的弯矩、剪力及位移的方向相同，但轴力方向相反；当坝体温度高于封拱温度时，称为温升，拱圈将伸长并向上游变位，如图3－9（b）所示，由此产生的弯矩、剪力和位移的方向与库水压力所产生的方向相反，但轴力方向则相同。因此，在一般情况下，温降对坝体应力不利；温升将使拱端推力加大，对坝肩稳定不利。

拱坝受外界温度影响后，坝体内在某一时刻的实际温度沿坝体厚度方向呈曲线分布。设坝内任一水平截面在某一时刻的温度分布如图3－10（a）所示。为便于计算方便，可将其与封拱温度的差值，即温度荷载视为三部分的叠加，见图3－10。

1.均匀温度变化（t1）

这是温度荷载的主要部分，受外界温度的变幅和周期、封拱温度、坝体厚度及材料的热学特性等因素所控制。它对拱圈轴向力和力矩、悬臂梁力矩等都有很大影响。

2.等效线性温差（t2）

水库蓄水后，由于水库水温变幅小于下游气温变幅，故沿坝厚常有温度梯度t2/T。它对拱圈力矩的影响较大，而对拱圈轴向力和悬臂梁力矩的影响很小。在中、小型工程中一般可不考虑。

3.非线性温度变化（t3）

它是以坝体温度变化曲线上扣去t1和t2后的剩余部分，是局部性的，产生局部应力，不影响整体变形，在拱坝设计中一般可略去不计。

对于中、小型拱坝，t2、t3较小，略去不计，可视情况采用下列经验公式计算拱坝的温度荷载（℃）。

式中　T——坝厚，m。

这两个经验公式都是很粗略的。对于坝顶部分得出的结果偏小，不宜用于厚度小于10m的部位；而对于坝下段的较厚部分则结果又稍偏大。

（三）地震荷载

由于拱坝的结构特性、对地震的反应与重力坝不同，拱坝应分别对顺流向和垂直流向的水平地震力进行计算，一般不考虑竖向地震作用。

根据SL 203—97《水工建筑抗震设计规范》规定，拱坝的地震作用效应计算仍按表2－6的规定采用动力法或拟静力法。

对于工程抗震设防类别为乙类、丙类，设计烈度低于8度且坝高不大于70m的拱坝，可采用拟静力法计算。

二、拱坝的荷载组合

混凝土拱坝设计荷载组合可分为基本组合和特殊组合两类。基本组合由基本荷载组成，特殊组合除相应的基本荷载外，还应包括某些特殊荷载。荷载组合应按表3－1的规定确定。