arch dam
简介
向上游弯曲，通过拱作用将承受的载荷主要传到峡谷两岸拱座上去的坝。拱座是拱坝的两岸坝基，亦称拱肩。在合适的地形、地质条件下，拱坝是一种经济可靠的坝型。拱坝坝体方量较小，只有重力坝的30%～80%，且超载能力较高。拱坝坝顶可以布置自由跌流式溢洪孔口或挑流式溢洪孔口以及滑雪道式溢洪道，也可以在坝体内布置泄水深孔或中孔，但总泄量和单宽流量一般较重力坝小。泄洪布置上需注意下泄水流的向心集中问题，并妥善解决好下游的消能防冲问题，尤其需防止下游冲刷影响坝基及拱座的稳定。拱坝的设计、施工比较复杂，对坝址的地形、地质条件要求较高。随着工程经验的积累，现在不仅在地形、地质条件良好的坝址修建拱坝，而且在河谷较宽的坝址和地质条件较差的坝址也修建了不少拱坝。
发展简史 人们很早就知道利用拱的作用修建水坝。公元3世纪在法国修建的坝高12 m的鲍姆(Borm)砌石圆筒拱坝，是世界上最早的一座拱坝。此后，土耳其、伊朗、西班牙和意大利等国相继修建了一些砌石拱坝。1884年美国修建了世界上第一座混凝土拱坝，熊谷(Bear Valley)拱坝，高20 m。20世纪初，拱坝设计还是以圆筒法作为力学模型，20～40年代拱坝设计理论得到发展。美国内政部垦务局(UnitedStates Department of the Interior Bureau ofReclamation，USBR)提出了较完整的试载法(也称拱梁分载法)，使拱坝的设计达到了较高的水平。50年代先在美国然后在法国、意大利、葡萄牙、西班牙、瑞士、日本、前苏联等国家修建了大量拱坝，特别是双曲薄拱坝发展很快。据1980年统计，世界建有15 m以上的拱坝约2500多座，其中坝高100 m以上的120余座。世界最高的拱坝是1984年前苏联建成的英古里(Ингурь)拱坝，坝高271.5 m。中国第一座拱坝是1927年在福建厦门建成的上里砌石拱坝。50年代末分别建成了坝高78 m的流溪河双曲拱坝和坝高87.5 m的响洪甸重力拱坝。70年代以后，中国的拱坝建设发展很快。至1985年末已建坝高15 m以上的拱坝800多座，其中砌石拱坝700多座。最高拱坝有台湾省的德基双曲拱坝(坝高181 m)和青海省的龙羊峡重力拱坝(坝高178 m)。四川省的坝高240 m的二滩双曲拱坝已于1998年蓄水发电，是当今世界上高度第四的拱坝。设计中的小湾、溪洛渡两座双曲拱坝坝高分别达292 m和273 m，坝高均超过当今世界已建成的高拱坝。
类型 拱坝的类型可按筑坝材料、立面的体形、拱圈几何形状、坝体结构和厚高比划分如下。
(1)按筑坝材料分为混凝土拱坝和砌石拱坝(见砌石坝)。
(2)按立面的体形分：仅在水平面上弯曲的拱坝称为单曲拱坝;在水平面上和高程上都弯曲的拱坝称为双曲拱坝(见图1)。
(3)按水平拱圈轴线的几何形状可分为圆拱拱坝、抛物线拱拱坝、双曲线拱拱坝、椭圆拱拱坝和对数螺旋曲线拱坝。圆拱拱坝又可分为单圆心拱坝和多圆心拱坝。多圆心拱坝的水平拱圈的轴线是由多个圆心的圆弧组成的，工程中以采用三圆心拱坝的居多。按各个水平拱的厚度是否变化分为等厚拱拱坝和变厚拱拱坝。一般变厚拱是从拱冠向拱座加厚。
图1 拱坝剖面示意图
(a)单曲拱坝;(b)双曲拱坝
(4)按坝体结构可分为坝体周边嵌固在基岩上的拱坝和有周边缝的拱坝(图2)。多数拱坝属前一种。有周边缝的拱坝沿坝底基础面设置垫座，在坝体与垫座之间设置周边缝，使其起铰的作用，以改善坝体及其基础的应力状况。
图2 有周6边缝的拱坝示意图
(a)立视图; (b)剖面图
(5)按拱坝的厚高比分，中国《混凝土拱坝设计规范》(SD145-85)规定：坝底最大厚度与坝高之比小于0.2的为薄拱坝;0.2～0.35的为中厚拱坝;大于0.35的为厚拱坝，也称重力拱坝。重力拱坝内设置纵向空腔的称为空腹拱坝(见空腹坝)，厚高比与重力坝接近的拱形坝则称为拱形重力坝，属于整体重力坝的范畴。1994年建成的中国隔河岩水电站，主坝高151 m，结合地形地质条件，采用了变封拱高程的上重下拱的重力拱坝的特殊结构型式，经运行实践证明，这种结构是成功的。
载荷 作用在拱坝上的载荷有静水压力、动水压力、温度作用、自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、冰压力和地震作用等。由于拱坝为三维高次超静定结构，温度作用对拱坝具有更为重要意义。确定温度作用需先计算拱坝横缝灌浆时(即封拱时)的坝体温度场，根据坝体相对封拱时年平均温度场的变化，分别得出坝体最大温升和温降的数值。计算温升、温降两种情况下坝体的应力和变形，以及对拱座稳定的影响。
拱座稳定 自1959年坝高66.5 m的法国马尔帕赛(Maepasset)双曲拱坝因拱座滑动失稳溃决后，各国都对拱坝拱座稳定问题十分重视，包括选择有利的坝址、加强地质勘探和岩石力学试验研究以及计算分析等，必要时采取混凝土井、洞置换、灌浆、排水和预应力锚索加固等工程措施对拱座进行加固处理。(见拱座稳定和岩基处理)
应力分析 拱坝主要承受压应力。受载荷后坝体内的应力分布及拉、压应力的量值是影响工程安全的重要因素。拱坝应力分析一般采用拱梁分载法计算，由于科研的进展和经验的积累，有限元分析方法得到了广泛的应用。比较高的及复杂的拱坝，如坝内设有孔洞、基础条件复杂等，需采用有限元法计算或用结构模型试验加以验证。