拱坝因体型、结构、安全、经济方面的优越性,在国内外水利水电建设中广泛使用。拱坝是一种空间壳体结构,有复杂的边界条件、几何形状和应力状态,要找到既经济又安全的拱坝体形比较困难。所以,研究拱坝应力分析及体形优化设计的方法,在拱坝工程的设计中非常重要。目前主要以拱梁分载法和有限元法的计算结果来衡量拱坝强度安全。拱梁分载法在国内外广泛使用,它把复杂的弹性壳体问题简化为结构力学的杆件计算,将拱坝看成系列拱圈和铅直梁组成,通过求解结点变位一致的代数方程组来求得拱系和梁系的荷载分配,优点是计算数据少、速度较快、成果直观;但常规的拱梁分载法不能考虑拱坝与地基间的相互作用,使计算结果失真。而有限元法通过将地基和坝体离散为有限个单元并以结点相互连接,通过建立结点位移和结点力之间的平衡方程,求出结点位移进而得到单元应力,它的计算功能较拱梁分载法更强,可以考虑复杂基础、大孔口、分期施工等难以处理的问题,是一种实用而有效的方法,但计算量太大,必须借助于计算机才能完成,由于有限元计算结果为应力而非内力,不便于工程师们使用。在分析和研究拱坝基本理论的基础上,推导了四向变位(径、切、扭、弯)协调的拱梁分载方法并编制程序,四向变位协调能充分考虑不同的拱与不同的梁之间的剪扭效应、不同的拱圈及不同的梁端与地基的相互作用;结合贵州省威宁县赖子河拱坝工程,分别采用四向协调、拱梁分载法和有限单元法进行了应力计算,计算结果表明:四向协调和拱梁分载法计算速度相同,但四向协调结果更接近有限元结果。贵州省赖子河拱坝的地形因下部痩窄但上口较为开阔,使应力状况较常规拱坝更为复杂,导致体形设计极为困难,为节省投资利用四向协调的计算理论以及投资最省(坝体混凝土土方量最少)进行了体形优化,在ANSYS平台上实现了拱坝自动化优化,在满足规范应力控制条件的情况下,最终优化方案较可行性研究方案混凝土方量减少23%,大幅降低坝体体积即降低工程造价,优化结果理想。通过上述研究,四向协调拱梁分析理论较拱梁分载法更为严密,较有限元法也更易为工程师接受,是一种值得推广的分析方法。上口开阔型的拱坝应力分析的重点在于中间交接部位,该部位扭转效应明显,常规的拱梁分析方法是不能分析的,拱坝的上部拱向向梁向输送更多的剪力和扭矩,在设计时应引起注意。