拦沙坝的结构设计与计算

1.拦沙坝高度与间距

一般说来，坝体越高，拦沙库容就越大，固床护坡的效果也就越明显。但工程量及投资随之急增，因此，应有一个较为合理的选择。

1）按工程使用期多年累计淤积库容确定坝高，计算公式为

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式中：V_s为多年泥沙累计淤积量（m³/a）；n为有效使用年数（a）；i为年序；V_si为i年时的淤积量（m³/a）；V_sy为多年平均来沙量（m³/a）。

2）按预防一次或多次典型泥石流的泥沙量确定坝高，计算公式为

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式中：n为次数（次）；其他符号意义同前。

3）根据坝高与库容关系曲线拐点法确定：该方法与确定水库坝高类似，不同点是水库水面基本是水平的，而拦沙库表面则是与泥石流性质有关的斜线或折线。因此计算得到的总库容大于同等坝高的水库库容。

4）对于以稳定岸坡为主的拦沙坝，可按回淤长度或回淤纵坡及需压埋坡脚的泥沙厚度确定。即淤积泥沙所具有的抗滑力，应大于或等于滑坡体的下滑力。计算公式为

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式中：H_s为泥沙厚度（m）；W为高出滑动面延长线的淤积物单宽质量（kg/m）；f为淤积物内摩擦系数，无量纲；γ_s为淤积物的容重（kg/m³）；φ为淤积物内摩擦角（°）。

拦沙坝的高度（H）可按下式计算：

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式中：H为拦沙坝的高度（m）；H₁为沟床以下的拦沙坝高度（m）；i₀为淤积后的沟床坡降（‰）；i为淤积前沟床坡降（‰）；H_s为泥沙淤积厚度（m）；L为淤积物尾部至拦沙坝的水平距离（m）。

5）根据坝址及库区的地形地质条件，按实际所需的拦淤大小确定坝高。

6）当单个坝库不能满足防治泥石流的要求时，则可采用梯级坝系。在布置中，各单个坝体之间应相互协调配合，使梯级坝系能构成有机的整体。梯级坝系的总高度及拦淤量应为各单个坝的有效高度及拦淤量之和。

泥石流拦沙坝的坝下消能防冲及坝面抗磨损等技术问题，一直未能得到很好解决。故从维护坝体安全及工程失效后可能引发的不良后果考虑，在泥石流沟内的松散层上修建的单个拦沙坝高，最好小于30m，对于梯级坝系的单个溢流坝，应低于10m。对于强震区及潜在危险（如冰湖溃决、大型滑坡的泥石流沟）区，拦沙坝的间距可根据坝高及回淤坡度计算确定。拦沙坝建成后，沟床泥沙的回淤坡度（i₀）与泥石流活动的强度有关。可采用比拟法，对已建拦沙坝的实际淤积坡度与原沟床坡度（i）进行比较确定。即

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式中：C为比例系数，一般为0.5～0.9，或按表3－2取值。若泥石流为衰减期，坝高又较大时，则用表内的下限值；反之，选用上限值。

2.拦沙坝的结构设计

（1）拦沙坝的断面形式

对于重力拦沙坝，从抗滑、抗倾覆稳定及结构应力等比较，有利的合理断面是三角形或梯形。在实际工程中，坝的横断面的基本形式如图3－4所示，下游面近乎垂直。

表3－2 C值一览表

当坝高H<10m时，底宽B＝0.7 H，上游面边坡n₁＝0.5～0.6，下游面边坡n₂＝0.05～0.20。

当10m<H<30m时，底宽B＝（0.7～0.8）H，上游面边坡n₁＝0.60～0.70，下游面边坡n₂＝0.05～0.20。

当坝高H>30m时，底宽B＝（0.8～1.0）H，上游面边坡n₁＝0.60～0.80，下游面边坡n₂＝0.05～0.20。

为了增加坝体的稳定，坝基底板可适当增长，底板的厚度为（0.05～0.1）H，坝顶上、下游面均以直面相连接。

（2）坝体其他尺寸控制

1）非溢流坝坝顶高度（H）：等于溢流坝高（H_d）与设计过流泥深（H_c）及相应标准的安全超高（H₀）之和。即

图3－4 重力拦沙坝横断面示意图

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2）坝顶宽度（b）：应根据运行管理、交通、防灾抢险及坝体再次加高的需要综合确定。对于低坝，b的最小值应为1.2～1.5m，高坝的b值则应在3.0～4.5m之间。

3）坝身排水孔：单个排水孔的尺寸可用0.5m×0.5m。孔洞的横向间距，一般为4～5倍的孔径；纵向上的间距可为3～4倍的孔径，上下层之间可按品字形分布。起调节流量作用的大排水孔，孔径应大于1.5～2.0倍的最大漂砾直径。

4）坝顶溢流口宽度，可按相应的设计流量计算。为了减少过坝泥石流对坝下游的冲刷及对坝面的严重磨损，应尽量扩大溢流宽度，使过坝的单宽流量减小。

5）坝下齿墙具有增大抗滑、截止渗流及防止坝下冲刷等作用。齿墙深度应视地基条件而定，最大可达3～5m。齿墙为下窄上宽的梯形断面，下齿宽度多为0.10～0.15倍的坝底宽度。上齿宽度可采用下齿宽度的2.0～3.0倍。

3.重力拦沙坝的结构计算

重力拦沙坝应进行抗滑、抗倾覆稳定验算，坝体和坝基的应力计算及下游抗冲刷计算。

（1）抗滑稳定验算

抗滑稳定验算对拟定坝的横断面形式及尺寸起着决定性的作用。坝体沿坝基面滑动的验算公式为

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式中：K₀为抗滑稳定性系数；∑W为作用于单宽坝体计算断面上各垂直力的总和（如坝体重、水重、泥石流体重、淤积物重、基底浮托力及渗透压力等）；∑F为作用于计算断面上各水平力之和（含水压力、流体压力、冲击力、淤积物侧压力等）；f为砌体同坝基之间的摩擦系数（可查表或现场实验确定）；K_c为抗滑稳定安全系数，一般取1.05～1.15。

当坝体沿切开坝踵和齿墙的水平断面滑动，或坝基为基岩时，应计入坝基摩擦力与粘结力，则

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式中：C为单位面积上的粘结力（kPa）；A为剪切断面面积（m²）；其他符号意义同前。

（2）抗倾覆稳定验算

抗倾覆稳定验算的计算公式为

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式中：K₀为抗倾覆稳定性系数；∑M_y为坝体的抗倾覆力矩，是各垂直作用荷载对坝脚下游端的力矩之和；∑M₀为使坝体倾覆的力矩，是各水平作用力对坝脚下游端的力矩之和；K_y为抗倾覆安全系数，一般取1.3～1.6。

（3）坝体的强度计算

由于拦沙坝的高度一般都不很高，故多采用简便的材料力学方法计算。

1）垂直应力的计算公式为

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或

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式（3－18）和式（3－19）中：σ为垂直应力（kPa）；∑M为截面上所有荷载对截面重心的合力矩（kN·m）；X为各荷载作用点至断面重心的距离（m）；b为断面宽度（m）；e为合力作用点与断面重心的距离（m）；J为断面的惯性矩（m⁴）；∑W为各荷载的垂直分量的总和（kN/m）；A为剪断断面面积（m²）。

为了满足合力作用点应在截面的1/3内 ，满库时在上游面坝脚或空库时在下游面坝脚的最小压应力（σ_min）不变为负值，则需满足

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式中符号意义同前。

坝体内或地基的最大压应力（σ_max）不得超过相应的允许值，即

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式中：［σ］为容许应力值；其他符号意义同前。

2）边缘主应力包括上、下游面两种计算公式。

坝体上游面的一对主应力（σ_a1、σ_a2）可按下面公式计算：

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坝体下游面的一对主应力（σ_b1、σ_b2）可按下面公式计算：

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式（3－22）～式（3～25）中：σ、σ′分别为同一水平截面的上、下游边缘正应力（×10kPa）；θ₁、θ₂分别为上、下游坝面与计算水平截面的夹角（°）；γ_c为泥石流的容重（kg/m³）；y为计算断面以上的泥架高度（m）。

3）边缘剪应力包括上、下游面两种计算公式。

坝体上、下游面的边缘剪应力可按以下公式计算：

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式（3－26）和式（3－27）中：τ_a、τ_b分别为低于筑坝材料的允许应力值（×10kPa）；其他符号意义同前。