如题所述
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:Vs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;Vsi为i年时的淤积量(m3/a);Vsy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:Hs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;γs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(‰);Hs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(Hd)与设计过流泥深(Hc)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);Kc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;∑My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;Ky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(σmin)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(σmax)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(σa1、σa2)可按下面公式计算:
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坝体下游面的一对主应力(σb1、σb2)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(°);γc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:τa、τb分别为低于筑坝材料的允许应力值(×10kPa);其他符号意义同前。