（水工结构工程专业论文）长管袋沉排潜坝技术及应用效果研究.pdf

摘要 摘要 本文主要以马庄长管袋沉排潜坝为研究实例，分析研究长管袋沉排潜坝的设计技术、 施工工艺及其应用效果。主要内容育： ( 】) 长管袋沉排潜坝的设计方法，主要介绍确定长管袋沉排潜坝的坝体断面尺寸及 长管袋沉排的平西尺寸及其稳定性校核。 ( 2 ) 长管袋沉排的施工工艺研究，主耍研究长篱袋沉排的土工布加工工艺，长管袋 沉排在动水中进行防冲排布沉放、长管袋充填、长管袋沉敬篱一系列旌工工艺，分析其成 败得失- 为以后长管袋沉排在动水中施工积累宝贵的施工经验。 ( 3 ) 对马庄潜坝的长管袋沉排的运行情况及坝体的导溜能力和抗冲刷效果等方面进 行研究。 ( 4 ) 通过以上三个方面的研究分析，提出工程在设计、旌工等方面的建议。 关键词：酶管袋沉排潜坝设计技术麓工工艺应用效栗 些! ! 坠! ! 一 s t u d yo nt h eo v e r f l o w d a mw i t hl o n g s a n db a g sa n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea n d f i l e a p p l i c a t i o no f t h eo v e r f l o w - d a mf i l l e dw i t hl o n gs a n db a g s i n m a z h u a n g t h em a i n c o n t e n t so f t h ep a p e ra r el i s t e db e l o w ： ( 1 ) d e s i g nm e t h o di sa d v a n c e df o rt h eo v e r f l o w d a mf i l l e dw i t hl o n g s a n db a g s ，w h i c hi n c l u d i n gt h es i z eo fc r o s s s e c t i o na n dp l a n e s e c t i o n t h es t a b i l i t yi sa l s oc h e c k e d ( 2 ) c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ei ss t u d i e df o rt h eo v e r f l o wd a m f i l l e dw i t h l o n gs a n db a g s ，w h i c hi n c l u d i n gt h ec l o t hm a c h i n i n gt e c h n i q u eo f t h e s a n d b a g s ，t h ea r r a n g i n gm e t h o dp r e v e n t i n gt h eb a g s n o tt ob es c o u r e di n f l o w i n gw a t e r ， a n dt h ef i l l i n ga n da r r a n g i n gt e c h n i q u eo ft h el o n gs a n d b a g s t h es u c c e s sa n df a i l u r eo ft h ec o n s t m c t i o n i sa n a l y z e d ，a n ds o m e v a l u a b l ee x p e r i e n c ei sa c c u m u l a t e df o rt h ec o n s t r u c t i o ni nf l o w i n gw a t e r ( 3 ) t h ec o n s t r u c t i o ni n s t a n c e i nm a z h u a n gi sd i s c u s s e d ，a n dt h e w a t e r - d i v e r t i n ga n da n t i s c o u ra b i l i t yo f t h ed a mi sa l s os t u d i e d ( 4 ) s o m es u g g e s t i o n s a r eb r o u g h tf o r w a r df o rt h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o no f p r o j e c t s ，b a s e d0 1 1t h es t u d i e sa b o v e k e y w o r d s ：l o n gs a n db a g sc o n s t r u c t i o n o v e r f l o w d a md e s i g n e c h n i q u ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e e f f e c to fa p p l i c a t i o n 西安理工大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 问题的提出 黄河是一条自然条件复杂、河情特殊的河流，历史上黄河以“善淤、善徒、 善决”闻名于世，具有“三年两决口，百年一改道”之称，暴虐无常的洪水令人 谈之色变，每次决口泛滥都给黄淮海平原广大人民群众生命财产造成巨大损失， 因此历朝历代都视之为“心腹之患”。自西汉至中华人民共和国成立的二干多年中， 我国发生可考证的洪水灾害有1 0 9 2 次，黄河决溢i o o o 余次，重大改道2 6 次。明 朝潘季训指出：“治河之法，别无奇谋，全在束水归槽”。民国九年( 公元1 9 2 0 年) 到民国二十三年( 公元1 9 3 4 年) ，民国政府委托德国萨克逊大学教授恩格思 三次作黄河模型试验，他指出：“黄河之病不在堤距之过大，而在缺乏固定之中水 位河岸”，主张固定中水河槽。我国水利专家李仪祉先生认为：“因为有了固定中 水位河床之后，才能设法控制洪水流向，不然便如野马无缰。莫如之何，只有斤 斤防守而已”，主张修“固滩坝”，实行“以坝制溜，以溜制槽”。因此河道整治工 程是黄河下游防洪工程体系的重要组成部分，是人们为了防御中常洪水灾害、兴 修水利而采取控导水流、稳定河势的工程措旋。 游荡型河段滩地广、河面宽、水深浅、泥沙淤积严重，河势变化频繁，主流 摆动不定，极易发生横河、斜河，堤距一般为5 一1 0 l 【i i i ，最大者达2 5 k i n ，河道曲 折系数为1 1 5 ，河面比降0 2 6 5 一0 1 7 。人民治黄几十年的整治实践表明， 游荡型河道整治采用微弯型方案治理不仅缩小了游荡范围，而且游荡型河段也得 到了有效控制。 河道整治工程一般由坝、垛和护岸组成，这些工程对控制河势、保滩护村、 保护大堤安全起着十分重要的作用，所以说河道工程的稳定关系滩区人民生命财 产的安全。黄河下游河道整治工程己累计修建坝垛1 万多道。这些坝垛在抵御黄 河洪水，确保黄河安全度汛和下游沿黄两岸人民生命财产安全方面发挥了巨大作 用。但是，目前的坝垛多数采用传统的柳石结构，水中进占或旱地修筑工艺。尽 西安理工大学硪士学位论文 管聊石结掏其有施工简便、易撩作、技术耍求摆对较低、实用性较强的优点。但 是由于其直接在沉积深厚的沙层上修筑工程竣工后根基较浅，受黄河水沙变化 特往彰响，尤其是游荡性河段的坝垛，无论是采用旱工施工还是水中进占穗工， 新修坝、垛、护岸工程均难以次做到设计稳定深度，工程靠溜后坝前被冲刷成 坑，裹护部分随即下蛰，需要及时抢护掘固，尤冀是旱工，靠溜后易发生大墩大 蛰险情，每道坝都需要经过数年或数十年的靠溜冲刷以及如险、抢险、再出险、 再抢陵的多次反复，待坝前抢护的根石达到一定深度和坡度对，工程基础才基本 趋于稳定。同时，坝体啦险难以预料，出险时抢除被动，组织比较网难，抢护劳 动强度大且不便于日常管理。 随着人类活动影响地增加，黄河河道水沙特性发生了新的变化，下游河道工 程的险情也呈现了一些新特点。据有关文献分析“1 ，现状条件下的传统坝璨结构 险情较5 0 7 0 年代有明显不同。首先，传统坝垛因根石受大溜顶冲产生走失，引 起工程基础晒空坍塌，造成坝身失稳丽出险的比例明显增大j 为9 7 蠊；其次， 小水险情比例增大。经统计，5 0 7 0 年代工程出险时，大河流量多在3 0 0 0 6 0 0 0 m3 | s ，丽1 9 8 6 年以来，尤其是1 9 9 2 年后，犬河流量在5 0 0 3 0 0 0 # s 时工 程出险较多，占工程险情总数的6 2 e 右；再次，工程在大溜项冲作用下和落水 期间出险多。据统计，此两种条件下工稷出陵的比例分剐为：5 0 5 5 ，5 9 9 6 。 河道工程险情主要取决于坝垛的稳定性，坝垛的稳定主要取决于根石与其上 韶的士石压力是否相适应，当搬石上部土石压力一定时，稳定性主要取决予根石 的厚度、深度和坡度。其中以深度和坡度对丁坝稳定的影响最大，而根石坡度受 制于其深度。当冲向t 坝某一部位的水流强度大予丁坝该部位曾受过的最大水流 强度时，原来相对稳定的根石坡度随坝前局部冲刷坑的形成和发展以及根石的走 失而变陡，丁坝稳定性降低，随时可能出险。因此，只有当丁坝受邀较强永流冲 刷，根石达到一定深度后。根石坡度才能保持相对稳定，丁坝出险机率才会相应 减小。 上述情况表明：为适应黄河水沙特设的薪变化，满足黄河防洪安全和规范化 管理要求，迫切需要探索在河道整治工程中修建少抢险或不抢险工程且管理方便 的新型结构坝垛及其修筑技术。 西安理工大学疆士学位论文 1 2 新材料新结构坝裂的发展 从2 0 世纪5 0 年代末期开始至6 0 年代期间，有纺和无纺土工织物在土建工 程( 特别是承乖工程) 中成功地用作霞滤、捧水耩隔离麓料，有力雄动了士工合 成材料的应用与发展。土工合成材料具有强度高，重量轻：防渗、反滤、隔离、 排永、加筋、耱护性熊可靠；施工箭荔，速度俊，节省劳力，便于运输，与传统 的砂石材料相比可以犬大减少运输量；耐腐蚀、耐久性好，使用寿命较长和能够 降低工程造价等优点。土工合成丰葶辩在我国的瘦焉开始予2 0 邀纪6 0 年代中期， 随蔫土工合成材料的蓬勃发展，无纺土工织物的应用范围很快扩展到水利水电建 设、防汛抡除、港湾与海岸工程、铁路公精及市政建设等方面。8 0 年代中期以来， 黄河管理部门针对黄河险情的特点，利用土工织物先后于1 9 8 5 年汛前在封邱大宫 1 2 坝试修建了化纤编织袋装水泥土沉赫竣( 军工修筑) ，1 9 8 8 年誊在封邱禅房3 4 坝试修土工织物长管袋沉排坝( 半旱工、半水工) ，这是利用土工织物沉排护底， 防止洪水海蒯蕊出险的新型结构沉摊顼，经实际应用达到了少抢险的匿的。9 0 年 代以来，利用土工织物沉排护底的各种新型坝垛逐步得到试验应用，并初步形成 了套修建主工织物沉排坝的新技术，修建了部分土工织物沉排城。如：编织袋 水泥土沉排坝、铅丝笼沉排坝、柳石枕散石沉排坝、挤压块沉排坝、长管袋沉排 坝、褥垫式沉排坝、铰链式模袋混凝士沉排坝等多种新型坝俸结构，这些蠼在其 结构特点、施工技术条件、抗冲刷效果等各方面均有差异，各种结构均有各自的 优点与局限性8 ”( 觅袭l 一1 ) 。 两安理工大学硕士学位论文 ! ! ! ! s ! ! ! j ! = s ! ! ! 自摹ii , , , j , il i p ! ! 自! ! ! ! ! ! ! 自! 皇 表1 1不同坝垛结构综合评价表 序结 结构特点施列岛黼 抗冲掰经济 适利懈 母构效果 指际 1 旱工坝：滩地填筑1 ，旱工：人工或机械 1 裁地取材便于群众 士坝基，髑匿数石护壤土抵械运石人工 性施工。 传 坡，根基扩大挖槽攫或泥浆泵挖槽抛笼遇大溜冲 一次性 2 利用少量投资修较 统 放块石、柳石枕或铅石和敌石护坡护根刷，迅速蛰 投资较多的坝。 l柳 熬笼。 2 永工避占墁：擦石 沉出陵，多 小，抢验3 适用于不长期靠溺 石 2 水工进占坝：上游 搂厢进占，严格按操次抢险，抛 费用较的坝或临时抢护工 侧柳石搂厢进占，占作规程和用料比例掩石加固才能 坝 吠。程。 体后水中填士闭气成工保持占体稳定。稳定。 埂，坝受漕都位抛吞及时壤土闭气+ 擞柳 4 今后锯是主要采塌 域柳石枕裹护。石枕和散石裹护。 酌坝型结构。 1 用船和浮筒水上作1 经多年运 长 士工织物反滤布作择 业将摊布潺于河藏，行，派样最掺建投t 就地剃浆，枫槭 管 布，织物长管袋内充 最大流速不丈于大下沉l o m资加抢充填管袋。 袋 2 5 s 左右，水深 左右，无破险费用，2 适用于滩地或水上 2 填高浓度泥浆作为压 不大予4 b2 工厂坏。接近传施工。沉 载。主褒蒸及散石护 撵 跛压在沉排上面。 颈制或现场缝荆嚣袋2 ，捧体上部统坝平3 今后寅重点推广成 坝3 机械拌浆和充填管坝体护坡曾均情况用改进。 袋。出险。 1 中夺东控制海势大撬捧结丰驽珂采用长警 1 沉捧藏工同长管袋 试验坝运用永可浸坝行洪 袋沉捧或铰链式模袋 等沉排 潜砼沉排，沉排上面散几年来多次 中等 2 适宜于在湾道工稷 3 2 散石坝体水上用船 过承，无大下段修饿。坝筑坝，过水坝瑟耀 抛填，坝西石笼就地 硷情。3 今后宜霪点推广斑姥石防护。坝项高程 装填。 平当地滩面。用。 系长管袋沉排改逛型几年运用，1 捧布与压载构成整 褥 式。底层为透承织物，1 工厂预制或现场缝靠漓后沅捧体。压载均匀 垫 断层为折成“q ”形制褥垫下沉无破总费用2 适用于早地或水中 4沉 的涂膜布，缝合并分2 机械捧浆和充填。 坏上部土略高于 施工。水上施工流建 捧 编成块，构成耨垫，3 配合艇和浮篱辞水 壤体刚性水传统t，j 、于l m s ，术深小予 内中充填高浓度泥上施工。泥土护坡破坝。l m 。河床较为平坦。 坝 浆。坏出险险情3 推广应用中改进宪 较大善。 用编织布缝制戒条形1 大部工序人工作 袋每间隔l - 缝合成藕业，效率低，质量不 节状。侧向开口充填易控制。 8 8 年以后多 2 适用旱媳施工 编 1 ：1 0 水泥土，袭与袋 1 现场缝袋次靠河，沉 织 问用化纤绳网联成一 2 就地取材。人排下沉6 总费用 5 袋 体。用编织布缝制成 工或枧辘拌和水泥8 皿，靠河初较低 沉 条形袋每翔鞴】m 缝合 土。入工装填。期捻险撬石 成藕节状。侧向开口 排量少。 充填l ：1 0 水泥土袋 与袋间用化纤绳网联 成一体。 西安理工大学硕士学位论文 续表卜1不同坝垛结构综合评价表 序结 结构特点施工技术条件 抗冲刷 经济 号构效果 指标 适用性评价 土工织物排布上铺1 工艺简单便于群 铅厚0 3 m 秸料保护 1 泥浆泵挖槽，人 9 0 9 3 正 总费众性施工。 丝层，防石笼刺破排 工铺排布。多次靠河 用与2 适于旱地施工 6 笼布。上压铅丝笼垂 2 现场人工装填扎沉排下沉 传统3 铅丝在水下耐久 沉直坝轴线排列单 结石笼。 7 l o m 。 坝接性差。 排宽2 m ，高l m 宽度 】扛。4 已初步进行推广 1 4 2 7 m 。应用。 柳土工织物排布上， 1 泥浆泵挖槽人 9 3 年建成1 传统料物工艺简 石先铺放柳石枕枕 工铺放排布。 后靠大溜，总费单易操作。 i 枕上在铺放散石，排 2 就地捆柳石枕， 因排体宽用较2 适用于旱地施工 沉体周围用铅丝笼压 上铺散石。 度不足造 一 1 苛 3 需进一步改进、观 排 坠。成险情测效果。 土工织物排布上压 挤 由黄河沙为主要材1 泥浆泵挖槽，人 1 大部人工操作效 压 料的化学成型挤压工铺排布。老田庵2 3 修建率低。 8 块 块体块体问用中82 人工摆放挤压块坝“9 6 8 ” 费用2 适用于旱地施工。 沉 和中l o m m 锦纶绳纵体。洪水造成 3 需进一步改进，以 横连接。排体与坝3 人工穿结纵横联重大险情。 排 观后效。 身挤压块砌筑的护 结绳。 坡连成整体。 1 工厂制作模袋，机铰土工织物排布上铺1 链式模袋由工厂 9 4 年以来 一次械充填施工。功效 链织物模袋。充灌细加工制作 多次靠溜 性投高，用人少。式 石混凝土或砂浆。2 成套机组充灌混 冲刷，沉排 资费2 适用于早地和水9 模捧体端部锚固于上 凝土或砂浆 下沉6 用略上麓工。袋部土坝基内，坝身3 水上作业，需用 7 m ，无险 3 今后应重点推广沉护坡用散石或模袋船和浮筒配合箍 情。 排混凝土均可。 工。应用。 1 3 长管袋沉排潜坝研究的意义 由于黄河下游情况复杂，地点位置及修建时间不同，各种结构的适用性也不 尽相同。鉴于黄河水沙特性的新变化、坝体险情的新特点，结合控导游荡型河段 中常水河势、稳定中常水流路的需要尤其是小浪底水库建成后，黄河下游河道 中常水出现几率明显增多，但仍有发生大洪水可能。根据微弯型河道整治方案， 按照河道整治工程治导线，进行了大量的规划节点工程的新建和续建，一般规划 上都在控导工程下首布置修建一种既能满足低水位控导河势，又能在高水位溢流 泄洪的坝体结构，力求进一步控制中水流路，缩窄河道断面，在大洪水时不过度 影响洪水行洪。基于此，在已试验应用的长管袋沉排坝新技术基础上，研究形成 了一。种新的长管袋潜坝技术，并于19 9 0 年在马庄工程下首修建。 马庄潜坝是 水中进占上工 左 是黄河下游第一 技术及应用方面 黄河卜游 织物长管 右流速中 座全部用 的研究， 西安理工大学碗士学位论文 的第一座潜坝，同时也是目前游荡骂。1 河段上修建好的唯 袋沉排潜坝：在长管袋沉排结构施1 方面，它独创了在 成功地铺布、抛填土工布k 管袋：在坝体结构方面，它 块石和铅丝h 笼堆彻起来的坷3 体。所以对马庄潜坝进行 分析其成败得失对黄河下游潜坝的修建，长管袋沉排 结构在动水中的应用部具有借鉴和促进作用。 西安理工大学硬士学使论文 第二章长管袋沉排潜坝设计技术 潜坝是指河道整治工程中允许水流漫溢坝顶而不被冲刷破坏的丁坝或顺坝。 在2 0 世纪i o 年代山东河段瞥修建过潜坝，一般有两种情况，一是原丁坝较长， 对离水位行洪有影响，将_ 卜坝体削至桔水位或与滩面平，坝顶用浆砌石封顶。二 是防止滩岸继续后退，用挪石进占，j 匿块石，修建丁坝，拦截深旗，落淤还滩， 恢复原河道岸线。 2 0 世纪9 0 年代河南局在河道整渍工程设计中，冁受排洪河戆宽度限制， 一些工程下段不能按送流要求修足长度，影响了对溜势的控导效果，为了解决工 程长度与导灌效果的矛麈，提出了修建港坝的设想，并遴行了现场试验，取得了 一定效果。 长管袋沉爨 主要是属于保护河底不披承流煮接冲刷，其 毒= 结毒 = 是左坝坦坡蘸 沿河床底部铺设一定长度和宽度的防冲反滤布，其上压载垂直于坝轴线的充沙土 工织物长管袋，袋虑用充填机城充入由滩选沙搀合而成的高浓度泥浆，蒎止水流 冲刷河床，保护河床不受水流直接冲刷，达到少抢险的目的芭的作用有以下几 个方碡： 1 、抗冲。护底沉排按预定最终形成的冲刷断丽设计，排体沿河床外伸一定宽 度，缮至大大提高沙质河床的抗冲性。同时延长了水流行程，减少了水流对坝基 部分的冲刷强度。 2 、护底推体底部铺没防冲反滤布，辫体鹾敬使之成为整体，罐i 会困冲刷教失， 从而对排体下部河床形成较稳定的封闭层，使靠近坝体的沙质河床得到保护，免 遴水流淘剥。 3 、使冲刷坑外移。由于排体f 部的河床得到保扩，酋先使排体外沿的床沙被 p 蚀，形威定的冲硎坑后，推体防冲反滤自臻目端卉：l - 滔氏管袋掩体匪载传蹦f ， 紧贴床面并随河床变形下蛰内收，冲刷坑靠近坝体的一侧得到保护，限制了冲刷 向坝拱发鹱+ 起别j 把坝蔚冲蝴抗5 ，卜移到4 i 影响政少影响l ! 体安全的川伺区域， 从l f l 伯种：叭 】_ 【1 昧变形强m 卜蛰盼题， 西安理工大学硕士学位论文 长管袋沉排潜坝殴计技术主要是指确定由坝体和沉擗组成的潜坝结丰勾参数的 种技术和方法，坝体参数包括坝体长度、坝项高程、坝顶宽度、坝体边缎等， 管袋沉摊参数包括坝前迎水区、坝头区、如i 后沉排平面尺寸的确定以及沉排稳 定分析等。 2 1 坝体参数确定 2 1 1 坝体长度和坝顶高程 坝体k 度郓坝顶高程的确定既要考虑低水位时控导河势，义要考虑毫水壶时 尽量不编窄泄洪断面，满足溢流泄私i 需爱。为此，坝体长瞍应按照黄河水利委员 会( 以下篱称莛委会) 制定的河道畿弯型整活方案，投据河道整活工程治导线 下延的长度进行确定。 坝颈高程一般应嫩据工程修建黠阗、蹶在位鬣乎滩渡辍相应水位著结合工程 所在缸置的滩地高程等情况综合考虑确定。一般情况卜，工程所在地平滩流量搦 应 约7 k 应取黄委会颁毒妁当年当地平滩漉鬟搬应的水位( 一般为2 0 0 0 4 0 0 0 m 3 i s ) ，滩地高程取潜坝坝后滩地的平均高耀，当平滩流量相应水位大于滩地 平均离程时，取平滩流量相应水位作为漤坝坝顶赢程，当平滩流羹相应水位小于 滩地平均高程时，取滩地平均高程作为潜坝坝顶高程。 2 1 2 坝顶宽度 潜坝具有高水位溢流泄洪的主要功能，若在溢fi l f t 【 f k 过程中形成急流，产生 东跃，剐坝后必然在定范围内形成冲刷坑，从而影响到坝体的安全稳定。签于 此，潜坝坝顶宽度( b ) 设计时一般以坝后不产生水跃为原则。，即应进 j ：具体的 水力学计算，求出晒羿坝顶宽度( b 。) ，由b b 。选取b 或b 的范围值。 为安全计，坝顶溢流水力学计算条件以黄河f 游防洪标准为依据，口口取花园 | 站殴防流羹2 2 0 0 0 m , s 忭为满坝j ! f ! 顶宽度设计壤流计算的水流条件。 潜坝坝顶宽度设计计算方法与具体步骤如下： ( j ) 确定当年花闻 t 站2 2 0 0 0 m ：；s 私i 水，黄河 f d 7 滑程符水文站的致t l 。水位： ( 2 ) 确定拟建_ i 程f 所在位戳的i _ h 应水位，作为砹汁洪水位，计为z 设： ( ：j ) 根据折线型觉预堰堰流的水力学鲜方法，订搏小m 坝顶宽度在设计 ；j ：_ i f t 卜暖r , j ；t k f 2 i j - ：彦q 堰，”二魁1 0 堰i ：d - 3 迷、。t 如图 i ) 。 两安理工大学硕士学位论文 图2 一l 潜坝坝顶溢流计算示意图 梯形断面流萎系数，一段介予宽顶嘏与盛线型实埔耀之间，其埴约0 3 3 0 4 6 ，实际计算时应根据相对堰高附 1 、下游坡比( 1 ：2 5 ) 和拟定的不同相对堰 项厚度占坍，查水力学手册。“即得其流量系数，由堰流公式 q 埋= 仃。毛m l x 厍t t 。3 2 如果不考虑侧收缩影响，且考虑最不利的情况即堰e 为自由出流情况时， 其计黪公式可简化为 q 。砒以动。，3 2 由此即可计算出不隧堰顶宽度的鳆顶溢流量q 。 如果堰上水流不产生水跃，则堰上水深 h ，= 弹。 查阿格罗斯金水力学教材。：可知当 ：游坡为钝角入f i 时，其f = 0 5 2 4 。此 对，相应的臻一h 流速 吒= 蜴l h 。 式中，1 为潜琰耄| 长。 ( 4 ) 计算f f t 羹 酚t 其f r 蔓l 时的临界坝项宽度h ：作为设计抄3 顶宽度的l 、 限值，即坝顶宽度b 应满避r 式： 6 6 临 根据1 9 9 9 年水刹郝黄河水莉委受会锨布的黄河卜游河道整治工程设订暂行 规定2 ”，潜助! 顶宽i i , i 取：j f t l 一孙。 曲安理工大学硕士学位论文 i i i 2 1 3 坝体边坡 潜坝坝体边坡的设计应经稳定计算确定，考睡坝体不高，也可参考土坝边坡、 己建丁坝边坡、潜坝结构等综合考虑选取。坝的边坡坡度取决于坝高、二l 二料性 质、运用情况、地基条件及坝型等因素j 8 。芷设计土坝啤，先根据筑坝的实际经 验，并参照类似的已建工程，初步选定坝坡，然后通过稳定计算与分析逐步修正。 在拟定坝坡时，考虑到上游坝坡经常浸在水中，土的抗剪强发低，抗潜能力 小于下游坝坡，因此比下游坝坡应缓些。初步拟定坝坡时，可大致参考表2 一l 所列统计数据，砂性士可采用较陡值，旗惶土则采用较缓值。 表2 一l_ = _ 二坝坝坡参考值 坝高( m )上游坝坡下游坝竣 1 0l ：2 0 0 l ：2 , 5 0 j ：1 j 0 5 一l ：2 ，0 0 2 2 长管袋沉排参数确定 长管袋沉排参数的确定主要是指排体长度、排体宽发，排体的厚度，排体长 度措垂直于水流方向瞻尺度( 顺坝体方向的尺度) ；排体宽度指摊体噘水流方向的 尺度( 垂直于坝体方向的尺度) 。 排体长度的确定应按港坝处的地形，撮据潜坝裹护长度进行确定。排体厚度 按设计充沙长管袋的直径进行确定。 2 2 1 坝前沉排宽度确定 根据传统丁坝出险原因和黄河下游河床易冲刷的特点，结合土工织物嶷有强 凄商、柔矬好、辩冲、透水性缝强、延纠l 率高、健潮菇命k 等优点，剥羽 ：工织 物的反滤功能做成沉排，铺放强坝前受；l ；| 7 部位，排体随排前冲刷坑的发展逐步卜 沉，i j 钉调整坡度真至稳定坡嬲，达到护践、护脚，盼i i ：东漉海刷、保护j + 程的 1 1 n 0 。j e m 护宽度按决定j 排前冲刚j r 最终的 急定深度和排似i 最终的稳定坡度进 西安理工大学碗士学位诧艾 行确定。 i 、坝前最大冲刷深度的选择 坝前最大冲刷深度的选择，应通过坝前冲蒯深度计算和实测资料对比综合分 析选定。 ( 1 ) 公式法 坝前冲刷深度，黄河上一般采用常用的阿尔图宁公式1 2 9 l 计算。 h = h 0 + h 2 8 “， h = 一s i n 口 l + 脚2 式中： h - - - 坝前冲刷坑深度( m ) ； 。 h 。行逑承流懿水深( m ) 。困沉排庶位于糖水位以下，水涤较小，可忽略不 计； b 一筋部冲刷深度( m ) ： v - - - - - 行进水流的垂线平均流速( m s ) ； m 沉撼稳定后的边坡系数，般取2 ； 口水流与坝体轴线的夹角( 度) 。 根据经验，黄河下游河道水涟与坝轴线拒交熊度大多数情况下介予4 5 4 - 7 0 。 之间。考虑到坝体的安全需要，行进水流的垂线平均流速取1 9 5 8 年洪水期间花园 口水文站实测最大垂线乎均流速4 。4 m s 。经计葵，刁：同条传下坝蘸j 申剧坑深度如 表2 2 所示。 表2 2各种情况下局部冲刷坑深度计算成果表 水流与坝轴线冲刷深度h 夹角( 度) 流速v ( “s )边坡系数m 备注 ( 米) 4 54 421 2 1 2 5 04 421 4 。2 3 _ 0 a4 421 6 2 7 6 04 421 8 1 8 6 , 54 421 9 9 1 7 0 4 4 2 2 1 4 1 莲安理工大学顿士学位论文 ! ! ! e = ! ! e ! ! ! ! ! 目! ! ! ! 皇i i i i i i i , ii , i s ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! # 目! ! ! ! ! 自! ! ! ! 从表2 2 可知，黄河下游爱不车g 壤前冲霉g 境深度在1 2 2 m 之闻， ( 2 ) 根石探摸法 羹河下游传统丁耄i ：l 为浅坝整修筑，承漉冲利出验后，只毫不甑抛授石料才能 加固坝基，缓解消除险隋。因此，黄河上判断坝基稳定的传统方法是通过探摸根 石深度来确定的，即楚予稳定状态韵矮体根石豹深度可认为是坝蘸冲弱垸魏最大 深度。黄河下游坝岸根石探摸情况见表2 - ：3 。 表2 - 3黄河下游根石探摸情况统计裹 探摸断面数深度( 米) 断商位置 ( 个) 最大平均 迎水而4 4 52 3 5 9 5 上跨角 1 1 22 0 6 1 0 4 坝头1 0 5 1 6 69 3 2 下跨角 8 51 8 38 0 9 背水面 1 58 2 1 实测资料表明，坝体迎水面至圆头交界处即上跨角至圆头前半部冲利最强烈， 逢水诚中部羽次之。一般情况下，矮前沸捌深度在8 9 m ，弱部最大冲确深凄1 5 1 8 m 左右。目前黄河下游实测丁坝最深根基为建于清乾隆9 年( 公元1 7 4 5 年) 的 花园釉险工将零壤9 0 籁，其裉石深度为2 3 5 m 。 潜坝在坝顶漫溢前，因大河流量较小，坝前平均流速相对较小，尤其是潜坝 都修在工程下蓠，水流方向与丁坝轴线夹角小，一般不超过4 5 。 深度l 虹较小。潜坝在坝顶漫溢后，因水流分散，冲刷坑也相应减少。考虑到土工 织物特性和长管袋的护蔡作翔，焉于排宽计算的竭舔冲刷深度选用i o - - 1 5 m 较合 适。 2 、冲蒯坑豹稳定坡度 冲刷坑的稳定坡度决定于床沙的休止系数或称泥沙的水下摩擦系数，即床沙 的水“f 休止角的正切值。都是攒，混沙在静水中堆积减丘时，由于攀擦力的佟用， 可以形成一定的倾斜面丽不致塌落，此顺斜面与水平面的夹角巾就称为泥沙的水 下休止角f 3 “。水下休止角是泥沙较为重簧的组合特性，国肉外学者对于颗粒豹水 下休止角颇为重视，而且业已进行过一蟪试验研究。例如，c i g n l o t 试验得出 了砂与小砾石的永f 休n ：角，淹粒径增大由3 l 。4 0 。d 6 m m ) ，捕i l 艺重为1 4 0 的电小粉的爪f 你一衍i i ：j 矿c 1 5 。d r 1 ，5 m m ) 。水卜嶙擦系数约! i 粒侄的j 产方 西安理工大学硬士学位论_ 叟 报成i e t ，萎褥出了混沙跑重减小时，葵承下休杰焦将增大豹结论。嚣走学者张 风昆采用粒径范围为0 2 0 4 3 7 m m 的泥沙进行试验，得出了如下水下休止角与粒 径的关系式” o = 3 25 + l2 7 d 岗需指出的是，有关泥沙水_ f 休止角的类似试验，不仅结果存在着较大的差 异，而且试验方法及材料品种、泥沙的粒径范围等，还难以满足黄河上生产_ 军科 研工作的需要。为此，我们怼黄河天然沙的水下休止角进行了较为系统的试验研 究。试验结果表明，黄河下游河床的水下休止系数一股在0 5 附近，即坡度系数 在2 + 0 左右，冲刷垸的边坡可处于稳定状态。 3 、坝前沉排宽度计算 援据传统丁坝出险原因程黄河下游河床易冲刷的特点，结合土王织物其奄强 度高、柔性好、耐冲、透水性能强、延伸率高、使用寿命长等优点，利用土工织 物做成的沉搀，铺放在坝藏受溜露位，摊体睫捧熬冲刷坑豹发展逐步下沉，自行 调整坡度直至稳定坡面，达到护底、护根，防止水流淘刷，保护工程的目的。其 国护宽度一是决定于摊前冲刷壤最终的稳定深度，二是排 奉( 冲剥堍) 最终的稳 定坡度。 撮据水流冲到丁坝鑫部位最大冲剥深度和撵体沉降至稳定深发时的稳定坡 降，分别计算出排体各部位的宽度。但鉴于排体在水中旌工过程中，不可避免地 出现搀体效冲斜和施工郑位潺底篱低不平等帻提，摊体宽度计算时应考虑裙皱和 冲斜等影响。坝前排宽计算公式如下： 。一 l ：娃lo ! l l = aic i ：h 4 1 + 卅2 式中a ，褶皱系数，取1 2 ； ：冲斜系数，取1 1 ； l 稳定斜坡长： i 。i h - , l + 卅： h 冲刷深度( m ) ： m 擗体受冲后的稳定坡度，取2 。 经计算，不同冲刷深度条件下的沉排宽度有较大差异。其数值介于2 9 5 4 q 3 m 之闷，典体结果见表2 - - 4 。 西安理工大学硪士学位论文 ! ,i i i l l l ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! 表2 ，4各种冲刷深度所需沉排宽度 冲刷深度裙皱系数冲斜系数 稳定边坡 沉排宽度 1 0 l 。2 1 1 2 2 9 5 l l1 21 1 2 3 2 5 1 21 21 123 5 4 1 3l 。2l 。l 2 3 8 4 1 41 21 124 1 3 2 。2 2 坝头区沉排宽度确定 坝头区受水流影响较大，该部位的沉排宽度确定同坝前沉排的确定方法。 鉴于小浪底承库截流投入运行，黄河下撼近，l 年水羹较小，结台近几年土 工织物沉排坝垛运行情况，从经济角度和坝体的相对稳定性出发，潜坝坝前沉排 室度从翅水瑟至园头寰取3 0 m 一4 t m 之阀。 2 2 。3 坝后沉排宽度 潜竣坝顶宽度是按照实用堰溢流泄淇且不产生永跃的原则确定的。按此设计 原则，坝体在溢流泄洪过程中，坝后一般不易形成冲刷坑，但坝体在未产生溢流 过泓前及控锌河势过程中，坝后易产生回流，造成坝基淘刷，影响坝体的安全稳 定。搽于此，坝后排宽的计算应以丁坝下跨角至背水面的? 巾刷深度作为计算标准。 从表2 2 可知，丁现下跨角至背水丽一般冲刷深度在8 m 左右，若沉排稳定坡降 按1 ：l 考虑，经计算，坝后沉排宽度至少应达到1 2 m 。 2 3 沉排稳定分析 护底沉拂的稳定分析主要龟括挠掀起核算、捧体颓坡下滑接募和e 匠重。 2 。3 。l 排体边缘拭掀动校核 根据水利水电土工合成材料应用技术规范( s l t 2 2 5 一一9 8 ) “规定，排 体边缘魂i 致被掀起的条传是该处的漉速必须小于某临赛濂速v 。 屹，= 口y ：g d 。 式中：，：一护玻的相对浮容重，k n ，w ； g 一重力加速度，r a s ： 乳一护城的厚度，m ： 口一系数( 由j 二沉排直接破征 i 1 _ f 底，可取1 4 ) 西安理工太学硕士学位论文 i i i i l l l l l l 排体边缘流速用下式计算： y = 矿承面( 丢 式中：卜水下计算点距排块距离( m ) ； 扁排前水深( m ) ： 卜一报数，取值为l 3 ； r + i 水面流速。 2 3 2 沉捧