水土保持工程课程(第五章拦沙坝)11

一 拦砂坝的作用与坝址选择 二 拦砂坝坝型选择 三 拦砂坝坝高与拦沙量的确定 四 拦砂坝的断面设计 本节主要讲述四部分 第四节拦砂坝工程 SedimentStorageDam 本章重点 难点 拦砂坝的断面设计 第四节拦砂坝工程 SedimentStorageDam 拦砂坝 是以拦蓄山洪泥石流沟道中固体物质为主要目的的挡拦建筑物 多建在主沟或较大的支沟内 通常坝高大于5m 拦砂量在103 1003m3以上 甚至更大 拦砂坝常设置于山洪 泥石流形成区或形成区 流通区沟谷内 是沟道治理中骨干工程 谷坊工程 拦砂坝工程 问题 拦砂坝与谷坊的区别 第四节拦砂坝工程 SedimentStorageDam 第四节拦砂坝工程 作用 一 拦砂坝的作用与坝址选择 1 拦蓄泥沙 包括块石 调节沟道内水沙 以免除对下游的危害 便于下游河道整治 2 提高坝址侵蚀基准 减缓坝上游淤积段河床比降 加宽河床 减小流速 减小了水流侵蚀能力 3 稳定沟岸崩塌及滑坡 减小泥石流的冲刷及冲击力 防治溯源侵蚀 抑制泥石流发育规模 第四节拦砂坝工程 坝址选择 拦砂坝坝址选择天然坝址选择可参考以下原则 1 地质条件坝址附近应无大断裂通过 坝址处无滑坡 崩塌 岸坡稳定性好 沟床有基岩出露 或基岩埋深较浅 坝基为硬性岩或密实的老沉积物 2 地形条件坝址处沟谷狭窄 坝上游沟谷开阔 沟床纵坡较缓 建坝后能形成较大的拦淤库容 3 建筑材料附近有充足的或比较充足的石料 沙等当地建筑材料 4 施工条件离公路较近 从公路到坝址的施工便道易修筑 附近有布置施工场地的地形 有水源等 第四节拦砂坝工程 坝址选择 三 拦砂坝的布置天然坝址初步选出后 拦砂坝的确切位置还应按下列原则作出决定 1 与防治工程总体布置协调 如与上游的谷坊或拦砂坝 下游拦砂坝或排导槽能合理地衔接 2 满足拦砂坝本身的设计要求 如以拦砂为主的坝 应尽量选在肚大口小的沟段 以拦淤反压滑坡为主的坝 坝址应尽量靠近滑坡 3 有较好的综合效益 如拦砂坝既能拦砂 拦水 又能稳坡 使一坝多用 第四节拦砂坝工程 坝型选择 根据山洪或泥石流的规模及当地的材料来决定 二 拦砂坝坝型选择 1 重力坝以自重在地基上产生的摩擦力来抵抗坝后泥石流产生的推力和冲击力 优点是 结构简单 施工方便 就地取材 耐久性强 按结构 6种 重力坝 切口坝 错体坝 拱坝 格栅坝 钢索坝 重力坝 第四节拦砂坝工程 坝型选择 2 切口坝又称缝隙坝 是重力坝的变形 即在坝体上开一个或数个泄流缺口 用于稀性泥石流流沟 有拦截大砾石 滞洪 调节水位关系等特点 3 错体坝将重力坝从中间分成两部分 并在平面上错开布置 主要用于坝肩处有活动性滑坡又无法避开的情况 第四节拦砂坝工程 坝型选择 4 拱坝拱坝可建在沟谷狭窄 两岸基岩坚固的坝址处 拱坝在平面上呈凸向上游的弓形 拱圈受压应力作用 可充分利用石料和混凝土很高的抗压强度 具有省工 省料等特点 但拱坝对坝址地质条件要求很高 设计和施工较为复杂 拱坝 第四节拦砂坝工程 坝型选择 5 格栅坝格栅坝具有良好的透水性 可由选择性地拦截泥沙 还具有坝下冲刷小 坝后易于清淤等优点 格栅坝主体可以在现场拼装 施工速度快 格栅坝的缺点是坝体的强度和刚度较重力坝小 格栅易被高速流动的泥石流龙头和大砾石击坏 需要的钢材较多 要求有较好的施工条件和熟练的技工 第四节拦砂坝工程 坝型选择 6 钢索坝钢索式拦砂坝是采用钢索编制成网 再固定在沟床上而构成的 这种结构有良好的柔性 能消除泥石流巨大的冲击力 促使泥石流在坝上游淤积 这种坝结构简单 施工方便 但耐久性差 目前使用得很少 第四节拦砂坝工程 坝型选择 按建筑材料 3种 砌石坝 混合坝 铁丝石龙坝 1 砌石坝浆砌石坝和干砌石坝 浆砌石坝属重力坝 用于泥石流冲击力大的沟道 结构简单 是常用的一种坝型 断面一般为梯形 但为了减少泥石流对坡面的磨损 坝下游面也可修成垂直的 泥石流溢流的过流断面最好做成弧形或梯形 在常流水的沟道中 也可修成复式断面 干砌石坝只适用于小型山洪沟道 断面为梯形 坝体用块石交错堆砌而成 坝面用大平板或条石砌筑 施工时要求块石上下左右之间相互 咬紧 不容许有松动 脱落的现象出现 与石谷坊相似 第四节拦砂坝工程 坝型选择 第四节拦砂坝工程 坝型选择 2 混合坝土石混合坝和木石混合坝 土石混合坝坝址附近土料丰富而石料不足时 可选用土石混合坝 其坝身用土填筑 而坝顶和下游坝面用浆砌石砌筑 由于土坝渗水后将发生沉陷 因此 坝的上游必须设置黏土隔水斜墙 下游坡脚设置排水管 并在其进水口处设置反滤层 第四节拦砂坝工程 坝型选择 木石混合坝盛产木材的地区 可采用木石混合坝 其坝身由木框架填石构成 木框架一般用圆木组成 其直径大于0 1m 横木的两侧嵌固在砌石体之中 横木与纵木的连接采用扒钉或螺钉紧固 为了防止上游坝面及坝顶被冲坏 常加砌石防护 第四节拦砂坝工程 坝型选择 3 铁丝石龙坝坝身是由铁丝石笼堆砌而成 铁丝石笼为箱形 这种坝型适用于小型荒溪 在我国西南山区较为多见 它的优点是修建简易 施工迅速 造价低 不足之处是使用期短 坝的整体性也较差 问题 荒溪和小流域 第四节拦砂坝工程 坝高与拦砂量 三 拦砂坝的坝高与拦砂量的确定 一 拦砂坝的高度由下列条件决定 1 坝址处地基及岸坡的地质条件2 坝址处地形条件 3 拦砂坝的设计目标 实现最好的防护效益 4 合理的经济技术指标 坝高与拦淤库容的关系 坝高愈高 拦砂愈多 并能有效利用回淤来稳定上游滑坡崩塌体 平均拦砂量 m3坝体 是拦砂效益的重要指标 5 坝下消能设施 坝下消能设施费用随坝高的增加而增加 在满足设计目标前提下 以不修高坝为好 第四节拦砂坝工程 坝高与拦砂量 小型拦砂坝坝高 5 10m 中型拦沙坝坝高 10 15m 大型拦沙坝坝高 15m 问题 拦沙坝坝高与谷坊高度及其确定的区别 第四节拦砂坝工程 坝高与拦砂量 二 拦砂坝的拦砂量计算 坝高已定的拦砂坝库容的计算可按下列步骤进行 1 在方格纸上给出坝址以上沟道纵断面图 并按山洪或泥石流固体物质的回淤特点 画出回淤线 2 在库区回淤范围内 每隔一定间距测绘横断面图 3 据横断面图位置及回淤线 求每横断面淤积面积 4 求出相邻两断面间体积 公式 式中 W1 W2相邻两横断面面积 L相邻两横断面间水平距离 第四节拦砂坝工程 坝高与拦砂量 5 将各部分体积相加 即为拦砂坝的拦砂量 当堆沙表面积比降采用原沟床比降1 2时 m 2n 则V nbh2注意 同谷坊坝稳定坡度的确定 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 拦砂坝断面设计任务 确定既符合经济要求又保证安全的断面尺寸 其内容包括 指浆砌石重力拦沙坝 四 拦砂坝的断面设计 一 初步拟定断面轮廓尺寸 二 坝体抗滑稳定与坝基应力计算 三 溢流口计算 四 坝下消能与坝下冲刷深度计算 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 一 断面轮廓尺寸的初步拟定 坝的断面轮廓尺寸是指坝高 坝顶宽度 坝底宽度以及上下游边坡等 当坝的断面为梯形时 其断面轮廓尺寸可参照下表5 15拟定 注意 表中规格指建在岩石基础上的溢流坝 当在松散堆积层上建坝时 因基底摩擦系数小 须增加垂直荷重的方法 将坝底宽度加大 这样可增加坝体重量 且能利用上游淤积物作为垂直荷重 来增加摩擦力 以保证坝体抗滑稳定性 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 1 坝顶宽度b的计算 根据坝顶溢流水深h1及上游坝坡系数m用经验公式推求 b 0 8 0 6m h1一般也可以根据坝高H确定坝顶宽度 当H 3 5m时 b 1 5m H 6 8m时 b 1 8m H 9 15m时 b 2 0m 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 3 拦砂坝上游坝坡系数m的计算 m与坝体稳定性关系密切 m值愈大 坝体抗滑稳定安全系数愈大 但是筑坝成本愈高 因此 m值应该根据稳定计算结果确定 初步确定上游坝坡系数m值可以利用书P117表5 16 不同的h0 H和b H的坝上游m值 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 二 拦砂坝的稳定与应力计算 在外力作用下 拦砂坝遭破坏的形式 1 坝基摩擦力不足以抵抗水平推力 发生滑动破坏 2 在水平推力和坝下渗透压力的作用下 坝体绕下游坝址的倾覆破坏 3 坝体强度不足以抵抗相应的应力 发生拉裂或压碎 设计时 由于不允许坝内产生拉应力 或只允许产生极小的拉应力 因此 坝体的倾覆稳定 通常不必进行核算 只需要计算坝基应力计算 一般坝体稳定计算 是指抗滑稳定而言 计算时 首先据初步拟定断面尺寸 进行坝体作用力分析 然后进行稳定与应力计算 以保证坝体不破坏 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 1 坝受力状态分析 作用在单位坝上的力 按其性质不同分为以下几种类型 1 坝体自重G 2 坝上下游面的淤积物重G 3 坝前水沙压力P泥 主动 4 泥石流冲击力P冲 5 坝基扬压力W 6 下游坝基上的泥沙压力即被动土压力E 7 地震力 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 1 坝体重力G 式中 G 坝体重力 t V 坝体横断面积 m2 d 坝体容重 t m3 见书中表5 17不同砌体的容重1 7 2 6 b 单位宽度 b 1m 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 3 水压力 式中 P 静水压力 t g 水的容重 t m3 h 坝前水深 m 5 被动土压力作用在下游坝基上的泥沙压力称之为被动土压力 可用下列公式计算 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 式中 E 被动土压力 t H1 坝基础深度 m j gc 同泥沙压力公式 b 单位宽度 b 1m 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 式中 W 渗透压力 B 坝底宽度 g 水的容重 b 单位宽度 H 坝前水深 a1基础接触面积系数 取a1 1 下游有水条件下 渗透压力为 笔记 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 7 泥石流冲击力即即泥石流的动压力 式中 P冲 泥石流冲击力 K 泥石流动压力系数 决定于龙头特性 一般取1 3 泥石流的密度Vc 泥石流流速gc 泥石流容重g 重力加速度 为9 81a 泥石流流向与坝轴线的交角 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 8 地震力即在地震区大型拦砂坝的设计应考虑地震力作用 地震惯性力和地震泥沙压力 地震惯性力 由于地震动荷载作用 坝体产生水平和竖向地震惯性力 设计中只考虑水平地震惯性力 计算公式 地震泥沙压力 在地震作用下坝内淤积物的内摩擦角减小 因而相对地增加了一部分泥沙压力 地震泥沙压力计算公式 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 式中 淤积物的内摩擦角 等于因地震作用减少的那部分 P泥 坝前泥沙压力 Ke的意义同上 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 在拦沙坝设计中应根据具体条件及各种作用力同时作用的可能性来确定最不利的作用力组合 以保证坝的整体安全 书P120表5 19给出作用力组合 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 2 坝体抗滑稳定计算 拦沙坝坝体是否滑动 主要取决于 坝体本身重量压在地面上所产生的摩擦力大小 如果摩擦力大于水平推力 则坝不会滑动 分两种情况计算 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 2 如果坝的基础设有齿墙 且齿墙的深度相同 见图2 则计算中应考虑齿墙之间的土壤黏结力 坝体抗滑稳定计算公式为 式中 f0 摩擦系数 当齿墙较薄 b 较大时 f0 tg b 两齿墙间距离 m Ks N P 同上式 C 坝基土的黏结力 见书P121表5 20 不同土质C值 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 3 坝基应力计算 浆砌石拦砂坝压应力不是控制的因素 但是浆砌石坝抗拉强度很低 如果坝体上游面出现拉应力则易产生裂缝 水流渗入裂缝 影响坝体强度 因此设计时 不容许坝体上游面出现拉应力 同时 如果坝基上下游垂直应力不超过允许值就认为满足强度要求 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 应力的判断 当e b 6时 坝体不会产生拉应力 当坝基上游面应力 上 0 则坝基上游面不会产生拉应力 当坝基下游面应力 下 地基容许承载力时 则在坝基下游不会产生拉应力 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 三 溢流口计算 溢流口设计的目的在于确定溢流口尺寸 即溢流口宽度B和溢流口高度H0 具体步骤 1 确定溢流口形状和两侧边坡一般溢流口的形状为梯形 图 边坡坡度为1 0 75 1 1 对于含固体物很多的泥石流沟道 可为弧形 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 2 计算坝址处设计洪峰流量山洪泥石流的设计洪峰流量可参考第三节P98计算 若缺乏资料 泥石流的洪峰流量 可用泥痕调查法进行计算 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 3 计算溢流口宽度选定单宽溢流流量q m3 s 估算溢流口宽度B B Qc q式中 Qc为泥石流流量 4 计算溢流深h0根据选择的溢流口形状 流速及洪峰流量 用试算法求出过坝溢流深h0 高含沙山洪的流速Vc可采用见书p125公式计算 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 5 计算溢流口高度计算溢流口高度h h0 h h为超高 一般采用0 5 1 0m 第四节拦砂坝工程 拦砂坝断面设计 1 子坝消能适用于大中型山洪或泥石流荒溪 构造是在主坝下游设置子坝 形成消力池 以消减过坝山洪或泥石流能量 子坝高度 坝顶应高出原沟床0 5 1 0m 以保证子坝回淤线高于主坝基础顶面 子坝距离 子坝与主坝间的距离 可取2 3倍主坝坝高 第四节拦砂坝