泥石流设计计算书

PAGEPAGE21泥石流地质灾害治理工程设计计算书二〇一三年一月一．泥石流设计计算基本思路泥石流设计计算的基本思路是：1、确定所需的基本特征值参数2、确定动力学参数3、确定所要验算的拦挡结构断面参数4、确定荷载组合及计算荷载5、计算拦挡结构的抗滑、抗倾覆稳定性，拦挡结构截面抗剪强度、抗压强度、地基承载力计算验算二．泥石流计算所需基本特征值参数（一）泥石流体重度γc的确定及确定方法按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220－2006），采用形态调查法结合当地目击者回忆以及工程经验进行综合确定。在现场回访多人次，描述当时见到的泥石流体的“稀稠”状态，按此进行判断。判断表见表1。表1形态调查法泥石流体重度选择表调查对象编号描述对应的重度值（kg/mm3）备注甲稠浆状1400～16600注：对应的重度度值按照《泥泥石流灾害害防治工程程勘查规范范》（DZ/TT02200－2006）确定乙稀浆状1200～14400丙稠浆状1400～16600丁稠浆状1400～16600戊稀浆状1200～14400己稠浆状1400～16600庚稠浆状1400～16600辛稠浆状1400～16600分析表1，同时结合泥石流体的成分组成、颗粒组成特点，参照类似工程经验，综合取定本地泥石流重度取值为1500kg/m3即15.0kN/m3。（二）泥石流固体颗粒重度γH确定及确定方法采用比拟法确定泥石流固体颗粒重度γH。按照铁道及公路系统积累的经验，泥石流固体颗粒重度γH一般取值范围为24kN/m3～27kN/m3之间，主要取决于泥石流主要的母岩组成分。根据本处泥石流体的特征，选定泥石流固体颗粒重度γH为26kN/m3。（三）泥石流流体粘度η确定及确定方法采用形态调查法确定，本次设计根据形成泥石流的山坡、沟床、土壤特征，并访问了6位老居民所见的暴发泥石流时的流体形态描述，按下表2确定泥石流粘度η。表2泥石流粘度η选定表土壤特征轻质砂粘土粉土及重质砂粘粘土粉土及重质砂粘粘土粉土及重质砂粘粘土粘土泥石流体稠度稀浆状稠浆状稀泥状稠泥状稀粥状粘度（Pa.ss）0.3～0.880.5～1.000.9～1.551.0～2.001.2～2.55根据6位老人回忆，有4位认为应为稠泥状，2位认为为稀泥状；而根据场地调查，按照土壤学土体分类，山坡的主要组成应为粉土及重质砂粘土，故综合判定泥石流粘度η取值为1.0Pa.s。三、泥石流设计动力学参数取值泥石流设计还需要其他特征值参数，这些参数主要根据泥石流工程经验及动力学、水力学、水文学有关原理得出，即泥石流设计所需的动力学有关参数的计算与选定。这些特征值参数包括泥石流流速、泥石流流量、一次泥石流过程总量、泥石流石块运动速度、泥石流冲击力、泥石流冲起高度和泥石流弯道超高。（一）泥石流流速计算泥石流的公式较多，大多带有经验性质，一般分为稀性泥石流流速计算公式、粘性泥石流流速计算公式和泥石流中大块石计算公式三类。按照本处泥石流的特点，我们采用铁二院计算公式，见式1。（1）式中：－泥石流流速，（m/s）;γH－固体物质重度（t/m3），取为2.65t/m3;φ－泥石流重度修正系数（泥石流泥沙修正系数）；1/n－泥石流清水沟床糙率系数。I—泥石流水力坡度（‰），一般可用沟床纵坡代替。上述计算公式中泥石流泥沙修正系数φ值可按照相关公式计算，也可依据“泥石流易发程度综合评分得分值N”查取《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220－2006）中相应表格得出。本处泥石流综合评分N为88分，查表得出的φ值换算为相应泥石流重度、固体物质重度条件下的相应φ值为0.586。计算断面平均泥深（也即水力半径R的代替值）HC可按照调查资料得到。本次设计根据泥石流调查回访及泥石流沟床的观察综合确定得拟设坝体断面处为2.00m。清水沟床糙率系数1/n可根据沟床沉积物特征、沟床平整度、沟床纵坡等查取地区相关水文手册得到。本次设计按照相关资料取坝体断面处1/n=6.76。泥石流水力坡度I为实测的值，一般可取沟床纵坡代替。按照勘查得到的坝体断面处为150‰。将γH=2.65t/m3、φ＝0.586、1/n＝6.76、I＝150‰、HC＝2.00m带入式（1）可得拟设坝体处的泥石流流速为：VC＝2.50m/s（二）泥石流峰值流量（1）现场形态调查法现场形态调查法确定泥石流峰值流量的公式见式（2）QC=VC×FC（2）式中：QC－泥石流流量（m3/s）；VC－泥石流流速（m/s）；FC－泥石流过流断面面积（m2）按照前述得出的流速及设坝实测的过流断面积FC＝25m2，得出拟设坝体断面处的泥石流流量为：QC=62.5m3/s雨洪计算法主要引用水利系统的洪水计算法经修正而得，即假设泥石流与暴雨同频率且同步发生、计算断面的暴雨洪水设计流量全部转化为泥石流流量，其计算公式见式（3）。QC＝KQ×QB×D（3）式中：QB为清水洪峰流量。KQ为泥石流流量修正系数，可按下式计算获得：KQ=1+=1+φ，其中泥石流流量修正系数见前述φ＝0.586，KQ=1.586。D为堵塞系数，查取规范相关图表取中等堵塞1.50。QB按照水利部门洪水公式计算求出，见下式（4）。QB＝0.278Ψ×F×SP/τn（4）式中：Ψ－洪峰径流系数，即汇流时间τ内最大降雨H与其所产生的径流深h之比，计算见后；F－汇雨面积（km2），取为本处实际至三侧分水岭的汇水面积1.00km2；SP－雨力（mm/s），计算见后；τ－汇流时间，即降雨从沟端汇到沟口所经历的时间（h），计算见后；n－暴雨随历时增长而递减的衰减指数，查表得出为0.665。上述各参数的计算见下列各式：SP＝H24P/241-n（5）H24P＝KP×H24P（6）Ψ＝n(tc/τ)1-n（7）tc＝[(1-n)×SP/μ]1/n（8）τ＝τ0×Ψ-1/(4-n)（9）τ0＝0.2783/(4-n)/(mJ1/3/L)4/4-n（SPF）1/4-n（10）μ＝（1－α24）H24P/24（11）式中：τ0－Ψ＝1时流域的汇流时间，小时（h）；L－自流域出口断面沿主河道至分水岭的河流长度，km;本次设计按照沟口至主河道分水岭总长度取值为0.8km；tc－净雨历时即产流历时，小时（h）；μ－地面平均入渗率（产流历时内），mm/h；m－综合汇流参数，本次设计取为0.30；J－河道的平均坡降，取值按照实测平均值取为5％α24－24小时降雨历时径流系数，取为0.50H24P－多年平均24小时降雨量，经统计章丘以及周边地区降雨情况，测定190mm（1957～2010年）。上述各式中的有关参数计算涉及到大量的图表和暴雨统计资料及公式，最后选用的有关参数及计算结果见表5～7。洪水设计频率是按照确定的泥石流防治工程安全等级来确定的，按照本处确定的100年一遇设计（即设计洪水频率1％）。按经验值，径流变差系数Cv取0.55，偏差系数取为Cs=3.5Cv。同样，模比系数Kp根据设计频率P、Cs与Cv的关系查表得出，见表5。表3设计频率下的暴雨计算计算频率P（％％）1.0Kp3.58H24p（mm）190表4洪水计算结果计算频率P（%%）1.0模比系数Kp3.58暴雨雨力Sp（mm/h）65.52汇流时间τ（hh）0.96计算洪峰流量((m3/s)29.76设计1日洪水总总量(m3)25712644按照前述确定的泥石流重度、固体物质重度计算出Kq=1.60，堵塞系数查取规范相关图表取中等堵塞1.50，得到设计断面处如下泥石流峰值流量计算结果：QC1=70.80m3/s（P＝1％）泥石流峰值流量取值综合上述（1）、（2）计算结果，选择泥石流设计流量见表5：表5泥石流设计流量选择表计算频率P（％％）1.0QC（m3/s）66.65（三）一次泥石流过程总量计算根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220－2006），泥石流一次过程总量按照下列各式计算：Q=KTQC（12）式中：Q－泥石流一次总量，m3；K－计算系数，按照规范，流域面积小于5km2取为0.202；T－泥石流历时，s，根据调查回访确定，约为3600s；QC为泥石流峰值流量，见前述计算表5结果。计算结果见表6。表6泥石流总量计算结果计算频率P（％％）1.0Q（m3）48468（四）泥石流石块运动速度计算在缺乏大量试验数据和实测数据的情况下，《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220－2006）推荐采用如下经验公式计算泥石流石块运动速度：VS=αd0.5max（13）式中：VS－泥石流中大块移动速度（m/s）；dmax－泥石流中大块粒径（m）；α－摩擦系数经验值，一般取4。按照现场调查沟口的最大块石的长轴粒径统计约5.0m推算得出块石运动速度为8.9m/s。（五）泥石流冲击力计算泥石流冲击力分分为流体整整体冲击力力和个别石石块冲击力力两种。整体冲压力计算算整体冲压力计算算见下式（14）：δ＝λ×（γc/g）Vc2sinα（14）式中：δ为泥石石流整体冲冲击力（kn）；g为重力加速度（m/s2）;α为建筑物受力面面与泥石流流冲压力方方向的夹角角（°），取为90°；λ为建筑物形状系系数，圆形形、矩形、方方形分别取取1.0、1.33、1.47。根据具体设计的的支挡形式式进行计算算，带入前前述各节得得出的当设设计为矩形形拦挡坝时时得出受泥泥石流直接接冲击的拟拟设坝处为为δ＝12.733kn。参照铁道、交通通及国外一一些资料，泥泥石流实际际的冲击力力可能大于于计算所得得，一般在在计算的基基础上增加加50～60％，本次次设计取值值为按60％增加考考虑取为拟拟设坝处为20.366kn。泥石流体中大块块石的冲击击力F：按照泥石流勘查查规范确定定。（概化为简支梁梁模型） （15）（根据设计的拦拦挡结构类类型，本处处应为简支支梁模型，α取为90°）。式中：E为构件弹性模量((kPa)，查查混凝土结构构设计规范范，C25级混凝土土取为38..0×1006（kPa）；J为构件截面中心轴轴的惯性矩矩，(m4)，按照材材料力学公公式取计算算截面为梯梯形，坝体体按简支梁梁模型考虑虑，计算得得出J=1322m4；L为构件长度(m))，按照设设计坝为444m；Vs为石块运动速度((m／s)；按前述计计算为8..9m/s；W为石块重量（t）,取为最大大块石5..0m，按照沟沟口实测的的最大块石石（5m×1m×2m，多为长长条状）估估算重量为为26.55t;得到设计参数为为：FC＝246kN（六）泥石流流冲起高度度的确定依据《泥石流灾灾害防治工工程勘查规规范》（DZ/TT02200－2006）,假定泥石石流流速为为Vc，那么泥泥石流最大大冲起高度度ΔH为：ΔH＝Vc2/2g (16)泥石流在爬高过过程中由于于受到沟床床阻力的影影响，其爬爬高ΔH为：ΔH’＝bVc2/2gg ≈0.8Vc2/g (17)b为迎面坡度的函数数。根据给定的泥石石流速度，计计算出两个个断面处的的的最大冲冲起高度为为：ΔH1＝0.32m受阻爬高为：ΔH’1＝0.51m（七）泥石流流的弯道超超高泥石流弯道超高高采用如下下公式计算算：Δh＝2.3（Vc22/2g）lg（R2/R1） (18)式中:Δh－弯弯道超高；；R2－凹岸曲率半径，断断面处实测为约约120m；R1－凸岸曲率半径，断断面处实测测为约400m；Vc－泥石流流流速,按前述计计算取值。按泥石流受阻爬爬高计算出出弯道超高高为：Δh1＝0.35m四、拦挡坝稳定定性、强度度、地基承承载力计算算泥石流拦挡坝一一般按照水水利工程的的坝体验算算原理验算算，本设计计为混凝土土重力坝，故故按照相关关规范进行验验算。1、坝体断面参数为为：主坝坝长：44.00m；溢流断面14mm，高3.00m；溢流断面处坝高高：净高55.0m；断面：梯梯形；其中坝顶宽3mm；坝底宽8..0m；迎水面坝坡比：：1：0.5；背水面坝坡比：：1：0.2；坝顶标高：4883.0mm；最低坝底标高：：473..5m；结构：C300钢筋混凝土土；基础埋深：最大大2.0m。2、荷载取值及组组合荷由于拦挡坝修建建后，坝体体稳定性验验算时按满满库运行条条件进行；；拦挡坝仅仅拦挡块石石及粗颗粒粒，水和细颗颗粒顺缝隙下泻泻，稳定性性验算考虑虑下面两种种工况：基基本荷载和和基本荷载载与地震相相组合。3、受力分析计算公公式计算宽度取坝体体单位长度度1米。计算时坝坝前被动压压力作为安安全储备，不不参与计算算。(1)坝体自重重：式中：－坝体体体积(m3)；－筑坝材料重度((kN/m3)，取27。(2)溢流重：：式中：－设计溢溢流体厚度度(m)；－设计溢流体重度度(kN/m3)。(2)墙后土体压压力P：满库运行后，按按下述库仑仑主动土压压力公式计算坝坝后土压力力：式中：P主主动压力(kN//m)；Kaa库仑主主动土压力力系数；γ—碎石的容重重（kN/m3），取经经验值22kN/m3，考虑地地震时为；；H拦挡坝坝高度（m），取5米；—填石的内内摩角（°），取经经验值45°，考虑地地震时为；；—墙角般地；β填的为α—墙背倾倾角，设计计为26.557°；地震角，为为3.8°；a、按基本荷载组组合：=0.4003，P1=1100.8kNN；b、按基本荷载与与地震组合合：=0.4552，P2=1244.6kNN。(3)作用于拦挡坝近近水面上的的水平水压压力。式中：－水体体的重度((KN/mm3)；－水的深度(m))。(4)作用于拦挡坝近近水面上的的泥石流整体体冲压力和泥石流中中大块石的的冲击力::(5)过坝泥石流的动动水压力为为过坝泥石石流水平作作用在坝体体上泥石流流动压力:式中：－泥石流流的平均流流速(m/s))；G－重力加速度，gg＝9.8mm/s2；－泥石流的重度，（KN/mm3）。(5)作用在迎水面坝坝踵处的扬扬压力：式中：－扬压压力(kPaa)；－坝上游水深(mm)；－坝下游水深(mm)；B－坝底宽度(m))；K－折减系数，可根根据坝基渗渗透性参见见有关规范范而定。荷载计算一览表表(设计条件件）荷载类型荷载组合备注基本荷载组合基本荷载与地震震组合主坝主坝单宽坝体自重WWb(kN)1276.5001276.500有利土体重P(kNN)63.6071.50有利溢流体重Wf((kN)135.00135.00有利泥石流流体水平平压力Fdl(kN)90.76102.10不利水平水压力Fwwl(kN)125.00125.00不利过坝泥石流动压压力σ(kN)9.609.60不利迎水面坝踵扬压压力Fy(kN)83.7083.70不利泥石流整体冲击击力Fσ(kN)20.6220.62不利大块石冲击力FFb(kN)246.00246.00不利注：1.上述荷载具体计计算时均换换算为泥石石流过坝时时的单宽荷荷载进行计计算。4、坝体稳定性、地地基承载力力计算(1)抗滑稳定性验算算式中：μ——基基底摩擦系系数，取0.6；∑∑N作于基基底的坚向向力的代数数和（kN）；P墙背主主动压力(kN/m)；Kc抗滑稳稳定系数，取1.25。a、按基本荷载组组合：=1.70>1.255b、按基本荷载与与地震组合合：=1.67>1.255(2)抗倾覆稳定性计计算式中：∑My—各力系系对坝趾的稳定定力矩之和和（kN·m）；∑∑Mo各力系系对坝趾的的倾覆力矩矩之和（kkN·m）；Ko抗覆稳稳定系数。a、按基本荷载组组合：=2.07>11.60b、按基本荷载与与地震组合合：=1.99>1.600坝体稳定性满足足规范要求求。(2)地基承载力验算算验算截面取其坝坝底截面：：偏心距截面面应力则坝体地基持力层层为花岗岩岩体，抗压压强度满足足规范要求求。坝体截截面不出现现拉应力，满满足规范要要求。5、坝身强度验算算(1)抗剪强度验验算抗剪强度满足规规范要求。五、桩林工程设设计验算1、桩林的嵌固深深度()应符合下下式：式中：—桩抗倾倾覆安全系系数，选用1.6；、—桩背水面被动土压力力标准值、迎水面主动土压力力标准值((kN)；—桩背水面被动土压力力、迎水面主动土压力力合力作用用点至桩底底端的距离离(m)；—整体冲压力(kkN)；—大块石冲击力((kN)；—整体力冲压力、大大块石冲击击力作用点点至桩底端端的距离(m)；—沟底迎水面地下下水冲压力力(kN)；选用