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-坝型选择梯形溢流断面第四节拦砂坝工程-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。推求拦砂量还可以根据下式计算：221bhnmmnV式中：b,h为拦砂坝堆沙段平均宽度和高度；1/n为原沟床纵坡比降；1/m为堆沙区表面比降。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：表5-15浆砌石坝断面轮廓尺寸坝高(m)坝顶宽(m)坝底宽(m)坝坡上游下游31.24.21:0.61:0.441.56.31:0.71:0.552.09.01:0.81:0.682.516.91:11:0.8103.020.51:11:1.8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；（2）拦沙坝下游坝坡系数n计算：式中：n—下游坝坡系数；V—下游最小石砾的始动流速；H—坝高。gHVn2HVn146.0或第四节拦砂坝工程-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；γd——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。(2)淤积物重量作用在坝体上游面上的淤积物重量等于淤积体积乘以淤积物容重。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。bhP221(4)泥沙压力(主动土压力)坝前泥沙压力可按散体土压力公式计算，即：式中：P泥沙——坝前泥沙压力，t；b——单位宽度，b=1m；c——堆沙容重，t/m3；H——坝前淤积物的高度，m；——淤积物的内摩擦角，它与堆沙容重有关，用公式表示为：P118表5-18-c(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；、c——同泥沙压力公式；b——单位宽度，b=1m。(6)坝基扬压力主要为渗透压力，即由于水在坝基上渗透所产生的压力。当坝体是实体坝，而下游无水的条件下，下游边缘的渗透压力为0，上游边缘的渗透压力为：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，——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W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c——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：GKSea式中:Ke—地震系数；a—建筑物的惯性分布指数，可由下式计算：y—断面重心至坝基的高度；Hy5.10.1aH—坝高；—地基对惯性力的影响系数，砂砾质沟床1.5；G—单位长度坝体重。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-拦砂坝断面设计泥PtgKQec)21(式中:—淤积物