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泥石流流量详细计算全解分析.doc

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泥石流 流量 详细 计算 分析
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-_第2节 泥石流流量计算1)频率为P的暴雨洪水流量计算()泥石流峰值流量与沟谷清水洪峰流量有关,而清水洪峰流量的大小又取决于暴雨量的大小。此次一片区泥石流沟谷清水洪峰流量按部分汇流公式计算,其公式为:=0.278KiF (2-1)式中:—清水洪峰流量(m³/s) F—流域面积(km²); i—1h面雨量(mm); K—汇流系数,查青海省水文图集,取为0.8。2)频率为P的泥石流峰值流量计算()按照泥石流与暴雨同频率、且同步发生、计算剖面的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量的前提下,首先按水文方法计算出剖面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量,然后选用堵塞系数,按下列公式进行泥石流流量计算。 (2-2)式中:—频率为P的泥石流峰值流量(m³/s);—频率为P的暴雨洪水设计流量(m³/s);—泥石流泥沙修正系数, ;—泥石流容重(t/ m³);—清水的比重(t/ m³),取值为1.0;—泥石流中固体物质比重(t/ m³),取值为2.65;—泥石流堵塞系数,取1.1。利用上述公式计算出的各沟泥石流出山口峰值流量见下表5-3。表5-3 热藏龙哇、龙藏沟泥石流流量计算表沟名及编号设计频率Ki(mm)F(km2)Qp (m3/s)DcQc(m3/s)热藏龙哇沟2%0.820.31.67.221.10.51112.001%21.97.8012.97龙藏沟2%0.820.30.5192.341.10.3333.431%21.92.533.71 第3节 泥石流流速计算泥石流流速是决定泥石流动力学性质最重要的参数之一,目前泥石流流速计算公式多为半经验或经验公式。一片区各泥石流均属稀性泥石流,稀性泥石流的流速计算公式本报告选用西北地区(铁一院)公式: (2-5)式中:——泥石流断面平均流速(m/s);——泥石流流体水力半径(m),可近似取其泥位深度;——泥石流流面纵坡比降(‰);——阻力系数。利用以上公式计算的一片区2条泥石流沟峰值流速结果见表5-4。表5-4 热藏龙哇、龙藏沟泥石流峰值流速计算结果表沟名及编号设计频率 (m)(‰)(m/s)热藏龙哇沟P=2%1.5340.300.2732.747P=1%0.43.327龙藏沟P=2%1.3720.300.3153.243P=1%0.353.594第4节 一次泥石流过流总量一次泥石流总量计算,根据泥石流历时(s)和最大流量(m3/s),按泥石流暴涨暴落的特点,将其过程概化成五角形,按下式计算: (2-3)式中:K-与流域面积相关的系数;T-泥石流历时,取1200s。计算结果见下表5-5。第五节一次泥石流固体冲出物一次泥石流固体冲出物按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220-2006)附录I提供的计算公式进行计算:式中—一次泥石流冲出固体物质总量(m3);—一次泥石流过程总量(m3)—泥石流重度(t/m3);—水的重度(t/m3);—泥石流固体物质的重度(t/m3)。表5-5 热藏龙哇、龙藏沟泥石流沟过程总量及一次固体物质总量计算结果表 分类沟名计算频率(m3/s)(s)(m3)(m3)热藏龙哇沟2%12.0012003803.561286.291%12.9712004107.841389.20龙藏沟2%3.4312001088.28368.041%3.71 12001175.34397.48第6节 泥石流整体冲压力泥石流整体冲压力计算公式: (2-6)式中:—泥石流整体冲击压力(Pa); —重力加速度(m/s2); —建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角,取90°; —建筑物形状系数,方形为1.47,矩形为1.33,圆形为1.0;—泥石流断面平均流速(m/s);计算结果见下表5-6。表5-6 热藏龙哇、龙藏沟泥石流冲击压力计算结果表沟名γC(kN/m3)VC(m/s)gα(°)λδ(kPa)热藏龙哇沟15.33.326 9.8901.3314.71 龙藏沟13.83.243 9.8901.3313.99 第7节 泥石流爬高和最大冲起高度1、泥石流最大冲起高度计算公式: (2-7)2、泥石流爬高计算公式: (2-8)式中:—迎水面坡度的函数。计算结果见下表5-7。表5-7 热藏龙哇、龙藏沟泥石流爬高和冲起高度计算结果表沟名VC(m/s)爬高ΔH(m)冲起高度ΔH(m)热藏龙哇沟3.326 0.45 0.56 龙藏沟3.243 0.43 0.54 第8节 泥石流弯道超高由于泥石流流速较快,惯性较大,故在弯道凹岸处有比水流更加显著的弯道超高。计算弯道超高的公式: (2-9)式中:—弯道超高值(m); —凹岸曲率半径(m); —凸岸曲率半径(m); —流速(m/s); —重力加速度(m/s2)。计算结果见下表5-8:表5-8 热藏龙哇、龙藏沟泥石流弯道超高计算结果表沟名VC(m/s)R2(m)(凹)R1(m)Δh(m)热藏龙哇沟3.326 35160.88龙藏沟3.243 27140.71第六章 防治方案第一节 防治原则、依据一、防治目标与原则根据热藏龙哇沟、龙藏沟泥石流的形成特征、危害形式、危害程度、发展趋势,泥石流防治总的目标是减轻泥石流灾害对规划区的危害。具体目标:1、根据泥石流的危害性及危险性大小,确定本治理工程措施为永久性工程,各项治理工程必须安全可靠,通过治理,使泥石流治理工程在设计频率、规模的泥石流发生时,不再造成危害。2、治理工程措施是针对泥石流类型、活动规律等进行,各项工程包括稳拦、排导等配合使用,综合治理,保证安全。3、应建立可行的后的泥石流动态,以保施工安全,为今后泥石流的治理效果监测和灾害预警提供依据基泥石流监测网络,适时监控治理过程中和治理础数据。为此,治理工程措施应遵循安全可靠、技术可行、经济合理、施工方便、与环境协调的原则。5)遵循泥石流自身的特点和规律,因地制宜,防、治结合,综合防治。二、防治依据(一)规范依据1、中国地质调查局《泥石流灾害防治工程设计规范》(DT/T0239-2004);2、中华人民共和国地质矿产行业标准《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220-2006);3、中国地质调查局《滑坡、崩塌、泥石流灾害详细调查规范》(1:50000);4、中国人民共和国地质矿产行业标准《崩塌、滑坡、泥石流监测规程》(DT/T0223-2004);5、国务院2003年394号令下发的《地质灾害防治条例》;6、《混凝土结构设计规范》(GBJ50010-2002);7、《建筑抗震设计规范》(GBJ50011—2010);8、中华人民共和国水利部《砌石坝设计规范》(SL25—2006);9、中华人民共和国水利电力部《浆砌石坝施工技术规定》(SD120-84);10、《城市防洪工程设计规范》(CJJ50-92);11、《砌体结构设计规范》(GB50003-2001);12、《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011);13、《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013);14、《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001;15、《建筑变形测量规程》(JGJ/T8~97)。第二节 防治方案分析一、防治总体方案对热藏龙哇沟、龙藏沟应急防治工程提出拦挡、排导相结合的综合防治方案。拦排结合防治方案即在全面研究区内泥石流发育特征及危害程度的基础上,从泥石流形成源头及松散固体物质补给来源入手,在主沟内修建拦挡坝,固沟稳坡,拦蓄泥石流固体物质,降低排导沟的排泄压力和沟内泥沙淤积量。(1) 热藏龙哇沟拦挡坝:根据热藏龙哇沟泥石流沟内沟道物源特征,拟在沟道中上游修建一座格宾石笼坝,沟下游修建重力式拦挡坝。排导槽:在热藏龙哇沟沟口下游各修建一条排导槽,把泥石流排入麦秀河。(2) 龙藏沟根据龙藏沟,沟道物源较少,且植被覆盖率较高,泥石流爆发时主要为高含沙的洪流,因此简易修建一条排导槽进行治理。二、防治工程类型和措施分析(一)拦挡工程功能分析本次防治工程设计中下游段坝体结构采用抗剪切、抗冲击力强的拦挡坝,以增加其安全可靠程度。治理区流域内泥石流补给物质主要位于主沟段,泥沙补给段比较集中,一些地段沟道开阔,具备良好的库容条件,采取沟内拦挡工程将产生巨大的拦砂效益和稳坡护岸作用,抬高沟床,稳定沟岸,从而减少其对泥石流的固体物质补给,起到很好的泥石流防治效果,这种措施在泥石流防治中广泛采用,并取得了良好的防治效果和防治经验,成为泥石流灾害防治中拦挡坝的主要形式。根据沟内地形、地质条件,本次设计在热藏龙哇沟道中下游段选择采用混凝土重力式拦挡坝和格宾石笼坝。(二)拦挡工程结构分析(1)热藏龙哇沟本次施工图设计布设拦挡坝共计2座,其构筑物形式为1座格宾石笼坝,1座C25混凝土坝体,均采用坝顶溢流的形式。本次设计的拦挡坝地面以上有效坝高(不含溢流口高度)在1.6—3.2m,以最大限度的拦蓄泥沙为目的。坝顶设置溢流口,溢流口宽度依据泄流量及沟床宽度确定。坝基础埋深根据坝址处地层、地质条件和地面以上坝高以及满足抗滑、抗倾覆稳定性要求确定。如不满足稳定性需求时,可根据需求适当加深基础埋深,以能够达到稳定性要求为宜。坝肩结合槽根据各拦挡坝坝址处坝肩的地层岩性条件和工程地质条件确定。碎石土层坝肩嵌入深度不小于2-3m,并确保坝肩结合良好,以满足坝体的稳定性要求。由于热藏龙哇沟内布置的2拦挡坝坝基处于沟道碎石土中,坝肩处于松散堆积物中,且多处变形垮塌,为防止坝基冲刷和保护坝肩及拦挡两侧沟岸坍塌物,在坝肩两侧设翼墙。第七章 防治工程设计第一节 设计参数设计参数是工程设计的重要依据,它的分析计算是设计工作的一项主要内容,其正确与否直接关系到工程的安全性、可靠性和投资的经济合理性。由于泥石流的形成和运动机理十分复杂,本次热藏龙哇、龙藏沟泥石流防治工程的设计参数主要依据《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T 0239—2004)及相关地质灾害防治规范执行,一些参数的计算直接引用勘查成果,另外参考以往资料和相关规范以及地区的一些经验公式分析确定。一、防治工程安全等级和设计标准泽库县麦秀镇龙藏村热藏龙哇沟、龙藏沟泥石流灾害危害对象主要是生态与地质环境、居民点、学校及各项工农业设施。1、流域生态与地质环境泥石流对生态与地质环境的危害属泥石流伴生灾害。由于泽库县麦秀镇龙藏村热藏龙哇沟、龙藏沟泥石流爆发频繁,进一步加速了区内水土流失,同时,并诱发沟岸边坡垮塌、引发次一级更大范围的滑坡,使得沟岸两侧的林地逐渐丧失,流域生态和地质环境进一步恶化,进而又导致新的泥石流的爆发。泥石流对生态与地质环境的危害不仅难以用量来评价,而且是十分难以恢复的。2、居民点泽库县麦秀镇龙藏村热藏龙哇沟、龙藏沟泥石流危害区内有2所寄宿学校(尼桑堂小学、龙藏完小,均有国外慈善机构援建资金)、1所幼儿园共计师生443人、400万元的固定资产及龙藏村61户(305人)村民等。3、各项基础设施泽库县麦秀镇龙藏村热藏龙哇沟、龙藏沟泥石流危害区内的各项工农业设施主要包括省道S203以及村级公路、耕地、通信光缆、输电线路等。根据中国地质调查局《泥石流灾害防治工程设计规范》(DT/T0239-2004)规定,结合已有的工程治理措施,综合分析泥石流灾害的受灾对象和期望经济损失,适当参考防治工程投资,最终确定该泥石流防治工程安全等级应定为二级。相应的防治工程主体工程设计标准应按50年一遇的降雨强度设计,拦挡工程基本荷载下抗滑安全系数应达到1.20,特殊荷载下抗滑安全系数应达到1.07,基本荷载下抗倾覆安全系数应达到1.50,特殊荷载下抗倾覆安全系数应达到1.14。二、设计参数计算(一)泥石流防治前、后重度值泥石流的重度反映了流体的含沙量,它受到流域泥沙补给条件和沟床输沙能力的共同影响。1、防治前重度值本设计泥石流防治前重度值根据查表法综合确定区内热藏龙哇泥石流沟流体重度为1.558t/m3;龙藏沟泥石流沟流体重度为1.412t/m3。2、防治后重度值泥石流防治后的重度计算经验公式,经过在一些泥石流沟防治工程的计算检验,具有较高的适用性。本次利用该经验公式计算热藏龙哇沟防治后的重度。公式如下:式中:—流域防治工程计算总坝高(m);—泥石流重度(t/m3),(取1.593);—沟床平均比降(%);F—流域面积(km2);—防治后泥石流固体物质百分含量;Sv—防治前泥石流固体物质百分含量,取0.35~0.37;:防治工程总坝高(m);—防治后泥石流重度(t/m3);—泥石流固体物质重度(t/m3),取2.65;依据上面公式进行计算,热藏龙哇防治后泥石流重度1.309t/m3,,基本形成携沙水流。根据对热藏龙哇、龙藏沟泥石流防治后的重度进行测算及经验公式计算对比认为,防治后泥石流重度将大为降低。(二)泥石流流量1、泥石流防治前峰值流量本设计泥石流防治前峰值流量直接选用第五章计算的结果,见表7—1。 表7-1 泥石流流量计算结果表 项目F(km2)QP2%(m3/s)QP1%(m3/s)γc(t/m3)ФQC2%(m3/s)QC1%(m3/s)热藏龙哇1.67.227.801.5580.51112.0012.97龙藏沟0.5192.342.531.4120.3333.433.712、泥石流防治后峰值流量防治后流量大小是泥石流防治工程设计中的重要参数。本次依据上述对防治后泥石流重度的测算结果,确定防治后泥石流流量。采用配方法计算,公式如下:Qc=(1+Φ)QB·D式中:QB—频率为p%的暴雨洪水下最大流量(m3/s);QC—频率为p%的暴雨洪水下的泥石流流量(m3/s);D—堵塞系数,取1.1;Ф — 泥石流流量增加系数。Ф=(γc—1)/(γh—γc)γc—泥石流防治后重度(t/m3)。γh—泥石流颗粒重度,取2.65t/m3。式中:QP—清水洪峰流量(m3/s) F—流域面积(km2); I—1h面雨量(mm);R—汇流系数,查青海省水文图集。计算结果见表5—2。表7—2 防治后泥石流流量计算结果表沟名F(km2)洪水流量(m3/s)1+φ堵塞系数(D)防治后泥石流流量(m3/s)2%2%热藏龙哇沟1.67.221.231.19.78龙藏沟0.5192.341.331.13.435根据上述计算,本次泥石流防治工程实施后,在五十年一遇降雨条件下,热藏龙哇、龙藏沟沟口的泥石流流量为9.78、3.435m3/s。(三)泥石流流速热藏龙哇、龙藏沟沟谷狭窄,因上游山高坡陡,沟谷短而沟床纵坡降大,泥石流被束缚于沟槽中运动,能量易聚不易散,因而泥石流具有流速快、位能高、动能积累快的特点。本设计泥石流流速选用第四章计算的结果经西北地区(铁一院)计算公式校核计算,综合确定。表7-3热藏龙哇、龙藏沟泥石流峰值流速计算结果表沟名及编号设计频率 (m)(‰)(m/s)热藏龙哇沟P=2%1.5340.300.2732.745P=1%0.43.326龙藏沟P=2%1.3720.300.3153.243P=1%0.353.594(4) 一次泥石流过程总量及冲出固体物质总量本设计泥石流一次泥石流过程总量及冲出固体物质总量选用第五章计算的结果。表5-5 热藏龙哇、龙藏沟泥石流沟过程总量及一次固体物质总量计算结果表 分类沟名计算频率(m3/s)(s)(m3)(m3)热藏龙哇沟2%12.0012003803.561286.291%12.9712004107.841389.20龙藏沟2%3.4312001088.28368.041%3.71 12001175.34397.48(五)冲击力冲击力是破坏防治工程构筑物的主要作用力之一,其大小与泥石流流量、流速、重度等有关,它的设计要经过多次试算才能确定。泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数。分为流体整体冲压力和个别石块的冲击力两种。在此只对其整体冲击力、冲起高度和弯道超高分别进行计算。1、泥石流体整体冲压力计算根据第四章计算,泥石流整体冲压力直接选用其计算结果,表5—4。表5—4 各拦挡坝坝址断面处泥石流冲击力计算结果表沟名γC(kN/m3)VC(m/s)gα(°)λδ(kPa)热藏龙哇沟15.33.326 9.8901.3314.71 2、泥石流冲起高度计算根据公式对泥石流在不同频率下的最大冲起高度与在爬高过程中由于受到沟床阻力的影响的爬高进行计算,计算结果见表5—5。表7—4 泥石流冲起高度和计算成果表沟名γC(kN/m3)VC(m/s)gα(°)λδ(kPa)热藏龙哇沟15.33.326 9.8901.3314.71 龙藏沟13.83.243 9.8901.3313.99 三、设计参数选取热藏龙哇、龙藏沟泥石流重度、流量、流速及冲击力设计值见表5—6、5-7。表7-5 泥石流设计参数项目参数热藏龙哇沟龙藏沟计算参数泥石流沟床粗糙率0.120.12平均泥深Hc(m)0.40.3水力坡度Ι0.2730.358固体物质重度γh(t/m3)2.652.65泥石流重度γc(t/m3)1.5581.412泥石流最大流量Qc(s/ m3)12.003.43泥石流平均流速Vc(m/s)2.7453.326表7-6 拦挡坝设计参数名称与代号热藏龙哇沟龙藏沟最大泥石流设计流量Qc(m3/S)12.003.43一次泥石流过流总量Q(m3)3803.561088.28一次泥石流固体冲出物Qh(m3)1286.29368.04泥石流整体冲击力Fδ(kpa)14.7113.99浆砌块石、混凝土坝砌体重度γb(KN/m3)2525泥石流重度γc(KN/m3)15.2613.83第二节 防治工程构筑物设计(一)热藏龙哇沟治理工程设计1、拦挡坝设计拦挡坝是本次防治热藏龙哇泥石流的主要措施,拦挡坝体型式采用重力式拦挡坝和格宾石笼坝。坝的主要功能已在第六章第二节中详述,现仅对各拦挡坝构筑物的设计进行说明。(1)、平面布置拦挡坝主要布置在热藏龙哇主沟沟道内,分布于沟道下游及沟口,热藏龙哇从下游往上布置,一次编号1#拦挡坝、2#拦挡坝;详见总平面布置图。(2)、断面设计1)拦挡坝的类型1#拦挡坝为混凝土坝,采用C25混凝土现浇;2#拦挡坝采用格宾石笼。2)拦挡坝的截面型式1#拦挡坝:1#拦挡主坝坝体均采用C25混凝土浇筑,坝顶宽1.50m,迎水坡坡比1:0.4,背水坡坡比1:0.2,据当地最大冻深埋深约2.46m,坝基础埋深取2.5m;坝体设置泄水孔,泄水孔采用90cm(高)×60cm(宽)的矩形孔,水平净间距1.5m,外倾坡度5%,泄水孔根据坝高设置1排。坝体设伸缩缝,材料采用二毡三油。2#拦挡坝:2#拦挡坝为格宾石笼坝,坝顶宽2.0m,迎水面每层缩进0.75m,背水面每层缩进0.25m;根据当地最大冻深埋深约2.46m,坝基础埋深取2.5m;坝上设置溢流口,溢流口宽3m,高0.5m。3)翼墙的截面型式由于沟道掏蚀严重,沟岸垮塌,为防护坝肩被冲刷,在坝的上游两侧设置翼墙,平面上呈八字形或垂直与坝体相接,单侧翼墙长15m,翼墙顶宽0.60m,面坡比 1:0.3,背坡比1:0.1。墙体均采用C20混凝土浇筑;墙体中部以φ100的PVC管作为排水孔,排水孔距地面高0.5m,梅花状布设。孔顶设置双层反滤层,内层为20cm反滤砂,外层填筑20cm反滤卵石。(亦可选用无纺布) (3)、拦挡坝坝高设计拦挡坝坝高的确定主要依据以下四个方面来确定:(1)稳定坝址上游坍塌体和上游沟岸的沟道堆积物;(2)根据坝址处地形、地质及岸坡工程地质条件;(3)拦挡坝拦蓄泥沙效果和最大库容。①拦挡坝坝高计算公式:Hd=Ls(Ib-Is)式中:Hd—沟底以上拦挡坝的有效高度(m);Ls—上游坡需要掩埋处距拦挡坝顶上游侧的距离(m);Ib—沟床原始纵坡(‰),以小数计;Is—沟床回淤纵坡(‰),以小数计;各拦挡坝坝高见表5—13。②拦挡坝库容计算公式:V=[(B+b)/6]L·H式中:V—库容(m3)B—坝高H时的沟道宽度(m);b—沟底宽度(m);L—回水长度(m),由坝高和沟道比降确定;H—坝高(m)。拦挡坝库容见表5—8。拦挡坝总坝高为拦挡坝高和安全超高之和,本设计拦挡坝安全超高取0.5~1m。 表7—7 拦挡坝库容计算表坝名坝高(m)沟床比降(%)回淤比降(%)回淤长度(m)坝顶长(m)坝底长(m)沟床平均宽度(m)拦沙量(m3)1#拦挡坝4.91474613.37.881067.22#拦挡坝5.716826176.2101020注:表中坝高为地面以上高度,含溢流口深度。(4)、基础、坝肩结合槽设计基础设计是保证坝体安全的重要环节,拦挡坝基础埋深根据坝址处地层、地质条件、坝高及抗滑移、抗倾覆稳定性设计要求进行综合考虑,坝基深度为地面以上坝高的1/2-1/3。如不满足稳定性要求时,可根据需求适当加深,以能达到抗倾覆、抗滑移、抗冲击等稳定性要求为宜。泥石流过坝后坝下游冲刷非常严重,常造成毁坝事故,工程区沟道下伏基岩埋深较大,松散物厚度一般大于4m,只有基础深埋,才能保证拦挡坝基础稳定性好、可靠性强、安全性高;此外根据当地最大冻深埋深约2.46m,因此坝基础埋深取2.5m。拦挡坝基础采用矩形,长度根据坝基工程地质条件及稳定性要求确定,宽度根据坝顶宽、坝体迎、背水面坡比确定,基槽开挖采用放坡法,坡率为1:0.5。两侧坝肩结合槽,根据坝址处坝肩的岩土工程地质条件确定,对非基岩按台阶式设计为阶梯形结合槽,台阶宽度1-3m,高度1-2m,进入碎石土不小于2m,确保坝肩结合良好。(5)、溢流口设计重力式拦挡坝设置溢流口,其断面根据防治后泥石流流量和各坝址处沟床宽度确定。溢流口宽根据现有主沟道宽度确定,溢流口宽度大于稳定沟槽宽度并小于同频率洪水的水面宽度,溢流口深度根据根据防治后的流量和溢流口宽度来确定,以能满足防治后过流要求为原则。溢流口底部与迎水面和背水面接触部位设置成弧形,以减小阻力,减缓水流对溢流口底部的摩擦冲刷,使之泄流通畅。溢流口采用梯形断面,边坡设计1:0.5,安全超高取0.5m,过流深加安全超高即为溢流口设计高度。溢流口设计参数见表7—8。 表7—8 重力式拦挡坝设计参数表序号拦挡坝编号坝高(m)坝顶宽(m)坝顶长(m)溢流口坝基础长×宽×高(m)迎水坡比背水坡比底宽(m)深(m)11#拦挡坝2.91.513.34.81.37.8×2.5×21:0.41:0.2注:本表拦挡坝坝高不含基础。(6)、稳定性验算根据拦挡坝设计原则,坝必须满足下游过流、过石、防冲、防淤埋等安全要求和自身抗灾能力要求,应有较大的安全保证,设计中不允许破坏。本设计主要对坝进行验算,考虑到空库运行时,拦挡坝稳定性最差,为最不利工况。因此,本设计主要针对空库运行工况进行抗倾覆、抗滑移、基地应力等验算。工况:坝体自重+地震力+泥石流流体冲击力(1)设计参数坝后泥石流堆积物重度:拦挡坝混凝土重度混凝土取25.0 KN/m3。坝基持力层为碎石土,地基承载力为200-220KPa,基底摩擦系数f=0.5,应满足基础承载力要求。(2)荷载计算根据坝体在空库运行下的受力分析,其主要受坝自身的重力、水平地震力、泥石流流体冲击力、扬压力等作用。①坝体自重Wd=Vb*rb式中:Wd—坝体自重(KN) Vb—单宽坝体体积(m3) rb—筑坝材料重度(KN/ m3)表7-9 热藏龙哇沟泥石流拦挡坝坝体自重计算表名 称坝体容重(kN/m3)坝体单宽体积(m3)坝体自重(kN)1#拦挡坝2511.3 282.52#拦挡坝2423.4 561.6②土体重WsWs=Vs*rc式中:Ws—拦挡坝溢流面以下垂直作用于坝体斜面上的泥石流体重量(KN)Vs—作用于坝体斜面上的泥石流体积(m3)rc—泥石流重度(KN/ m3)③溢流重WfWf=hd*rc式中:Wf—泥石流过坝时作用于坝体上的重量(KN)hd—设计溢流体厚度(m)rc—泥石流重度(KN/ m3)表7-10 泥石流竖向压力计算表名 称设计溢流体厚度(m)设计溢流体宽度(m)设计溢流体重度(KN/m³)溢流体重(KN)1#拦挡坝21.515.646.82#拦挡坝22.015.662.4④水平地震力水平地震加速度:a=0.05g水平地震力:Ff=Vb.rb/g×a式中:a—水平地震加速度g—重力加速度Ff—水平地震力表7-11 拦挡坝地震力计算表名 称坝体自重(kN)地震加速度地震力(kN)1#拦挡坝 282.50.0514.1252#拦挡坝 561.60.0528.08⑤泥石流冲击力计算泥石流冲整体击力为: Ff=λ×vc ×rc2/g×sinα式中:Ff—泥石流整体冲压力(KPa)vc—泥石流流速(m/s)g—重力加速度(9.8m/s2)α—受力面与泥石流冲压力方向所夹的角,取90oλ—受力体形状系数,矩形,取1.33rc—泥石流重度表7-12 泥石流整体冲压力计算表沟名γC(kN/m3)VC(m/s)gα(°)λδ(kPa)1#拦挡坝15.33.326 9.8901.3314.71 2#拦挡坝15.33.326 9.8901.3314.71 ⑥泥石流体水平压力FdlFdl=1/2xrc.Hc2tg(45o+)式中:rc—泥石流重度Hc—泥石流体泥深(m)—泥石流体内摩擦角,取=10o表7-13 泥石流水平压力计算表名 称水深(m)水体重度(kN/m3)水平水压力(空库)(kN)泥石流土体重度(kN/m3)泥石流体内摩擦角(°)泥石流水平压力(空库)(kN)1#拦挡坝1.69.812.8015.261013.752#拦挡坝3.29.851.215.261055 (3)抗滑稳定性验算Kc= f×∑N/∑P式中:Kc—抗滑安全系数∑N—垂直方向作用力总和(KN)∑P—水平方向作用力总和(KN)f—坝基底摩擦系数(4)抗倾覆验算Ko= 式中:Ko—抗倾覆安全系数∑MN—抗倾力矩的总和(KN.m)∑MP—倾覆力矩的总和(KN.m)(5)地基承载力验算σmax=σmin=式中:σmax—最大地基应力σmin—最小地基应力∑N—垂直力的总和(KN)B—坝底宽度(m)eo—偏心矩[δ]—地基容许承载力(6)计算结果拦挡坝稳定性验算成果见表7-14。地基承载力验算成果见表7-15。表7-14 抗滑移、抗倾覆稳定性计算结果统计表名 称抗滑移稳定性系数抗倾覆稳定性系数空库过流空库过流工况Ⅰ(不考虑地震)工况Ⅱ(考虑地震)工况Ⅰ(不考虑地震)工况Ⅱ(考虑地震)1#拦挡坝2.3121.3614.2112.3122#拦挡坝2.1511.3594.2212.365表7-15 地基承载力验算结果统计表名 称最大地基应力σmax(KN)最小地基应力σmin(KN)满库过流空库过流工况Ⅵ工况Ⅶ(考虑地震)工况Ⅰ工况Ⅱ(考虑地震)1#拦挡坝134.9 148.2 42.8 138.8 2#拦挡坝78.1 152.7 43.4 140.5 拦挡坝地基土为碎石土,由计算结果统计表可见,最小地基应力均大于0,最大地基应力均小于修正后地基承载力。2 排导槽(明渠)设计(1) 排导槽设计参数和平面布置根据前述拦挡工程设计计算,热藏龙哇沟泥石流拦挡工程总库容为2087 m3,泥石流流量最终被调节到9.78m3/s,下游需修建排导槽来满足过坝泥石流过流要求,排导槽编号1#排导槽。根据下游堆积区保护对象的分布和防治工程目标任务,排导工程上游从出1#坝开始布置,下游出口处为省道203,由于受资金限制,1#排导槽无法直接穿过省道203,出口与现有公路管涵相连,目前管涵断面为高2.7m,宽2.4m,排导槽单侧长度180m,排导槽设计过流流量9.78m3/s。(2)排导槽尺寸、纵坡的确定及流量校核(1)排导槽断面尺寸的确定排导槽采用矩形断面,断面尺寸的确定以热藏龙哇沟50年一遇降雨下产生的洪水流量为控制断面。其宽度按2.0m设计,顶部与地面基本齐平。排导槽高度以1#拦挡坝过坝后的泥石流及洪水流量、弯道超高并加上安全超高确定。设计排导槽较原有沟道弯道曲率减小,设计排导槽最大弯道曲率半径(35m),根据弯道超高计算公式求得其弯道超高为0.88m。安全超高按0.5m设计。据此确定排导槽高度为1.5m,弯道超高处为2.5m。(2)排导槽纵坡设计排导槽纵剖按原沟底纵坡,不进行大范围的挖填,排导槽平均设计纵比降14‰,。(3)排导槽过流能力的复核排导槽设计标准按前述安全等级为二级设防的标准,以满足50年一遇洪水条件下泥石流流量为设计标准,以满足设计泥石流流量为标准进行复核。①排导槽过流流速计算根据泥石流流速计算公式:式中—泥石流流速(m/s);—泥石流固体物质重度(t/m3);—泥石流泥沙修正系数;—泥石流沟床糙率系数;—平均泥深(m);—泥位纵坡。其中,排导槽槽底采用防冲设计,40cm厚C20混凝土。据此计算排导槽流过流流速结果如表7-16。表7-16 排导槽泥石流过流流速计算表计算位置平均泥深(m)泥石流纵坡泥沙修正系数糙率系数固体物质重度(t/m3)平均流速(m/s)排导槽0.40.0140.230.122.6513.34②排导槽过流流量计算根据泥石流过流流量计算公式:式中—泥石流断面峰值流量(m3/s);—泥石流过流断面面积(m2);—泥石流断面平均流速(m/s)。计算参数及计算结果详见表7-17。表7-17 排导槽允许泥石流过流流量计算表计算位置泥石流过流断面面积(m2)泥石流断面平均流速(m/s)泥石流断面峰值流量(m3/s)排导槽1.013.3413.34由表可见,排导槽允许过流流量可满足设计需要。 (3) 排导槽断面尺寸和结构设计排导槽两侧边墙高4.0m,基础埋2.5m,顶厚0.5m,底厚0.8m,内侧(临沟侧)坡比1:0.2,外侧直立,采用C20混凝土结构。排导槽断面尺寸和结构设计详见结构设计图。(4) 排导槽荷载计算及稳定性验算如前所述,各排导槽边墙、排导槽设计荷载组合为:工况Ⅰ为泥石流过流状态(不考虑地震),结构自重+土压力;工况Ⅱ泥石流过流并考虑地震,排导槽部分荷载组合:结构自重+土压力+地震力。其中工况Ⅰ为设计工况,工况Ⅱ为校核工况。(1)结构自重与拦挡坝的计算方法相同,以结构断面积乘以结构容重求得。计算参数和结果如表7-18。表7-18 泥石流排导工程结构自重计算表名称墙(堤)高(m)基础埋深(m)顶厚(m)底厚(m)断面积(m2)单宽体积(m3)墙(堤)体重度(kN/ m3)结构自重(kN)排导槽边墙4.02.50.50.83.03.02575(2)土压力采用朗肯土压力公式计算:式中-墙(堤)后填土重度,按碎块石土取20kN/m3;-墙(堤)后填土高度; -土体内摩擦角,按碎块石土,计算时取=25°。求得土压力详见表7-19。表7-19 排导槽墙后土压力计算表名 称墙后填土高度(m)土体内摩擦角(°)墙后填土重度(kN/m3)土压力(kN)排导槽边墙4.0252027.4(3)地震力以结构自重乘以地震加速度求得。求得地震力详见表7-20。表7-20排导槽墙地震力计算表名 称结构自重(kN)地震加速度(m/s2)地震力(kN)排导槽边墙750.053.75(4)稳定性验算计算方法与拦挡坝相同,抗滑移、抗倾覆稳定性验算结果如表7-21。表7-21 排导槽墙抗滑移、抗倾覆稳定性计算结果统计表名 称抗滑移稳定性系数抗倾覆稳定性系数工况Ⅰ工况Ⅱ工况Ⅰ工况Ⅱ排导槽边墙1.95471.27492.1451.5367验算结果表明,各排导槽边墙及排导槽抗滑移、抗倾覆稳定性符合要求。(2) 龙藏沟治理工程设计根据龙藏沟,沟道物源较少,且植被覆盖率较高,泥石流爆发时主要为高含沙的洪流,因此简易修建一条排导槽进行治理,编号为2#排导槽。1、排导槽平面布置根据龙藏沟沟口地形特征,排导槽平面布置为沟口与203省道相连,沿沟往上游116m,呈外八字型与上游沟道衔接。由于省道203该段未设置管涵,需在该段设置混凝土管涵,管涵埋深不小于0.5m。2、排导槽结构设计排导槽结构设计同1#排导槽设计,确定2#排导槽尺寸。排导槽两侧边墙高1.0m,基础埋深2.5m,顶厚0.5m,底厚0.7m,内侧(临沟侧)坡比1:0.2,外侧直立,采用C20混凝土结构。3、排导槽稳定性计算计算方法与1#排导槽相同,抗滑移、抗倾覆稳定性验算结果如表7-22。表7-22#排导槽墙抗滑移、抗倾覆稳定性计算结果统计表名 称抗滑移稳定性系数抗倾覆稳定性系数工况Ⅰ工况Ⅱ工况Ⅰ工况Ⅱ排导槽边墙1.7771.1591.9501.397
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