水土保持工程課程(第五章攔沙壩)11

1、一、攔砂壩的作用與壩址選擇；二、攔砂壩壩型選擇；三、攔砂壩壩高與攔沙量的確定；四、攔砂壩的斷面設(shè)計(jì)。,本節(jié)主要講述四部分：,第四節(jié) 攔砂壩工程(Sediment Storage Dam）,本章重點(diǎn)、難點(diǎn)：攔砂壩的斷面設(shè)計(jì),第四節(jié) 攔砂壩工程(Sediment Storage Dam）,攔砂壩: 是以攔蓄山洪泥石流溝道中固體物質(zhì)為主要目的的擋攔建筑物。多建在主溝或較大的支溝內(nèi)，通常壩高大于5m，攔砂量在103～1003m3以上，

2、甚至更大。攔砂壩常設(shè)置于山洪、泥石流形成區(qū)或形成區(qū)—流通區(qū)溝谷內(nèi)，是溝道治理中骨干工程。,,谷坊工程,攔砂壩工程,問題：攔砂壩與谷坊的區(qū)別？？,第四節(jié) 攔砂壩工程(Sediment Storage Dam）,第四節(jié) 攔砂壩工程- 作用,一、攔砂壩的作用與壩址選擇,1. 攔蓄泥沙（包括塊石），調(diào)節(jié)溝道內(nèi)水沙，以 免除對下游的危害，便于下游河道整治。 2. 提高壩址侵蝕基準(zhǔn)，減緩壩上游淤積段河床比降，加寬河床，減小流速，減小了水流

3、侵蝕能力。,3. 穩(wěn)定溝岸崩塌及滑坡，減小泥石流的沖刷及沖擊力，防治溯源侵蝕，抑制泥石流發(fā)育規(guī)模。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩址選擇,攔砂壩壩址選擇 天然壩址選擇可參考以下原則：,1. 地質(zhì)條件  壩址附近應(yīng)無大斷裂通過，壩址處無滑坡、崩塌, 岸坡穩(wěn)定性好，溝床有基巖出露，或基巖埋深較淺，壩基為硬性巖或密實(shí)的老沉積物。 2. 地形條件  壩址處溝谷狹窄，壩上游溝谷開闊，溝床縱坡較緩，建壩后能形成較大的攔淤庫容。

4、,3. 建筑材料  附近有充足的或比較充足的石料、沙等當(dāng)?shù)亟ㄖ牧稀?4. 施工條件  離公路較近，從公路到壩址的施工便道易修筑，附近有布置施工場地的地形，有水源等。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩址選擇,(三) 攔砂壩的布置 天然壩址初步選出后，攔砂壩的確切位置還應(yīng)按下列原則作出決定：,1. 與防治工程總體布置協(xié)調(diào)。如與上游的谷坊或攔砂壩，下游攔砂壩或排導(dǎo)槽能合理地銜接。 2. 滿足攔砂壩本身的設(shè)

5、計(jì)要求。如以攔砂為主的壩，應(yīng)盡量選在肚大口小的溝段，以攔淤反壓滑坡為主的壩，壩址應(yīng)盡量靠近滑坡。 3. 有較好的綜合效益。如攔砂壩既能攔砂、攔水，又能穩(wěn)坡，使一壩多用。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩型選擇,根據(jù)山洪或泥石流的規(guī)模及當(dāng)?shù)氐牟牧蟻頉Q定。,二、攔砂壩壩型選擇,1.重力壩 以自重在地基上產(chǎn)生的摩擦力來抵抗壩后泥石流產(chǎn)生的推力和沖擊力。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，就地取材，耐久性強(qiáng)。,按結(jié)構(gòu)(6種)：重力壩、 切口壩、錯(cuò)體壩、

6、拱壩、格柵壩、鋼索壩。,重力壩,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩型選擇,2. 切口壩 又稱縫隙壩，是重力壩的變形，即在壩體上開一個(gè)或數(shù)個(gè)泄流缺口。用于稀性泥石流流溝，有攔截大礫石，滯洪，調(diào)節(jié)水位關(guān)系等特點(diǎn)。,3. 錯(cuò)體壩 將重力壩從中間分成兩部分，并在平面上錯(cuò)開布置，主要用于壩肩處有活動(dòng)性滑坡又無法避開的情況。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩型選擇,4. 拱壩 拱壩可建在溝谷狹窄，兩岸基巖堅(jiān)固的壩址處。拱壩在平面上呈凸向上游的弓形，拱圈受

7、壓應(yīng)力作用，可充分利用石料和混凝土很高的抗壓強(qiáng)度，具有省工、省料等特點(diǎn)。但拱壩對壩址地質(zhì)條件要求很高，設(shè)計(jì)和施工較為復(fù)雜。,拱壩,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩型選擇,5. 格柵壩 格柵壩具有良好的透水性，可由選擇性地?cái)r截泥沙，還具有壩下沖刷小，壩后易于清淤等優(yōu)點(diǎn)。格柵壩主體可以在現(xiàn)場拼裝，施工速度快。格柵壩的缺點(diǎn)是壩體的強(qiáng)度和剛度較重力壩小，格柵易被高速流動(dòng)的泥石流龍頭和大礫石擊壞，需要的鋼材較多，要求有較好的施工條件和熟練的技工。,第

8、四節(jié) 攔砂壩工程- 壩型選擇,6. 鋼索壩 鋼索式攔砂壩是采用鋼索編制成網(wǎng)，再固定在溝床上而構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)有良好的柔性，能消除泥石流巨大的沖擊力，促使泥石流在壩上游淤積。這種壩結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，但耐久性差，目前使用得很少。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩型選擇,按建筑材料(3種)：砌石壩、混合壩、鐵絲石龍壩,1. 砌石壩 漿砌石壩和干砌石壩。 漿砌石壩 屬重力壩，用于泥石流沖擊力大的溝道。結(jié)構(gòu)簡單，是常用的一種壩型。斷面

9、一般為梯形，但為了減少泥石流對坡面的磨損，壩下游面也可修成垂直的。泥石流溢流的過流斷面最好做成弧形或梯形，在常流水的溝道中，也可修成復(fù)式斷面。,干砌石壩 只適用于小型山洪溝道。斷面為梯形，壩體用塊石交錯(cuò)堆砌而成，壩面用大平板或條石砌筑，施工時(shí)要求塊石上下左右之間相互“咬緊”，不容許有松動(dòng)、脫落的現(xiàn)象出現(xiàn)。與石谷坊相似。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩型選擇,,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩型選擇,2. 混合壩 土石混合壩和木石混合壩,土石

10、混合壩 壩址附近土料豐富而石料不足時(shí)，可選用土石混合壩。其壩身用土填筑，而壩頂和下游壩面用漿砌石砌筑。由于土壩滲水后將發(fā)生沉陷，因此，壩的上游必須設(shè)置黏土隔水斜墻。下游坡腳設(shè)置排水管，并在其進(jìn)水口處設(shè)置反濾層。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩型選擇,,木石混合壩 盛產(chǎn)木材的地區(qū)，可采用木石混合壩。其壩身由木框架填石構(gòu)成。木框架一般用圓木組成，其直徑大于0.1m，橫木的兩側(cè)嵌固在砌石體之中，橫木與縱木的連接采用扒釘或螺釘緊固。為了防止上游

11、壩面及壩頂被沖壞，常加砌石防護(hù)。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩型選擇,,,3. 鐵絲石龍壩 壩身是由鐵絲石籠堆砌而成，鐵絲石籠為箱形。這種壩型適用于小型荒溪。在我國西南山區(qū)較為多見。它的優(yōu)點(diǎn)是修建簡易，施工迅速，造價(jià)低。不足之處是使用期短，壩的整體性也較差。,問題：荒溪和小流域？？,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩高與攔砂量,三、攔砂壩的壩高與攔砂量的確定,(一) 攔砂壩的高度由下列條件決定：,1. 壩址處地基及岸坡的地質(zhì)條件2.

12、壩址處地形條件；3. 攔砂壩的設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)最好的防護(hù)效益；4. 合理的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，壩高與攔淤庫容的關(guān)系。壩高愈高，攔砂愈多，并能有效利用回淤來穩(wěn)定上游滑坡崩塌體，平均攔砂量/m3壩體，是攔砂效益的重要指標(biāo)。5. 壩下消能設(shè)施。壩下消能設(shè)施費(fèi)用隨壩高的增加而增加，在滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)前提下，以不修高壩為好。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩高與攔砂量,小型攔砂壩壩高：5～10m；中型攔沙壩壩高：10～15m；大型攔沙壩壩高：>

13、;15m。問題：攔沙壩壩高與谷坊高度及其確定的區(qū)別？,,,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩高與攔砂量,(二) 攔砂壩的攔砂量計(jì)算,壩高已定的攔砂壩庫容的計(jì)算可按下列步驟進(jìn)行：1. 在方格紙上給出壩址以上溝道縱斷面圖，并按山洪或泥石流固體物質(zhì)的回淤特點(diǎn)，畫出回淤線。,2. 在庫區(qū)回淤范圍內(nèi)，每隔一定間距測繪橫斷面圖。3. 據(jù)橫斷面圖位置及回淤線，求每橫斷面淤積面積。,4. 求出相鄰兩斷面間體積，公式: 式中：W1、W2 相鄰兩橫斷面

14、面積，L 相鄰兩橫斷面間水平距離。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 壩高與攔砂量,5. 將各部分體積相加，即為攔砂壩的攔砂量。,,當(dāng)堆沙表面積比降采用原溝床比降1/2時(shí)，m=2n，則 V=nbh2 注意：同谷坊壩穩(wěn)定坡度的確定？？,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),,攔砂壩斷面設(shè)計(jì)任務(wù)：確定既符合經(jīng)濟(jì)要求又保證安全的斷面尺寸。其內(nèi)容包括：指漿砌石重力攔沙壩。,四、攔砂壩的斷面設(shè)計(jì),（一） 初步擬定斷面輪廓尺寸（二） 壩體

15、抗滑穩(wěn)定與壩基應(yīng)力計(jì)算（三） 溢流口計(jì)算 (四） 壩下消能與壩下沖刷深度計(jì)算,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),（一）斷面輪廓尺寸的初步擬定,壩的斷面輪廓尺寸是指壩高、壩頂寬度、壩底寬度以及上下游邊坡等。當(dāng)壩的斷面為梯形時(shí)，其斷面輪廓尺寸可參照下表5-15擬定：,注意：表中規(guī)格指建在巖石基礎(chǔ)上的溢流壩。當(dāng)在松散堆積層上建壩時(shí)，因基底摩擦系數(shù)小，須增加垂直荷重的方法(將壩底寬度加大，這樣可增加壩體重量，且能利用上游淤積物作為垂直

16、荷重）來增加摩擦力，以保證壩體抗滑穩(wěn)定性。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),（1）壩頂寬度b的計(jì)算：根據(jù)壩頂溢流水深h1及上游壩坡系數(shù)m用經(jīng)驗(yàn)公式推求。 b?(0.8~0.6m)h1 一般也可以根據(jù)壩高H確定壩頂寬度: 當(dāng)H=3~5m時(shí)，b=1.5m； H=6~8m時(shí)，b=1.8m； H=9~15m時(shí)，b=2.0m；,,,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),（3）攔砂壩上游壩坡系

17、數(shù)m的計(jì)算： m與壩體穩(wěn)定性關(guān)系密切，m值愈大，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)愈大，但是筑壩成本愈高，因此，m值應(yīng)該根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果確定。初步確定上游壩坡系數(shù)m值可以利用書P117表5-16。不同的h0/H和b/H的壩上游m值。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),（二）攔砂壩的穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算,在外力作用下,攔砂壩遭破壞的形式：1. 壩基摩擦力不足以抵抗水平推 力，發(fā)生滑動(dòng)破壞；2. 在水平推力和壩下滲透壓力的作用下，壩體繞下

18、游壩址的傾覆破壞；3. 壩體強(qiáng)度不足以抵抗相應(yīng)的應(yīng)力，發(fā)生拉裂或壓碎。,設(shè)計(jì)時(shí)，由于不允許壩內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，或只允許產(chǎn)生極小的拉應(yīng)力，因此，壩體的傾覆穩(wěn)定，通常不必進(jìn)行核算，只需要計(jì)算壩基應(yīng)力計(jì)算；一般壩體穩(wěn)定計(jì)算，是指抗滑穩(wěn)定而言。,計(jì)算時(shí)，首先據(jù)初步擬定斷面尺寸，進(jìn)行壩體作用力分析，然后進(jìn)行穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算，以保證壩體不破壞。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),1. 壩受力狀態(tài)分析,作用在

19、單位壩上的力，按其性質(zhì)不同分為以下幾種類型： (1) 壩體自重G (2) 壩上下游面的淤積物重G (3) 壩前水沙壓力P泥 (主動(dòng)) (4) 泥石流沖擊力P沖 (5) 壩基揚(yáng)壓力W? (6) 下游壩基上的泥沙壓力即 被動(dòng)土壓力E (7) 地震力：,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),(1) 壩體重力G,式中：G——壩體重力,t；V——壩體橫斷面積，m2

20、；γd——壩體容重,t/m3,見書中表5-17不同砌體的容重1.7-2.6。b——單位寬度，b=1m。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),(3) 水壓力,式中：P——靜水壓力，t； g——水的容重，t/m3；  h——壩前水深，m。,,(5) 被動(dòng)土壓力 作用在下游壩基上的泥沙壓力稱之為被動(dòng)土壓力，可用下列公式計(jì)算：,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),式中：E—

21、—被動(dòng)土壓力，t； H1——壩基礎(chǔ)深度，m；  j、 gc ——同泥沙壓力公式； b——單位寬度，b=1m。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),式中：W?——滲透壓力，B——壩底寬度，g——水的容重，b——單位寬度，H——壩前水深，a1 基礎(chǔ)接觸面積系數(shù)，取a1=1,下游有水條件下，滲透壓力為： 筆記,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),(7) 泥石流沖擊力即即泥石流的動(dòng)

22、壓力。,式中；P沖——泥石流沖擊力，K——泥石流動(dòng)壓力系數(shù)，決定于龍頭特性，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，為9.81             

23、          a——泥石流流向與壩軸線的交角，°。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),(8) 地震力即在地震區(qū)大型攔砂壩的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地震力作用。地震慣性力和地震泥沙壓力。,地震慣性力:由于地震動(dòng)荷載作用，壩體產(chǎn)生水平和豎向地震慣性力。設(shè)計(jì)中只考慮水平地震慣性力。 計(jì)算公式：,,,,地震泥沙壓力: 在地震作用下壩

24、內(nèi)淤積物的內(nèi)摩擦角減小，因而相對地增加了一部分泥沙壓力。地震泥沙壓力計(jì)算公式：,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),式中:?—淤積物的內(nèi)摩擦角（等于因地震作用減少的那部分）；P泥—壩前泥沙壓力；Ke的意義同上。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),在攔沙壩設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體條件及各種作用力同時(shí)作用的可能性來確定最不利的作用力組合，以保證壩的整體安全。書P120表5-19給出作用力組合。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),2.

25、 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算,攔沙壩壩體是否滑動(dòng)，主要取決于？？,壩體本身重量壓在地面上所產(chǎn)生的摩擦力大小。如果摩擦力大于水平推力，則壩不會(huì)滑動(dòng)。分兩種情況計(jì)算：,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),(2) 如果壩的基礎(chǔ)設(shè)有齒墻，且齒墻的深度相同(見圖2)，則計(jì)算中應(yīng)考慮齒墻之間的土壤黏結(jié)力。壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式為：,式中：f0——摩擦系數(shù)，當(dāng)齒墻較薄，b`較大時(shí)，f0=tg?； b`——兩齒墻間距離，m； Ks、N

26、、P——同上式； C——壩基土的黏結(jié)力，見書P121表5-20(不同土質(zhì)C值),第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),3. 壩基應(yīng)力計(jì)算,漿砌石攔砂壩壓應(yīng)力不是控制的因素。但是漿砌石壩抗拉強(qiáng)度很低，如果壩體上游面出現(xiàn)拉應(yīng)力則易產(chǎn)生裂縫，水流滲入裂縫，影響壩體強(qiáng)度。因此設(shè)計(jì)時(shí)，不容許壩體上游面出現(xiàn)拉應(yīng)力。同時(shí),如果壩基上下游垂直應(yīng)力不超過允許值就認(rèn)為滿足強(qiáng)度要求。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),應(yīng)力的判斷：

27、 當(dāng)e≤b/6時(shí)，壩體不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力； 當(dāng)壩基上游面應(yīng)力?上>0，則壩基上游面不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力； 當(dāng)壩基下游面應(yīng)力?下<[?]地基容許承載力時(shí)，則在壩基下游不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),（三）溢流口計(jì)算,溢流口設(shè)計(jì)的目的在于確定溢流口尺寸。即溢流口寬度B 和溢流口高度H0 。具體步驟：,1. 確定溢流口形狀和兩側(cè)邊坡 一般溢流口的形狀為梯形(圖)，邊坡坡度為1:0.75~1

28、:1。對于含固體物很多的泥石流溝道，可為弧形。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),2. 計(jì)算壩址處設(shè)計(jì)洪峰流量 山洪泥石流的設(shè)計(jì)洪峰流量可參考第三節(jié)P98計(jì)算，若缺乏資料，泥石流的洪峰流量，可用泥痕調(diào)查法進(jìn)行計(jì)算。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),3. 計(jì)算溢流口寬度 選定單寬溢流流量q (m3/s)，估算溢流口寬度B。,B = Qc/q 式中 ：Qc 為泥石流流量,

29、4. 計(jì)算溢流深h0 根據(jù)選擇的溢流口形狀、流速及洪峰流量，用試算法求出過壩溢流深h0 。高含沙山洪的流速Vc可采用見書p125公式計(jì)算。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),5. 計(jì)算溢流口高度 計(jì)算溢流口高度h=h0+△h，△h為超高，一般采用0.5-1.0m。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),（1）子壩消能 適用于大中型山洪或泥石流荒溪。構(gòu)造是在主壩下游設(shè)置子壩，形成消力池，以消減過壩山洪或泥石流能量

30、。,子壩高度：壩頂應(yīng)高出原溝床0.5~1.0m，以保證子壩回淤線高于主壩基礎(chǔ)頂面。子壩距離：子壩與主壩間的距離，可取2~3倍主壩壩高。,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),（2）護(hù)坦消能 這種消能措施僅適用于小型溝道，見圖。護(hù)坦多用漿砌塊石砌筑。,2. 壩下沖刷深度計(jì)算 估算的目的在于合理確定壩基的埋設(shè)深度。 沖刷深度需考慮建筑物形式、泄流狀態(tài)及河床的地形、地質(zhì)等條件。只有采用模型試驗(yàn)及對比實(shí)際工程資料，才

31、能得到較為可靠的結(jié)果。另外，可用過壩水流的公式進(jìn)行估算：,,第四節(jié) 攔砂壩工程- 攔砂壩斷面設(shè)計(jì),式中：T－從壩下原溝床面起算的最大沖刷深度，m；q－單寬流量，m3/（s.m)；dm－壩下溝床泥石流固體物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)粒徑，mm，；ht－壩下溝床水深，m；z－上下游水位差，m； 。,第四節(jié) 小結(jié),第四節(jié) 攔砂壩工程—小結(jié),,第四節(jié) 攔砂壩工程—小結(jié),第四節(jié) 思考題,1. 對壩高已知的攔砂壩的攔砂量如何確定？(附圖說明)?2

32、.   攔砂壩斷面設(shè)計(jì)的任務(wù)與內(nèi)容?3. 攔砂壩在外力作用下的破壞形式有幾種?并對單位攔砂壩體上的受力情況進(jìn)行分析(附圖說明)?4. 簡述攔砂壩壩下消能措施？,第四節(jié) 攔砂壩工程—小結(jié),第四節(jié) 思考題,5. 某一攔砂壩已知如下條件，按攔砂壩渲泄設(shè)計(jì)流量，對其抗滑穩(wěn)定與壩基應(yīng)力計(jì)算（P122例1）？已知：(1)壩高H2=5m; 壩基礎(chǔ)埋深H1=2m;壩頂泥深H3=3m; (2)壩上

33、游坡1:0.8; 壩下游坡1:0.6; 壩頂寬b=2m; (3)壩體砌石容重?砌=2.3t/m3; (4)壩前淤積物與泥石流容重?泥= 2.2t/m3； (5)壩體與基礎(chǔ)之間的摩擦系數(shù)f=0.5; (6)地基容許承載力[?]=2.0kg/cm2 (7)淤積物內(nèi)摩擦角?=21º,