重力式攔渣壩

重力式攔渣壩是依靠其本身的自重來保持穩(wěn)定的一種壩型，平面上呈“一”字形，具有構(gòu)造簡單、就地取材、施工簡便等優(yōu)點，可用于高、中、低壩，是目前我國泥石流防治中使用最為廣泛的壩型。（一）壩體在進行壩體設(shè)計時，應(yīng)考慮攔渣壩的功能、結(jié)構(gòu)、施工養(yǎng)護以及經(jīng)濟等問題。泥石流攔渣壩和蓄水壩不同，因有砂石溢過壩頂，對壩頂和溢流背水坡都有強烈的磨損沖擊作用，必須加以特別考慮。因此，采取的背水坡和斷面形狀與蓄水壩相反，背水面宜陡，頂寬較大，經(jīng)穩(wěn)定驗算后，按最不利情況選用壩體斷面形式。1.背水坡設(shè)計為使泥石流固體物質(zhì)過壩后不損壞背水面，通常的處理方法有兩種：1）把背水坡度做得比落下石塊的軌跡坡陡，如圖3－12所示。背水坡度可按下式求算：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：vg為在損壞背水面的石塊中最小石塊的臨界流速（m/s）；β為石塊的形狀系數(shù)， ，一般取K1＋K2為1.0左右；b為石塊流動方向上的長度（m）；f為摩擦系數(shù)；ρH為石塊的密度（kg/m3）；θ為河床坡度（°）；其他符號意義同前。實際上，大多數(shù)壩都將背水坡設(shè)計成1∶0.2的標準。低壩和流出泥沙的粒徑小，而且其量也少時，可以把背水坡度放緩到1∶0.3。2）放緩背水坡，將溢流壩頂做成托盤式，如圖3－13所示。可使泥石流流體挑出壩體背水坡外跌落，使背水坡免遭沖損磨蝕，確保其穩(wěn)定性。圖3－12 背水坡示意圖m、n—坡比中的水平距離圖3－13 托盤式溢流壩頂2.壩頂寬壩頂寬度設(shè)計，除應(yīng)滿足受力需要外，還應(yīng)考慮壩址附近河床物質(zhì)組成，泥石流固體物質(zhì)運動狀態(tài)和設(shè)計對象的流量、流速等水文、泥沙要素來決定壩體頂寬。通常頂寬可按表3－5所列值選取或通過計算決定。表3－5 壩頂寬度3.溢流頂防磨泥石流攔渣壩溢流頂由于有固體物質(zhì)通過，溢流頂磨損一般都很嚴重，為了加強防磨措施，通常按流速和顆粒大小來考慮選取加固辦法。若為V形斷面，可在溝心的0.5 B寬范圍加固。1）vc<8.0m/s時，溢流頂可用堅硬的塊石漿砌鑲面加固；2）8.0<vc<12.0m/s時，溢流頂可用鋼纖維混凝土或鑄石鑲面加固；3）vc>12.0m/s時，溢流頂可用鋼板、廢鋼軌、型鋼等鋼材作面層加固。溢流頂加固要因地制宜、因害設(shè)防、就地取材，以經(jīng)濟實惠、解決實際問題為原則。（二）壩體結(jié)構(gòu)在保證攔渣壩結(jié)構(gòu)安全性能方面，必須滿足以下3個結(jié)構(gòu)設(shè)計條件，以免失事后造成更大災(zāi)害。1）傾覆安全是重力壩的首要條件，即在壩體受力后，壩底不能產(chǎn)生拉應(yīng)力，作用于壩體的合力作用線必須在壩底中心1/3范圍內(nèi)。2）壩體內(nèi)、壩底與地基的接觸面或者地基內(nèi)均不產(chǎn)生滑動。3）壩體內(nèi)產(chǎn)生的最大應(yīng)力不超過壩體材料的容許應(yīng)力，同時，地基受到的最大應(yīng)力也不得超過地基的允許承載力。（三）重力壩受力特征使壩體產(chǎn)生傾覆、滑動及應(yīng)力超過壩體所能承受的最大應(yīng)力而潰裂的荷載組合有下述幾種情況。1.空庫時的過流情況前期空庫或少量積水，然后突發(fā)設(shè)計泥石流流量沖擊壩體，躍過壩頂溢流，泥位達到設(shè)計高程。這種情況應(yīng)考慮泥石流的沖擊力，而不計入土壓力和超荷載。然而這種情況常成為控制設(shè)計的最不利條件。2.滿庫時過流情況在多次泥石流淤滿庫后，發(fā)生設(shè)計流量的泥石流，壩頂溢流達到設(shè)計高程，這種情況考慮淤滿的土壓力和超荷載而不考慮沖擊力。圖3－14為滿庫過流示意圖。滿庫過流一般偏于安全狀態(tài)。3.介于上述兩種情況之間多次小泥石流在壩前逐次淤高不滿庫。圖3－15為部分淤庫過流示意圖。圖3－14 滿庫過流圖3－15 部分淤庫過流淤高不滿庫時，暴發(fā)設(shè)計流量的泥石流，沖擊壩體上部，并躍過壩頂，達到設(shè)計高程溢流。這種情況應(yīng)考慮泥石流沖擊壩體上部的沖擊力、土壓力以及超荷載，其安全度控制在兩者之間。（四）壩的荷載組合及各種荷載的計算1.壩的荷載組合圖3－16為重力壩荷載示意圖。圖中：P、P′為偶然堆積于壩上淤積的超荷載（N）；E為堆積物的土壓力，應(yīng)分情況進行計算（N）；T為泥石流沖擊力（N）；W為水壓力（N），按設(shè)計泥位計算；W滲為壩基滲透壓力（N）；F為壩基底摩擦阻力（N）；μ為水的浮托力（N）；G為壩體重力（N）；R1為水平方向的合力（N），其值為R1＝P＋E＋W＋T＋W滲－F；R2為垂直方向的合力（N），其值為R2＝G＋P′－μ；H為壩高（m）；h為泥石流高出壩頂?shù)母叨龋╩）。此外，還應(yīng)根據(jù)具體情況，考慮壩承受滲透壓力、地震力及溫度應(yīng)力等的影響。2.各種荷載計算（1）堆積物的土壓力計算圖3－16 重力壩所受荷載示意圖1）堆積物滿庫與壩頂齊平時土壓力的計算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：E為土壓力（N）；ρc為泥石流流體密度（kg/m3）；H為壩高或壩后堆積物高度（m）；φ為泥石流內(nèi)摩擦角（°）。當φ＝0時，地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中符號意義同前。2）堆積物不滿庫距壩頂深Z m處的土壓力計算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：Ez為不滿庫距壩頂z m處的土壓力（N）；z為距壩頂z m的高度（m）；其他符號意義同前。如φ＝0時，地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中符號意義同前。3）堆積物滿庫泥石流溢過壩頂時土壓力（E）的計算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：H為壩頂高度（m）；h為泥石流高出壩頂?shù)母叨龋╩），如取壩的單位長度進行計算時， ，vc為泥石流設(shè)計流速（m/s），g為自由落體加速度（m/s2），取值9.81m/s2；a為泥石流動能高度（m），其值為 ；其他符號意義同前。（2）靜水壓力靜水壓力的計算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：W為靜水壓力（N）；ρw為水的密度（kg/m3）；Hw為從水面到壩底的水深（m）；其他符號意義同前。（3）壩基滲透壓力壩基滲透壓力的計算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：P為壩基滲透壓力（N）；ρw為水的密度（kg/m3）；α為基礎(chǔ)接觸面積系數(shù)，取值0.8；B為壩底寬（m）；h為壩前淤積厚度（m）。其余特殊荷載，如地震、溫度等可參照有關(guān)規(guī)范計算。（五）重力壩的結(jié)構(gòu)驗算結(jié)構(gòu)計算主要有抗傾覆穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、壩基應(yīng)力和壩體應(yīng)力等計算。在合理組合設(shè)計荷載并滿足斷面要求的條件下進行驗算。1.抗傾覆穩(wěn)定驗算重力式攔渣壩是靠其本身重量來保持穩(wěn)定的。因此，泥石流攔渣壩在設(shè)計年限內(nèi)必須保證穩(wěn)定不傾覆?？箖A覆穩(wěn)定驗算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：K為抗傾覆安全系數(shù)，一般取1.30～1.60；My為抗傾覆力矩（N·m）；M0為傾覆力矩（N·m）。2.抗滑穩(wěn)定計算為使壩體內(nèi)或壩底與地基的接觸面不發(fā)生滑動，根據(jù)下式進行滑動驗算：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取1.05～1.15；∑V為作用于每單寬斷面上各垂直力的總和（N）；∑H為作用于每單寬斷面上的各水平力之和（N）；f為壩體與地基的摩擦系數(shù)，見表3－6；τ0為壩體或地基中最小的剪切強度（Pa）；l為有效抗剪長度（m）。當壩高不到15m時，剪切強度（τ）略去不計，用下式計算：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)此時，取安全系數(shù)（K）為1.2；其他符號意義同前。當壩高大于15m時，且為巖石基礎(chǔ)時，在式（3－52）中可取K＝4；砂礫石基礎(chǔ)在不計剪切強度的情況下，在式（3－53）中可取K＝1.5。剪切強度要根據(jù)現(xiàn)場試驗等方法確定。3.壩體強度計算在設(shè)計荷載作用下，必須使壩體和地基承受的力不超過容許應(yīng)力。（1）壩底垂直應(yīng)力計算壩底垂直應(yīng)力的計算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：σ為壩底上游端或下游端的垂直應(yīng)力（Pa）；∑V為作用于每單寬斷面上的垂直力的合力（N）：b為壩底寬（m）；l為荷載合力作用線與壩底交點到壩底中心的距離（m）， ，x為荷載合力作用點與壩底交點到壩底上游端的距離（m）。1）由式（3－54）計算的壩底下游端的正應(yīng)力，應(yīng)比表3－6所示的容許承載力小。表3－6 地基承載力和摩擦系數(shù)2）作用于壩的荷載之合力作用線通過從壩底下游端起的1/3點時，可用下式表示：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：σ2為壩的荷載合力，其他符號意義同前。3）合力作用點應(yīng)位于截面的三分點以內(nèi)， ，滿庫時上游端、空庫時下游端的最小壓應(yīng)力不容許出現(xiàn)負值。4）壩址位于Ⅶ度以上的地震區(qū)，壩高大于15m時，應(yīng)參照《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》驗算。低壩則主要采取抗震結(jié)構(gòu)和加固工程措施。（2）邊緣主應(yīng)力計算1）壩體上游面的一對主應(yīng)力（σa1、σa2）計算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：σ為同一水平截面上游邊緣正壓力（Pa）；ρc為泥石流密度（kg/m3）；y為計算斷面以上泥石流深度（m）；θ1為上游壩面與計算水平截面的交角（°）。地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中符號意義同前。2）壩體下游面的一對主應(yīng)力（σb1、σb2）計算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：σ′為同一水平截面的下游邊緣正應(yīng)力（Pa）；θ2為下游壩面與計算水平截面的夾角（°）。地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)（3）邊緣剪應(yīng)力（τ）的計算1）壩體上游面的邊緣剪應(yīng)力（τa）計算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：ρc為泥石流密度（kg/m3）；y為計算斷面以上泥石流深度（m）；θ1為上壩面與計算水平截面的夾角（°）；其他符號意義同前。2）壩體下游面的邊緣剪應(yīng)力（τb）的計算公式如下：地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)式中：σ′為同一水平截面的下游邊緣正應(yīng)力（Pa）；θ2為下壩面與計算水平截面的夾角（°）。上述邊緣應(yīng)力計算值應(yīng)低于建壩材料的容許應(yīng)力。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。