地质灾害课程设计.doc

一、大檫沟泥石流概况大擦沟泥石流沟，位于九寨沟县永和乡草坡村， 2010年5月25日，大擦沟暴发较大规模泥石流，泥石流漫出下游沟道，淤埋沟道两侧房屋，导致3幢房屋损坏，直接经济损失200余万元。此次泥石流历时约1个小时，为典型的粘性阵性流。现阶段，该泥石流沟处于壮年期，一旦暴发较大规模的泥石流，将直接威胁沟口44户239人生命财产安全，同时威胁泥石流出口处乡镇公路路段200m及中路河河道，潜在经济损失在3000万元以上。大擦沟泥石流以往属中高频泥石流，主沟形成2050年一遇的泥石流为中等规模，520年一遇的泥石流以中小规模为主；5年一遇的为小规模为主。目前大擦沟泥石流所处发展阶段为发展期（壮年期）。从近期泥石流灾害史看，2010年5月暴发过一次较大规模的泥石流，冲出固体物质在0.9×104m3。目前沟内滑坡、坡面侵蚀发育，沟道内堆积物源较多，可能参与泥石流活动的松散固体物源量较为丰富，现沟内可参与泥石流活动的固体物源动储量达4.12×104m3，相当于2010年大擦沟泥石流固体物质冲出量约0.9万m3的7.2倍，激发泥石流的临界雨强可能降低，因此，泥石流的暴发频率可能提高，成为中高频甚至高频泥石流，震后主沟小规模的泥石流15年发生一次，中大规模的泥石流510年发生一次，以后，随着植被的恢复和部分物源趋于稳定，其发生频率可能逐渐降低为震前中低频的水平，据此估算，20年内可能发生2.0次左右的泥石流灾害，固体物质冲出量计2.58×104m3左右。大擦沟泥石流流域内不良地质现象发育，泥石流固体物源量大增；泥砂沿程补给充分，补给长度比60%；沟口泥石流堆积扇挤压大河，导致扇区前缘中路河明显弯曲，但说明泥石流活动强度较大。大擦沟谷纵坡354.8，因此总体上沟谷纵坡降大，特别是沟源段纵坡大，有利于泥石流的形成；区域构造方面为强抬升区，沟谷下切和侧蚀作强烈，地震活动强烈，有利于泥石流的发育；流域内虽植被总体上覆盖较底，平均植被覆盖率50%左右，坡面结构变得松散，坡面滑塌现象发育，植被破坏严重，水土流失可能加剧，可为泥石流的发育提供一定的固体物源；沟谷内近期（2010年泥石流）一次泥石流冲淤变幅达2m左右，泥石流活动强度较大；区内主要出露三叠系中统杂谷脑组（T2z）灰岩夹板岩和松散第四系残坡积物、滑坡堆积物、古泥石流堆积物等，沿沟松散物总储量丰富，产沙区松散物平均厚度312m；沟岸山坡坡度一般在30°以上，沟谷形态为“V”型谷、“U”型谷，有利于物源和水源的汇聚和泥石流的形成；泥石流沟域面积4.52km2，相对高差1320m，沟谷堵塞程度一般。这些因素总体上有利于泥石流的发育。根据泥石流沟域基本特征和参数，按照泥石流灾害防治工程勘查规范（DT /T02202006）附录G“泥石流沟的数量化综合评判及易发程度等级标准”，大擦沟主沟泥石流易发程度评分为99分，易发程度均属易发二、大檫沟泥石流基本运动特征参数表1是经过勘查得到的大檫沟泥石流基本特征参数，主要包括泥石流容重、泥石流流量、冲起高度和爬高等。表1 大檫沟泥石流基本特征参数统计表治理工程重度（t/m3）流速（m/s）流量（m3/s）大块石粒径（m）冲起高度 (m)爬高(m)拟建坝位（28-28剖面）1.805.57472.991.61.592.54拟建坝位（a-a剖面）1.805.42372.861.61.502.40 拟建坝位（11-11剖面）1.804.48875.281.61.031.64大擦沟沟口（5-5剖面）1.803.74973.741.60.721.15三、大檫沟泥石流治理工程设计大擦沟泥石流拦挡工程和排导工程均按20年一遇暴雨（P=5%）标准进行设计，按50年一遇暴雨（P=2%）标准进行校核。根据大擦沟泥石流的类型、规模、活动情况和危害程度，按照泥石流防治工程设计规范（送批稿），确定该泥石流的防治等级为三级。相应的防治工程主体工程设计标准应按20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1.15，特殊荷载下抗滑安全系数应达到1.06，基本荷载下抗倾覆安全系数应达到1.40，特殊荷载下抗倾覆安全系数应达到1.12。1、拦挡坝设计根据大擦沟泥石流特征，由于堆积区已建排导槽过流能力有限，故须消减泥石流洪峰流量，使其能够满足堆积区排导槽的过流能力；因此选择在形成流通区中下游修筑3座拦挡坝，坝体形式为重力式拦挡坝，以拦截部分泥石流固体物质，降低过坝泥石流流体重度。在设计20年一遇暴雨频率下，根据泥石流洪峰值流量计算公式，以满足堆积区排导槽过流的泥石流洪峰流量进行反算过坝泥石流流体重度，其计算结果见表2。表2 拦挡坝拦截库容要求计算表项目洪峰流量Qp(m3/s)w(t/m3)H(t/m3)c(t/m3)堵塞系数Dc1+设计流量Qc(m3/s)一次泥石流总量Q(m3)一次泥石流固体物质总量QH (m3)拦挡前23.691.002.651.8001.601.94573.7453621.7425998.42拦挡后23.691.002.651.5021.601.45945.7633276.8216134.22由表可见，设置拦挡坝后，当过坝泥石流流体重度降为c=1.502 t/m3时，Qc=45.76m3/sQ排导槽=47.98 m3/s，即可满足排导槽过流。则须拦截的泥石流固体物质为QH=9864.2m3。根据设计要求，在设计20年一遇暴雨频率下，拦挡坝拦截库容量不小于1次，因此，拦挡坝拦截库容要求为不小于9864.2m3。2、拦挡坝的布置及坝肩坝基工程地质条件拦挡工程布置的主要目的在于消峰减流，减小泥石流峰值流量，并阻挡泥石流沟内的大石块，减少一次泥石流活动的物源量，降低泥石流流体容重，经拦挡后泥石流剩余物质的顺利下泻，同时通过泥石流物质回淤压脚起到稳固沟床和减轻沟岸崩滑的作用。并减少堵塞主沟的风险。大擦沟泥石流拦挡工程布置主要利用沟道中下段纵坡相对较缓，沟道宽窄相间的特点，并与沟域泥石流物源动储量分布情况相匹配，坝位的选择尽可能选择沟道狭窄、上游库容较大的地段，并尽可能选择在沟床弯道下游泥石流能量部分消散，坝肩坝基地质条件良好沟段设坝。据此，在大擦沟共选择3处相对较好的坝位，位于大擦沟形成流通区中下游段。2、坝体断面和结构设计各坝断面尺寸见表3。表3 大擦沟泥石流拦挡坝坝高统计表名 称坝顶标高（m）基底标高（m）坝高（m）有效坝高（m）1#拦挡坝1870.891862.398.542#拦挡坝1777.281768.788.543#拦挡坝1747.141738.648.543、坝的库容和功能参数计算拦挡坝功能主要为三个方面，一是通过其有效库容拦挡泥石流中的固体物质，降低流体重度，减轻对下游的危害，二是通过坝体的削峰减流作用调节泥石流流体峰值流量，增加下游排导工程或自然沟道的安全性，三是通过坝体的有效拦砂作用，降低过坝泥石流重度。由于该方案中各坝总库容远小于大擦沟泥石流物源动储量，而坝体淤满后其调节流量和泥石流重度的作用就将大大减小，且目前对此还没有成熟的计算方法，因此，此处仅对方案中泥石流稳拦能力进行计算。回淤坡度按下式计算：式中I0回淤纵坡（）；I沟床纵坡（）。由于大擦沟各坝位上游回淤范围形态多不规则，因此库容的计算方法为：根据回淤纵坡图解求得回淤长度和库尾高程，据此在平面图上圈定回淤范围，计算回淤范围面积，再乘以库区平均深度计算其回淤库容。坝的回淤范围详见治理工程平面布置图，库容计算结果详见表4。表4 拦挡坝和谷坊坝稳拦物源能力一览表分项分部工程名称沟谷纵比降（）回淤纵坡比降（）回淤长度（m）回淤平面面积（m2）回淤坝库区平均深度（m）坝的回淤库容（m3）1#拦挡坝291.2114.2868924.82.533122#拦挡坝290171.42758802.532003#拦挡坝205.13115.38868402.53500合计10012通过坝的回淤库容计算，3座坝稳拦物源为10012m3，大于设计拦挡量9864.2m3，满足要求。四、拦挡坝结构设计参数建议取值：1、泥石流整体冲压力式中：泥石流冲击压力（Pa）； g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（°）； 建筑物形状系数，方形为1.47，矩形为1.33，圆形、尖端圆端形为1； Vc泥石流断面平均流速（m/s）；2、泥石流中单块块石最大冲击力计算 式中：F对墩的冲击力； 动能折减系数，巨石冲击时取0.3； 受力面与泥石撞击面接触角； C1、C5巨石与建筑物的弹性变形系数，若采用船筏与桥墩的撞击系数，C1C5=0.005； W巨块石重量（t/m3）； Vs泥石流中块石移运速度（m/s）；3、作用于迎水面坝踵处的扬力式中：Fy作用于迎水面坝踵处的扬力（kPa）；H1坝上游水深（m）；H2坝下游水深（m）；B坝底宽度（m）；w水体重度9.8kN/m3；K折减系数，按浆砌石坝设计规范（SL25-2006），一般取K=0.25。表5 坝上下游水深名 称坝上游水深（m）坝下游水深（m）1#谷坊坝4.51.52#谷坊坝1.40.33#谷坊坝3.40.44、地震力区内地震基本烈度为度，地震加速度a=0.15m/s2，坝体受水平地震力为：式中：F震地震力（kN）；a地震加速度，取0.10；Wb坝体自重。5、泥石流水平压力按朗肯主动土压力进行计算，泥石流体容重18KN/m3，泥石流内摩擦角6°，泥石流固结后内摩擦角12°，堆积物容重22.5kN/m3。6、坝体稳定性验算（1）坝抗倾稳定性按下式计算：式中：K抗倾覆安全系数；Kq抗倾覆安全系数标准值，基本荷载取1.40，特殊荷载（地震）取1.12；（2）坝抗滑稳定性按下式计算：式中：K抗滑稳定安全系数；Kh抗滑稳定安全系数标准值，基本荷载取1.15，特殊荷载（地震）取1.06；f坝体与地基的摩擦系数，取值为0.6。7、 地基应力复核在设计荷载作用下，必须使地基承受的力不能超过容许应力。（1）地基承载力特征值修正按下式进行计算：式中：f修正后的地基承载力特征值（kPa）；fk地基承载力特征值（kPa）；根据勘查报告；b基础宽度的地基承载力修正系数，碎石土，取值3.0；d基础埋深的地基承载力修正系数，碎石土，取值4.4；基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度（kN/m3），取值为10；p基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度（kN/m3），取值为10；B基础宽度,（m）；d基础埋深，（m）。表6 地基承载力特征值修正表编号（kPa）bd（kN/m3）p（kN/m3）1#坝28034.410102#坝30034.410103#坝32034.41010根据以上资料，选取任一拦挡坝，进行结构设计，主要包括以下内容：1、 拦挡坝细部构造设计（除坝高外的其余所有坝体参数，如溢流口、排水孔、上下游边坡系数、坝顶、坝底、坝基础、坝下游消能、坝肩等）；2、 拦挡坝荷载分析与结构计算（6种工况下荷载计算、抗滑、抗倾覆以及基底应力验算）；3、 绘制设计图（拦挡坝平面图、立视图与溢流口中部的剖面图）。