美坑泥石流计算书.pdf

1 设计附件（备案）安徽省黟县美溪乡美坑泥石流治理工程设计计 算 书计算：余振锡校对：孙凤贤审核：马作明安徽省地勘局第二水文工程地质勘查院2007 年 8 月2 目录一、泥石流设计计算基本思路......................... 4二、泥石流计算所需基本特征值参数. .................. 4（一） 泥石流体重度 γc的确定及确定方法 ............. 4（二） 泥石流体颗粒组成的确定...................... 6（三） 泥石流固体颗粒重度γH确定及确定方法 ......... 7（四） 泥石流流体粘度 η确定及确定方法.............. 7三、泥石流设计动力学参数取值....................... 8（一） 泥石流流速 . ................................. 8（二） 泥石流峰值流量 . ............................. 9（三） 一次泥石流过程总量计算..................... 12 （四） 泥石流石块运动速度计算..................... 13 （五） 泥石流冲击力计算 ........................... 14 （六） 泥石流冲起高度的确定....................... 15 （七） 泥石流的弯道超高 ........................... 16 （八） 泥石流设计参数取用......................... 16 四、拦挡坝稳定性、强度、地基承载力计算............ 17 （一） 、选定验算的断面参数......................... 17 （二） 、荷载取值及组合 . ............................ 19 （三） 、坝体稳定性、地基承载力计算................. 22 （四） 、坝体强度计算 . .............................. 24 3 五、排导槽验算 .................................... 30 六、计算断面与选择断面关系说明.................... 32 4 一、泥石流设计计算基本思路泥石流设计计算的基本思路是：1、确定所需的基本特征值参数2、确定动力学参数3、确定所要验算的拦挡结构断面参数4、确定荷载组合及计算荷载5、计算拦挡结构的抗滑、抗倾覆稳定性，拦挡结构截面抗剪强度、抗压强度、地基承载力计算验算6、导流槽截面验算7、决定选择的断面参数是否合理，如果合理则按所选方案进行设计。

二、泥石流计算所需基本特征值参数. （一） 泥石流体重度γc的确定及确定方法按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220－2006） ，采用现场称重法并结合当地目击者回忆以及工程经验进行综合确定1、现场调查试验法（称重法）选择泥石流流通区后段及堆积区较典型泥石流体地段进行现场采样（采样的要求严格按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220－2006）执行） ，同时选择 8～10 位目击者，根据当时的目击状况配置泥石流体样品， 进而得出了泥石流的重度参考值，计算公式见式（ 1） 共得出了三组数据，见表15 γc＝Gc/V （1）式中： γc为泥石流体重度（ kg/m3）Gc为样品总重（ kg）V 为泥石流样品体积（ m3）表 1 称重法泥石流重度实测表样品采集点样品重量 （kg）水重 (kg) 泥石流体 重（kg）泥石流体总 体积（ m3）泥石流体重 度（kg/m3）流通区后段36 10 46 0.0317 1450 堆积区点 1 38 11 49 0.0318 1540 堆积区点 2 35 9 44 0.0282 1560 2、形态调查法在现场回访多人次，描述当时见到的泥石流体的“稀稠”状态，按此进行判断。

判断表见表2表 2 形态调查法泥石流体重度选择表 调查对 象编号描述对应的重度值（ kg/m3）备注甲稠浆状1400～1600 注：对应的重度值按 照《泥石流灾害防治 工程勘查规范》 （DZ/T0220－2006） 确定乙稀浆状1200～1400 丙稠浆状1400～1600 丁稠浆状1400～1600 戊稀浆状1200～1400 己稠浆状1400～1600 庚稠浆状1400～1600 辛稠浆状1400～1600 分析表 1、 表 2， 同时结合泥石流体的成分组成、 颗粒组成特点，参照类似工程经验，综合取定本地泥石流重度取值为1550kg/ m3即15.5kn/m36 （二） 泥石流体颗粒组成的确定泥石流体颗粒组成可采用体积法和方格网法，其中体积法较为准确，本次采用该法确定泥石流体颗粒组成本次设计在泥石流堆积区、流通区共选择3 个测点现场采样并采用现场大颗分法进行测试 具体的测试方法严格按照 《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220－2006）规定现场颗分法进行3 个代表性地段采取的样品重量在230～360kg 之间，得到的测试结果见表 3测试结果表明：组成泥石流体的主要颗粒级别在50mm以下，约占总重的 85％以上， 其次是 50mm~100mm之间的颗粒，约占总重的 6％左右，100～150mm约占总重的 4％左右， 150～200mm约占总重的 3％左右，而大于 200mm 以上的颗粒只占总重的2％左右，分析结果表明，组成泥石流的主要为粒度较小的颗粒， 这与形成泥石流体的松散物质来源主要为残坡积层有关， 而残坡积层内的主要碎石成分均来源于相对软弱的页岩及泥质灰岩基岩的风化物。

表 3 泥石流颗粒分析一览表测试点编号测试位置样品总重（kg）颗粒级别（ mm ）项目200 K1 堆积325.80 重量（kg）170.00 52.80 68.75 22.10 11.90 0.25 - 7 扇含量（％）52.10 16.10 21.00 6.60 3.50 0.70 - K2 堆积扇234.00 重量（kg）68.15 15 59.80 63.90 15.90 9.75 1.45 含量（％）29.00 6.40 25.50 27.30 6.70 4.20 0.60 K3 流通区361.05 重量（kg）167.40 35.80 108.60 13.95 6.95 10.95 17.40 含量（％）46.40 9.90 30.00 3.80 1.90 3.0 4.80 （三） 泥石流固体颗粒重度 γH确定及确定方法采用比拟法确定泥石流固体颗粒重度γH按照铁道及公路系统积累的经验， 泥石流固体颗粒重度 γH一般取值范围为24kn/m3～27kn/m3之间，主要取决于泥石流主要的母岩组成分根据本处泥石流体的特征，选定泥石流固体颗粒重度γH为 26 kn/m3四） 泥石流流体粘度 η确定及确定方法采用形态调查法确定，本次设计根据形成泥石流的山坡、沟床、土壤特征，并访问了10 位老居民所见的暴发泥石流时的流体形态描述，按下表 4 确定泥石流粘度 η。

表 4 泥石流粘度 η选定表土壤特征轻质砂粘土粉土及重质砂粘土粉土及重质砂粘土粉土及重质砂粘土粘土泥石流体稠度稀浆状稠浆状稀泥状稠泥状稀粥状粘度（Pa.s）0.3 ～0.8 0.5 ～1.0 0.9 ～1.5 1.0 ～2.0 1.2 ～2.5 8 根据 10 位老人回忆，有6 位认为当时泥石流体应为稠浆状，3位认为应为稀泥状， 1 位认为为稠泥状；而根据场地调查，按照土壤学土体分类， 山坡的主要组成应为粉土及重质砂粘土，故综合判定泥石流粘度 η取值为 1.0 Pa.s 三、泥石流设计动力学参数取值泥石流设计还需要其他特征值参数，这些参数主要根据泥石流工程经验及动力学、水力学、 水文学有关原理得出，即泥石流设计所需的动力学有关参数的计算与选定这些特征值参数包括泥石流流速、泥石流流量、一次泥石流过程总量、泥石流石块运动速度、泥石流冲击力、泥石流冲起高度和泥石流弯道超高一） 泥石流流速计算泥石流的公式较多，大多带有经验性质，一般分为稀性泥石流流速计算公式、 粘性泥石流流速计算公式和泥石流中大块石计算公式三类按照本处泥石流的特点， 我们采用铁二院计算公式， 见式 22/13/2111IHnVmvHc（2）式中：cV－泥石流流速，（m/s）; γH－固体物质重度（ t/m3） ，取为 2.6t/m3; υ－泥石流重度修正系数（泥石流泥沙修正系数）；1/n－泥石流清水沟床糙率系数。

上述计算公式中泥石流泥沙修正系数υ值可按照相关公式计算，也可依据“泥石流易发程度综合评分得分值N”查取《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220－2006）中相应表格得出本处泥石流9 综合评分 N为 87 分，查表得出的 υ值换算为相应泥石流重度、固体物质重度条件下的相应 υ值为 0.60计算断面平均水深（也即水力半径R 的代替值） Hmv可按照调查资料得到本次设计根据泥石流调查、 回忆回访及泥石流沟床的观察综合确定得拟设 1＃坝体断面 （即断面 1）处为 1.80m，拟设 2＃坝体断面（即断面 2）处为 2.20m清水沟床糙率系数1/n 可根据沟床沉积物特征、沟床平整度、沟床纵坡等查取地区相关水文手册得到本次设计按照1984 年安徽省水文手册皖南地区相关资料取断面1 处 1/n=7.67，断面 2 处 1/n=6清水水力坡度I 为实测的值，一般可取沟床纵坡代替按照勘查得到的断面 1 处为 150‰，断面 2 处为 120‰将γH=2.6t/m3、υ＝0.6、 1/n＝7.67（断面 1） 、1/n＝6（断面 2） 、I＝150‰（断面 1） 、I＝120‰（断面 2） 、Hmv＝1.80m（断面 1） 、Hmv＝2.20m （断面 1）带入式（2）可得两个拟设坝体处的泥石流流速为：VC1＝2.74m/s VC2＝2.20m/s （二）泥石流峰值流量（1）现场形态调查法现场形态调查法确定泥石流峰值流量的公式见式（3）QC=VC×FC（3）式中： QC－泥石流流量（ m3/s） ；VC－泥石流流速（ m/s） ；FC－泥石流过流断面面积（m2）按照前述得出的流速及设坝实测的过流断面积（FC1＝14.2m2、FC2＝22.40m2） ，得出两个断面处的泥石流流量为：QC1=38.72 m3/s QC2=49.20 m3/s 10 （2）雨洪计算法主要引用水利系统的洪水计算法经修正而得，即假设泥石流与暴雨同频率且同步发生、 计算断面的暴雨洪水设计流量全部转化为泥石流流量，其计算公式见式（4） 。

QC＝(1+υ)×Qp×Dc（ 4）式中：υ－泥石流流量修正系数（泥石流泥沙修正系数）；Qp－设计频率下的沟谷清水洪峰流量（m3/s） ；Dc－河道堵塞系数其中泥石流流量修正系数见前述υ＝0.60 Qp按照水利部门洪水公式计算求出，见下式（5） Qp＝0.278Ψ×F×SP/τn（5）式中：Ψ－洪峰径流系数，即汇流时间τ内最大降雨 H 与其所产生的径流深 h 之比，计算见后；F－汇雨面积（ km2） ，取为本处实际至三侧分水岭的汇水面积 0.45 km2；SP－雨力（ mm/s） ，计算见后；τ－汇流时间，即降雨从沟端汇到沟口所经历的时间（h） ，计算见后；n－暴雨随历时增长而递减的衰减指数，查表得出为0.665上述各参数的计算见下列各式：SP＝H24P/241-n（6）H24P＝KP×H24P （7）Ψ＝n(tc/τ) 1-n（8）tc＝[(1-n)×SP/μ]1/n（9）τ＝τ0×Ψ-1/(4-n)（10）τ0＝0.2783/(4-n)/(mJ1/3/L)4/4-n（S PF）1/4-n（11）11 μ＝（ 1－α24）H24P/24 （12）式中：τ0－Ψ＝1 时流域的汇流时间，小时（h） ；L－自流域出口断面沿主河道至分水岭的河流长度，km，本次设。