河床穩(wěn)定計算及河相分析

1、1.河床穩(wěn)定計算及河相分析1.1.河床穩(wěn)定計算河床穩(wěn)定指標可采用橫向穩(wěn)定指標、縱向穩(wěn)定指標及綜合穩(wěn)定指標3種形式分析，以確定河道特性。1.1.1.河道橫向穩(wěn)定分析河道橫向穩(wěn)定系數按下式計算:Q0.50廣J0.2B式中：0b橫向穩(wěn)定系數；Q造床流量，m印s；J河床比降；B相當于造床流量的平攤河寬，m1.1.2.河道縱向穩(wěn)定分析水流對河床泥沙的拖曳力與床面泥沙抵抗運動的摩阻力之間的相互作用，決定河床的縱向穩(wěn)定性。根據黃河水利出版社出版治河及泥沙工程中河道縱向穩(wěn)定系數采用愛因斯坦水流強度函數按下式計算：d°h=h式中：0h縱向穩(wěn)定系數；D床沙平均粒徑，mmJ河床縱比降；H河流平攤水深，m。

2、1.1.3.綜合穩(wěn)定指標綜合穩(wěn)定指標是綜合考慮河床的縱、橫向穩(wěn)定性。建議采用的公式為Q=（Q）2*Qbh1.2.河床演變分析與河相關系調查工程區(qū)河道歷史主流及河道變遷，分析工程區(qū)河道形態(tài)。共分為蜿蜒型河道、游蕩型河道兩種形式。蜿蜒型河段一般凹岸崩退，凸岸淤長，凹岸深槽和過渡段淺灘在年內發(fā)生互相交替的沖淤變化。游蕩型河道的河岸及河床抗沖性較差，從長距離來看河道往往呈藕節(jié)狀，其中窄段水流歸順，有控制河勢的作用，寬段則河床寬淺，洲灘密布，汊道交織，水流散亂，主流遷徙不定。河道的平面狀態(tài)可用“寬、淺、散、亂”四個字概括。在水流長期作用下形成的河床，其形態(tài)有一定的規(guī)律，大量資料表明，表征河床形態(tài)的水深、

3、河寬、比降等，與來水來沙條件及河床地質條件之間，有一定函數關系，這種關系便稱為河相關系。根據俄羅斯國立水文所提出公式，河道橫斷面河相關系公式為:BJ=亍式中:g河相相關系數；B造床流量下的水面寬（m）；H造床流量下的平均水深（m）；（蜿蜒型河道Z約為24,較為順直的過渡性河段約為812,游蕩型河道Z約為2030）2.護岸結構設計2.1.護岸頂高程確定根據堤防工程設計規(guī)范（GB50286-2013）（以下簡稱堤防規(guī)范）要求，堤頂高程為設計洪水位加超高值確定。堤頂超高按下式計算：式中：Y堤頂超咼(m)；R設計波浪爬高(m)；e設計風壅水面高度(m)；A安全加咼(m)。a)當斜坡坡率m=I'

4、55°H/L±0.°25時，設計波浪爬高r可按下式計算:R=Pm=cota式中：Rp為累積頻率為P的波浪爬高(m)；KA為斜坡的糙率及滲透性系數，時，砌石護面取1.0；K為經驗系數，可根據風速V(m/s)、堤前水深d(m)、重力加速度g(m/s2)組成的無維量V/gd確定；K為爬高累積頻率換算系數，對不允許越浪的堤防，爬高累積頻率取2%；m斜坡坡率；H堤前波浪的平均波高(m)；L堤前波浪的平均波長(m)；a斜坡坡腳。有關風浪的要素按堤防工程設計規(guī)范中的有關規(guī)定計算b)設計風雍增水高度e按下式計算：KV2Fe=cosB2gd式中：e計算點的風壅水面高度(m)；K綜合

5、摩阻系數，取K=3.6x10-6；V設計風速，按計算波浪的風速確定；F由計算點逆風向量到對岸的距離（m）；D水域的平均水深（m）；B風向與垂直于堤軸線的法線的夾角（°）。C）安全加高的選取安全加高A查堤防工程設計規(guī)范（GB502862013）表3.2.1,5級堤防按不允許越浪考慮安全加高為0.5m。2.2.護坡厚度的確定C20混凝土護面的防護厚度采用下面公式計算：rL式中：t混凝土護面厚度（m）n系數，對開縫混凝土板可取0.075,（現澆混凝土板每10m設一道伸縮縫）；對上部為開縫板、下部為閉縫板可取0.10。H計算波浪高（m）,取斗。查表并計算得H%=0.25m；r混凝土板的重度（

6、kN/m3）,取24kN/m3；br水的重度，取10kN/m3；L波長（m）,L平均=3.46m；B沿斜坡方向的護面板長度（m）；m斜坡坡率，m=2.0。經計算，t=0.12m。工程區(qū)治理河段護岸考慮了磨損年限、凍融循環(huán)、抗腐蝕耐久性等綜合因素，并參考當地已建護岸工程經驗，采用C20砼預制鉸接式生態(tài)護坡厚度采用0.12m。2.3.坡腳確定通過計算局部沖刷深度來確定具體的防沖護砌范圍，除河床基巖出露的河段外，其它河段護岸的護腳局部沖刷深度計算采用堤防工程設計規(guī)范（GB50286-2013）中平順護岸沖刷深度計算公式，按設計洪水位進行局部沖刷深度計算。2.3.1.沖刷深度式中：hs局部沖刷深度（m

7、）；H0沖刷處的水深（m）；U近岸垂線平均流速（m/s）；cpUc泥沙的啟動流速（m/s）；粘性與沙質河床采用張瑞瑾公式計算，卵石河床采用長江科學院公式計算；n與防護岸坡在平面上的形狀有關，本次取n=l/4。張瑞瑾公式:Hq0.14d5010+H+0.0000006050d°7250Hq1/7長江科學院公式:長江科學院的起動公式計算U=1.08c、式中：d50河床的中值粒徑（m）；H°彳丁進水流水深（m）；rs，r分別為泥沙與水的重度（KN/m3）,g為重力加速度（m/s2）,U的計算應符合下列規(guī)定：cp2“U=Ucp1+乃式中：U行近流速（m/s）；n水流流速分配不均勻系

8、數，根據水流流向與岸坡交角a角查表。表水流流速不均勻系數表a<15°20°30°40°50°60°70°80°90°n11.251.51.7522.252.52.753根據設計洪水與護岸的關系、洪峰流速及河床質等因素，選用張瑞瑾公式最終確定各段護岸的沖刷深度2.3.2.基礎埋深確定根據規(guī)定，防洪墻基礎砌置深度，應根據地基土質和沖刷計算確定，要求在沖刷線以下0.51.0m。在季節(jié)性凍土地區(qū)，還應滿足凍結深度的要求。結合工程區(qū)抗沖刷及抗凍、地基情況要求及河道河勢變遷情況，考慮該河段無明顯灘槽、河道渠槽化

9、、主河槽擺動明顯等特征，本次堤基沖刷深按深泓點作為地面高程，滿足沖刷線以下計算深度。綜合考慮，確定護岸堤基埋置深度按以下要求確定:a. 滿足沖刷要求根據沖刷計算，工程段沖刷深度為1.001.91m,結合河道斷面演變情況分析及平順段沖刷深度計算結果，綜合確定工程區(qū)堤基平順段埋置于深泓點以下2.0m,斜沖段埋置于深泓點以下2.5m。b. 滿足凍土深度的要求本工程區(qū)最大凍土深度0.9m，地基最低埋置深度2.0m,根據沖刷深度要求，本段堤防埋置深度滿足凍土要求。c. 滿足地基承載力的要求?；A在滿足以上兩點的前提下，還需要滿足地基承載力要求。根據該段堤防沿線基礎地質情況，多半工程基礎坐落與基巖上，只有

10、少部分堤防工程基礎落于粉質壤土和砂礫石上，需對基礎進行適當放大處理，滿足承載力要求。綜上所述，本次設計項目區(qū)確定工程區(qū)堤基平順段埋置于深泓點以下2.0m,斜沖段埋置于深泓點以下2.5m。由于工程區(qū)部分區(qū)域基巖層相對較高，位于沖刷深度以上，因此將該區(qū)段堤防基礎底部坐落于基巖強弱分劃線以下0.5m，其余區(qū)段基礎埋深按照沖刷深度計算成果控制。2.3.3.護坡護腳計算堤防斜坡段迎水面采用大塊型鉸接護坡磚防護，底部基礎為格賓石籠；格賓石籠堤腳外設拋石護腳。在水流作用下，護腳塊石保持穩(wěn)定的抗沖粒徑按堤防工程設計規(guī)范附錄D.3.4公式計算。W=-Yd36s式中：d折算粒徑（m）；W石塊重量（kN）；V水流流

11、速，取最大流速為4.0m/s；g重力加速度（9.81m/s2）；C石塊運動的穩(wěn)定系數；水平底坡C=1.2；Ys石塊的容重，取26.5kN/m3；Y水的容重，取10kN/m3。經計算，d=0.15m,工程擬采用粒徑不小于0.2m的石塊作為護腳拋石。2.4.擋墻穩(wěn)定計算擋墻的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定安全系數按堤防工程設計規(guī)范（CB50286-2013）附錄F中的有關規(guī)定進行計算，當地基為基巖時，擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數和抗傾穩(wěn)定安全系數按表5.4-2選取，基底最大應力小于地基土的允許承載力【R】。2.4.1.抗滑穩(wěn)定安全系數K=廠酗c=式中：Kc抗滑穩(wěn)定安全系數；SW作用于墻體上的全部垂直力的總和（kN）；%

12、作用于墻體上的全部水平力的總和（kN）；f底板與堤基之間的摩擦系數。2.4.2.抗傾覆穩(wěn)定安全系數/EMK=1厶v0Mh式中：k0抗傾覆穩(wěn)定安全系數；Mv抗傾覆力矩（kN.w）；Mh傾覆力矩（kN.m）。2.4.3.擋土墻地基應力驗算EGEMffmax=±min4E“式中：oi基底的最大和最小壓應力（kPa）；max.minSG垂直荷載（KN）；GA底板面積（m2）；SM荷載對底板形心軸的力矩（kN.m）；底板的截面系數（m3）。2.5.護坡的穩(wěn)定計算護坡的穩(wěn)定計算包括整體穩(wěn)定和邊坡內部穩(wěn)定計算兩種情況。2.5.1.整體穩(wěn)定計算由于蒲河河床基巖出露較高，基礎腳槽均布置在岸坡基巖的弱風

13、化層上限，不會發(fā)生沿護坡底面的滑動。護岸及岸坡基礎土的滑動根據堤防工程設計規(guī)范（GB50286-2013）附錄F公式F.0.3-1瑞典圓弧法進行計算。計算公式為:卩E（"±V）cosOubsecOQsinOtan+cbsecOK=E（W±y）sind+Mc/R式中：W土條重量（kN）；Q、V水平和垂直地震慣性力（kN）；作用于土條底面的空隙壓力（kN/m2）；0條塊重力線與通過此條塊地面中點的半徑之間的夾角（°）；b土條寬度（m）；c'、'土條底面有效凝聚力（kN/m2）和有效內摩擦角（°）；Mc水平地震慣性力對圓心的力矩（kN

14、.m）。R圓弧半徑（m）；用理正巖土計算系列軟件中邊坡穩(wěn)定計算程序對迎水面邊坡的抗滑穩(wěn)定進行計算K=1.825>1.25滿足規(guī)范要求，護坡穩(wěn)定。2.5.2.邊坡內部穩(wěn)定計算一般不穩(wěn)定破壞發(fā)生在枯水期，護坡體和岸坡是兩種不同抗剪強度的材料，水位較低時，往往沿抗剪強度較低的接觸面向下滑動，計算時假定滑動面經過坡前水位和坡岸滑動裂面的交點，全滑動面為abc折線，折點b以上的護坡體產生滑動力，依靠下部護坡體的內部摩擦阻力平衡。計算如下：維持極限平衡所需的護坡體內部摩擦系數f2值按下列公式計算：A/Bf2+C=0=nmi(m2-mi)mWrmmn(m2m+m)B=271+m2+2丄+j1171+W

15、r1+mmc=wL71+m1+T+2式中:m1折點b以上護坡內坡的坡率，取1.5；m2折點b以下護坡內坡的坡率，取2.0；n=fl/f2；f護坡和基土之間的摩擦系數取0.65；f2維持極限平衡所需的護坡體內部摩擦系數;W,w2護坡體質量。護坡穩(wěn)定安全系數按下式計算:K=tg（plf2式中：（P坡體內摩擦角，取45°。當m=1.5時，經試算得f2=0.6,則斜坡式護岸穩(wěn)定安全系數K=1.66>1.20,滿足規(guī)范要求，當m<1.5時，經試算，則坡式護岸穩(wěn)定安全系數KV1.2不滿足規(guī)范要求，因此護岸坡比不陡于1.5滿足設計要求。圖5.4-8固濱籠擋土墻受力簡圖經分析，在建成未運

16、行條件下，擋土墻處于最不利狀況，據此分析擋土墻的抗滑穩(wěn)定抗傾穩(wěn)定及地基承載力。計算成果見下表。表5.4-3擋墻穩(wěn)定計算成果（完建情況）擋墻類別抗滑穩(wěn)定安全系數kc抗傾覆穩(wěn)定安全系數K0地基承載力（Mpa）設計值允許值設計值允許值PmaxPmin重力式1.6131.252.1231.500.3630.092從上表可知，擋墻抗滑和抗傾覆穩(wěn)定安全系數均大于規(guī)范規(guī)定值，滿足設計要求。由地質提供資料，粉砂巖承載力標準值1.0121Mpa,滿足設計要求。3.閘壩3.1.抗滑穩(wěn)定計算根據水閘設計規(guī)范SL265-2001,抗滑穩(wěn)定計算公式如下:式中：kc沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數；f閘室基底面與地基之間的

17、摩擦系數，f=0.52；SG作用在閘室上的全部豎向荷載（kN）；SH作用在閘室上全部水平向荷載（kN）。3.2.閘室基底應力計算根據水閘設計規(guī)范SL265-2001,閘室基底應力計算公式如下:Pmax=±一minZY“式中：Pmax閘室基底應力的最大值或最小值（kPa）；SG作用在閘室上的全部豎向荷載（kN）；sM作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩（kN.m）；A閘室基底面的面積（m2）；W閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩（m3）。各閘壩在各工況下抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，壩基應力小于地基承載力，應力不均勻系數滿足規(guī)范要求。4.橡膠

18、壩4.1.泄洪流量依據橡膠壩設計規(guī)范附錄A橡膠壩泄洪能力計算,3/2式中：Q過壩流量，m3/s；B溢流斷面的平均寬度，m；h0計入行進流速水頭的寬堰頂水頭，m；m流量系數；o淹沒系數，可取寬頂堰的實驗數據，取o=1；£堰流側收縮系數，與邊界條件無關，取£=1。按照規(guī)范規(guī)定，壩袋沖脹時，可視為曲線型實用堰，流量系數m=0.360.45。4.2. 壩下游河道水深計算壩下游河道水深按下式推算:Q=云ar：屮式中：Q壩泄流能力，m引s；n河槽糙率系數，選用n=0.035；A河槽過水斷面面積A;R水力半徑；J河道洪水比降。4.3. 底流消能計算底流消能采用矩形斷面等寬消力池，采用SL265-2001水閘設計規(guī)范和水工計算手冊中有關底流消能的公式進行計算。4.3.1.消力池深度計算h3Tc0aq22gp2az=aq2aq22gp2h'22gh”2sc式中：d消力池深度（m）；o0水躍淹沒系數，可采用1.051.10；hc一躍后水深（m）；hc一收縮水深（m）；a水流動能校正系數，可采用1.01.05；q一消力池單寬流量（