秤砣型基础格栅坝设计
摘要：格栅坝是泥石流防治的主要措施之一，本文探讨采用秤砣型基础结构形式，充分利用硬基岩承载力高的特点、采用增长力臂来达到格栅坝抗倾覆的目的，减小基础重量，替代了大结构形式的重力基础，从而达到了节省了工程造价，通过工程实践效果良好。 关键词：秤砣型基础 格栅坝 泥石流 1、概述 为了减少排土场滑坡诱发泥石流的破坏效应，其中最有效方法之一是设置拦截泥沙工程。泥石流拦沙坝是防治泥石流最重要、最有效的工程建筑物，拦沙坝具有拦截泥沙和漂浮物，排泄水体，分离水与碎石土作用，削减泥石流洪峰流量，调节沟道的水沙关系、以及对沟道侵蚀作用，是泥石流治理工程中的骨干工程。 水坝的功能是拦蓄水体，而拦沙坝要求有一定的拦淤库容。一般在拦沙坝体上设置了不同尺寸的排水孔，从而具有泄水拦沙功能。 按坝体结构形式，拦沙坝可分为重力坝、拱坝、格栅坝和钢索坝等多种形式。按照其减能方式可分为刚性坝和柔性坝。①刚性坝是重力坝的一种主要类型。一般采用垂直于流体主流线方向的直线型布置。为了抵抗泥石流对坝体产生的作用力，并依靠自身重力来满足结构整体稳定及抗滑、抗倾覆等要求。重力式拦沙坝是泥石流防治中使用最多、设计方法较为成熟的坝型。其优点是结构简单，施工方便，可就地取材，坝体的稳定性随着坝后的淤积逐年增高，坝体的耐久性好；缺点是坝体体积大、重量大，对地基有一定的选择性，拦截泥沙无分选性，一般用石料砌筑或混凝土浇筑。格栅坝是泥石流拦沙坝又一种重要的坝型，近年发展很快，格栅坝有良好的透水性，可以有选择性地拦截泥沙，还具有坝下冲刷小、坝后易于清淤等优点。格栅坝的缺点是坝体的整体强度和刚度较重力坝小，格栅易被高速流动的泥石流龙头和大砾石击坏，需要的钢材较多，要求有较好的施工条件和熟练的技工。 ②柔性坝是柔性防护技术在泥石流防护上的应用。泥石流柔性防护系统是在用于落石拦截的被动防护系统（常称拦石网） 基础上改进发展起来的， 泥石流柔性防护系统在防护功能上类似于格栅坝，所不同的是它具有了高抗冲击能力的柔性特征。 2、格栅坝的设计方法 2.1坝高的确定 一般来说，坝体越高库容越大，对下部地区工程设施的保护作用越明显，但是所需工程量和造价亦随坝高的增加而急剧的加大。因此坝的高度需根据坝基、坝肩的工程地质条件如坡降等，以及拦挡坝后松散固体物质的体积而确定，淤积体简化如图1所示。经过计算由表1知，当坝高为6m时，淤积量V=3151 m3，安全系数为1.10，因此，坝高确定为6 m。三维立体示意如图2。 2.2秤砣型断面结构形式 根据《泥石流灾害防治工程设计规范》确定坝体断面形式。泥石流灾害防治工程中，拦砂坝主要是拦截泥石流中携带的大量泥沙，减缓泥石流的冲击力，以减少对下游环境的破坏作用，所以要求拦砂坝有很强的抗冲击性能，这种性能在整体上表现为抗倾覆和抗滑移能力。然而要使坝体有足够的抗倾覆和抗滑移能力，可以用锚索加固或增大坝体自身重力来解决，但是本工程位于河道下游，两岸为松散体，几乎无表土层，基底直接为灰岩，考虑到锚索造价比较高，所以本工程选用重力式坝基来保证整体稳定（如图3）。 图3 格栅坝基础简图 与传统拦砂坝相比，本格栅坝的优势主要体现在基础上，为了保证坝体抗倾覆能力，采用“秤”状基础如图3所示，重力集中的“砣”部B2区和伸长力臂B1区，以此增大坝体抗倾覆支撑点的力臂，从而增大抗倾覆弯矩；而对抗倾覆作用只起到重力作用的B3区，由于基岩强度较大，直接利用该区域的被动土压力替代底面摩檫力，且被动土压力远大于底面摩檫力，从经济角度来看不仅节省材料和工程造价，而且保证基础底面抗滑移的安全性，并由此体现了基础设计的优化效果。然后通过基础承载力等各项验算，满足相关规范三维设计要求。 2.3结构确定 （1）荷载传递 为了更好的透水拦石，坝体采用镶嵌格网的框架结构，其整体结构传力机制为格网上的均布冲击力或堆积后的土压力由单向板传给两边的型钢柱和混凝土柱，钢柱所受力传给中间次梁、次梁传给柱，通过柱传给基础。（2）基础形式确定 由于重力坝要靠坝体自重来抵抗泥石流冲击力带来的倾覆力矩，为了减少混凝土用量，尽量加大力臂，通过系列方案对比和计算分析，总基础长取11.5m；为了充分利用被动土压力抗滑移特性，把基础变截面处设为90。 其二维内力分布通过数值模拟如图4所示，通过安全判别满足要求，建成工程实体如图5所示。