一種泥石流石籠防治結構體及其設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種泥石流石籠防治結構體及其設計方法。針對現有透水壩存在透水能力有限且容易因瞬時沖擊力過大而產生破裂、毀壞的缺陷，本發明提供了一種“柔性”泥石流攔擋結構體。泥石流石籠防治結構體包括至少一道石籠壩防治結構單體。每一單體包括下部鋼管樁群與上部石籠壩，鋼管樁群是多根鋼管樁沿泥石流溝道橫向排列，鋼管樁下部樁身埋置在泥石流溝床，上部露出溝面并與石籠壩穿接。多道石籠壩防治結構單體沿泥石流溝道縱向相鄰排列。優化設計下，石籠壩是多層結構，每層由多個賓格石籠構成，每層間的賓格石籠錯位排列。本發明還提供了該防治結構體的設計方法。本發明產品能夠充分利用石籠組合結構透水特性及其對沖擊的形變反饋，起到良好防治效果。
【專利說明】一種泥石流石籠防治結構體及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種泥石流石籠防治結構體及其設計方法，屬于泥石流災害防治、水利工程領域。
【背景技術】
[0002]在泥石流防治工程中，針對泥石流災害的工程防治措施主要包括跨越工程、穿過工程、防護工程、排導工程和攔擋工程等幾類，特別是攔擋工程因直接可靠而使用最為普遍。攔擋工程是一類用來控制泥石流的固體物質，削弱其流量，降低其對工程沖刷、撞擊和淤埋等危害的工程設施，主要有攔碴壩、儲淤場、支擋工程、截洪工程四類，總體起到削弱泥石流的目的。
[0003]透水壩是常用的攔擋結構之一，其主體結構是在傳統混凝土澆筑壩體的局部留下缺口，缺口間平行布置數道鋼筋，鋼筋兩端埋置在缺口兩側的壩體混凝土內。透水壩的技術思想是利用缺口實用“水石分離”。當泥石流沖擊透水壩時，泥石流中大型石塊被攔擋住，而水則從缺口處繼續向下流動。經過水石分離，泥石流中破壞力最大的大型石塊被阻攔，能夠緩解泥石流對下流沖擊，而水被釋放則能防止不斷抬升的水位和持續累計的靜動水壓力直接破壞壩體。這類透水壩存在兩點技術缺陷:一是為了保證壩體堅固只能采用局部開窗透水，因此透水能力非常有限；二是壩體是整體澆筑而成，基本無“柔性”，是以增加壩體工程量并提高其抗滑能力的方式對抗泥石流沖擊，因此容易因瞬時沖擊力過大而產生破裂、毀壞。

【發明內容】

[0004]本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種“柔性”泥石流攔擋結構體，該攔擋結構體具有透水減壓、柔性耗能、快速高效、經濟環保的特點。
[0005]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0006]一種泥石流石籠防治結構體，其特征在于:包括至少一道石籠壩防治結構單體，所述石籠壩防治結構單體包括下部鋼管樁群與上部石籠壩；所述鋼管樁群是多根鋼管樁呈線形沿泥石流溝道橫向排列，鋼管樁下部樁身埋置在泥石流溝床，上部露出溝面并與石籠壩穿接，鋼管樁樁頂向上延伸至石籠壩頂部；當泥石流石籠防治結構體包括多道石籠壩防治結構單體時，所述石籠壩防治結構單體沿泥石流溝道縱向相鄰排列。
[0007]上述泥石流石籠防治結構體布置在泥石流溝道內流通區和/或堆積區的松散堆積溝床上。結構單體利用下部鋼管樁群固定在泥石流溝道內，鋼管樁群能夠為結構單體上部石籠壩提供充足的抗傾覆和抗滑移力。同時，也增加壩體部分溝的整體性和抗蝕能力，結構單體上部石籠壩露出地面發揮攔砂過水作用。在泥石流溝降雨條件下，當上游爆發大規模泥石流運行至泥石流石籠防治結構體時，溝床面以上的石籠壩體一方面可讓流域來水順利通過，達到迅速透水減壓的效果，增加石籠壩體的安全性，減少工程投入；另一方面，石籠壩體有選擇的“過濾”并“沉淀” 了泥石流固體顆粒，不僅緩和泥石流流速，改善流態，也降低了泥石流固體物質含量，致使泥石流因失去大顆粒物質的激勵和擴能作用而降低侵蝕破壞力，有效的削弱了泥石流對下游承災體的侵蝕沖擊或淤埋破壞，達到經濟、高效整治泥石流的目的。
[0008]對于每一泥石流石籠防治結構單體而言，鋼管樁下部樁身埋置深度不能小于石籠壩高度H。其原理在于在本結構體中，下部鋼管樁樁群通常設計密度較大，單根鋼管樁的基樁主要承擔抗剪和一定的抗彎荷載，而抗彎與抗拉壓荷載較弱，因此鋼管樁其埋置過深實際的技術意義不大，反而增加施工難度。但若樁身埋置深度小于石籠壩高度H，則樁群無法提供足夠的抗彎荷載，易導致機構單體因重心上移而傾覆破壞。每一單體的鋼管樁橫向間距相等，當泥石流石籠防治結構體包括多道石籠防治結構單體時，鋼管樁縱向間距相等。
[0009]對于單根鋼管樁，外部為地質管，地質管中心有沿軸向布置三根與地質管等長的鋼筋，鋼筋呈等邊三角形布置。地質管管內壁與鋼筋間灌注水泥砂漿。鋼管樁下部樁身制成花管，以便壓力注漿形成管壁防蝕層。
[0010]為了提高結構體上部石籠壩抗泥石流沖擊力及承擔攔停塊石堆積體壓力的能力，本發明泥石流石籠防治結構體的優化設計在于將石籠壩分解為多個石籠連接構成，具體是:石籠壩采用多層結構，每一層是獨立石籠，重疊穿接在鋼管樁上部。更進一步地，石籠規格進一步縮小，石籠壩的每一層均由多個賓格石籠彼此相鄰排列構成，上下層間的賓格石籠錯位排列并穿接在鋼管樁上。同層的石籠間采用快接快卸的聯接件聯接。且在多道防治單體間錯位布置。賓格石籠采用防銹鐵絲編制，大密度不易風化的塊石填充。優化設計的石籠壩具有三點技術效果，一、采用賓格石籠分解石籠壩，使整個壩體成為柔性結構體，可在保證結構安全運行的條件下通過系統變形和耗能來攔擋泥石流大塊石沖擊，與傳統鋼筋混凝土攔擋壩、透水壩相比具有更優的彈性與韌性，能夠有效提高壩防治結構體抗沖擊能力，降低被沖擊損傷的概率；二、米用賓格石籠分解石籠壩，可以在工廠中完成賓格石籠的前期規格設計，并預先加工成標準件，在施工現場直接使用，能夠著提高泥石流石籠防治結構體修筑現場施工進度；三、“模塊化”的石籠結構有利于石籠壩體局部維護與修復，能夠極大降低防治結構體的運行維護成本。
[0011]本發明具體提供A型、B型賓格石籠。A型與B型石籠的寬與高均相等，但A型長度是B型的1/2。石籠壩體大部分以B型賓格石籠堆砌，保證相鄰層間的賓格石籠錯位排列。在壩體邊沿處采用A型賓格石籠，以保證石籠壩整體外沿平直。
[0012]本發明泥石流石籠防治結構體現場施工的基本過程是:在選定的泥石流溝床位置，鋼管樁在平面上沿石籠壩體各排各列賓格石籠的設計位置中心線等間距布置，鋼管樁樁身埋入溝床，樁頂出露并延伸至石籠壩頂設計高度。鋼管樁采用鉆機成孔，地質管跟管鉆進，M30水泥砂漿壓力灌注成型；樁身錨固段鋼管制成花管，以便壓力注漿形成管壁防蝕層，同時鋼管內設呈三角形綁扎的三根鋼筋以提高鋼管樁的抗沖擊力。賓格石籠采用防銹鐵絲編制，密度大不易風化塊石充填。分層交錯布置穿接在鋼管樁上形成石籠壩體，當泥石流石籠防治結構體包括多道石籠壩防治結構單體時，相鄰兩道單體間的賓格石籠左右交錯布置。賓格石籠相互間用鐵絲連接固定。
[0013]對于既定的泥石流溝道而言，針對泥石流溝道現場地質地形特征條件，設計實用的泥石流石籠防治結構體的主要參數包括石籠壩高度H與結構體寬度W，其中關鍵性技術參數是泥石流石籠防治結構體寬度W，即泥石流石籠防治結構體沿泥石流溝道縱向的前后延伸距離。其原因在于壩體寬度決定了沿溝谷方向上鋼管樁的排數及單位長度壩體可提供的抗力，是泥石流石籠防治結構體穩定性設計的關鍵。
[0014]因此，本發明還提供上述泥石流石籠防治結構體的設計方法，具體是泥石流石籠防治結構體石籠壩高度H與結構體寬度W設計方法。
[0015]一種泥石流石籠防治結構體石籠壩高度H設計方法為:
[0016]H = [tan Θ-tan φ)式 I
[0017]式中，Q—單位長度石籠壩攔截和沉積泥石流塊石顆粒物質的最大方量設計值，即石籠壩的單位長度庫容，m3/m，由設計參數確定，
[0018]Θ —石籠壩上游溝床平均坡度，°，現場測量確定，
[0019]^ 一石籠壩攔截并堆積的塊石堆積體的內摩擦角，這里也為堆積體表面與水平面最大夾角，°，由室內土工常規測試確定。
[0020]上述石籠壩高度H設計方法的設計原理在于:石籠壩的主要作用在于透水減壓的同時攔石截砂，降低泥石流物源含量，以期達到治理泥石流的目的。為此，在設計壽命期內，石籠壩與其后溝床構成的三角形庫容區必須滿足上游來砂堆積的需要。基于此，石籠壩高度H應當是單位長度石籠壩攔截和沉積泥石流塊石顆粒物質的最大方量設計值Q、石籠壩上游溝床平均坡度Θ、籠壩攔截并堆積的塊石堆積體的內摩擦角^三者的函數。
[0021]一種泥石流石籠防治結構體的寬度W設計方法為:
[0022]步驟S1、基礎參 數獲取
[0023]踏勘測量測試確定泥石流石籠防治結構體所在泥石流溝道的基礎參數，所述基礎參數包括:
[0024]設計參數確定單位長度石籠壩攔截和沉積泥石流塊石顆粒物質的最大方量設計值Q，
[0025]現場測量確定石籠壩上游溝床平均坡度Θ，
[0026]依照《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)相關規定計算確定樁間相互影響系數H1、樁頂約束效應系數L、承臺側向土水平抗力效應系數H1、承臺底摩阻效應系數nb、鋼管樁水平承載力特征值Rha ；
[0027]室內土工常規試驗測試確定塊石堆積體與石籠壩體間的摩擦角δ、石籠壩攔截并堆積的塊石堆積體的內摩擦角(P、壩體攔擋松散塊體的平均重度Y s ；
[0028]步驟S2、確定石籠壩高度H;
[0029]步驟S3、確定結構體寬度W，包括:
【權利要求】
1.一種泥石流石籠防治結構體，其特征在于:包括至少一道石籠壩防治結構單體(1)，所述石籠壩防治結構單體(1)包括下部鋼管樁群(11)與上部石籠壩(12);所述鋼管樁群(11)是多根鋼管樁(111)呈線形沿泥石流溝道的橫向排列，鋼管樁(111)下部樁身埋置在泥石流溝床，上部露出溝床面并與石籠壩(12)穿接，鋼管樁(111)樁頂向上延伸至石籠壩(12)頂部；當泥石流石籠防治結構體包括多道石籠壩防治結構單體(1)時，所述石籠壩防治結構單體(1)沿泥石流溝道縱向相鄰排列。
2.根據權利要求1所述的結構體，其特征在于:所述鋼管樁(111)下部樁身埋置深度不小于石籠壩(12)高度H。
3.根據權利要求1或2所述的結構體，其特征在于:所述石籠壩(12)是多層結構，每一層重疊穿接在鋼管樁(111)上部。
4.根據權利要求3所述的結構體，其特征在于:所述每一層石籠壩(12)由多個賓格石籠(121)相鄰排列構成，各層間的賓格石籠(121)錯位排列并穿接在鋼管樁(111)上部；當泥石流石籠防治結構體包括多道石籠防治結構單體(1)時，相鄰兩道單體(1)的同層賓格石籠(121)錯位排列。
5.根據權利要求1或2或4所述的結構體，其特征在于:所述鋼管樁(111)橫向間距相等；當泥石流石籠防治結構體包括多道石籠防治結構單體(1)時，鋼管樁(111)縱向間距相等。
6.根據權利要求1或2所述的結構體，其特征在于:所述鋼管樁(111)的外部為地質管(1111)，所述地質管(1111)中心有沿軸向布置三根與地質管(1111)等長的鋼筋(1112)，所述鋼筋(1112)呈等邊三角形布置；所述地質管(1111)管內壁與鋼筋(1112)間灌注水泥砂漿(1113)。
7.根據權利要求6所述的結構體，其特征在于:所述鋼管樁(111)下部樁身花管注漿。
8.根據權利要求1所述的結構體，其特征在于:布置在泥石流流通區和/或堆積區的床上。
9.根據權利要求1所述的泥石流石籠防治結構體的設計方法，其特征在于:石籠壩(12)壩高度H設計方法為:
10.根據權利要求9所述的泥石流石籠防治結構體的設計方法，其特征在于:結構體寬度W設計方法為:步驟S1、基礎參數獲取踏勘測量測試確定泥石流石籠防治結構體所在泥石流溝道的基礎參數，所述基礎參數包括:設計參數確定單位長度石籠壩攔截和沉積泥石流塊石顆粒物質的最大方量設計值Q，現場測量確定石籠壩上游溝床平均坡度Θ，依照《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)相關規定計算確定樁間相互影響系數Jl1、樁頂約束效應系數Hr、承臺側向土水平抗力效應系數rI1、承臺底摩阻效應系數nb、鋼管樁水平承載力特征值Rha ； 室內土工常規試驗測試確定塊石堆積體與石籠壩體間的摩擦角δ、石籠壩攔截并堆積的塊石堆積體的內摩擦角9、壩體攔擋松散塊體的平均重度Y s; 步驟S2、確定石籠壩(12)壩高度H ； 步驟S3、確定結構體寬度W，包括:

【文檔編號】E02B3/10GK103526722SQ201310485220
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月16日 優先權日:2013年10月16日
【發明者】吳永, 何思明, 李新坡 申請人:中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所