一种防治沟道泥石流起动的结构体及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种结构体及设计方法。针对现有泥石流主动治理技术方案存在需要在大量实地测量测绘基础上方能实施的技术缺陷，本发明首先提供一种设置在泥石流沟道中用于防治泥石流起动的结构体。本结构体由至少一个防治结构单体构成，防治结构单体包括框架梁、钢管桩、石笼；框架梁布置在泥石流沟床上，是由位于同一平面、相互垂直的纵梁与横梁构成的框体，钢管桩与所述纵梁、横梁静联接，沿纵梁、横梁的轴向排列，位于框架梁下方，埋置在泥石流沟床内；石笼填充在框架梁平面空间内。本发明还公开了该结构体的设计方法。本发明产品能有效弱化泥石流沿程侵蚀破坏力及对承灾体的冲击破坏力，结构体施工速度快，便于抢险救灾应用。设计方法科学简便。
【专利说明】一种防治沟道泥石流起动的结构体及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种结构体及其设计方法，特别是涉及一种防治沟道泥石流起动的结构体及其设计方法，属于水利工程领域与泥石流防治工程领域。
【背景技术】
[0002]泥石流大都从沟道上游初始起动，起动时规模不大，破坏力也不强，在其流动过程中侵蚀、裹挟沿途沟道中的松固体物质发展成灾害性泥石流。泥石流起动是泥石流全过程中的关键环节，只要不起动就不会形成泥石流，因此通过调节或控制泥石流起动条件进行泥石流防治能够达到防患于未然的目的。该技术思想在泥石流防治工程领域被称为“主动防治”。在泥石流防治工程中，已有沟道泥石流灾害工程防治措施主要包括跨越工程、穿过工程、防护工程、排导工程和拦挡工程等几类，特别是拦挡工程因直接可靠而使用最为普遍。但这些防治工程直接针对防护对象的“被动”措施，不能“主动”对泥石流的起动与发展进行防治，导致工程投入巨大，防治效果有限。
[0003]《风景区泥石流防治特点与技术》(崔鹏等，地学前缘，2007年第14卷第6期)公开了一套对泥石流形成区主动治理的技术方案，包括导水截流、拦挡土体、破坏起动面三种技术手段。该技术方案主要的技术缺陷在于:整套防治工程的设计需要严格结合既定泥石流沟道的具体地形地质环境条件进行，无论是构筑体本身设计方案还是施工方案都需要在大量实地测量测绘的基础上进行，因此，整体防治工程设计施工周期长、费用高、工程量大。对于大多数经济水平低、基础设施不足的偏远地区，不可能采用这样的技术方案进行泥石流发生的“主动防治”。而大多数泥石流的起动区又恰好位于这样的偏远地区。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种设置在泥石流沟道中用于防治泥石流起动的结构体，该结构体能够在施工现场快速构筑，从起动源头对泥石流危害加以主动防治。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0006]一种防治沟道泥石流起动的结构体，布置在泥石流沟床上，其特征在于:由至少一个防治结构单体构成；所述防治结构单体包括一片框架梁、多根钢管桩、石笼；所述框架梁布置在泥石流沟床上，是由位于同一平面、相互垂直的纵梁与横梁构成的框体；所述钢管桩与所述纵梁、横梁静联接，沿纵梁、横梁的轴向排列，位于框架梁下方，埋置在泥石流沟床内；所述石笼填充在框架梁平面空间内。
[0007]上述泥石流石笼防治结构体由一个或数个结构单体组成。结构单体利用下部钢管桩群固定在泥石流沟道内，作为结构单体的“根基”，钢管桩群不仅通过抗拔力为结构单体上部框架梁提供充足的抗滑移力，而且也对沟床“加筋”加固，增强了沟床的整体稳定性和抗蚀能力。结构单体上部框架梁平铺在沟床底面上，框架梁与钢管桩间静联接，并且通常是不可拆静联接。框架梁的纵梁与横梁的围阖空间内布置石笼。框架梁与石笼配合，起到平整沟床底面、加固松散堆积颗粒、缓和水流流态、降低混合流侵蚀能力的作用。上述泥石流石笼防治结构体通常布置在泥石流沟道内形成区和/或流通区的松散堆积体沟床上。
[0008]本发明防治结构体的技术原理在于:一方面，在流域降雨条件下，当上游大规模来水流经防治区沟道时，因框架梁与石笼的防护，沟床面得到了平整硬化，沟道堆积体可免受沟道水流的直接侵蚀，阻断了泥石流形成的物源补给。同时，失去物源增容扩能作用，沟道水流的侵蚀破坏力大大下降，对下游承灾体的冲击破坏力有效削弱，进一步形成发展成泥石流灾害的可能性也得到有效遏制。另一方面，防治结构体不仅截断了泥石流形成的物质来源，降低了泥石流的侵蚀力，同时也增大了松散堆积体沟床的整体性和稳定性，稳定沟道侵蚀基准面，缓和侧蚀和溯源侵蚀强度，保证沟道两侧边坡和松散堆积体沟床的稳定。由此能够实现“源头治理”，防治泥石流。
[0009]上述防治沟道泥石流起动的结构体，对于单根钢管桩，外部为地质管，地质管中心有沿轴向布置三根与地质管等长的钢筋，钢筋呈等边三角形布置。地质管管内壁与钢筋间灌注水泥砂浆。钢管桩下部桩身制成花管，采用花管注浆以便压力注浆形成管壁防蚀层。钢管桩桩身埋置在沟床内，上部桩顶露出沟床底面。一般而言，上部桩顶出露的高度应当不小于框架梁的高度，以保证其与框架梁稳固联接。
[0010]上述结构体，框架梁框体是矩形框体和/或井字型框体和/或网格框体，纵梁与横梁间有围阖空间用于安放石笼。在实际使用中，框架梁一般采用钢筋混凝土浇筑体，钢管桩桩顶出露部分分别穿过纵梁、横梁并用混凝土浇筑成一体。
[0011 ] 上述结构体，石笼通常加工成立方体，石笼与框架等高，使石笼安放后石笼上顶面与框架梁上平面基本齐平，以减少作用沟道水流在结构体上产生的拖拽力，保证结构整体稳定。
[0012]为了增加结构体上部石笼加固松散堆积颗粒、缓和水流流态的能力，本发明防治结构体的优化设计方案在于将石笼分解为多个石笼连接构成，具体是:石笼规格缩小，加工成小型立方体，多个石笼填充在框架梁平面空间内，并与纵梁、横梁的内侧面石笼面紧贴。每一框架梁框体内的石笼彼此紧邻，并采用联接件联接。一般地，石笼采用防锈铁丝编制，大密度不易风化的块石填充。优化设计的结构体具有三点技术效果，一、采用彼此连接的小规格石笼铺设框架梁，使铺设层成为网点连接形式的柔性结构体，可在保证结构安全运行的条件下通过系统变形与耗能来拦挡泥石流大块石冲击，能够有效提高结构体抗冲击能力，降低被冲击损伤的概率；二、采用小型石笼，可以在工厂中完成小型石笼的前期规格设计，并预先加工成标准件，在施工现场直接使用，能够著提高泥石流防治结构体修筑现场施工进度；三、“模块化”的石笼结构有利于局部维护与修复，能够极大降低防治结构体的运行维护成本。
[0013]在实际应用中，本发明防治沟道泥石流起动的结构体通常包括至少二防治结构单体，各防治结构单体紧接排列布置在泥石流沟床上，沿沟道纵向的各防治结构单体纵梁相互平行，且错位排列，沿沟道横向的各防治结构单体横梁相互沿直线延伸；石笼呈网格状对齐排列填充在框架梁的平面空间内以及相邻框架梁组成的平面空间内。
[0014]本发明防治沟道泥石流起动的结构体的现场施工的基本过程是:在选定的泥石流沟床位置，钢管桩在平面上沿框架梁各排各列纵梁与横梁的设计位置中心线等间距布置，钢管桩桩身埋入沟床。桩顶出露沟床底面，出露高度不低于框架梁设计高度。钢管桩采用钻机成孔，地质管跟管钻进，M30水泥砂浆压力灌注成型；桩身锚固段钢管制成花管，以便压力注浆形成管壁防蚀层，同时钢管内设呈三角形绑扎的三根钢筋以提高钢管桩的抗冲击力。框架梁由现浇钢筋混凝土横梁与纵梁构成，内设纵筋增强梁的抗弯抗剪能力。出露的钢管桩桩顶穿过纵梁与横梁，使框架梁与钢管桩嵌固连接而与沟床堆积体形成统一整体。石笼采用防锈铁丝编织，充填密度大不易风化块石。石笼整齐紧密排列，石笼相互间用铁丝连接固定。
[0015]对于既定的泥石流沟道而言，针对泥石流沟道现场地质地形特征条件，设计适用的防治沟道泥石流起动的结构体的主要参数包括钢管桩埋置深度H、框架梁设计面积S等，其中关键性技术参数是钢管桩埋置深度H。因为埋深决定了钢管桩抗拔承载力大小，继而直接影响到受钢管桩锚固的结构单体的稳定性。因此，本发明进一步提供上述防治沟道泥石流起动的结构体的设计方法，具体是防治沟道泥石流起动的结构体钢管桩埋置深度H设计方法，其技术方案如下:
[0016]一种防治沟道泥石流起动的结构体的设计方法，其特征在于:依照如下步骤确定钢管桩埋置深度H设计参数:
[0017]步骤S1、调查泥石流沟道现场，确定防治沟道泥石流起动的结构体所在泥石流沟道的基础参数，包括
[0018]现场测量测绘确定沟道需防治面积、沟床倾角Θ，
[0019]依历史测量数据统计确定或根据调查数据理论推导确定需防治沟道泥石流的最大流深h、依历史测量数据统计确定泥石流重度Ym、依历史测量数据统计确定流深h时的泥石流平均流速Vm ;
[0020]原位抗拔试验确定微型钢管桩侧阻力qs、室内土工试验确定框架梁与沟床的摩擦系数μ a、沟床摩擦系数μ b ；
[0021]步骤S2、依I计算确定钢管桩埋置深度H
【权利要求】
1.一种防治沟道泥石流起动的结构体，布置在泥石流沟床上，其特征在于:由至少一个防治结构单体(1)构成；所述防治结构单体(1)包括框架梁(11)、钢管桩(12)、石笼(13);所述框架梁(11)布置在泥石流沟床上，是由位于同一平面、相互垂直的纵梁(111)与横梁(112)构成的框体；所述钢管桩(12)与所述纵梁(111)、横梁(112)静联接，沿纵梁(111)、横梁(112)的轴向排列，位于框架梁(11)下方，埋置在泥石流沟床内；所述石笼(13)填充在框架梁(11)平面空间内。
2.根据权利要求1所述的结构体，其特征在于:所述框架梁(11)框体是矩形框体和/或井字型框体和/或网格框体。
3.根据权利要求1所述的结构体，其特征在于:所述钢管桩(12)与沟床法向夹角30。。
4.根据权利要求1或2或3所述的结构体，其特征在于:所述框架梁(11)是钢筋混凝土浇筑体；所述钢管桩(12)与纵梁(111)、横梁(112)经混凝土浇筑联接。
5.根据权利要求1或2或3所述的结构体，其特征在于:所述石笼(13)是多个立方体，石笼(13)与框架梁(11)等高，填充在在框架梁(11)平面空间内，石笼(13)间彼此紧邻并通过联接件(31)联接。
6.根据权利要求1或2或3所述的结构体，其特征在于:所述钢管桩(12)外部为地质管(121)，所述地质管(121)中心有沿轴向布置三根与地质管(121)等长的钢筋(122)，所述钢筋(122)呈等边三角形布置；所述地质管(121)管内壁与钢筋(122)间灌注水泥砂浆。
7.根据权利要求6所述的结构体，其特征在于: 所述框架梁(11)是由4根纵梁(111)与3根横梁(112)构成的网格框体，所述纵梁(111)长X宽X高=900cmX80cmX80cm ;所述横梁(112)长X宽X高=1600cmX80cmX80cm ;框架梁(11)由C25钢筋混凝土浇筑； 所述钢管桩(12)埋置深度H不小于5m，向上穿过纵梁(111)/横梁(112)，与框架梁(11)经混凝土浇筑联接；所述地质管(121)直径146_，钢筋(122)直径32_，水泥砂浆强度不小于M30，注浆压力不小于0.3Mpa ； 所述石笼(13)是长方体,长X宽X高=55cmX80cmX80cm。
8.根据权利要求1或2或3或7所述的结构体，其特征在于:包括至少二防治结构单体(I )，各防治结构单体(1)紧接排列布置在泥石流沟床上，沿沟道纵向的各防治结构单体(I)纵梁(111)相互平行，且错位排列，沿沟道横向的各防治结构单体(1)横梁(112)相互沿直线延伸；石笼(3 )呈网格状对齐排列填充在框架梁(11)的平面空间内以及相邻框架梁(II)组成的平面空间内。
9.根据权利要求8所述的结构体，其特征在于:布置在泥石流沟道形成区和/或流通区内的松散堆积沟床上。
10.权利要求1或9所述的防治沟道泥石流起动的结构体的设计方法，其特征在于:依照如下步骤确定钢管桩埋置深度H设计参数: 步骤S1、基础参数获取，包括: 调查泥石流沟道现场，确定防治沟道泥石流起动的结构体所在泥石流沟道的基础参数，包括 现场测量测绘确定沟道需防治面积、沟床倾角Θ，依历史测量数据统计确定或根据调查数据理论推导确定需防治沟道泥石流的最大流深h、依历史测量数据统计确定泥石流重度Ym、依历史测量数据统计确定流深h时的泥石流平均流速Vm ; 原位抗拔试验确定微型钢管桩侧阻力qs、室内土工试验确定框架梁与沟床的摩擦系数μ a、沟床摩擦系数μ b ； 步骤S2、依I计算确定钢管桩(12)埋置深度H
【文档编号】E02B3/10GK103556602SQ201310595246
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】吴永, 何思明, 王东坡, 祝其丽, 李新坡 申请人:中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所