一种适用于山区的新型柔性泥石流拦挡装置及其施工方法与流程

本发明涉及泥石流防灾领域，特别是涉及一种适用于山区的新型柔性泥石流拦挡装置及其施工方法。

背景技术：

厄尔尼诺等极端气候事件改变大气环流，造成暴雨、洪涝等灾害性天气；全球变暖和极端炎热事件增加，造成冰川退化、冻土层冻融加剧。在这些极端气候和环境的影响下，山区泥石流灾害频发，泥石流的防灾减灾问题越来越引起人们注意。泥石流具有突然性以及流速快，流量大，物质容量大和破坏力强等特点,发生泥石流常常会冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇等，造成巨大损失。现如今常见的泥石流拦挡装置存在着防冲击效果有限、施工费时、耗材多、造价高等诸多问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有泥石流拦挡装置的不足，提供一种防冲击效果好、耗材少、施工简易、耐久性好且经济的适用于山区的新型柔性泥石流拦挡装置及其施工方法。

本发明适用的场景为：山区且附近没有居民区等重要建筑物的泥石流频发地点。因为在山区没有居民区，根据这一特点，设置本发明新型柔性泥石流拦挡装置。该装置在拦挡泥石流的时候，允许泥石流中的小颗粒冲过拦挡装置一段距离，这样的设计可以减少整个装置的动力响应，并且可以节省大量的材料。

对山区泥石流灾害后的现场进行调研发现泥石流在运动一段距离之后，泥石流龙头处存在明显的分选效应，如图1所示。这种分选效应对于拦挡装置的受力是十分不利的，因为经过分选效应之后，泥石流对拦挡装置冲击力的合力上移，这将会对拦挡装置的根部产生更大的弯矩，从而使拦挡装置发生破坏。

采用柔性的拦挡装置相较于传统的刚性重力式拦挡装置，其动力响应更低，内力更小。从数值模拟的计算结果来看，支座的反力大致可以减少为刚性重力式拦挡装置的1/3-1/5。

同时，为了防止整个拦挡装置在受到泥石流冲击时，由于两端固定柔性装置的挡墙失去稳定性而使得整个装置失稳破坏，在拦挡装置两端固定柔性结构用的重力式挡墙的内侧设置墙踵板，利用土体的被动土压力来维持装置的稳定性。因为被动土压力是主动土压力的10倍左右，所以经此设计的重力式挡墙能在受到泥石流冲击荷载作用时保证足够的稳定性。

本发明结合上述三点实际情况，创新性的提出了一种适用于山区的新型柔性泥石流拦挡装置，该装置包括两个位置相对的重力式挡墙，两个重力式挡墙之间上密下疏分层布置若干柔性结构；所述柔性结构由弹簧、圆筒状工程塑料外壳、密封油膏和锚固端头组成；所述弹簧位于圆筒状工程塑料外壳内，弹簧和圆筒状工程塑料外壳之间填充密封油膏；所述锚固端头与弹簧在圆筒状工程塑料外壳内部固定连接；整个柔性结构通过两端的锚固端头与预先埋设在两侧重力式挡墙中的对拉螺栓固定连接。

进一步地，所述柔性结构布置的疏密程度视工程重要性与估算的泥石流冲击力大小而定；分层的层间距离不小于15mm；任意柔性结构与其相邻柔性结构之间的间距不小于15mm。

进一步地，所述弹簧的刚度不小于100N/mm，不大于400N/mm。

进一步地，所述对拉螺栓由直径不小于16mm的对拉螺杆和位于对拉螺杆两端的止水环组成。

进一步地，所述重力式挡墙在底部内侧设置墙踵板，墙踵板的长度不小于2m；当拦挡装置的跨度较小时，两侧重力式挡墙的墙踵板可以连接为一个整体。

本发明同时提出一种适用于山区的新型柔性泥石流拦挡装置的施工方法，包括以下步骤：

(1)测量放样与土方开挖；

(2)地基承载检测，若不满足设计承载力，则进行地基处理；

(3)两端重力式挡墙安装混凝土模板，并在需要安装柔性结构的位置将混凝土模板打穿一个孔洞，在对应孔洞处埋入对拉螺栓，对拉螺栓的对拉螺杆两端出露混凝土模板的长度不小于20cm，在埋入对拉螺栓的同时，绑扎重力式挡墙的钢筋；

(4)浇筑两端重力式挡墙的混凝土；

(5)待两端重力式挡墙的混凝土具有50％以上的设计强度之后，拆除混凝土模板；

(6)焊接柔性结构：分侧，从下往上以层为单位焊接柔性结构，首先将最底层整层的柔性结构的锚固端头与一侧重力式挡墙内侧出露的对拉螺栓的对拉螺杆焊接，然后张拉柔性结构，将另一侧的锚固端头与另一侧重力式挡墙内侧出露的对拉螺栓的对拉螺杆焊接；直至所有柔性结构焊接完毕；

(7)截断两端重力式挡墙外部出露的对拉螺杆，并在重力式挡墙两侧出露对拉螺杆的地方涂抹水泥砂浆层作为防水层。

进一步地，所述步骤(6)中焊接柔性结构时，柔性结构的长度为两端重力式挡墙内侧距离的19/20，通过张拉柔性结构使得位于两端重力式挡墙之间的大跨度柔性结构不会过于下垂。

本发明的有益效果是：本发明装置中的柔性结构具有显著的耗能作用，当拦挡装置受到泥石流冲击的时候，柔性结构发生变形，耗散冲击能量，减少整个拦挡装置的动力响应。在实际泥石流流动过程中，因为泥石流分选效应，使得大颗粒集中在泥石流龙头的上部。根据这一现象，将上端的柔性结构布置的较密，下端的柔性结构布置的较疏，这样有利于改善整个拦挡装置在受到泥石流冲击时的受力性能。当整个拦挡装置受到泥石流冲击的时，两端的重力式挡墙利用墙踵板下的被动土压力维持整个拦挡装置的稳定性，从而确保拦挡装置具有可靠的稳定性，确保拦挡装置的拦挡作用得到充分发挥。经此设计的新型柔性泥石流拦挡装置，在受到泥石流冲击的时候，装置受力更加均匀，耗散更多冲击能量，两端的重力式挡墙在受到泥石流冲击作用时具有足够的稳定性，能确保拦挡装置的拦挡效果。并且，由于是设置在山区的柔性泥石流拦挡装置，人员稀少，附近没有重要建筑物和构筑物，在两端重力式挡墙之间可以不修建其他挡墙，装置在拦挡泥石流的时候，允许泥石流中的小颗粒冲过拦挡装置一段距离。通过这样的设计，可以大大减少材料的用量和施工的难度。

附图说明

图1是泥石流运动一段距离后泥石流龙头处的分选效应示意图；

图2是本发明柔性泥石流拦挡装置的正视图；

图3是本发明柔性泥石流拦挡装置的柔性结构组成示意图；

图4(a)是本发明重力式挡墙正视图；

图4(b)是本发明重力式挡墙侧视图；

图5是本发明的柔性结构与两端重力式挡墙连接示意图；

图中，柔性结构1、重力式挡墙2、弹簧3、圆筒状工程塑料外壳4、密封油膏5、锚固端头6、墙踵板7、止水环8、对拉螺杆9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本实施例提供一种适用于山区的新型柔性泥石流拦挡装置，该装置包括两个位置相对的重力式挡墙2，两个重力式挡墙2之间上密下疏分层布置若干柔性结构1；所述重力式挡墙2起到锚固柔性结构1的作用，维持整个拦挡装置稳定性。所述柔性结构1布置的疏密程度视工程重要性与估算的泥石流冲击力大小而定；分层的层间距离不应小于15mm；为了便于安装柔性结构，任意柔性结构1与其相邻柔性结构1之间的间距不应小于15mm。

如图3所示，所述柔性结构1是整个拦挡装置的核心，由高刚度的弹簧3、圆筒状工程塑料外壳4、密封油膏5和锚固端头6组成；所述弹簧3位于圆筒状工程塑料外壳4内，弹簧3和圆筒状工程塑料外壳4之间填充密封油膏5；所述锚固端头6由高强度不锈钢材料制成，锚固端头6与弹簧3在圆筒状工程塑料外壳4内部焊接，锚固端头6可采用高强度不锈钢材料；所述弹簧3的刚度不应小于100N/mm，不应大于400N/mm。

如图4(a)、图4(b)所示，所述重力式挡墙2在底部内侧设置墙踵板7，墙踵板7的长度视拦挡装置的长度而定，但墙踵板7的长度不应小于2m；当拦挡装置的跨度较小时，两侧重力式挡墙2的墙踵板7可以连接为一个整体。

如图5所示，整个柔性结构1通过两端的锚固端头6与预先埋设在两侧重力式挡墙2中的对拉螺栓焊接。所述对拉螺栓的材料为高强度不锈钢，由直径不小于16mm的对拉螺杆9和位于对拉螺杆9两端的止水环8组成，当张拉对拉螺杆8的时候，止水环9可以防止混凝土从对拉螺杆8处渗出。

装置工作时，由于柔性结构1具有一定的柔性，在承受泥石流冲击的时候，产生足够的变形，耗散泥石流的冲击能量，减小拦挡结构的动力响应，起到突出的拦挡效果。并且在设计装置的时候，考虑到泥石流在流动时候的分选效应，即大颗粒集中在泥石流的龙头上部，优化了柔性结构的布置方式，创新性的提出了上密下疏的布置方式，可以很好的改善拦挡装置的受力性能。同时柔性结构1的分层布置，也使得拦挡装置适用于各种工况下泥石流的防灾需求。在设计两端固定柔性结构1的重力式挡墙时，考虑到泥石流冲击时整个装置的受力状态，创新性的提出了在拦挡装置的内侧设置墙踵板7，以利用土体的被动土压力来维持整个拦挡装置在受到泥石流冲击时的稳定性。并且由于是采用柔性结构来拦挡泥石流，相较于传统重力式拦挡结构，整个拦挡装置的混凝土用量大大的降低，既减少了施工难度也减少了材料的消耗。

本实施例提供一种适用于山区的新型柔性泥石流拦挡装置的施工方法，包括以下步骤：

(1)测量放样与土方开挖；

(2)地基承载检测，若不满足设计承载力，则进行地基处理；

(3)两端重力式挡墙安装混凝土模板，并在需要安装柔性结构的位置将混凝土模板打穿一个孔洞，在对应孔洞处埋入对拉螺栓，对拉螺栓的对拉螺杆由高强度不锈钢材料制成，对拉螺杆的长度应足够长，使得对拉螺杆两端出露混凝土模板的长度不小于20cm，便于后续与柔性结构焊接，在埋入对拉螺栓的同时，绑扎重力式挡墙的钢筋；

(4)浇筑两端重力式挡墙(2)的混凝土；

(5)待两端重力式挡墙的混凝土具有50％以上的设计强度之后，拆除混凝土模板；

(6)焊接柔性结构：分侧，从下往上以层为单位焊接柔性结构，柔性结构的长度为两端重力式挡墙内侧距离的19/20，这样可以通过张拉柔性结构使得位于两端重力式挡墙之间的大跨度柔性结构不会过于下垂；具体来说，首先将最底层整层的柔性结构的锚固端头与一侧重力式挡墙内侧出露的对拉螺栓的对拉螺杆焊接，然后张拉柔性结构，将另一侧的锚固端头与另一侧重力式挡墙内侧出露的对拉螺栓的对拉螺杆焊接；直至所有柔性结构焊接完毕；从下往上以层为单位进行焊接的方式，可以使两端重力式挡墙的受力更加合理；在重力式挡墙还没有具有100％设计强度时，如果从上往下进行张拉焊接会使重力式挡墙的底部产生较大弯矩；

(7)截断两端重力式挡墙外部出露的对拉螺杆，并在重力式挡墙两侧出露对拉螺杆的地方抹上5mm厚的M7.5水泥砂浆层作为防水层。