一种泥石流石笼防治结构体及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种泥石流石笼防治结构体及其设计方法。针对现有透水坝存在透水能力有限且容易因瞬时冲击力过大而产生破裂、毁坏的缺陷，本发明提供了一种“柔性”泥石流拦挡结构体。泥石流石笼防治结构体包括至少一道石笼坝防治结构单体。每一单体包括下部钢管桩群与上部石笼坝，钢管桩群是多根钢管桩沿泥石流沟道横向排列，钢管桩下部桩身埋置在泥石流沟床，上部露出沟面并与石笼坝穿接。多道石笼坝防治结构单体沿泥石流沟道纵向相邻排列。优化设计下，石笼坝是多层结构，每层由多个宾格石笼构成，每层间的宾格石笼错位排列。本发明还提供了该防治结构体的设计方法。本发明产品能够充分利用石笼组合结构透水特性及其对冲击的形变反馈，起到良好防治效果。
【专利说明】一种泥石流石笼防治结构体及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种泥石流石笼防治结构体及其设计方法，属于泥石流灾害防治、水利工程领域。
【背景技术】
[0002]在泥石流防治工程中，针对泥石流灾害的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。拦挡工程是一类用来控制泥石流的固体物质，削弱其流量，降低其对工程冲刷、撞击和淤埋等危害的工程设施，主要有拦碴坝、储淤场、支挡工程、截洪工程四类，总体起到削弱泥石流的目的。
[0003]透水坝是常用的拦挡结构之一，其主体结构是在传统混凝土浇筑坝体的局部留下缺口，缺口间平行布置数道钢筋，钢筋两端埋置在缺口两侧的坝体混凝土内。透水坝的技术思想是利用缺口实用“水石分离”。当泥石流冲击透水坝时，泥石流中大型石块被拦挡住，而水则从缺口处继续向下流动。经过水石分离，泥石流中破坏力最大的大型石块被阻拦，能够缓解泥石流对下流冲击，而水被释放则能防止不断抬升的水位和持续累计的静动水压力直接破坏坝体。这类透水坝存在两点技术缺陷:一是为了保证坝体坚固只能采用局部开窗透水，因此透水能力非常有限；二是坝体是整体浇筑而成，基本无“柔性”，是以增加坝体工程量并提高其抗滑能力的方式对抗泥石流冲击，因此容易因瞬时冲击力过大而产生破裂、毁坏。
【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“柔性”泥石流拦挡结构体，该拦挡结构体具有透水减压、柔性耗能、快速高效、经济环保的特点。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0006]一种泥石流石笼防治结构体，其特征在于:包括至少一道石笼坝防治结构单体，所述石笼坝防治结构单体包括下部钢管桩群与上部石笼坝；所述钢管桩群是多根钢管桩呈线形沿泥石流沟道横向排列，钢管桩下部桩身埋置在泥石流沟床，上部露出沟面并与石笼坝穿接，钢管桩桩顶向上延伸至石笼坝顶部；当泥石流石笼防治结构体包括多道石笼坝防治结构单体时，所述石笼坝防治结构单体沿泥石流沟道纵向相邻排列。
[0007]上述泥石流石笼防治结构体布置在泥石流沟道内流通区和/或堆积区的松散堆积沟床上。结构单体利用下部钢管桩群固定在泥石流沟道内，钢管桩群能够为结构单体上部石笼坝提供充足的抗倾覆和抗滑移力。同时，也增加坝体部分沟的整体性和抗蚀能力，结构单体上部石笼坝露出地面发挥拦砂过水作用。在泥石流沟降雨条件下，当上游爆发大规模泥石流运行至泥石流石笼防治结构体时，沟床面以上的石笼坝体一方面可让流域来水顺利通过，达到迅速透水减压的效果，增加石笼坝体的安全性，减少工程投入；另一方面，石笼坝体有选择的“过滤”并“沉淀” 了泥石流固体颗粒，不仅缓和泥石流流速，改善流态，也降低了泥石流固体物质含量，致使泥石流因失去大颗粒物质的激励和扩能作用而降低侵蚀破坏力，有效的削弱了泥石流对下游承灾体的侵蚀冲击或淤埋破坏，达到经济、高效整治泥石流的目的。
[0008]对于每一泥石流石笼防治结构单体而言，钢管桩下部桩身埋置深度不能小于石笼坝高度H。其原理在于在本结构体中，下部钢管桩桩群通常设计密度较大，单根钢管桩的基桩主要承担抗剪和一定的抗弯荷载，而抗弯与抗拉压荷载较弱，因此钢管桩其埋置过深实际的技术意义不大，反而增加施工难度。但若桩身埋置深度小于石笼坝高度H，则桩群无法提供足够的抗弯荷载，易导致机构单体因重心上移而倾覆破坏。每一单体的钢管桩横向间距相等，当泥石流石笼防治结构体包括多道石笼防治结构单体时，钢管桩纵向间距相等。
[0009]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，以便压力注浆形成管壁防蚀层。
[0010]为了提高结构体上部石笼坝抗泥石流冲击力及承担拦停块石堆积体压力的能力，本发明泥石流石笼防治结构体的优化设计在于将石笼坝分解为多个石笼连接构成，具体是:石笼坝采用多层结构，每一层是独立石笼，重叠穿接在钢管桩上部。更进一步地，石笼规格进一步缩小，石笼坝的每一层均由多个宾格石笼彼此相邻排列构成，上下层间的宾格石笼错位排列并穿接在钢管桩上。同层的石笼间采用快接快卸的联接件联接。且在多道防治单体间错位布置。宾格石笼采用防锈铁丝编制，大密度不易风化的块石填充。优化设计的石笼坝具有三点技术效果，一、采用宾格石笼分解石笼坝，使整个坝体成为柔性结构体，可在保证结构安全运行的条件下通过系统变形和耗能来拦挡泥石流大块石冲击，与传统钢筋混凝土拦挡坝、透水坝相比具有更优的弹性与韧性，能够有效提高坝防治结构体抗冲击能力，降低被冲击损伤的概率；二、米用宾格石笼分解石笼坝，可以在工厂中完成宾格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，能够著提高泥石流石笼防治结构体修筑现场施工进度；三、“模块化”的石笼结构有利于石笼坝体局部维护与修复，能够极大降低防治结构体的运行维护成本。
[0011]本发明具体提供A型、B型宾格石笼。A型与B型石笼的宽与高均相等，但A型长度是B型的1/2。石笼坝体大部分以B型宾格石笼堆砌，保证相邻层间的宾格石笼错位排列。在坝体边沿处采用A型宾格石笼，以保证石笼坝整体外沿平直。
[0012]本发明泥石流石笼防治结构体现场施工的基本过程是:在选定的泥石流沟床位置，钢管桩在平面上沿石笼坝体各排各列宾格石笼的设计位置中心线等间距布置，钢管桩桩身埋入沟床，桩顶出露并延伸至石笼坝顶设计高度。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。宾格石笼采用防锈铁丝编制，密度大不易风化块石充填。分层交错布置穿接在钢管桩上形成石笼坝体，当泥石流石笼防治结构体包括多道石笼坝防治结构单体时，相邻两道单体间的宾格石笼左右交错布置。宾格石笼相互间用铁丝连接固定。
[0013]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，设计实用的泥石流石笼防治结构体的主要参数包括石笼坝高度H与结构体宽度W，其中关键性技术参数是泥石流石笼防治结构体宽度W，即泥石流石笼防治结构体沿泥石流沟道纵向的前后延伸距离。其原因在于坝体宽度决定了沿沟谷方向上钢管桩的排数及单位长度坝体可提供的抗力，是泥石流石笼防治结构体稳定性设计的关键。
[0014]因此，本发明还提供上述泥石流石笼防治结构体的设计方法，具体是泥石流石笼防治结构体石笼坝高度H与结构体宽度W设计方法。
[0015]一种泥石流石笼防治结构体石笼坝高度H设计方法为:
[0016]H = [tan Θ-tan φ)式 I
[0017]式中，Q—单位长度石笼坝拦截和沉积泥石流块石颗粒物质的最大方量设计值，即石笼坝的单位长度库容，m3/m，由设计参数确定，
[0018]Θ —石笼坝上游沟床平均坡度，°，现场测量确定，
[0019]^ 一石笼坝拦截并堆积的块石堆积体的内摩擦角，这里也为堆积体表面与水平面最大夹角，°，由室内土工常规测试确定。
[0020]上述石笼坝高度H设计方法的设计原理在于:石笼坝的主要作用在于透水减压的同时拦石截砂，降低泥石流物源含量，以期达到治理泥石流的目的。为此，在设计寿命期内，石笼坝与其后沟床构成的三角形库容区必须满足上游来砂堆积的需要。基于此，石笼坝高度H应当是单位长度石笼坝拦截和沉积泥石流块石颗粒物质的最大方量设计值Q、石笼坝上游沟床平均坡度Θ、笼坝拦截并堆积的块石堆积体的内摩擦角^三者的函数。
[0021]一种泥石流石笼防治结构体的宽度W设计方法为:
[0022]步骤S1、基础参 数获取
[0023]踏勘测量测试确定泥石流石笼防治结构体所在泥石流沟道的基础参数，所述基础参数包括:
[0024]设计参数确定单位长度石笼坝拦截和沉积泥石流块石颗粒物质的最大方量设计值Q，
[0025]现场测量确定石笼坝上游沟床平均坡度Θ，
[0026]依照《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)相关规定计算确定桩间相互影响系数H1、桩顶约束效应系数L、承台侧向土水平抗力效应系数H1、承台底摩阻效应系数nb、钢管桩水平承载力特征值Rha ；
[0027]室内土工常规试验测试确定块石堆积体与石笼坝体间的摩擦角δ、石笼坝拦截并堆积的块石堆积体的内摩擦角(P、坝体拦挡松散块体的平均重度Y s ；
[0028]步骤S2、确定石笼坝高度H;
[0029]步骤S3、确定结构体宽度W，包括:
【权利要求】
1.一种泥石流石笼防治结构体，其特征在于:包括至少一道石笼坝防治结构单体(1)，所述石笼坝防治结构单体(1)包括下部钢管桩群(11)与上部石笼坝(12);所述钢管桩群(11)是多根钢管桩(111)呈线形沿泥石流沟道的横向排列，钢管桩(111)下部桩身埋置在泥石流沟床，上部露出沟床面并与石笼坝(12)穿接，钢管桩(111)桩顶向上延伸至石笼坝(12)顶部；当泥石流石笼防治结构体包括多道石笼坝防治结构单体(1)时，所述石笼坝防治结构单体(1)沿泥石流沟道纵向相邻排列。
2.根据权利要求1所述的结构体，其特征在于:所述钢管桩(111)下部桩身埋置深度不小于石笼坝(12)高度H。
3.根据权利要求1或2所述的结构体，其特征在于:所述石笼坝(12)是多层结构，每一层重叠穿接在钢管桩(111)上部。
4.根据权利要求3所述的结构体，其特征在于:所述每一层石笼坝(12)由多个宾格石笼(121)相邻排列构成，各层间的宾格石笼(121)错位排列并穿接在钢管桩(111)上部；当泥石流石笼防治结构体包括多道石笼防治结构单体(1)时，相邻两道单体(1)的同层宾格石笼(121)错位排列。
5.根据权利要求1或2或4所述的结构体，其特征在于:所述钢管桩(111)横向间距相等；当泥石流石笼防治结构体包括多道石笼防治结构单体(1)时，钢管桩(111)纵向间距相等。
6.根据权利要求1或2所述的结构体，其特征在于:所述钢管桩(111)的外部为地质管(1111)，所述地质管(1111)中心有沿轴向布置三根与地质管(1111)等长的钢筋(1112)，所述钢筋(1112)呈等边三角形布置；所述地质管(1111)管内壁与钢筋(1112)间灌注水泥砂浆(1113)。
7.根据权利要求6所述的结构体，其特征在于:所述钢管桩(111)下部桩身花管注浆。
8.根据权利要求1所述的结构体，其特征在于:布置在泥石流流通区和/或堆积区的床上。
9.根据权利要求1所述的泥石流石笼防治结构体的设计方法，其特征在于:石笼坝(12)坝高度H设计方法为:
10.根据权利要求9所述的泥石流石笼防治结构体的设计方法，其特征在于:结构体宽度W设计方法为:步骤S1、基础参数获取踏勘测量测试确定泥石流石笼防治结构体所在泥石流沟道的基础参数，所述基础参数包括:设计参数确定单位长度石笼坝拦截和沉积泥石流块石颗粒物质的最大方量设计值Q，现场测量确定石笼坝上游沟床平均坡度Θ，依照《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)相关规定计算确定桩间相互影响系数Jl1、桩顶约束效应系数Hr、承台侧向土水平抗力效应系数rI1、承台底摩阻效应系数nb、钢管桩水平承载力特征值Rha ； 室内土工常规试验测试确定块石堆积体与石笼坝体间的摩擦角δ、石笼坝拦截并堆积的块石堆积体的内摩擦角9、坝体拦挡松散块体的平均重度Y s; 步骤S2、确定石笼坝(12)坝高度H ； 步骤S3、确定结构体宽度W，包括:
【文档编号】E02B3/10GK103526722SQ201310485220
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】吴永, 何思明, 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