泥石流拦砂坝坝下防冲加固方法与流程

本发明涉及地质领域，特别涉及一种泥石流拦砂坝坝下防冲加固方法。

背景技术：

拦砂坝是泥石流治理工程的主要类型之一，也是目前拦截泥石流固体物质、降低泥石流流速、稳固沟床物源的常用治理工程形式。然而，拦砂坝满库后容易形成坝后冲刷，即在巨砾冲撞和流体冲刷作用下，以护坦、副坝、潜坝为主的常规坝下防冲结构逐渐损毁失效，沟道溯源对冲刷区上游的侵蚀破坏加剧了破坏进程，易造成坝基悬空而导致主坝失稳破坏的安全隐患。在拦砂坝主体完好的情况下，通过修复加固防冲结构以维持防治工程的设计功能，将节省大量工程治理工期和建设资金。

目前，坝下防冲修复加固技术方法主要有以下五类方法：一、抛填块石；二、增加护坦厚度、质量或增铺巨石层；三、护坦铺设废旧轮胎；四、护坦置入钢轨或厚钢板；五、钢筋或格宾石笼。

经大量工程案例证实，上述五类方法仅通过提高材质的抗冲性能，防冲结构仍会发生因坝下泥石流集中冲刷破坏而失效。

发明人发现：通过提高防冲结构材质的抗冲性能达到坝下防冲加固的功能有限，需采取有效措施防止拦砂坝基础范围内松散层不被冲刷或掏蚀才是修复加固防冲结构确保拦砂坝安全的关键。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种泥石流拦砂坝坝下防冲加固方法，以解决现有技术中防冲结构会发生因坝下泥石流集中冲刷破坏而失效的问题。

本发明提供了一种泥石流拦砂坝坝下防冲加固方法，包括：在坝下拦砂坝坝趾至集中冲刷区段之间的松散层埋设钢管桩，且所述钢管桩的桩身上开设有注浆孔眼；通过所述钢管桩进行注浆从而将松散层和钢管桩结合形成固结体。

优选地，所述钢管桩的埋置区域的横向长度、纵向长度满足以下关系：

bh≥b+1

bv＝v0×(2hd/g)^1/2

其中，bh为所述横向长度，b为溢流口宽度，且所述埋置区域的中心线与拦砂坝的溢流口对齐；bv为所述纵向长度，v0是泥石流溢流口流速，hd是拦砂坝坝高，g是重力加速度9.8m/s²。

优选地，所述钢管桩的埋设行数m＝3，列数n＝int(bh/l)，采用梅花桩布局。

优选地，当所述钢管桩埋置后，在所述钢管桩的埋置区域浇筑厚度为0.5米的混凝土承台，且所述钢管桩的桩头嵌入所述混凝土承台0.5米。

优选地，所述钢管桩的埋置深度由下式确定：

h＝max(泥石流流体冲刷深度，落石冲刷深度，洪流冲刷深度)

其中，h为所述埋置深度。

优选地，所述钢管桩的单根长度为所述埋置深度与所述钢管桩嵌入所述混凝土承台的桩头之和。

优选地，所述钢管桩的桩径的取值范围为60-250mm，其中，当工作环境差时桩径取较小值，反之桩径取较大值。

优选地，所述钢管桩的桩间距为所述钢管桩的桩径的7-12倍。

优选地，所述注浆孔眼的孔径不超过20mm，所述钢管桩上的注浆孔眼对穿且空间角度呈90°，所述注浆孔眼以约2倍所述钢管桩桩径的间距沿所述钢管桩的轴线布置。

优选地，所述注浆采用常注浆方式，注浆水灰比1：1。

本发明可避免坝下泥石流对防冲结构的集中冲刷破坏，同时提高拦砂坝基础承力范围内松散层的固结程度和抗冲刷能力，可有效控制坝下泥石流溯源侵蚀对基础的掏蚀破坏，确保拦砂坝主体结构的安全运行，达到延长泥石流坝下防冲结构使用寿命和拦砂坝主体结构安全服役期限的目的。

附图说明

图1是泥石流拦砂坝坝下防冲加固技术结构立体示意图；

图2是泥石流拦砂坝坝下防冲加固技术结构正视图；

图3是泥石流拦砂坝坝下防冲加固技术结构俯视图；

图4是钢管桩注浆孔眼设计图。

图中附图标记：

1、钢管桩；2、混凝土承台；3、坝趾；4、钢管桩加固段；5、钢花管注浆固结分界线；6、溢流口；7、泥石流集中冲刷区域；8、注浆孔眼。

具体实施方式

发明人通过对泥石流坝下冲刷诱发溯源侵蚀破坏基础范围松散层的机理分析，结合在实际工程中拦砂坝坝下冲刷形成的冲刷坑特征得知，坝下泥石流在集中冲刷区冲刷作用强度最大，在巨砾冲撞和流体冲刷共同作用下，冲刷掏蚀和磨蚀破坏作用严重，极易导致护坦等防冲结构损毁失效，影响拦砂坝主体结构的安全和长期运行；在拦砂坝坝趾至集中冲刷区段，坝下泥石流的冲刷作用强度较低，受损程度相对较低。

基于上述分析，本发明针对坝下泥石流集中冲刷区极易遭到泥石流冲刷磨蚀而导致整个防冲结构损毁失效的缺陷问题，提出一种在拦砂坝坝趾至集中冲刷区段应用小口径钢管桩修复缺陷的坝下防冲加固技术方法。

本发明提供了一种泥石流拦砂坝坝下防冲加固方法，包括：在坝下拦砂坝坝趾至集中冲刷区段之间的松散层埋设钢管桩1，且所述钢管桩1的桩身上开设有注浆孔眼8；通过所述钢管桩1进行注浆从而将松散层和钢管桩1结合形成固结体。

针对泥石流拦砂坝坝下冲刷破坏形成的防冲结构工程缺陷、易导致拦砂坝主体结构失稳破坏的安全隐患，从而降低拦砂坝的安全服役期限的问题，本发明在坝下拦砂坝坝趾至集中冲刷区段松散层埋设小口径钢管桩，同时桩身开孔制作注浆孔眼，然后采用常注浆将桩间松散层和钢管桩结合形成固结体，避免了坝下泥石流对防冲结构的集中冲刷破坏，同时提高了拦砂坝基础承力范围内松散层的固结程度和抗冲刷能力，可有效控制坝下泥石流溯源侵蚀对基础的掏蚀破坏，确保拦砂坝主体结构的安全运行，达到延长泥石流坝下防冲结构使用寿命和拦砂坝主体结构安全服役期限的目的。

优选地，所述钢管桩1的埋置区域的横向长度、纵向长度满足以下关系：

bh≥b+1

bv＝v0×(2hd/g)^1/2

其中，bh为所述横向长度，b为溢流口宽度，且所述埋置区域的中心线与拦砂坝的溢流口对齐；bv为所述纵向长度，v0是泥石流溢流口流速，hd是拦砂坝坝高，g是重力加速度9.8m/s²。

优选地，所述钢管桩1的埋设行数m＝3，列数n＝int(bh/l)，采用梅花桩布局。

优选地，当所述钢管桩1埋置后，在所述钢管桩1的埋置区域浇筑厚度为0.5米的混凝土承台，且所述钢管桩1的桩头嵌入所述混凝土承台0.5米。

优选地，所述钢管桩1的埋置深度h由下式确定：

h＝max(泥石流流体冲刷深度h，落石冲刷深度hs，洪流冲刷深度h局)

其中，(1)泥石流流体冲刷深度h由下式计算：

其中d90——床质砂的标准粒径(mm)；v——坝下流速(m/s)；q——单宽流量(m³/(s·m))。

(2)落石冲刷深度hs由下式计算：

其中γh——泥石流中落石容重(kn/m³)；hd——坝上下水位差(m)；hc——溢流口泥深(m)；[δc]——坝下游床质允许承载力(kpa)。

(3)洪流冲刷深度h局由下式计算：

其中q——单宽流量(m³/(s·m))；hd——坝上下水位差(m)；d90——床质砂的标准粒径(mm)；h——坝下水深(m)。

优选地，所述钢管桩1的单根长度为所述埋置深度与所述钢管桩1嵌入所述混凝土承台2的桩头之和。

优选地，所述钢管桩1的桩径的取值范围为60-250mm，其中，当工作环境差时桩径取较小值，反之桩径取较大值。

优选地，所述钢管桩1的桩间距为所述钢管桩1的桩径的7-12倍。

优选地，所述注浆孔眼的孔径不超过20mm，所述钢管桩1上的注浆孔眼对穿且空间角度呈90°，所述注浆孔眼以约2倍所述钢管桩1桩径的间距沿所述钢管桩1的轴线布置。

优选地，所述注浆采用常注浆方式，注浆水灰比1：1。

下面结合附图，对本发明的优选实例作进一步的描述。

实施例一

如图1、图2、图3、图4所示。某泥石流拦砂坝服役期限超过设计年限，拦砂坝库区泥沙淤满但主体结构完好，坝下冲刷严重，原防冲护坦结构损毁。拦砂坝主体结构坝高8m，溢流口宽度5m。在20年一遇的设计标准下，拦砂坝溢流口断面流速为2.2m/s，坝下最大冲刷深度5m，施工条件比较困难。

为了修复泥石流坝下冲刷诱发的结构缺陷问题，采用在坝下拦砂坝坝趾至集中冲刷区段松散层埋设小口径钢管桩和花管注浆。根据实际施工条件，钢管桩直径r选取108mm，钢管桩桩间距l＝10×108mm＝1.08m≈1m。钢管桩埋置深度h＝5m。横向埋置长度bh＝5+1＝6m，列数n＝int(6/1)＝6，纵向埋置长度bv＝2.2×(2×8/9.8)^1/2＝2.81m，行数m＝3，梅花桩布局。钢管注浆孔径r＝20mm，注浆孔眼沿轴线间距l＝2×108mm＝216mm≈22cm。采用常注浆方式，注浆水灰比1：1。在泥石流拦砂坝坝下钢管桩埋置区域(横向bh＝6m和纵向bv＝2.81m)浇筑c20混凝土承台，厚度0.5m，合计c20混凝土8.43m³，钢管桩桩头嵌入承台0.5m。单根钢管桩小计长度为埋置深度与嵌入承台的桩头之和为5.5m，合计数量m×n＝3×6＝18根，总长度为5.5×18＝99m。

实施例二

如图1、图2、图3、图4所示。某泥石流拦砂坝服役期限超过设计年限，拦砂坝库区泥沙淤满但主体结构完好，坝下冲刷严重，原防冲护坦结构损毁。拦砂坝主体结构坝高10m，溢流口宽度8m。在20年一遇的设计标准下，拦砂坝溢流口断面流速为3.5m/s，坝下最大冲刷深度6.5m，施工条件较好。

为了修复泥石流坝下冲刷诱发的结构缺陷问题，采用在坝下拦砂坝坝趾至集中冲刷区段松散层埋设小口径钢管桩和花管注浆。根据实际施工条件，钢管桩直径r选取245mm，钢管桩桩间距l＝7×245mm＝1.72m≈1.7m。钢管桩埋置深度h＝6.5m。横向埋置长度bh＝8+1＝9m，列数n＝int(9/1.7)＝6，纵向埋置长度bv＝3.2×(2×10/9.8)^1/2＝4.57m，行数m＝3，梅花桩布局。钢管注浆孔径r＝20mm，注浆孔眼沿轴线间距l＝2×245mm＝490mm≈50cm。采用常注浆方式，注浆水灰比1：1。在泥石流拦砂坝坝下钢管桩埋置区域(横向bh＝9m和纵向bv＝4.57m)浇筑c20混凝土承台，厚度0.5m，合计c20混凝土20.57m³，钢管桩桩头嵌入承台0.5m。单根钢管桩小计长度为埋置深度与嵌入承台的桩头之和为7.0m，合计数量m×n＝3×6＝18根，总长度为7×18＝126m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过在坝下拦砂坝坝趾至集中冲刷区段松散层埋设小口径钢管桩，同时桩身开孔制作注浆孔眼，采用常注浆将桩间松散层和钢管桩结合形成固结体，提高拦砂坝基础承力范围内松散层的固结程度和抗冲刷能力，控制坝下泥石流溯源侵蚀对基础的掏蚀破坏；避免了坝下泥石流对防冲加固结构的集中冲刷和磨蚀破坏，从而延长泥石流拦砂坝主体结构的安全服役期限。