本发明涉及泥石流防灾领域，特别是适用于一种楔形的泥石流分流拦挡装置及其施工方法。
背景技术：
我国是世界上遭受泥石流危害较为严重的国家之一，每年因泥石流灾害造成巨大损失。因此，对泥石流灾害的研究及防治显得尤为迫切和重要。近些年来，人类活动频繁，破坏了大自然的生态环境，在一定程度上也促使泥石流的发生。一种重要的泥石流防灾手段就是修建泥石流拦挡坝，但是现阶段的泥石流拦挡坝仍然有许多缺点，传统的拦挡坝都是正面承担泥石流的冲击荷载，这会使得作用在坝体上的冲击荷载变得很大，造成材料的浪费。并且过大的冲击荷载可能会破坏拦挡坝从而造成更加严重的灾害。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对泥石流防护装置的不足，提供一种稳定性好，能改变泥石流的流向，耗散冲击能量，保证装置后重要建筑物的安全的一种楔形的泥石流分流拦挡装置及其施工方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种楔形的泥石流分流拦挡装置，该装置包括圆弧形挡墙和两个翼挡墙；所述圆弧形挡墙位于整个装置的最前端，两侧对称固定翼挡墙，圆弧形挡墙和两个翼挡墙均由钢筋混凝土制成；所述翼挡墙的外侧与圆弧形挡墙的外侧光滑过渡；所述圆弧形挡墙的内部和翼挡墙的内部均设置无粘结预应力系统，且两者内侧(背离泥石流冲击侧)均具有放坡；所述无粘结预应力系统包括若干竖向的无粘结预应力钢绞线装置，所述无粘结预应力钢绞线装置由钢绞线、固定钢绞线的锚具和钢绞线外侧套有的波纹管组成；所述圆弧形挡墙和翼挡墙的底部均设置有基础底板，在具有无粘结预应力系统的基础底板下增设抗拔桩基础，所述抗拔桩基础包括抗拔桩基础承台和抗拔桩；所述钢绞线的下端通过锚具锚固在抗拔桩基础承台的内部，钢绞线的上端通过锚具固定在挡墙的顶部。
进一步地，所述圆弧形挡墙内部的无粘结预应力系统所包含的若干竖向的无粘结预应力钢绞线装置呈倒三角分布，三角形的底边位于泥石流冲击侧；所述翼挡墙的顶面为长方形，翼挡墙内部的无粘结预应力系统所包含的若干竖向的无粘结预应力钢绞线装置布置于长方形顶面纵向中轴线外侧，即靠泥石流冲击侧；通过这样优化布置的无粘结预应力钢绞线装置，可以在承受泥石流冲击的时候，充分的发挥其耗散泥石流冲击能量，保护整个装置不垮塌的作用。
进一步地，两侧翼挡墙中部在内侧设有钢支撑，钢支撑与基础底板和两侧翼挡墙内侧固定连接，两侧翼挡墙的基础底板较宽，以便有足够的空间固定钢支撑。经过数值模拟，在承受泥石流冲击时，两侧的翼挡墙主要起到分流的作用，通过ansys平台的数值模拟分析，分析结果显示在翼挡墙中部处泥石流施加给翼挡墙的压力最大，在翼挡墙中部的内侧设置钢支撑可以改善翼挡墙的受力条件，保证翼挡墙的稳定性。
进一步地，通过ansys平台的数值模拟分析，发现当两侧翼挡墙(2)的夹角为55°～65°，圆弧形挡墙(1)的圆心角为115°～125°。整个装置在承受泥石流冲击荷载时，装置的动力响应最小，装置分流泥石流的效果较好。
进一步地，在无粘结预应力系统的外侧(靠近泥石流冲击侧)布置钢筋网，钢筋网前的混凝土层厚度不得小于30mm，钢筋网与无粘结预应力钢绞线装置的距离不得小于20mm。钢筋网中同排钢筋的间距不得小于30mm，且不得大于100mm。通过布置钢筋网，可以加强无粘结预应力系统的外侧混凝土的延性，减轻无粘结预应力系统的外侧混凝土在承受泥石流冲击荷载时的损坏，从而保证了无粘结预应力系统能在泥石流冲击的作用下可靠的工作。
进一步地，各个无粘结预应力钢绞线装置之间的距离不小于20mm同时也不小于1倍的波纹管直径，以减少各个无粘结预应力钢绞线装置之间因预拉力的重叠而发生的应力集中。竖向无粘结预应力钢绞线装置离挡墙竖直方向的表面的水平向距离不小于50mm。通过这样的要求控制无粘结预应力钢绞线装置的布置，可以保证装置在承受泥石流冲击时，减轻外侧混凝土的失效对无粘结预应力钢绞线系统效能发挥的影响。
一种楔形泥石流分流拦挡装置的施工方法，该方法包括以下步骤：
(1)圆弧形挡墙处的测量放线，土方开挖；
(2)圆弧形挡墙基础的施工，具体包括以下子步骤：
(2.1)在设计有无预应力粘结系统的圆弧形挡墙基础处打桩；
(2.2)施作抗拔桩基础承台的模板并绑扎钢筋，并将无粘结预应力系统中的下端锚具预埋入抗拔桩基础承台当中，锚具与承台表面的距离不小于50mm，将锚具与钢绞线固定好之后，在钢绞线的外围套上波纹管，并利用已经绑扎好的钢筋进行固定，确保波纹管垂直于基础平面；
(2.3)施作其他部分的基础的模板并绑扎其钢筋；
(2.4)同时浇筑抗拔桩基础承台和其他部分基础的混凝土；
(2.5)待混凝土强度达到设计强度的50％以上后，才能进行上部装置的施工；
(3)圆弧形挡墙的圆心角为115°～125，施作圆弧形挡墙的模板并绑扎挡墙的钢筋；在无粘结预应力系统外侧(靠泥石流冲击方向)绑扎钢筋网，钢筋网与混凝土表面的距离不得小于30mm，钢筋网同排钢筋的间距不小于30mm，且不大于100mm；在圆弧形挡墙两侧与翼挡墙交接处，预留抗剪钢筋；预留抗剪钢筋垂直于圆弧形挡墙与翼挡墙贴合面布置，且在圆弧形挡墙和翼挡墙中的锚固长度不得小于25倍钢筋的直径；
(4)利用绑扎好的挡墙钢筋固定无粘结预应力系统中无粘结预应力装置的波纹管，确保浇筑混凝土的过程中波纹管与其中钢绞线的位置保持铅直，确定绑扎牢靠后，浇筑圆弧形挡墙处的混凝土；
(5)待圆弧形挡墙混凝土的强度达到设计强度的75％时候，在圆弧形挡墙顶部张拉钢绞线，使钢绞线达到其设计张拉应力后，卡死上端锚具，完成预应力无粘结钢绞线的张拉工序；
(6)两侧翼挡墙处的测量放线，土方开挖；
(7)两侧翼挡墙处基础的施工，具体包括以下子步骤：
(7.1)在设计有无预应力粘结系统的翼挡墙基础处打桩；
(7.2)施作桩基础承台的模板并绑扎钢筋，并将无粘结预应力系统中的下端锚具预埋入承台当中，锚具与承台表面的距离不小于50mm，将锚具与钢绞线固定好之后，在钢绞线的外围套上无粘结预应力系统的波纹管，并利用已经绑扎好的钢筋进行固定，确保波纹管垂直于基础平面；
(7.3)施作其他部分的基础的模板并绑扎其钢筋；
(7.4)在两侧翼挡墙的中部预埋钢支撑；
(7.5)同时浇筑桩基础承台和其他部分基础的混凝土；
(7.6)待混凝土强度达到设计强度的50％以上后，才能进行上部装置的施工；
(8)两侧翼挡墙的夹角为55°～65，施作两侧翼挡墙的模板并绑扎挡墙的钢筋；在无粘结预应力系统外侧(靠泥石流冲击方向)绑扎钢筋网，钢筋网与混凝土表面的距离不小于30mm，钢筋网同排钢筋的间距不小于30mm，且不大于100mm；将两侧翼挡墙中部钢支撑预埋进翼挡墙中；翼挡墙和圆弧形挡墙连接处应平滑过渡，并确保施工圆弧形挡墙时预留抗剪钢筋的锚固长度不得小于25倍钢筋的直径；
(9)利用绑扎好的挡墙钢筋固定无粘结预应力系统的波纹管，确保浇筑混凝土的过程中无粘结预应力系统的波纹管与其中钢绞线的位置保持铅直；确定绑扎牢靠后，浇筑圆弧形挡墙处的混凝土；
(10)待两侧翼挡墙混凝土的强度达到设计强度的75％时候，在两侧翼挡墙顶部张拉钢绞线，使钢绞线得到设计张拉应力后，卡死上端锚具，完成预应力无粘结钢绞线的张拉工序。
本发明的有益效果：本发明提供了一种能改变泥石流的流向，耗散冲击能量，稳定性好，能可靠的保证装置后重要建筑物的安全的楔形泥石流分流拦挡装置。当本装置遭受泥石流冲击的时候，圆弧挡墙起着将泥石流分流的作用，而两侧的翼挡墙起着引导泥石流运动方向的作用，在数值模拟中，圆弧形挡墙相较于直角挡墙受力条件更好，更不容易发生破坏。在遭受泥石流冲击的时候，通过在ansys等力学平台下的模拟分析，圆弧形挡墙处和两侧翼挡墙中部的受力和变形最大，为了防止这两处出现破坏，在这两处设置了无粘结预应力系统。无粘结预应力系统是由若干特殊布置的无粘结预应力钢绞线装置组成。在重力式挡墙中设置无粘结预应力系统，使得挡墙和基础通过钢绞线预加的应力连接在一起，当墙体受到冲击发生偏移的时候，预应力钢绞线将会其回到初始位置，从而使墙体发生摆动，使得泥石流中块石和墙体的接触时间延长，冲击力变小，从而减少了整个装置的动力响应。同时无粘结预应力系统下设置的抗拔桩基础为整个装置提供了足够的抗拔力，抗拔桩基础与无粘结预应力系统共同作用，可以防止装置在受到泥石流冲击是发生失稳倒塌。泥石流在分流之后，流动面积增大，能量衰减，从而本装置在改变泥石流流向的同时减少泥石流流动的速度，进而减少泥石流滑动的距离。无粘结预应力装置的布置是以ansys平台的数值模拟结果为依据的，数值模拟结果中，圆弧形挡墙的应力分布为靠近泥石流侧大，原理泥石流侧小，因此圆弧形挡墙处的无粘结预应力装置呈倒三角形分布。而对于两侧的翼挡墙，数值模拟显示其中间部分受压力较大，有类似于悬臂梁的受力特点，即靠近泥石流冲击侧挡墙受拉，背离泥石流冲击侧挡墙受压，因此将无粘结预应力装置布置在挡墙长方形顶面纵向中轴线的外侧(靠近泥石流冲击侧，即受拉侧)，这样可以充分的发挥无粘结预应力装置的耗能作用(因为无粘结预应力装置设置在受拉处才能充分发挥其耗能作用)，同时通过限制竖向无粘结预应力钢绞线装置离挡墙竖直方向的表面的水平向距离的最小值，可以有效的减轻外侧混凝土的失效对无粘结预应力钢绞线系统效能发挥的影响。同时因为两侧翼挡墙中部类似于悬臂梁的受力，在两侧翼挡墙中部的内侧设置有钢支撑，钢支撑可以有效的减少两侧翼挡墙中部的位置，保证翼挡墙的整体稳定性。
经此设计的泥石流分流拦挡装置，能在遭受泥石流冲击时，能起到将泥石流分流的作用，防止泥石流对拦挡装置后面的重要建筑物或构筑物的冲击，经过特殊优化的结构布置形式，可以保证整个装置在冲击荷载的作用下维持自身的稳定性。经过分流的泥石流因为经过分流后泥石流流动的面积变大，从而加速了泥石流流动能量的衰减，使泥石流的滑动距离大大减少。本装置相较于一般的泥石流拦挡装置，充分利用了泥石流扩散后能量衰减迅速的原理，在承受少部分正面冲击荷载的情况下，既可以减缓泥石流的流速也可以改变泥石流的运动方向，也能够保证自身在承受泥石流冲击荷载时的稳定性，具有突出的泥石流防灾效果。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是本发明a-a剖面图；
图3是本发明b-b剖面图；
图4是本发明无粘结预应力钢绞线装置的剖视图；
图5是本发明钢筋网的设计图；
其中，圆弧形挡墙1、翼挡墙2、钢支撑3、基础底板4、抗拔桩基础承台5、抗拔桩6、钢筋网7、无粘结预应力钢绞线装置8、钢绞线9、锚具10、波纹管11。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-5所示，本发明提供的一种楔形的泥石流分流拦挡装置，该装置包括圆弧形挡墙1和两个翼挡墙2；所述圆弧形挡墙1位于整个装置的最前端，两侧对称固定翼挡墙2，翼挡墙2的外侧与圆弧形挡墙1的外侧光滑过渡；圆弧形挡墙1的内部和翼挡墙2的内部均设置无粘结预应力系统，且两者内侧(背离泥石流冲击侧)均具有放坡；所述无粘结预应力系统包括若干竖向的无粘结预应力钢绞线装置8，所述无粘结预应力钢绞线装置8由钢绞线9，两端固定钢绞线的锚具10和钢绞线外侧套有的波纹管11组成；所述圆弧形挡墙1和翼挡墙2的底部均设置有基础底板4，在具有无粘结预应力系统的基础底板4下增设抗拔桩基础，所述抗拔桩基础包括抗拔桩基础承台5和抗拔桩6；所述无粘结预应力钢绞线装置8中的钢绞线9的下端通过锚具10锚固在抗拔桩基础承台5的内部，钢绞线9的上端通过锚具10固定在挡墙的顶部；圆弧形挡墙内侧的无粘结预应力系统所包含的若干竖向的无粘结预应力钢绞线装置8呈倒三角分布，三角形的底边位于泥石流冲击侧；所述翼挡墙2的顶面为长方形，长方形有平行于长边方向和垂直于长边方向的两条对称轴线，过顶面长方形平行于长边方向的对称轴做垂直于翼挡墙2顶面的平面，将翼挡墙2分割为翼挡墙2外侧(靠近泥石流冲击侧)和翼挡墙2内侧(有挡墙放坡侧)。所述翼挡墙2内侧的无粘结预应力系统所包含的若干竖向的无粘结预应力钢绞线装置8布置于翼挡墙2外侧(靠近泥石流冲击侧)侧。通过这样优化布置的无粘结预应力钢绞线装置，可以在承受泥石流冲击的时候，充分的发挥其耗散泥石流冲击能量，保护整个装置不垮塌的作用。两侧翼挡墙2中部在内侧设有钢支撑3，钢支撑3与基础底板4和两侧翼挡墙2内侧固定连接，两侧翼挡墙2的基础底板4较宽，以便有足够的空间固定钢支撑3。经过数值模拟，在承受泥石流冲击时，两侧的翼挡墙2主要起到分流的作用，通过ansys平台的数值模拟分析，分析结果显示在翼挡墙2中部处泥石流施加给翼挡墙2的压力最大，在翼挡墙2中部的内侧设置钢支撑3可以改善翼挡墙2的受力条件，保证翼挡墙2的稳定性。通过ansys平台的数值模拟分析，发现当两侧翼挡墙2的夹角为55°～65°，圆弧形挡墙1的圆心角为115°～125°时，整个装置在承受泥石流冲击荷载时，装置的动力响应最小，装置分流泥石流的效果较好。在设置有无粘结预应力系统的外侧(靠近泥石流冲击侧)布置钢筋网7，钢筋网7前的混凝土层厚度不得小于30mm，钢筋网7与无粘结预应力钢绞线装置8的距离不得小于20mm。各个无粘结预应力钢绞线装置8之间的距离不小于20mm同时也不小于1倍的波纹管11直径，以减少各个无粘结预应力钢绞线装置8之间因预拉力的重叠而发生的应力集中。竖向无粘结预应力钢绞线装置8离挡墙竖直方向的表面的水平向距离不小于50mm。通过这样的要求控制无粘结预应力钢绞线装置8的布置形式，可以保证装置在承受泥石流冲击时，减轻外侧混凝土的失效对无粘结预应力钢绞线装置8效能发挥的影响，
如图5所示，钢筋网7中同排钢筋的间距不得小于30mm，且不得大于100mm。通过布置钢筋网7，可以加强无粘结预应力系统的外侧混凝土的延性，减轻无粘结预应力系统的外侧混凝土在承受泥石流冲击荷载时的损坏，从而保证了无粘结预应力系统能在泥石流冲击的作用下可靠的工作。
装置工作时，圆弧形挡墙能改变泥石流的流向，两侧的翼挡墙起着引导泥石流运动方向的作用。圆弧形挡墙处和两侧翼挡墙中部的受力和变形最大，为了防止这两处出现破坏，在这两处设置了无粘结预应力系统。无粘结预应力系统是由若干特殊布置的无粘结预应力钢绞线组成。在重力式挡墙中设置无粘结预应力系统，使得挡墙和基础通过钢绞线预加的应力连接在一起，当墙体受到冲击发生偏移的时候，预应力钢绞线将会其回到初始位置。并且由于墙体的摆动，使得泥石流中块石和墙体的接触时间延长，冲击力变小，从而减少了整个装置的动力响应。同时无粘结预应力系统下设置的抗拔桩基础为整个装置提供了足够的抗拔力，抗拔桩基础与无粘结预应力系统共同作用，可以防止装置在受到泥石流冲击是发生失稳倒塌。泥石流在分流之后，流动面积增大，能量衰减，从而本装置在改变泥石流流向的同时减少泥石流流动的速度，进而减少泥石流滑动的距离。
经此设计的一种楔形泥石流分流拦挡装置，能在遭受泥石流冲击时，能起到将泥石流分流的作用，防止泥石流对拦挡装置后面的重要建筑物或构筑物的冲击，经过特殊优化的结构布置形式，可以保证整个装置在冲击荷载的作用下维持自身的稳定性。经过分流的泥石流因为经过分流后泥石流流动的面积变大，从而加速了泥石流流动能量的衰减，使泥石流的滑动距离大大减少。本装置相较于一般的泥石流拦挡装置，充分利用了泥石流扩散后能量衰减迅速的原理，在承受少部分正面冲击荷载的情况下，既可以减缓泥石流的流速也可以改变泥石流的运动方向，也能够保证自身在承受泥石流冲击荷载时的稳定性，具有突出的泥石流防灾效果。
本发明还提供了一种楔形泥石流分流拦挡装置的施工方法，该方法包括以下步骤：
(1)圆弧形挡墙处的测量放线，土方开挖；
(2)圆弧形挡墙基础的施工，具体包括以下子步骤：
(2.1)在设计有无预应力粘结系统的圆弧形挡墙基础处打桩；
(2.2)施作抗拔桩基础承台的模板并绑扎钢筋，并将无粘结预应力系统中的下端锚具预埋入抗拔桩基础承台当中，锚具与承台表面的距离不小于50mm，将锚具与钢绞线固定好之后，在钢绞线的外围套上波纹管，并利用已经绑扎好的钢筋进行固定，确保波纹管垂直于基础平面；
(2.3)施作其他部分的基础的模板并绑扎其钢筋；
(2.4)同时浇筑抗拔桩基础承台和其他部分基础的混凝土；
(2.5)待混凝土强度达到设计强度的50％以上后，才能进行上部装置的施工；
(3)圆弧形挡墙的圆心角为115°～125，施作圆弧形挡墙的模板并绑扎挡墙的钢筋；在无粘结预应力系统外侧(靠泥石流冲击方向)绑扎钢筋网，钢筋网与混凝土表面的距离不得小于30mm，钢筋网同排钢筋的间距不小于30mm，且不大于100mm；在圆弧形挡墙两侧与翼挡墙交接处，预留抗剪钢筋；预留抗剪钢筋垂直于圆弧形挡墙与翼挡墙贴合面布置，且在圆弧形挡墙和翼挡墙中的锚固长度不得小于25倍钢筋的直径；
(4)利用绑扎好的挡墙钢筋固定无粘结预应力系统中无粘结预应力装置的波纹管，确保浇筑混凝土的过程中波纹管与其中钢绞线的位置保持铅直，确定绑扎牢靠后，浇筑圆弧形挡墙处的混凝土；
(5)待圆弧形挡墙混凝土的强度达到设计强度的75％时候，在圆弧形挡墙顶部张拉钢绞线，使钢绞线达到其设计张拉应力后，卡死上端锚具，完成预应力无粘结钢绞线的张拉工序；
(6)两侧翼挡墙处的测量放线，土方开挖；
(7)两侧翼挡墙处基础的施工，具体包括以下子步骤：
(7.1)在设计有无预应力粘结系统的翼挡墙基础处打桩；
(7.2)施作桩基础承台的模板并绑扎钢筋，并将无粘结预应力系统中的下端锚具预埋入承台当中，锚具与承台表面的距离不小于50mm，将锚具与钢绞线固定好之后，在钢绞线的外围套上无粘结预应力系统的波纹管，并利用已经绑扎好的钢筋进行固定，确保波纹管垂直于基础平面；
(7.3)施作其他部分的基础的模板并绑扎其钢筋；
(7.4)在两侧翼挡墙的中部预埋钢支撑；
(7.5)同时浇筑桩基础承台和其他部分基础的混凝土；
(7.6)待混凝土强度达到设计强度的50％以上后，才能进行上部装置的施工；
(8)两侧翼挡墙的夹角为55°～65，施作两侧翼挡墙的模板并绑扎挡墙的钢筋；在无粘结预应力系统外侧(靠泥石流冲击方向)绑扎钢筋网，钢筋网与混凝土表面的距离不小于30mm，钢筋网同排钢筋的间距不小于30mm，且不大于100mm；将两侧翼挡墙中部钢支撑预埋进翼挡墙中；翼挡墙和圆弧形挡墙连接处应平滑过渡，并确保施工圆弧形挡墙时预留抗剪钢筋的锚固长度不得小于25倍钢筋的直径；
(9)利用绑扎好的挡墙钢筋固定无粘结预应力系统的波纹管，确保浇筑混凝土的过程中无粘结预应力系统的波纹管与其中钢绞线的位置保持铅直；确定绑扎牢靠后，浇筑圆弧形挡墙处的混凝土；
(10)待两侧翼挡墙混凝土的强度达到设计强度的75％时候，在两侧翼挡墙顶部张拉钢绞线，使钢绞线得到设计张拉应力后，卡死上端锚具，完成预应力无粘结钢绞线的张拉工序。