棱台桩及棱台式桩林坝的制作方法
本发明属于泥石流防治拦挡坝技术领域，具体涉及一种棱台桩及棱台式桩林坝。
背景技术：
我国从20世纪50年代起开始了泥石流防治工作，发展至今已形成了以“稳、拦、排”为主的泥石流流域综合治理体系。目前，重力式实体拦挡坝在我国泥石流防治工程中的使用较为普遍。近年来，透水型拦挡坝在泥石流防治工程中的使用也日趋广泛。虽然泥石流拦挡坝已广泛应用于我国的泥石流防治中，但是，我国至今还未制定泥石流防治工程设计的国家标准，仅颁布了地质矿产行业标准(dz/t0239-2004)。
泥石流的破坏形式主要表现为淤埋和冲击破坏，尤其是冲击破坏最为显著。泥石流浆体的动压力和夹杂块石的撞击力是泥石流拦挡结构破坏失效的直接因素，其中，夹杂块石的撞击力往往是拦挡结构破坏的最主要荷载。我国西南地区发生的泥石流一般都携带大量块石，这些块石若不能及时有效地予以拦截，将对中下游各种拦挡结构物或其他建筑物产生巨大的冲击，造成极为严重的破坏。采用单一的泥石流防治工程措施要么造价高昂，投资巨大，要么难以单独承受来自泥石流灾害体的冲击荷载。目前，由于桩林结构具有刚度大、抗冲击能力强、拦挡效果好、耐久性好等优点，其已逐渐发展成为较为常用的泥石流块体拦挡结构。常用的桩林结构其截面多采用圆形或矩形，但是，这种型式的桩柱在面对高速流动的泥石流灾害体时，往往要承受巨大的冲击荷载，因此其截面一般都比较大，结构笨重且浪费较多。
为了有效水石分离、拦石输水，传统桩林坝结构主要为两类。第一类为传统桩林(如说明书附图中的图7所示)，单独设置，平面上可设为一排，多品字形(梅花形)布置，桩间部分设置地系梁，材质有钢筋混凝土、钢管混凝土，截面为圆形或矩形。从防治作用机理上看，桩林通过拦截泥石流中的大块石，对部分小块石进行消能，降低泥石流的平均流速，为下游工程论治提供了更有利的条件，其结构主要承受泥石流中块石的冲击荷载，其次也要承受泥石流流体的压力。另一类为传统格栅桩林(如说明书附图中的图8所示)，与第一类最大不同为设置了多道横系梁，将桩林联结为一个整体，增加了结构的刚度，形成了格栅坝。所以，严格来说，第一类为桩林坝，第二类为格栅坝。从防治作用机理上看，第二类更加有效地提高了拦截块石的能力，提高了水石分离效率，结构当然也承受了更大的荷载，但因增加了结构刚度和整体性，遭受破坏的几率有所降低，为第一类的改良。
通过防治作用机理分析，不难发现传统桩林坝的结构缺陷，传统桩林坝的单桩因为承受巨大的块石冲击荷载，易于发生剪断破坏，同时其正面为矩形，也将承受巨大的流体压力，故而单桩结构设计需要考虑强有力的强度、刚度保证，结构粗笨，圬工量大，浪费较多。传统格栅桩林坝部分弥补了这方面不足，提高了结构刚度，但是因为抗冲击的需要，结构仍需要设置较大的圬工，但因为正面遭受冲击和流体压力，结构的抗剪断能力并未得到显著提高，工程浪费仍然较大。
技术实现要素：
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种棱台桩及棱台式桩林坝。
本发明所采用的技术方案为：
一种棱台桩，包括棱台桩本体和固定于棱台桩底面的底部基础，棱台桩本体通过底部基础固定于泥石流河床底面；所述棱台桩本体的迎水面为向泥石流流动方向弯折后形成的两个缓冲面，其弯折线为向泥石流的流动方向倾斜设置的分流缓冲棱。
进一步优选的是，所述棱台桩本体为三棱台结构，且棱台桩本体的上底面的重心在下底面上的投影与下底面的重心相重合；所述棱台桩本体的三个侧面中两个侧面为所述缓冲面，另外一个侧面为背坡面。
更进一步优选的是，所述棱台桩本体的上底面为等腰三角形，等腰三角形的一个腰为一个缓冲面的一条边，等腰三角形的另一个腰为另一个缓冲面的一条边。
更进一步优选的是，所述棱台桩本体的上底面为正三角形。
更进一步优选的是，所述底部基础包括固定于棱台桩本体下端的浅基础及固定于浅基础的下端的深基础，且深基础的横截面的面积小于浅基础的下端面的面积。
更进一步优选的是，所述棱台桩本体和浅基础均由纤维混凝土制成，深基础由普通混凝土制成。
一种棱台式桩林坝，包括至少一排棱台桩组，每排棱台桩组均包括多个上述任意一种所述的棱台桩本体。
进一步优选的是，所述棱台桩组至少设置有两排，且相邻两排棱台桩组中的棱台桩本体位置交错设置，且任意一个棱台桩本体位于与其相邻的另一排棱台桩组中的两个棱台桩本体的中垂线上。
更进一步优选的是，所述棱台桩本体的上底面的边长至少为1m，每排棱台桩组中相邻两个棱台桩本体之间的最小间距s为0.6-0.8m；相邻两排棱台桩组之间的间距至少为3m。
更进一步优选的是，至少一个底部基础的下端固定有凸榫和/或锚碇结构。
本发明的有益效果为：
1)将地面以上遭受冲击荷载的部分(即棱台桩本体)调整为迎水面向泥石流流动方向弯折后形成的两个缓冲面，改善遭受块石冲击时的受力状态，将正面碰撞调整为角度碰撞，降低了碰撞冲击力；
2)本发明的棱台式桩林坝将流体压力从正面受力调整为分流，并且将受弯调整为对称结构的侧向受压，降低了本发明的结构被剪断的风险；
3)泥石流与本发明的棱台式桩林坝作用时，两个缓冲面对泥石流反向施加了向上的推力，调整了泥石流的运动方向，降低了沟槽底蚀作用，对本发明的结构安全起到了有利的保护；
4)通过本发明棱台式桩林坝的拦截将泥石流的准层流状态有计划地调整到紊流状态，利用泥石流自身的粘滞作用降低平均流速，进而降低冲击能，减小对结构的破坏能力；
5)棱台以下埋设了一定深度的浅基础，用以承担泥石流施加的水平荷载的大部分推力，同时利用深基础提高地基的承载能力，避免泥石流竖向荷载造成地基失效；
6)假定三棱台结构发生破坏，因三角形(上底面和下底面)、四面体(三个侧面)稳定原理，其任何一个面与地面接触后，将最大程度保持稳定(与泥石流之间产生的是滑动摩擦，而非滚动摩擦)，理论上仍能对泥石流形成拦挡效应；
7)空间上，整个结构无需再采用横系梁连接，坝与坝之间形成了类似于缝隙坝的导流和阻截拦挡大块石的作用，设置至少两排棱台桩组，则可发挥更高的效率；
8)泥石流与缓冲面碰撞，通过两个棱台式本体之间的狭缝后在与后排棱台式本体之间存在一个菱形空间，将形成涡流，降低流速、改变流向，有利于将大块石拦截停留。
附图说明
图1是本发明设置有两排棱台桩组时的结构示意图；
图2是图1的a-a视图；
图3是实施例三中本发明的结构示意图；
图4是β发生变化时运动曲线y＝f(x)的示意图；
图5是实施例四中棱台式桩林坝的结构示意图；
图6是实施例五中棱台式桩林坝的结构示意图；
图7是传统桩林的结构示意图；
图8是传统格栅桩林的结构示意图。
图中：1-棱台桩本体；11-浅基础；121-背坡面；122-缓冲面；123-分流缓冲棱；2-深基础；3-凸榫；4-锚碇结构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
实施例一：
如图1-4所示，本实施例提供一种棱台桩，包括棱台桩本体1和固定于棱台桩底面的底部基础，棱台桩本体1通过底部基础固定于泥石流河床底面；所述棱台桩本体1的迎水面为向泥石流流动方向弯折后形成的两个缓冲面，其弯折线为向泥石流的流动方向倾斜设置的分流缓冲棱123。棱台桩本体1的高度根据泥石流龙头的高度来确定。
优选的，所述棱台桩本体1为三棱台结构，且棱台桩本体1的上底面的重心在下底面上的投影与下底面的重心相重合，此时棱台桩本体1的稳定性最好；所述棱台桩本体1的三个侧面中两个侧面为所述缓冲面122，另外一个侧面为背坡面121，即背坡面121位于泥石流的背水面方向。
优选的，所述棱台桩本体1的上底面为等腰三角形，等腰三角形的一个腰为一个缓冲面的一条边，等腰三角形的另一个腰为另一个缓冲面的一条边。
分流缓冲棱的坡度小于背坡面121的坡度，即分流缓冲棱所在平面中与背坡面121的下底边相平行的面为分流面，分流面的坡度小于背坡面121的坡度。分流面的坡度最佳为1:0.6，背坡面121的坡度最佳为1:0.3，此时百保证稳固的基础上最节省材料，相对的，也可以选择分流缓冲棱的坡度为1:0.5，背坡面121的坡度为1:0.1。
优选的，所述底部基础包括固定于棱台桩本体1下端的浅基础及固定于浅基础11的下端的深基础2，深度不小于场地的冲刷深度，且深基础的横截面的面积远小于浅基础的下端面的面积，浅基础可以与棱台桩本体1相对应的三棱柱或三棱台形状，使得浅基础11和棱台桩本体1为规则的一体式设计，避免了浪费，也提高了整体的稳固性，深基础可以为圆柱形、方柱形等等，此处优选为圆柱形，可以缩小整体的结构规模，承受部分泥石流施加的水平荷载，弥补三棱台结构浅基础失效带来的结构破坏风险，同时将整体结构受力传至深部，增加结构整体稳定性。
优选的，所述棱台桩本体1和浅基础11均由纤维混凝土制成，深基础2由普通混凝土制成；所述棱台桩本体、浅基础和深基础内均铺设有钢筋，钢筋可以增强整体结构强度。材质上，将遭受冲击的棱台桩本体1和浅基础11采用纤维混凝土，纤维混凝土是具有粘弹塑的材质，改善了结构受力状态，提高了棱台桩本体1的抗冲击性能：将混凝土的脆性破坏调整为纤维混凝土的延性破坏，延长了本发明棱台式桩林坝结构的使用寿命，具体的纤维混凝土可以为钢纤维混凝土或玄武岩纤维混凝土等，普通混凝土的成本则相对较低，又是固定在深处，在加固的同时可以节约成本。
实施例二：
本实施例是在实施例一基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例一的具体区别是：
优选的，所述棱台桩本体1的上底面为正三角形，即所述棱台桩本体1为正三棱台，此时棱台桩本体1的上底面为等边三角形，而棱台桩本体1的上底面也可以为等腰三角形，等腰三角形的一个腰为一个缓冲面的一个边，等腰三角形的另一个腰为另一个缓冲面的一个边。
实施例三：
本实施例是在实施例一或实施例二基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例一或实施例二的具体区别是：
一种棱台式桩林坝，包括至少一排棱台桩组，每排棱台桩组均包括多个上述任意一种所述的棱台桩本体1。
实施例四：
本实施例是在实施例三基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例三的具体区别是：
优选的，所述棱台桩组至少设置有两排，且相邻两排棱台桩组中的棱台桩本体1位置交错设置。例如，当本发明需要设置有三排棱台桩组时，可以为第一排设置两个对应的棱台桩本体1，第二排设置三个对应的棱台桩本体1，第三排设置两个对应的棱台桩本体1，组合成梅花形交设的布置形式，梅花形指平面布置中错开布置的一种形式，其中，棱台式桩林坝具体的布置形状可以为棋盘式布置，如图5所示。每排棱台桩本体1的设置数量根据l/(d+s)(l河道宽度,d为棱台底部宽度，s为狭缝宽度)计算确定；棱台坝一般设置3-4排棱台桩组。
优选的，任意一个棱台桩本体1位于与其相邻的另一排棱台桩组中的两个棱台桩本体1的中垂线上。
优选的，所述棱台桩本体1的上底面的边长至少为1m，每排棱台桩组中相邻两个棱台桩本体1之间的最小间距s根据泥石流裹挟的大块石粒径确定，限制粒径为d30(泥石流裹挟的碎块石中质量百分比30％的块石的等效直径)，一般为0.6-0.8m，如图1所示；棱台桩本体1的排距净距按泥石流裹挟块石的最大粒径设置，一般相邻两排棱台桩组之间的间距至少为3m。
实施例五：
本实施例是在实施例四基础上作出的进一步改进，本实施例与实施例四的具体区别是：
如图6所示，所述棱台式桩林坝具体的布置形状也可以为楔形布置(从前到后每排棱台桩组中的棱台桩本体的数量在连续性的依次增加或减少性的变化)的形式进行设置，这种结构抗冲刷能力更强。
实施例六：
如图3中所示，优选的，至少一个底部基础的下端固定有凸榫和/或锚碇结构，即底部基础的下端可以只固定凸榫，或是只固定锚碇结构，或是凸榫和锚碇结构一起进行固定，此种情况为实施例中棱台桩本体的上底面为除去等边三角形一种情况之外的等腰三角形时进行的设置，当基础的抗剪强度不足时，根据实际情况在浅基础底部补充设置凸榫，尺寸根据计算确定，当结构的抗倾覆稳定性不足时，需要在浅基础上设置锚碇结构。凸榫3可以提高本发明的棱台式桩林坝结构的抗剪能力，至于凸榫3的设置数量和设置位置可以根据实际情况进行固定，可以是部分浅基础11的下端固定有凸榫3，也可以是全部浅基础11的下端固定有凸榫3；锚碇结构4在提高受压能力的同时节约圬工，锚碇结构4采用现有的锚定即可，同样的，锚碇结构4的设置数量和设置位置可以根据实际情况进行固定，可以是部分浅基础11的下端固定有锚碇结构4，也可以是全部浅基础11的下端固定有锚碇结构4。
本发明的有益效果为：
1)将地面以上遭受冲击荷载的部分(即棱台桩本体1)调整为迎水面向泥石流流动方向弯折后形成的两个缓冲面，改善遭受块石冲击时的受力状态，将正面碰撞调整为角度碰撞，降低了碰撞冲击力；
2)本发明的棱台式桩林坝将流体压力从正面受力调整为分流，并且将受弯调整为对称结构的侧向受压，降低了本发明的结构被剪断的风险；
3)泥石流与本发明的棱台式桩林坝作用时，两个缓冲面对泥石流反向施加了向上的推力，调整了泥石流的运动方向，降低了沟槽底蚀作用，对本发明的结构安全起到了有利的保护；
4)通过本发明棱台式桩林坝的拦截将泥石流的准层流状态有计划地调整到紊流状态，利用泥石流自身的粘滞作用降低平均流速，进而降低冲击能，减小对结构的破坏能力；
5)棱台以下埋设了一定深度的浅基础，用以承担泥石流施加的水平荷载的大部分推力，同时利用深基础提高地基的承载能力，避免泥石流竖向荷载造成地基失效；
6)假定三棱台结构发生破坏，因三角形(上底面和下底面)、四面体(三个侧面)稳定原理，其任何一个面与地面接触后，将最大程度保持稳定(与泥石流之间产生的是滑动摩擦，而非滚动摩擦)，理论上仍能对泥石流形成拦挡效应；
7)空间上，整个结构无需再采用横系梁连接，坝与坝之间形成了类似于缝隙坝的导流和阻截拦挡大块石的作用，设置至少两排棱台桩组，则可发挥更高的效率；
8)泥石流与缓冲面碰撞，通过两个棱台式本体之间的狭缝后在与后排棱台式本体之间存在一个菱形空间，将形成涡流，降低流速、改变流向，有利于将大块石拦截停留。
本发明的比较优势：
棱台式桩林坝是否具有推广利用价值，需要从结构、受力以及投资(造价)等多方面综合考量。通过定性对比(如表1)发现，本发明相较于传统结构具有更加良好的施工可行性，更加合理的结构受力状态，更加可靠的结构安全性。
表1传统桩林坝结构与新型桩林的特点及优劣分析
下面还将进行投资估算的同口径比较。以坝高6m、沟道宽20m为例，假定泥石流的流速为5m/s，需要拦截泥石流中的大孤块石直径3m，初步框定各种桩林坝的结构形态、工程量和投资估算(如表2)。
表2传统桩林坝结构与新型桩林的投资估算评估分析
表2中钢筋混凝土价格按5000元/m3估算，钢纤维混凝土价格按8000元/m3估算。传统桩林的单桩造价估算约42万元，传统格栅桩林单桩造价估算约37万元，本发明造价估算约31万元。无论从总价还是单价，单从造价评估分析估算看，新型棱台式桩林坝还具有较为明显的优势。分析其原因，从单桩造价看：传统桩林需要较强的刚度和强度，单桩截面积大，圬工体积84方；传统格栅桩林因系梁联结增加了系统结构的整体性，提高了结构刚度，单桩截面积有所降低，故圬工量略有降低，系梁摊销后单桩为74.4方；本发明因棱台本身的刚度、强度大，基础桩基的截面积仅抗剪需要而有所降低，单桩圬工体积46.8方，棱台圬工体积26.2方(同长度普通桩圬工体积36方)。从总价来看：传统桩林和传统格栅桩林因底面积大，虽然缩小了净间距，但仍加大了桩中心间距，桩的总数量降低。
本发明的结构受力计算：
当泥石流中大的块体水平以v0速度向右(相对方向，如图2所示，即泥石流的流动方向，以下类似)运动，撞击右侧桩林坝障碍物(砼结构，即本发明的棱台式桩林坝)，当障碍物倾角β发生变化时，碰撞后的反射速度vr及碰撞后的运动曲线y＝f(x)将大致如图4中(a)、(b)、(c)和(d)所展示，分别为β＝90°、β＞60°±、β＝60°±和β＜60°±时的运动曲线y＝f(x)。
碰撞过程中存在能量损耗，反射速度vr的量值可以通过碰撞恢复系数来表达。令初速度为v0，其切向速度为v0t，法向速度为v0n；反射速度为vr，切向反射速度为vrt，法向反射速度为vrn；碰撞切向恢复系数为et，法向恢复系数为en，它们存在如下关系：
根据工程经验，当初速度v0不大，障碍物倾角β＝60°±时，反射速度方向基本垂直向上，如图4中的(c)所示，此时切向与法向恢复系数具有式4-1的关系，当β＝45°时，两个系数理论上是相等的。
对于单个块体，当障碍物为平面时，根据牛顿定律，其冲击力可采用式4-2计算：
mδv＝fδt，式4-2；
δt为碰撞作用时间，可取值0.07s～0.08s，速度慢时取高值。本结果为平均冲击力，与峰值冲击力相比偏小，结构存在不安全。并可参考日本道路公团基于落石冲击力的实测数据和hertz弹性碰撞理论推导出的落石最大冲击力计算经验公式4-3进行检核：
式4-3中p为落石最大冲击力(kn)，m为冲击物质量(t)，λ为拉梅系数，建议取值1000kn·m-2，h为表达落石冲击速度的自由落体高度(m)。为适应本结构模型，将h换算后为式4-4：
当障碍物倾角小于45°时，理论上讲，侧向恢复系数是小于法向恢复系数的，此时切向恢复系数取值建议0.1～0.5，法向恢复系数取值建议0.3～0.7。
抗剪断计算：
当障碍物为平面，且仅受单个块体的冲击时，其冲击力可采用上述最大冲击力的计算值p，其在水平方向的剪力为计算值的相应分量p水平，与恢复系数的取值密切有关(式4-5)：
令反射速度与障碍物斜坡的交角为α，恢复系数还具有如下关系：
为了充分估计冲击力的破坏程度，一般可不进行切向修正。
因泥石流是由块体和粘性或稀性流体所组成，还需要考虑流体压力，同样可以按上述原理估算。那么，其每个断面的总压力等于迎水面上的压力求和。考虑到棱台结构的侧向冲击面结构，可以采取两个步骤方式来计算其流体总压力∑p0：①迎水面投影面积压力求和∑p，估算的结果偏大；②按上述斜面碰撞原理，利用几何原理及式4-6计算修正：
此后的计算为结构的受力计算。例如棱台任意截面的抗剪强度计算，令棱台的截面积为s，其剪应力q为：
需要注意的是，棱台下桩基础的抗剪断复核，需要考虑棱台自重g、泥石流冲压力对地基的附加压应力f的作用，这也是棱台需要一定基础埋深的原因。
基础剪应力为式4-7：
式中：
抗倾覆计算：
本结构的抗倾覆机理非常复杂，要么为桩拔起后的倾覆，要么为剪断后的倾覆，或者为基础塑性屈服之后发生屈服，难以一一模拟。这里仅作拔起后的倾覆验算计算近似公式推导，并计算桩基础的埋设深度h。
式4-8中，k为安全系数，l为桩中心至棱台北侧边缘的垂直距离，h为棱台高度。
这里将棱台承受的水平推力作为集中荷载简化，受力点参考等截面均布荷载作用简化为1/3高度。实际上，棱台作用力增大梯度(增速)随着高度的降低是大于等截面均布荷载的，因此其实际安全裕度比等截面均布荷载更高。
上述均进一步说明了本发明的有点所在，需要说明的是，本发明的棱台式桩林坝在具体应用时，它不宜单独使用，所以首先应明确防治目标，制订合理的治理需求，如果对于拦石输水需求迫切，则本发明的棱台式桩林坝是较好的选择。同时，还应正确评估本结构的治理能力，确定棱台式桩林坝的使用，单排还是多排，单道还是多道，以及与其它结合的组合应用方案，例如格栅网、梳子坝、谷坊坝等等，使其能够兼顾长处，发挥最大的效益。最后，方案设置完成后还应模拟联动运营进行效果检核。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
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