CN103526722A - 一种泥石流石笼防治结构体及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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。
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
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。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
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。
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。
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。
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。
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、采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。
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。
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。
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。
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。
一种泥石流石笼防治结构体石笼坝高度H设计方法为:
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,
θ—石笼坝上游沟床平均坡度,°,现场测量确定,
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。
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。
一种泥石流石笼防治结构体的宽度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ηi、桩顶约束效应系数ηr、承台侧向土水平抗力效应系数ηl、承台底摩阻效应系数ηb、钢管桩水平承载力特征值Rha;
步骤S2、确定石笼坝高度H;
步骤S3、确定结构体宽度W,包括:
式中,W—石笼防治结构体宽度,m,
Rh—钢管桩群中基桩的水平承载力,kPa,由式3计算确定,
F—作用在沟道横向每延米坝体上被拦挡块石的主动土压力,kN/m,由式4计算;
Rh=(ηiηr+ηl+ηb)Rha 式3
式中,ηi—桩间相互影响系数,步骤S1确定,
ηr—桩顶约束效应系数,步骤S1确定,
ηl—承台侧向土水平抗力效应系数,步骤S1确定,
ηb—承台底摩阻效应系数,步骤S1确定,
Rha—钢管桩水平承载力特征值,kPa,,步骤S1确定;
式中,H—石笼坝高度,m,
γs—坝体拦挡松散块体的平均重度,kN/m3,步骤S1确定,
Kq—外荷载参数,由于石笼坝坝顶无外荷载作用,故取值1
Ka—主动土压力系数,式由5计算确定
式5
式中,δ——块石堆积体与坝体间的摩擦角,°,步骤S1确定,
本发明泥石流石笼防治结构体的宽度W设计方法的基本技术思路在于:对特定沟道而言,根据调查可确定石笼坝在设计工作年限内需拦截并淤塞的固体物质方量,由此计算出坝体的设计高度和承受的主动块石压力。继而,结合桩基理论和相关试验,求出单根钢管桩水平承载力特征值及群桩中基桩承载力。最后,在设定坝体抗力全部由群桩基础提供的前提下,便可确定泥石流石笼防治结构体的设计宽度和沿宽度方向上布置钢管桩的排数。
上述宽度W设计方法中,式5通过库伦主动土压力系数即式6简化得到:
上式中,α为石笼坝体背水面与水平面的夹角,°,在本发明中取值90°;β为块石堆积体表面与水平面夹角,°,对拦截并堆积的块石堆积体而言,β不会大于其自然休止角,故β极大值取值由此简化为式5计算Ka。
在确定了泥石流石笼防治结构体的设计宽度W后,可进一步确定每延米坝体布置钢管桩数量的数量,具体依式8确定:
式中,n——沟道横向每延米坝体在沟道纵向上布置的钢管桩数量,也即泥石流石笼防治结构体所包含结构单体的数量;
l——沟道纵向的钢管桩间距,m,由设计参数确定。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:(1)结构体能够拦挡块石颗粒,降低泥石流固体物质含量,缓和泥石流流速,调整泥石流流态,弱化泥石流沿程侵蚀力、冲击破坏力和淤埋能力;(2)结构体能够充分发挥坝体及被拦挡块石堆积体的多孔特性,提升泥石流水体下泄能力,降低作用在坝体上的静水压力,提升结构安全性和耐久性,降低工程投入;(3)坝体由石笼交错安置而成,由埋置与沟床中的钢管桩固定,相对传统钢筋混凝土坝具有较好的系统柔度,通过形变应对泥石流产生的冲击力,提高了结构的可靠性和耐久性;(4)石笼为工厂标准化定制生产,钢管框架采用机械化作业,施工速度快,劳动强度低,“模块化”的坝体结构方便对坝体局部损毁就行快速修复,便于抢险救灾,极大的降低了结构的运行维护成本。
附图说明
图1是泥石流石笼防治结构体平面布置示意图。(箭头表示泥石流流动方向)
图2是泥石流石笼防治结构体横断面布置示意图。
图3是图2的I-I′剖面示意图。(箭头表示泥石流流动方向)
图4是A、B两型宾格石笼结构示意图。
图5是A、B两型宾格石笼组合示意图。
图6是单根钢管桩结构示意图。
图7是图5的K-K′剖面示意图。
附图中的数字标记分别是:
1石笼坝防治结构单体 11钢管桩群 111钢管桩 1111地质管1112钢筋 1113水泥砂浆 12石笼坝 121宾格石笼 121aA型宾格石笼 121bB型宾格石笼
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的优选实施例作进一步的描述。
实施例一
如图1~图7所示,设计一座泥石流石笼防治结构体。
依照本发明技术方案在某泥石流沟设计一道本发明泥石流石笼防治结构体。
该沟为岷江三级支流,主沟长2.9km,流域面积9.4km2。沟谷整体呈“V”形,陡岩林立,松散破碎,流域降雨充沛,泥石流灾害频发。
1、基础参数获取:
据当地国土部门相关地质水文资料显示,该沟泥石流固体物质以块石颗粒为主,每年下泄搬运方量约1100m3。
经勘查,本发明泥石流石笼防治结构体的初步规划选址位于流通区一处宽约25m沟道处,沟床倾角θ约30°。同时,由室内土工试验确定坝体拦截并沉积泥石流块石堆积体重度γs=26.5kN/m3,内摩擦角块石堆积体与坝体间的摩擦角δ=24°,防治结构体设计寿命10年。
钢管桩钻孔孔径168mm,采用8mm厚的φ146钢管跟进,钢管管内按等边三角形设置与管等长的3根32钢筋,灌注M30水泥砂浆。钢管桩在平面上沿坝体各排各列石笼的设计位置中心线等间距布置而成,桩间纵向(沟谷水流方向)间距l为200cm,横向间距100cm。
2、泥石流石笼防治结构体石笼坝高度H设计:
根据沟道每年下泄搬运方量、沟道宽度、设计寿命条件,由常规方法计算确定在设计工作年限内,单位长度石笼坝所承担的泥石流块石淤塞沉积方量最大为
相应地,泥石流石笼防治结构体石笼坝设计高度需满足:
实际中,为保证适当的安全储备以及工程施工的需要,将石笼坝的规划设计高度调整为9m。
3、泥石流石笼防治结构体宽度W设计:
在坝体淤塞堆满条件下,被拦挡块石作用在单位长度石笼坝坝体上的压力为:
根据现场静载试验,钢管桩在地面处水平位移10mm所对应荷载为50kPa,故单根钢管桩水平承载力特征值为:
Rha=0.75×50=37.5kPa
考虑群桩效应后,群桩基础的基桩水平承载力特征值为:
Rh=(ηiηr+ηl+ηb)Rha
其中,依照《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)相关规定计算有:
以上参数分别代入式2、式8,计算确定泥石流石笼防治结构体设计宽度W=10m,沟道横向每延米坝体在沟道纵向上布置的钢管桩数量n=5。
本实施方式中,具体采用A、B两型宾格石笼121a、121b。A型规格:长×宽×高=100cm×200cm×100cm,B型规格200cm×200cm×100cm。宾格石笼121采用5cm铁丝为边丝,4cm铁丝为网丝,内部填装干砌石片。因此,该座泥石流石笼防治结构体中,每一道泥石流石笼防治结构单体1沿泥石流沟纵向宽W1=200cm;钢管桩111横向间距100cm、纵向间距200cm。结合泥石流石笼防治结构体设计宽度W与设计高度H数据,确定需构筑5道泥石流石笼防治结构单体1,每道单体的石笼坝12包括9层宾格石笼121。
图1是泥石流石笼防治结构体平面布置示意图;图2是泥石流石笼防治结构体横断面布置示意图。泥石流石笼防治结构体,包括5道石笼坝防治结构单体1。每一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,钢管桩群11是多根钢管桩111呈线形沿泥石流沟道横向排列,钢管桩111下部桩身埋置在泥石流沟床,埋置深度不小于石笼坝12高度H。钢管桩111上部露出沟面并与石笼坝12穿接,钢管桩111桩顶向上延伸至石笼坝12顶部。
图3是图2的I-I′剖面示意图。由于石笼坝体随高度增加承担的荷载降低,因此石笼坝体背水面呈阶梯状,自下向上的各层石笼数量逐渐减少,以减少上层坝体的工程投入。
图4是A、B两型宾格石笼结构示意图;图5是A、B两型宾格石笼组合示意图。石笼坝12主体以B型宾格石笼121b堆砌,相邻层间的宾格石笼121错位排列。在坝体边沿处采用A型宾格石笼121a,以保证石笼坝整体外形平直。宾格石笼121穿接在钢管桩111上,每层的宾格石笼12相互间用铁丝扎固,上下层间宾格石笼12相互间用铁丝扎固,前后宾格石笼12相互间用铁丝扎固。
图6是单根钢管桩结构示意图;图7是图5的K-K′剖面示意图。钢管桩111外部为地质管1111,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,钢筋1112呈等边三角形布置。地质管1111管内壁与钢筋1112间灌注水泥砂浆。地质管1111下部加工为花管,经压力注浆后在管壁形成防锈保护层。
地质管1111采用8mm厚的φ146钢管,布置于孔径168mm的钻孔中;钢筋1112φ32mm,水泥砂浆强度M30,注浆压力不小于0.3Mpa。
Claims (10)
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。
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ηi、桩顶约束效应系数ηr、承台侧向土水平抗力效应系数ηl、承台底摩阻效应系数ηb、钢管桩水平承载力特征值Rha;
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:
式中,W—石笼防治结构体宽度,m,
Rh—钢管桩群中基桩的水平承载力,kPa,由式3计算,
F—作用在沟道横向每延米坝体上被拦挡块石的主动土压力,kN/m,由式4计算;
Rh=(ηiηr+ηl+ηb)Rha 式3
式中,ηi—桩间相互影响系数,步骤S1确定,
ηr—桩顶约束效应系数,步骤S1确定,
ηl—承台侧向土水平抗力效应系数,步骤S1确定,
ηb—承台底摩阻效应系数,步骤S1确定,
Rha—钢管桩水平承载力特征值,kPa,步骤S1确定;
式中,γs—坝体拦挡松散块体的平均重度,kN/m3,步骤S1确定,
Kq—外荷载参数,取值1,
Ka—主动土压力系数,式由5计算确定
式中,α——石笼坝体背水面与水平面的夹角,°,取值90°
δ——块石堆积体与石笼坝体间的摩擦角,°,步骤S1确定;
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