CN103866765A - 预警减震控制一体化的边坡锚固结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

预警减震控制一体化的边坡锚固结构及施工方法，属于岩土锚固防灾减灾领域，包括由框架1、锚杆6和控制锚管18构成的控制锚固结构，其特征在于：在框架1与不稳定山体35之间增设隔震垫7，在框架1上安装无线位移传感器9和无线位移接收器13，无线信号接收器13通过通讯线14与电液伺服阀27连接，在稳定山体36上安装无线位移传感器10，在人口居住地安装报警器15和通过通讯线14依次连接的无线信号接收器12、计算机8和无线信号发射器11。

Description

预警减震控制一体化的边坡锚固结构及施工方法

技术领域

本发明属于岩土锚固防灾减灾领域，尤其是一种预警减震控制一体化的边坡锚固结构，特别适用于对重要的永久性支护的高陡边坡进行监测、预警和减震控制。

背景技术

我国是一个多山的国家，山地面积约占国土面积的2/3。随着西部大开发战略的实施，相当多的基础设施建设拔地而起，如南水北调、三峡工程、以及山区高速公路和铁路等，与此同时涌现出大量的高陡边坡，对水利工程的安全运营和道路保通提出了更高的要求，通常需要采用锚喷支护结构进行支挡。近年来，随着环境的恶化，滑坡灾害日益频繁，给国家造成了巨大的经济损失。山体滑坡的成因极其复杂，包括地震、降雨、河流冲刷和人为因素等，其中地震和降雨引起的滑坡是两大最主要的因素。监测预警系统和普通锚固结构支护边坡已广泛用来减轻滑坡灾害。针对人工监测不仅自动化程度低，劳动量大，而且不能实现实时监测，人们提出了信息化的无线电监测预警系统，避免了大量使用通讯线和接线困难的缺陷，并且控制系统能够安装在安全可控性方便的地方；针对普通支护结构抗震性能差，难以满足比以往更高的抗震设防标准，申请号：201310668635.4的专利提出了一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管，这种锚管能够实现对边坡的半主动控制，从而提高了锚喷支护边坡的抗震性能。然而目前还未见将控制锚管与预警系统组合的有关报道，如果将两者进行组合，形成一种既能预警又能耗能减震控制锚固结构，预警与控制两者互不干扰、共同工作，能够达到优势互补，使滑坡灾害带来的巨大损失降到最低程度，提高安全性。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种监测、预警和耗能减震控制一体化的边坡锚固结构，尽最大限度的减轻滑坡灾害。

本发明是一种预警减震控制一体化的边坡锚固结构及施工方法，其边坡锚固结构包括框架1、锚杆6和控制锚管18，在框架1与不稳定山体35之间增设隔震垫7，在框架1上安装第一无线位移传感器9和第一无线信号接收器13，第一无线信号接收器13通过通讯线14与电液伺服阀27连接，在稳定山体36上安装第二无线位移传感器10，在人居住地安装报警器15和通过通讯线14依次连接的第二无线信号接收器12、计算机8和无线信号发射器11；第一无线位移传感器9、第二无线位移传感器10、无线信号发射器11、第一无线信号接收器13、第二无线信号接收器12、报警器15之间通过不同频段的无线信号传递控制。

本发明的预警减震控制一体化的边坡锚固结构的施工方法，其步骤为：

（1）放线定位：根据工程设计要求，用测量工具进行定位；

（2）制作锚杆6和中空锚管19:在锚杆6和中空锚管19的前段车削螺纹，并在中空锚管19的前段焊接挡板20，后段钻出浆孔21；

（3）组装变阻尼装置23：在液压缸24内充填油液25，用旁通管路26连接液压缸24和电液伺服阀27，排气调试，并充满油液25，将通讯线14的一端与电液伺服阀27连接，用套筒30将加长杆29与变阻尼装置23的单杆活塞28连接，最后套上护罩33；

（4）将组装好的变阻尼装置23安放在中空锚管19的挡板20之间，并用螺栓31固定连接；

（5）钻孔：用钻机在边坡岩土体上钻孔，分别将锚杆6和控制锚管18安置于相应的孔中；

（6）注浆：分别在锚杆6相应的孔和在控制锚管18内压力注入水泥砂浆34；锚杆6周围的水泥砂浆34将锚杆6锚固在稳定山体36中；控制锚管18内的水泥砂浆34能从出浆孔21渗出，使得控制锚管18锚固在稳定山体36中；

（7）在坡面上铺设隔震垫7，在隔震垫7外挂钢筋网并喷射水泥砂浆34形成面板4，并使锚杆6、控制锚管18、通讯线14穿过隔震垫7和面板4；

（8）浇注横梁2和立柱3：在第一根立柱3和第一排横梁2的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁2、立柱3的钢筋骨架并浇筑混凝土；

（9）待横梁2、立柱3的混凝土强度达到85%以上时，在中空锚管19上套上垫板17和锚固弹簧22，对锚杆6和中空锚管19进行预应力张拉，之后用锚具16将锚杆6和中空锚管19紧固连接的锚头锁死，然后做用于保护锚头和锚具16的混凝土喷层，将穿过框架1的控制锚管18的加长杆29，用螺帽32和垫板17锚固在框架1上；

（10）按照此步骤施工下一个工作面的锚杆6、控制锚管18、横梁2和立柱3，并完成各层锚杆6和控制锚管18的张拉与锚固；

（11）在立柱3的底端对应位置处制作基础5：在开设的基础5的孔内放入钢筋笼，将立柱3的底端外伸钢筋和基础5内钢筋焊接连接，浇注基础5；

（12）在框架1和稳定山体36上分别安装无线位移传感器9和无线位移传感器10；

（13）将通讯线14的另一端与无线信号接收器13连接；

（14）在人居住地安装报警器15、将无线信号接受器12、计算机8、无线位移发射器11用通讯线14连接。

 本发明的有益效果是：本发明有效集合了监测、预警和耗能减震控制，构成一体化的智能防治结构，通过监测稳定山体位移和不稳定山体（即框架）的位移对山体滑坡进行监测、预警和耗能减震。本发明不仅可以提供静态时的长期预警，还可以提供动态时的预警。在动态时，预警系统发出警报的同时，控制系统也发挥作用；控制锚管与隔震垫两者共同有效的消耗地震动带来的能量，延长了预警提示与支护结构破坏之间的时间差，为人员安全撤离争取时间，以免造成巨大的生命财产损失，能够实现对滑坡灾害的监测和预警，实用价值高、适合市场推广使用。

附图说明

图1是本发明的结构剖面示意图，图2是图1中的框架1的正立面的结构示意图，图3是图1中的控制锚管18的结构示意图，图4是本发明预警系统和控制系统工作的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的特征作更进一步描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限制本发明的范围，凡在本发明精神范围内所做的任何等同修改和变换，都在本发明保护范围之内。

本发明是一种预警减震控制一体化的边坡锚固结构及施工方法，其边坡锚固结构包括框架1、锚杆6和控制锚管18，在框架1与不稳定山体35之间增设隔震垫7，在框架1上安装第一无线位移传感器9和第一无线信号接收器13，第一无线信号接收器13通过通讯线14与电液伺服阀27连接，在稳定山体36上安装第二无线位移传感器10，在人居住地安装报警器15和通过通讯线14依次连接的第二无线信号接收器12、计算机8和无线信号发射器11；第一无线位移传感器9、第二无线位移传感器10、无线信号发射器11、第一无线信号接收器13、第二无线信号接收器12、报警器15之间通过不同频段的无线信号传递控制。

如图1、图3所示，框架1的无线位移传感器9和稳定山体36上的无线位移传感器10监测到位移并发送信号，无线信号接收器12接收到位移信号，并通过通讯线14传输到计算机8，计算机8通过其内的数据转化板将信号转换、再通过预警和控制程序求得框架1的位移与稳定山体36的位移差来分析判断，通过无线信号发射器11发出对应的预警信号和控制信号；报警器15接受到预警信号之后，发出不同级别对应的预警信号。无线信号接收器13接受到控制信号，并由通讯线14传输到变阻尼装置23的电液伺服阀27，通过控制电液伺服阀27的开口“大小”来给框架1提供连续可变的阻尼力，最后通过控制锚管18的锚固段传递到稳定山体36中，减小不稳定山体35相对稳定山体36的位移。

如图1、图2所示，框架1由相互垂直交叉的横梁2和立柱3，及其后的面板4和埋入土体的基础5构成。

如图1、图2所示，穿过框架1的锚杆6和控制锚管18是间隔布置，既能达到控制效果，又能降低工程造价。

如图1、图4所示，计算机8内装有A/D和D/A数据采集与转换板，且装有控制算法、电液伺服阀27的驱动软件和预警系统程序。

如图1所示，隔震垫7为橡胶隔震垫、金属橡胶隔震垫、形状记忆合金金属橡胶或硬质酚醛泡沫，厚度为3cm—5cm。

如图1、图3所示，控制锚管18是将变阻尼装置23通过螺栓31固定在中空锚管19的挡板20上，并用套筒30将加长杆29和变阻尼装置23的单杆活塞28连接，中空锚管19和加长杆29分别穿过框架6，在中空锚管19上依次套上垫板17、锚固弹簧22，用锚具16将其锚固于框架1上；将加长杆29用螺帽32和垫板17锚固于框架1上，并在变阻尼装置23的外面套上护罩33。

如图1、图3所示，锚固弹簧22的刚度系数为400N/mm~600N/mm，用于实现地震作用下将不稳定山体35与稳定山体36之间的位移差转化到框架1和控制锚管18之间。

如图3所示，变阻尼装置23由旁通管路26连接的液压缸24和电液伺服阀27构成，液压缸24内套有单杆活塞28，并在液压缸24和旁通管路26内填满油液25。

如图1所示，第一无线位移传感器9监测到框架1的位移和第二无线位移传感器10监测到稳定山体36的位移，并且各自能够发出位移信号。

如图1、图4所示，计算机8通过第二无线信号接收器12接收到第一无线位移传感器9发出的信号和第二无线位移传感器10发出的信号，通过计算机8内的数据转化板将信号转换、再通过预警和控制程序求得框架1的位移与稳定山体36的位移差，综合处理，通过无线信号发射器11分别发出不同级别的预警信号和控制信号。

所述的报警器15能够根据不稳定山体35、稳定山体36的位移差和预警系统报出不同级别的报警信号。

本发明在边坡支护工程中实施时，宜采用逆作法，分段施工，即由上而下逐层、分段施工，本发明的预警减震控制一体化的边坡锚固结构的施工方法，其步骤为：

（1）放线定位：根据工程设计要求，用测量工具进行定位；

（2）制作锚杆6和中空锚管19:在锚杆6和中空锚管19的前段车削螺纹，并在中空锚管19的前段一定位置焊接挡板20，后段钻出浆孔21；

（3）组装变阻尼装置23：在液压缸24内充填油液25，用旁通管路26连接液压缸24和电液伺服阀27，排气调试，并充满油液25，将通讯线14的一端与电液伺服阀27连接，用套筒30将加长杆29与变阻尼装置23的单杆活塞28连接，最后套上护罩33；

（4）将组装好的变阻尼装置23安放在中空锚管19的挡板20之间，并用螺栓31固定连接；

（5）钻孔：用钻机在边坡岩土体上钻孔，分别将锚杆6和控制锚管18安置于相应的孔中；

（6）注浆：分别在锚杆6相应的孔和在控制锚管18内压力注入水泥砂浆34；锚杆6周围的水泥砂浆34将锚杆6锚固在稳定山体36中；控制锚管18内的水泥砂浆34能从出浆孔21渗出，使得控制锚管18锚固在稳定山体36中；

（7）在坡面上铺设隔震垫7，在隔震垫7外挂钢筋网并喷射水泥砂浆34形成面板4，并使锚杆6、控制锚管18、通讯线14穿过隔震垫7和面板4；

（8）浇注横梁2和立柱3：在第一根立柱3和第一排横梁2的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁2、立柱3的钢筋骨架并浇筑混凝土；

（9）待横梁2、立柱3的混凝土强度达到85%以上时，在中空锚管19上套上垫板17和锚固弹簧22，对锚杆6和中空锚管19进行预应力张拉，之后用锚具16将锚杆6和中空锚管19紧固连接的锚头锁死，然后做用于保护锚头和锚具16的混凝土喷层，将穿过框架1的控制锚管18的加长杆29，用螺帽32和垫板17锚固在框架1上；

（10）按照此步骤施工下一个工作面的锚杆6、控制锚管18、横梁2和立柱3，并完成各层锚杆6和控制锚管18的张拉与锚固；

（11）在立柱3的底端对应位置处制作基础5：在开设的基础5的孔内放入钢筋笼，将立柱3的底端外伸钢筋和基础5内钢筋焊接连接，浇注基础5；

（12）在框架1和稳定山体36上分别安装无线位移传感器9和无线位移传感器10；

（13）将通讯线14的另一端与无线信号接收器13连接；

（14）在人居住地安装报警器15、将无线信号接受器12、计算机8、无线位移发射器11用通讯线14连接。

本发明的工作原理：在静态时此防治结构的控制锚管与普通锚杆的作用相同，即控制系统不发挥作用，只有预警系统能够正常工作。框架和稳定山体上的无线位移传感器监测到位移并发送信号，无线信号接收器接收到无线位移传感器发出的信号，并通过通讯线传输到计算机，计算机通过其内的数据转化板将信号转换、再通过预警程序求得框架的位移与稳定山体的位移差，来分析判断不稳定山体的位移是否达到规定的预警值，若未达到最小的预警值，则本次预警结束；若超过最小的预警值，则判断是否达到更高一级的预警值，达到预警级别范围的最小值时，则通过无线信号发射器发出对应的预警信号，预警器接受到信号之后，发出不同级别对应的预警信号。人们可根据不同的级别的信号，来选择临时撤离避险。

在动态时，预警系统与控制系统同时发挥作用。在此为了简便只说明控制系统的工作原理，预警系统的工作原理与静态相同，且两者同时进行。框架和稳定山体上的无线位移传感器监测到位移并发送信号，无线信号接收器接收到无线位移传感器发出的信号，并通过通讯线传输到计算机，计算机通过其内的数据转化板将信号转换、再通过控制算法求得框架的位移与稳定山体的位移差来分析判断，并通过无线信号发射器发出不同频段的信号，无线信号接收器接受到信号，并由通讯线传输到变阻尼装置的电液伺服阀，通过控制电液伺服阀的开口“大小”来给支护结构提供连续可变的阻尼力，最后通过控制锚杆的锚固段传递到稳定山体中，减小了不稳定山体相对稳定山体的位移。地震发生时岩土体作用到支护结构的动应力很大，通过控制算法调节将较大的动应力由控制锚管来承受，发挥自身已储备的承载能力，此时控制锚管达到高承载力，延长了预警提示与支护结构破坏之间的时间，加之隔震垫的施设两者共同有效的消耗地震动带来的能量，减轻灾害的破坏，为人员安全撤离争取时间。

Claims (6)

1.预警减震控制一体化的边坡锚固结构，包括框架（1）、锚杆（6）和控制锚管（18），其特征在于：在框架（1）与不稳定山体（35）之间增设隔震垫（7），在框架（1）上安装第一无线位移传感器（9）和第一无线信号接收器（13），第一无线信号接收器（13）通过通讯线（14）与电液伺服阀（27）连接，在稳定山体（36）上安装第二无线位移传感器（10），在人居住地安装报警器（15）和通过通讯线（14）依次连接的第二无线信号接收器（12）、计算机（8）和无线信号发射器（11）；第一无线位移传感器（9）、第二无线位移传感器（10）、无线信号发射器（11）、第一无线信号接收器（13）、第二无线信号接收器（12）、报警器（15）之间通过不同频段的无线信号传递控制。

2.根据权利要求1所述的预警减震控制一体化的边坡锚固结构，其特征在于：所述的穿过框架（1）的锚杆（6）和控制锚管（18）是间隔布置。

3.根据权利要求1所述的预警减震控制一体化的边坡锚固结构，其特征在于：所述的计算机（8）内装有A/D和D/A数据采集与转换板，且装有控制算法、电液伺服阀（27）的驱动软件和预警系统程序。

4.根据权利要求1所述的预警减震控制一体化的边坡锚固结构，其特征在于：所述的隔震垫（7）为橡胶隔震垫，或者是金属橡胶隔震垫，或者是形状记忆合金金属橡胶，或者是硬质酚醛泡沫，厚度为3cm~5cm 。

5.根据权利要求1所述的预警减震控制一体化的边坡锚固结构，其特征在于：所述的报警器（15）是根据不稳定山体（35）、稳定山体（36）的位移差和预警系统报出不同级别的报警信号。

6.预警减震控制一体化的边坡锚固结构的施工方法，其步骤为：

（1）放线定位：根据工程设计要求，用测量工具进行定位；

（2）制作锚杆（6）和中空锚管（19）：在锚杆（6）和中空锚管（19）的前段车削螺纹，并在中空锚管（19）的前段焊接挡板（20），后段钻出浆孔（21）；

（3）组装变阻尼装置（23）：在液压缸（24）内充填油液（25），用旁通管路（26）连接液压缸（24）和电液伺服阀（27），排气调试，并充满油液（25），将通讯线（14）的一端与电液伺服阀（27）连接，用套筒（30）将加长杆（29）与变阻尼装置（23）的单杆活塞（28）连接，最后套上护罩（33）；

（4）将组装好的变阻尼装置（23）安放在中空锚管（19）的挡板（20）之间，并用螺栓（31）固定连接；

（5）钻孔：用钻机在边坡岩土体上钻孔，分别将锚杆（6）和控制锚管（18）安置于相应的孔中；

（6）注浆：分别在锚杆（6）相应的孔和在控制锚管（18）内压力注入水泥砂浆（34）；锚杆（6）周围的水泥砂浆（34）将锚杆（6）锚固在稳定山体（36）中；控制锚管（18）内的水泥砂浆（34）能从出浆孔（21）渗出，使得控制锚管（18）锚固在稳定山体（36）中；

（7）在坡面上铺设隔震垫（7），在隔震垫（7）外挂钢筋网并喷射水泥砂浆（34）形成面板（4），并使锚杆（6）、控制锚管（18）、通讯线（14）穿过隔震垫（7）和面板（4）；

（8）浇注横梁（2）和立柱（3）：在第一根立柱（3）和第一排横梁（2）的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁（2）、立柱（3）的钢筋骨架并浇筑混凝土；

（9）待横梁（2）、立柱（3）的混凝土强度达到85%以上时，在中空锚管（19）上套上垫板（17）和锚固弹簧（22），对锚杆（6）和中空锚管（19）进行预应力张拉，之后用锚具（16）将锚杆（6）和中空锚管（19）紧固连接的锚头锁死，然后做用于保护锚头和锚具（16）的混凝土喷层，将穿过框架（1）的控制锚管（18）的加长杆（29），用螺帽（32）和垫板（17）锚固在框架（1）上；

（10）按照此步骤施工下一个工作面的锚杆（6）、控制锚管（18）、横梁（2）和立柱（3），并完成各层锚杆（6）和控制锚管（18）的张拉与锚固；

（11）在立柱（3）的底端对应位置处制作基础（5）：在开设的基础（5）的孔内放入钢筋笼，将立柱（3）的底端外伸钢筋和基础（5）内钢筋焊接连接，浇注基础（5）；

（12）在框架（1）和稳定山体（36）上分别安装第一无线位移传感器（9）和第二无线位移传感器（10）；

（13）将通讯线（14）的另一端与第一无线信号接收器（13）连接；

（14）在人居住地安装报警器（15）、将第二无线信号接收器（12）、计算机（8）、无线位移发射器（11）用通讯线（14）连接。

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