CN108330871A - 泥石流沟道桥梁桥墩防护装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种泥石流沟道桥墩防护装置。针对现有产品存在不利长期使用且维护更换成本高的缺陷，本发明泥石流沟道桥梁桥墩防护装置由立柱固定在沟道中的包围桥墩的半包围结构；桥墩防护装置前端是夹角为θ的迎水尖，迎水尖两迎水尖斜面末端沿沟道方向向后延伸成侧栏；桥墩防护装置是栅栏式结构，栅栏条横向。本发明还提供防护装置的设计方法，用于栅栏条间距D、防护装置高度H、防护装置宽度B、侧栏长度L等重要参数的科学设计。本发明产品能够仅在桥墩处的很小区域内改变泥石流运动状态，整体起到“拦粗排细”的防护与“顺势”疏导功能，防止次生危害。产品结构简洁、安装方便，生产维护成本低，能够长期使用。配套设计方法科学合理。

Description

泥石流沟道桥梁桥墩防护装置及设计方法

技术领域

本发明涉及一种防护装置与设计方法，特别是涉及一种泥石流沟道桥梁桥墩防护装置及其设计方法，属于土木工程、地质灾害防治技术领域。

背景技术

泥石流是发生在山区的一种饱含泥沙、石块的固液两相流体。通常具有暴发突然、历时短暂，固相物质含量多、级配宽，冲淤能力强等特点。泥石流对其沟道上修筑的桥梁的危害主要体现在两方面：一是淤埋、淹没桥梁，降低其使用年限；二是冲毁桥墩、桥台，直接导致结构破坏。

授权公告号为CN 202347498U的中国实用新型专利公开了一种桥墩防护装置。其结构是在桥墩的迎水面及背水面处分别设有呈角状的导水部及引水部，并在导水部的前端处包覆有防护单元。该防护单元包括结合于导水部上的防护里层和结合于防护里层外的防护外层，且在防护里层与防护外层之间还设有缓冲层。该装置本质是在水泥桥墩迎水面增设了防护缓冲层，其不足之处主要在于：一、虽然防护缓冲层可减轻泥石流对桥墩的冲击，但是含有大量粗颗粒的泥石流体从桥墩侧面流过时，存在泥石流体对桥墩建筑材料的明显磨蚀问题，不利长期使用。二、防护缓冲层是与桥墩设计为一体，维护更换成本高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种桥梁桥墩防护装置及设计方法。该防护装置主要拦挡泥石流中粗颗粒冲击桥墩同时又不阻碍或明显改变泥石流运动方向，能够充分发挥“拦粗排细”的防护并“顺势”疏导功能。

为实现上述目的，本发明首先提供一种泥石流沟道桥墩防护装置，其技术方案如下：

一种泥石流沟道桥梁桥墩防护装置，由立柱固定在沟道中；其特征在于：是包围桥墩的半包围结构；所述桥墩防护装置前端是夹角为θ的迎水尖，迎水尖两迎水尖斜面末端沿沟道方向向后延伸成侧栏；所述桥墩防护装置是栅栏式结构，栅栏条横向。

针对泥石流体成分组成及其冲击力特性的研究表明，事实上，泥石流体中大量存在的粗颗粒对桥墩冲击力最强，也是桥墩被冲毁的主要原因，因而如能对流经桥墩处的泥石流粗颗粒进行调控，降低其含量，便可有效降低泥石流的破坏力，从而有效保证桥墩的安全。同时，在免除粗颗粒冲击破坏的同时尽量不显著改变泥石流体其它成分的运动状态，引导泥石流体“顺势”运动，又能降低次生性危害。基于这一构思，上述泥石流沟道桥梁桥墩防护装置固定安装泥石流沟道中，形成对桥墩的半包围结构。迎水尖朝向泥石流来向(即沟道方向)，对泥石流体进行切分，切分后的泥石流流体沿构成迎水尖的两迎水尖斜面外侧运动，从而阻止泥石流对桥墩的直接冲击。防护装置整体是栅栏式结构，当泥石流流经防护装置时，粒径大于栅栏条间距的粗颗粒被拦挡在栅栏外侧，并沿两侧栏外侧继续向下游运动；其余泥石流体流入格栅内侧，与位于防护装置内侧的桥墩相遇。由于粗颗粒被拦挡在防护装置外，因而流经桥墩处的泥石流体粗颗粒含量、容重、冲击力均减小，可有效保护桥墩安全。防护装置整体是半包围结构，进入栅栏内的泥石流体可继续向下游运动，不会在桥墩处停积造成堵塞，不会引发次生问题，也能保证防护装置的长期使用。

上述泥石流沟道桥梁桥墩防护装置一般设计为左右对称结构，桥墩中心与迎水尖顶部在左右对称轴线上。

上述泥石流沟道桥梁桥墩防护装置，通过合理设计栅栏条间距，可更好地实现上述功能，持续地发挥桥墩防护功能，且又能引导所有泥石流体均能运动到泥石流堆积区，不会成为大规模泥石流潜在物源。因而，本发明同时提供上述泥石流沟道桥梁桥墩防护装置的设计方法用于设计栅栏条间距D，其技术方案如下：

上述桥梁桥墩防护装置的设计方法，其特征在于：用于设计栅栏条间距D；首先进行泥石流沟道本底调查，确定泥石流最大颗粒粒径d_max、泥石流对桥墩冲击力F、桥墩能承受的最大冲击力F_抗，然后依式1、式2计算栅栏条间距D：

式中，D—栅栏条间距，单位m，

n—设置栅栏后泥石流对桥墩冲击力减小比例，

d_max—泥石流最大颗粒粒径，单位m，本底调查确定，

F—泥石流对桥墩冲击力，单位kN，本底调查确定，

F_抗—桥墩能承受的最大冲击力，单位kN，本底调查确定。

上述设计方法的主要原理在于，栅栏条间距D的取值取决于需要将泥石流中多大粒径的颗粒拦挡到栅栏外侧。假设与未设置栅栏相比，栅栏设置后泥石流对桥墩冲击力的减小比例需为n，由于冲击力与泥石流体最大颗粒粒径d_max的立方成正比，因而当其他条件不变时，栅栏设计分离粒径可由式1的右边函数计算出。在本底调查中，利用泥石流发生的历史记录数据可确定d_max、F、F_抗各参数值。

上述设计方法经优化后可以进一步完成桥梁桥墩防护装置高度H的设计，具体是：首先在泥石流沟道本底调查中还需确定泥石流流速u、泥石流流深h，然后依式3、式4、式5计算桥墩防护装置高度H：

H＝h+△h 式3

式中，H—桥墩防护装置高度，单位m，

h—泥石流流深，单位m，本底调查确定，

△h—泥石流流经侧栏的高度，单位m，

α—修正系数，

u—泥石流流速，单位m/s，本底调查确定，

θ—迎水尖夹角，取值50°～70°，

g—重力加速度常数，

e—自然常数。

在该沟道的本底调查中，利用泥石流发生的历史记录数据可以确定设计地点主要的泥石流流速u与泥石流流深h。迎水尖夹角θ同时影响泥石流对栅栏条的冲击力，也影响防护装置对粗颗粒的分离过程及效果。随着θ减小，栅栏条受到的冲击力可得以降低；但若θ过小，泥石流沿防护装置侧栏运动的时间加长，增加粗颗粒透过栅栏条的概率。而θ过大，粗颗粒易直接停留在防护装置外侧，造成堵塞。通过前期数值计算分析及室内试验测试，本发明确定，在实际应用中θ取值范围50°～70°会有优良的效果。

上述设计方法经优化后可以进一步完成桥梁桥墩防护装置宽度B的设计，具体是：首先在泥石流沟道本底调查中还确定桥墩处泥石流沟道宽度W、桥墩宽度b，然后依式6、式7、式8计算桥墩防护装置宽度B：

W－B≥10d_max 式6

B－b≥5d 式7

式中，B—桥墩防护装置宽度，单位m，

W—桥墩处泥石流沟道宽度，单位m，本底调查确定，

b—桥墩宽度，单位m，本底调查确定，

d—栅栏设计分离粒径，单位m。

防护装置宽度B对防护装置内外侧的泥石流体的运动流态有较大影响，如果B过大，防护装置外侧的泥石流体流通不畅，造成外部堵塞；反之，防护装置内侧的泥石流体流通不畅，造成内部堵塞。因此在实际应用中需根据实际的沟道条件设计合理的防护装置宽度B。

上述设计方法经优化后可以进一步完成设计侧栏沿沟道流向长度L，具体是：依式9计算设计侧栏沿沟道流向长度L：

式中，L—侧栏沿沟道流向长度，单位m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)提供了一种泥石流沟道中桥梁桥墩的防护装置。该防护装置能够仅在桥墩处的很小区域内改变泥石流运动状态，既起到防止桥墩遭受泥石流体中粗颗粒的冲击，又保证泥石流的顺利顺势运动，同时避免粗颗粒成为泥石流物源引发的次生危害，整体能够起到“拦粗排细”的防护与“顺势”疏导功能。因而防护效果好、潜在风险小。产品结构简洁、安装方便，生产维护成本低，能够长期使用。(2)提供了泥石流沟道中桥墩的防护装置的设计方法，用于栅栏条间距D、防护装置高度H、防护装置宽度B、侧栏长度L等重要参数的科学设计。

附图说明

图1是泥石流沟道桥梁桥墩防护装置示意图。

图2是泥石流沟道桥梁桥墩防护装置正前方立视图。

图3是泥石流沟道桥梁桥墩防护装置平面图(白色箭头示泥石流流向)。

图4是图3的I-I剖示图。

附图中的数字标记分别是：

1迎水尖 11迎水尖斜面 2侧栏 3栅栏条 4立柱 5桥墩

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4所示，设计本发明泥石流沟道桥梁桥墩防护装置。

泥石流沟道本底调查，结合泥石流沟道现场调查与泥石流发生历史记录数据确定：泥石流最大颗粒粒径d_max＝2m、泥石流流速u＝8m/s、泥石流流深h＝6m，桥墩处泥石流沟道宽度W＝30m、桥墩宽度b＝2m、泥石流对桥墩冲击力F＝550kN、桥墩能承受最大冲击力F_抗＝330kN。

设计迎水尖1夹角θ＝60°。

图1是泥石流沟道桥梁桥墩防护装置示意图。泥石流沟道桥墩防护装置由立柱4固定在沟道中；是包围桥墩5的半包围结构；桥墩防护装置前端是夹角为θ的迎水尖1，迎水尖1两迎水尖斜面11末端沿沟道方向向后延伸成侧栏2；桥墩防护装置是栅栏式结构，栅栏条3横向。

防护装置呈左右对称结构，桥墩中心与迎水尖1顶部在左右对称轴线上。立柱4主要分布在迎水尖1前端、迎水尖斜面11前后两端、侧栏2后端。

图2是泥石流沟道桥梁桥墩防护装置正前方立视图、图3是泥石流沟道桥梁桥墩防护装置平面图(白色箭头示泥石流流向)、图4是图3的I-I剖示图。

将F＝550kN、F_抗＝330kN、d_max＝2m代入式1、式2，计算有n＝0.4、栅栏条3间距D＝2.25m。

将D＝2.25m、d_max＝2m、u＝8m/s、h＝6m、θ＝60°代入式3、式4、式5，计算有泥石流流经侧栏2的高度△h＝2.1m、桥墩防护装置高度H＝8.1m。

将W＝30m、b＝2m、d_max＝2m、n＝0.4代入式6、式7、式8，计算有栅栏设计分离粒径d＝1.5m、桥墩防护装置宽度9.5m≤B≤10m，取值9.5m。

将B＝9.5m、θ＝60°代入式9，计算有侧栏2沿沟道流向长度L＝7.3m。

Claims (6)

1.泥石流沟道桥梁桥墩防护装置，由立柱(4)固定在沟道中；其特征在于：是包围桥墩的半包围结构；所述桥墩防护装置前端是夹角为θ的迎水尖(1)，迎水尖(1)两迎水尖斜面(11)末端沿沟道方向向后延伸成侧栏(2)；所述桥墩防护装置是栅栏式结构，栅栏条(3)横向。

2.根据权利要求1所述的桥梁桥墩防护装置，其特征在于：是左右对称结构，桥墩中心与迎水尖(1)顶部在左右对称轴线上。

3.权利要求2所述桥梁桥墩防护装置的设计方法，其特征在于：用于设计栅栏条(3)间距D；首先进行泥石流沟道本底调查确定泥石流最大颗粒粒径d_max、泥石流对桥墩冲击力F、桥墩能承受的最大冲击力F_抗，然后依式1、式2计算栅栏条(3)间距D：

式中，D—栅栏条(3)间距，单位m，

n—设置栅栏后泥石流对桥墩冲击力减小比例，

d_max—泥石流最大颗粒粒径，单位m，本底调查确定，

F—泥石流对桥墩冲击力，单位kN，本底调查确定，

F_抗—桥墩能承受的最大冲击力，单位kN，本底调查确定。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：用于设计桥墩防护装置高度H；在泥石流沟道本底调查中还确定泥石流流速u、泥石流流深h，然后依式3、式4、式5计算桥墩防护装置高度H：

H＝h+△h 式3

式中，H—桥墩防护装置高度，单位m，

h—泥石流流深，单位m，本底调查确定，

△h—泥石流流经侧栏(2)的高度，单位m，

α—修正系数，

u—泥石流流速，单位m/s，本底调查确定，

θ—迎水尖(1)夹角，取值50°～70°，

g—重力加速度常数，

e—自然常数。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：用于设计桥墩防护装置宽度B，在泥石流沟道本底调查中还确定桥墩处泥石流沟道宽度W、桥墩宽度b，然后依式6、式7、式8计算桥墩防护装置宽度B：

W－B≥10d_max 式6

B－b≥5d 式7

式中，B—桥墩防护装置宽度，单位m，

W—桥墩处泥石流沟道宽度，单位m，本底调查确定，

b—桥墩宽度，单位m，本底调查确定，

d—栅栏设计分离粒径，单位m。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：用于设计侧栏(2)沿沟道流向长度L，依式9计算设计侧栏(2)沿沟道流向长度L：

式中，L—侧栏(2)沿沟道流向长度，单位m。