CN108416170A - 一种河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置及设计方法，所述装置包括钢石框和微型钢管桩，微型钢管桩紧贴设置在钢石框框架外侧，钢石框框架整体呈直角梯形结构，钢石框框架包括钢制横梁、钢制竖梁和钢制斜梁，钢制横梁设置在钢石框框架梯形顶面与梯形斜面上，钢制竖梁所在平面倾斜设置有钢制斜梁加固，各钢制梁之间采用螺栓连结；本发明采用钢石框代替了基坑内原有土体对河床下部进行加固，能够有效阻止河水下切侵蚀，防治暗渠裸露并被破坏，保证暗渠的正常使用，同时钢石框组装简单，能够有效缩短工期，节省劳力，可在暗渠加固领域中具有广泛的应用。

Description

一种河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置及设计方法

技术领域

本发明涉及暗渠加固技术领域，尤其涉及一种河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置及设计方法。

背景技术

暗渠做为工厂排水系统的重要组成部分，承担着附近区域排水任务，暗渠有减少水分蒸发和运水节约的优势。而长距离的暗渠埋设必然会与河流交叉，暗渠从河床下部穿过。这种暗渠穿河形式显然存在着问题，最主要的问题就是当河流河床持续冲刷下降时，原来埋设在河床下面的暗渠可能裸露，进而水流冲刷作用将导致暗渠被破坏。一般来说，天然河流具有冲击性特点，河床形态在时间上、空间上都在不断变化，而河道垂直方向的持续冲刷对暗渠的威胁最大。所谓持续冲刷不仅指成年累月的长期冲刷，还指一场洪水过程的较短时间的持续冲刷，有时候由于前一种河道冲刷比较缓慢，具有一定的趋势性、预警性，工程管理部门可以在造成灾害性后果之前，采取维护措施保护暗渠免遭冲毁。

现有的对暗渠管道的加固方法主要采用对穿越小河的河床护底设计：将加固结构固定设置于河床底部的土体之中。河床护底施工时有如下要求：

1.护底应同两岸护坡衔接，砌成一体，在护底范围内不得缩窄河槽宽度。当油管埋深过浅时，其E值可根据情况略为增加，达到设计埋深；当油管埋深符合设计要求时E为零，下游应与河床齐平。

2.浆砌块石采用50号或75号砂浆，所用石料应新鲜坚硬，极限强度不小于30MPa。块石顶面面积不小于200mm×200mm，形状大致方正。

3.基底回填土壤必须分层夯实。当河床土壤为砂砾石时，砂砾石垫层可以取消；如河床土壤为淤泥时，应将表层淤泥清除，加铺碎石垫层。

4.当护底长度较大时应分段施工，并每隔10m设一伸缩缝。在地基土壤有变化处应设置沉降缝，缝宽20mm，缝内填塞沥青麻絮。伸缩缝和沉降缝可以合并。护底中、下部耳隔3～5m设一泄水孔，孔后0.5m范围内应设置反滤器以防止淤塞。

5.消力池也可采用30mm×30mm或50mm×50mm块石混凝土浇筑。

可见，采用河床护底方式保护埋设暗渠，防止水流冲刷不仅工程量大，具体的实施方案也不明确；而且护底灌注混凝土，大大减弱了河床的透水效果。因此，设计一种穿河暗渠的加固防冲刷装置在减少暗渠破坏、增长暗渠使用寿命方面具有十分重要和现实的意义。

发明内容

为了克服上述不足，本发明的目的之一是提供一种河床下方暗渠抗冲刷河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，该装置能够有效阻止河水下切作用对暗渠的冲刷和侵蚀，防治暗渠裸露并被破坏，保证暗渠的正常使用防护河水下切。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明设计一种河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，包括钢石框和微型钢管桩，所述微型钢管桩紧贴设置在钢石框框架外侧，所述钢石框框架整体呈直角梯形结构，钢石框框架包括钢制横梁、钢制竖梁和钢制斜梁，钢制横梁设置在钢石框框架梯形顶面与梯形斜面上，钢制竖梁所在平面倾斜设置有钢制斜梁加固，各钢制梁之间采用螺栓连结。

优选的，所述微型钢管桩悬臂高度为钢石框高度的一半，可防止钢石框水平方向上的位移。

优选的，所述钢石框主体内部填充岩砾、碎石，钢石框紧贴暗渠。

优选的，所述钢石框外侧涂刷防腐材料，所述防腐材料为环氧煤焦油涂料。由于钢石框布置在河床下方，且钢结构易锈，可对钢石框外侧涂刷涂漆防腐材料，减少钢材的腐蚀及破坏程度。

优选的，所述钢管桩内部灌注水泥砂浆，水泥砂浆渗入到钻孔周围的土体中，可充满岩土体的孔隙，并与岩土体发生充分混合，提高了微型钢管桩加固区域土体的整体强度，增加了承载力。

优选的，所述微型钢管桩采用普通碳素钢材料。

优选的，所述微型钢管桩桩顶同连接梁相互连接，钢石框与微型钢管桩共同形成了一个复合型挡土墙，增加了钢管桩的整体强度。

本发明技术原理在于：一方面，在河水下切暗渠周围土体时，因钢石框代替了基坑内原有土体对河床下部进行加固，钢石框内填的岩砾、碎石等抗冲击、抗侵蚀能力较强，靠近暗渠的河水下游方向土体抗冲刷能力得到增强，有效防止河水侵蚀及因河水冲刷影响暗渠的正常运行；另一方面，钢石框与微型钢管桩能够加固暗渠周围岩土体，提高了微型钢管桩加固区域土体的整体强度，保护暗渠不被裸露破坏。

此外，本发明钢石框内填充的石料可使用现场施工产生的岩砾、碎石等，当填入的石料粒径较小时，要进行防漏处理，可用小孔径网将石料包住或在前方填塞大粒径石料。且与混凝土相比，岩砾、碎石的透水效果良好，河床中渗透进来的水可以流入附近土体，且岩砾、碎石可以现场收集，减少了工程成本与工程量。

本发明进一步提供上述河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置的设计方法，其核心在于钢石框高度的计算，具体方法如下：

步骤1基础参数获取：

调查设计钢石框现场，确定河床下部土体的基础参数与钢石框基本尺寸，包括：

现场测量测绘确定河流宽度，由此确定钢石框的长度L等于或略大于河流宽度，钢石框顶宽B等于钢石框长度L，钢石框底宽B为两倍钢石框顶宽b；

依室内试验确定框背面土重度γd、填充材料重度γs、土体内摩擦角钢石框上游面框壁与铅直方向的夹角ε，框背与土体之间的摩擦角δ，框背土体的地表面倾斜度β。

步骤2钢石框高度的计算：

钢石框所处地基承载力要求满足下式1:

式1中：

M_r——抗倾覆力矩；

M₀——倾覆力矩；

F_v——钢石框受到的垂直力(kN)；

B——钢石框底宽(m)；

Q_a——容许承载力(kN/m²)。

式2中：

F_v——钢石框受到的垂直力(kN)；

δ——框背与土体之间的摩擦角(°)；

B——钢石框底宽(m)；

b——钢石框顶宽(m)；

K_a——主动土压系数；

H——钢石框高度(m)；

γ_s——填充石料重度(kN/m³)；

γ_d——框背面土重度(kN/m)。

式5中：

K_a——主动土压系数；

φ——土体内摩擦角(°)；

ε——钢石框上游面框壁与铅直方向的夹角(°)；

δ——框背与土体之间的摩擦角(°)。

β——框背土体的地表面倾斜角(°)。

根据上式1-5，可以求出钢石框高度为：

上述河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置在暗渠加固领域中的应用也是本发明的保护范围。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明产品布置在暗渠下游方向，靠近暗渠，在河水下切暗渠周围土体时，因钢石框代替了基坑内原有土体对河床下部进行加固，钢石框内填的岩砾、碎石等抗冲击、抗侵蚀能力较强，能够有效阻止河水下切侵蚀，防治暗渠裸露并被破坏，保证暗渠的正常使用。

(2)钢石框组装简单，能够有效缩短工期，节省劳力，且钢石框部件加工在工厂加工完成后运往现场，只需少量工人进行组装并填充石料，减少了工程量。

(3)钢石框内部填充石料为现场施工产生的岩砾、碎石等，搬运简单，且岩砾、碎石具有良好的透水效果，能有效防止淤积，河床中渗透进来的水可以流入附近土体，且岩砾、碎石可以现场收集，减少了工程成本与工程量。

(4)钢石框在地质承载力达到要求的情况下，不需要深挖到基岩层，挖方量少，且各部件通过螺栓自由连接，能够应对地形的各种变化，组合成合适的形状。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明钢石框结构；

图2是本发明的钢石框结构剖面图；

图3是本发明的河床下方暗渠防冲刷超前预加固装置布置剖面简图；

图4是本发明的微型钢管桩截面图。

图中：1-钢石框框架；2-钢制横梁；3-钢制竖梁；4-钢制斜梁；5-微型钢管桩；6-钢管；7-水泥砂浆固结体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例1：

下面结合附图，对本发明的优选实例作进一步的描述。

如图1～图4所示，依照本发明技术方案在某河床暗渠处设计抗冲刷超前预加固装置。

1、基础参数获取

某段暗渠位于四川省西昌市，经现场勘查，河床宽2m，确定钢石框顶宽b＝1m，底宽B＝2m，长L＝2m，依室内试验确定框背面土重度γ_d＝18kN/m、填充材料重度γ_s＝17.6kN/m、土体内摩擦角φ＝35°，钢石框上游面框壁与铅直方向的夹角ε＝0°，框背与土体之间的摩擦角δ＝23.33°，框背土体的地表面倾斜度β＝25°，Q_a＝200kN/m2。

2、抗冲刷超前预加固装置的设计

河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，包括钢石框和微型钢管桩，微型钢管桩紧贴设置在钢石框框架外侧，钢石框框架整体呈直角梯形结构，钢石框框架包括钢制横梁、钢制竖梁、钢制斜梁和钢制前探横梁，钢制横梁与钢制前探横梁分别设置在钢石框框架梯形顶面与梯形斜面上，钢制竖梁所在平面倾斜设置有钢制斜梁加固，各钢制梁之间采用螺栓连结。

微型钢管桩悬臂高度为钢石框高度的一半，钢石框主体内部填充岩砾、碎石，钢石框紧贴暗渠，微型钢管桩内部灌注水泥砂浆，微型钢管桩采用普通碳素钢材料。

钢石框各部分组件由工厂在厂内生产并进行防锈蚀处理，之后运往现场施工处进行现场组装。

3、抗冲刷超前预加固装置的设计

钢石框宽b为1m，底宽B为2m，其底部与暗渠底部平行，选用的岩砾与碎石粒径为20～30cm，钢石框布置在暗渠的河水下游方向。

4、抗冲刷超前预加固装置设计计算

由式5得：

由式6得：

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，其特征在于，包括钢石框和微型钢管桩，所述微型钢管桩紧贴设置在钢石框框架外侧，所述钢石框框架整体呈直角梯形结构，钢石框框架包括钢制横梁、钢制竖梁和钢制斜梁，钢制横梁设置在钢石框框架梯形顶面与梯形斜面上，钢制竖梁所在平面倾斜设置有钢制斜梁加固，各钢制梁之间采用螺栓连结。

2.如权利要求1所述的河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，其特征在于，所述微型钢管桩悬臂高度为钢石框高度的一半。

3.如权利要求1所述的河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，其特征在于，所述钢石框主体内部填充岩砾、碎石。

4.如权利要求1所述的河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，其特征在于，所述钢石框外侧涂刷防腐材料。

5.如权利要求4所述的河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，其特征在于，所述防腐材料为环氧煤焦油涂料。

6.如权利要求1所述的河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，其特征在于，所述钢管桩内部灌注水泥砂浆。

7.如权利要求1所述的河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，其特征在于，所述微型钢管桩采用普通碳素钢材料。

8.如权利要求1所述的河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置，其特征在于，所述微型钢管桩桩顶同连接梁相互连接。

9.一种如权利要求1所述河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置的设计方法，其特征在于，具体方法如下：

步骤1基础参数获取：

调查设计钢石框现场，确定河床下部土体的基础参数与钢石框基本尺寸，包括：

现场测量测绘确定河流宽度，由此确定钢石框的长度L等于或略大于河流宽度，钢石框顶宽B等于钢石框长度L，钢石框底宽B为两倍钢石框顶宽b；

依室内试验确定框背面土重度γd、填充材料重度γs、土体内摩擦角钢石框上游面框壁与铅直方向的夹角ε，框背与土体之间的摩擦角δ，框背土体的地表面倾斜度β。

步骤2钢石框高度的计算：

钢石框所处地基承载力要求满足下式1:

式1中：

M_r——抗倾覆力矩；

M₀——倾覆力矩；

F_v——钢石框受到的垂直力(kN)；

B——钢石框底宽(m)；

Q_a——容许承载力(kN/m2)。

式2中：

F_v——钢石框受到的垂直力(kN)；

δ——框背与土体之间的摩擦角(°)；

B——钢石框底宽(m)；

b——钢石框顶宽(m)；

K_a——主动土压系数；

H——钢石框高度(m)；

γ_s——填充石料重度(kN/m3)；

γ_d——框背面土重度(kN/m)。

式5中：

K_a——主动土压系数；

φ——土体内摩擦角(°)；

ε——钢石框上游面框壁与铅直方向的夹角(°)；

δ——框背与土体之间的摩擦角(°)。

β——框背土体的地表面倾斜角(°)。

根据上式1-5，可以求出钢石框高度为：

10.如权利要求1所述的河床下方暗渠抗冲刷超前预加固装置在暗渠加固领域中的应用。