CN110565661A - 一种维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，包容如下步骤：(1)搜集整理边坡工程地区历年气象资料，总结边坡工程区域温度变化范围、年平均气温、岩土体冻融圈厚度。(2)确定热传导管长度、蒸发段长度、绝热段长度、冷凝段长度。保证蒸发段处于冻融圈内，冷凝段能够及时通过散热翅片散失热量。(3)确定边坡工程区域内热传导管布置范围和密度。(4)安装热传导管。(5)边坡喷浆支护。本防治方法通过热传导管上下温差将冻融圈内部热量带至空气中释放，保持冻土层温度的恒定，变被动治理为主动防护，以防治边坡工程的冻融灾害，达到安全、经济、高效、环保、施工简便、主动防护的效果。

Description

一种维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法

技术领域

本发明涉及边坡工程锚固技术领域，尤其涉及一种维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法。

背景技术

多年冻土和季节冻土区的面积约占地球陆地面积的50％，我国永久性冻土和季节性冻土的分布区域占国土面积的70％以上，主要分布在西部及东北高海拔寒冷地区。该地区边坡工程临空面直接暴露在空气中，由于气候温度昼夜性、季节性交替变化，正负温差大，岩土体内部水分不断冻结融化，在一定范围内形成冻融圈。随着时间推移，冻融循环作用不断侵蚀岩体，岩体内部缺陷不断劣化，逐渐演化为宏观裂隙，最终将导致边坡工程发生冻融灾害。

目前针对边坡工程的防护措施主要存在以下不足：

1)锚固体支护、锚网支护、喷锚网支护：此类支护方式不具有长期有效性。气候温度的变化会在边坡岩体表面形成冻融圈，冻融循环作用不断侵蚀岩体，致使冻融圈裂纹扩展，承载力降低，岩体表面产生剥落、片落、沙化等现象，锚固作用逐渐消散，边坡维护得不到保障，因此防护效果不明显，长期性差。

2)设置保温隔热层，二次支护：此类防护在初期防护与二次衬砌之间设置了一层保温隔热层，阻止外界气候温度的变化向岩体内部传递，减少热交换，对防治冻融灾害具有一定的积极意义，但也存在一些问题，如保温隔热层对围岩冻融圈的回冻产生阻滞，寒冷时，冻融圈内岩体不能进一步冻结或者说减缓了冻结速度，且二次衬砌成本较高，经济性差。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，该方法能够将冻融圈内部热量带至空气中释放，保持冻土层温度的恒定，变被动治理为主动防护，以防治边坡工程的冻融灾害，达到安全、经济、高效、环保、施工简便、主动防护的效果。

为实现以上所述目的，本发明采用如下技术方案：

一种维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，通过在锚固支护的边坡上设置热传导管，利用热传导管上下温差将冻融圈内部热量带至空气中释放，保持冻土层温度的恒定，变被动治理为主动防护，以防治边坡工程的冻融灾害。

具体包括如下步骤：

步骤1：搜集整理边坡工程地区历年气象资料，勘察地层地质赋存状态，总结边坡工程区域温度变化范围、年平均气温、岩土体冻融层厚度；

步骤2：根据步骤1获取的数据确定锚固体长度，所述锚固体的尾端套设有垫板和锚固螺母，内部形成有一密闭储液腔，所述锚固体设有储液腔的部分从前到后依次分为蒸发段、绝热段和冷凝段，所述蒸发段上的储液腔内填充有相变液，保证蒸发段处于冻融圈内，冷凝段位于边坡外，从而能够及时散热；

步骤3：通过试验确定边坡工程区域内锚固体的布置范围和密度；

步骤4：依据步骤3确定的布置范围和密度，使用钻机钻凿锚固孔，将上述锚固体插入锚固孔中，并注入水泥浆固定，待水泥浆凝固后，通过锚固螺母对锚固体施加预应力，将垫板抵靠在边坡上；

步骤5：对边坡进行喷浆支护处理。

其中，相变液是保证温度的关键，需要在冰融化前汽化，保证岩体内冰不融化，可以采用诸如液氮等合适液体。

进一步的，所述锚固体前端还设有胀壳锚固头。

进一步的，所述相变液采用液氨。

进一步的，所述冷凝段外壁上设有散热翅片。

进一步的，所述锚固体杆体包括连接的锚固杆和热传导管，所述储液腔设置于所述热传导管中，储液腔长度根据边坡冻融圈条件设定。

进一步的，所述锚固杆和热传导管通过连接头相连接，所述连接头的两端分别设有与所述锚固杆和热传导管螺纹连接的螺纹沉孔。

进一步的，所述锚固杆为中空杆体且其外壁上设有锚固螺纹。

可以理解的是，锚固体前端的锚固杆仅是本发明的一种常用方式，所述锚固杆还可以可更改为柔性锚索或其他具有锚固岩体作用的组件。

本发明通过在锚固体中巧妙的设置储液腔，储液腔内填充相变液，锚固体设有储液腔的部分从前到后依次分为蒸发段、绝热段和冷凝段，将冷凝段设置在边坡外，绝热段设置在边坡表面的喷浆支护层中，将蒸发段设置于喷浆支护层下方的边坡冻融圈中，锚固体下端锚固于岩体中，保证岩体的稳定性，上端用于保证冻融圈温度的稳定，其工作原理为：储液腔内的相变液吸收岩体热量变成气体，气体在压差作用下上升至冷凝段，遇到冷空气液化放热，热量通过散热翅片散失在空气中，液体在重力作用下回流至蒸发段，以此循环，从而可以保证冻融圈温度的稳定，起到防治冻融循环作用对岩体的侵蚀目的，从而可以保证整个锚固系统的稳定性。

综上所述，与现有装置相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过巧妙地在锚固体中设置储液腔，利用储液腔内的相变液发生相变吸热，充分利用物态变化传递热量，保持表层岩土体温度的恒定，可以有效防治高海拔寒区边坡工程的冻融灾害。

2)本发明能够有效防止锚固后边坡表层岩土体剥落、片落、裂纹扩展、沙化等灾害。

3)本发明能够适应高海拔寒区岩土体冬冻夏融、夜冻昼融等季节性、周期性气候条件，具有安全高效、经济环保、工序简单、防护时间长等优点。

附图说明

图1为实施例1锚固体结构示意图；

图2为实施例1热传导管工作原理示意图；

图3为图1中A处放大示意图；

图4为实施例1胀壳锚固头的结构示意图；

图5为采用实施例1锚固体对边坡进行支护的示意图；

图6为实施例1锚固体在边坡上的布置形式示意图；

图7为实施例2热传导管布置剖面图；

图8为实施例2热传导管布置形式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1和图5，一种维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，在寒区边坡上开设锚固孔，通过锚固于锚固孔内的锚固组件对寒区边坡进行支护。

参见图1，本实施例中，锚固组件包括锚固体1和设置于锚固体1前端的胀壳锚固头2，锚固体1的尾端套设有垫板3和锚固螺母4，锚固体1内形成有一端封闭，另一端贯通锚固体尾端面的储液腔5，锚固体的尾端还设有将储液腔5封闭的堵塞6，锚固体设有储液腔5的部分从前到后依次分为蒸发段a、绝热段b和冷凝段c，蒸发段a上的储液腔5内填充有相变液7，冷凝段c延伸至边坡外，绝热段b位于边坡表面的喷浆支护层8中，蒸发段a位于边坡冻融圈9中。其中，相变液是保证温度的关键，需要在冰融化前汽化，保证岩体内冰不融化，可以采用诸如液氮等合适液体。

参见图2，本实施例的工作原理为：当与储液腔5对应的锚固体上下端产生温差时，蒸发段a吸收来自岩体的热量，使得内部的诸如氨水等相变液7吸热汽化，在储液腔5产生压差，在压强作用下，汽化液上升，经绝热段b到冷凝段c，且在绝热段b不散失热量，汽化液在冷凝段c遇冷液化，释放热量，热量经锚固体排放到空气中；汽化液重新液化形成相变液7，并在重力的作用下沿储液腔5内壁回流至蒸发段a继续吸收热量，这样循环往复就可以将岩体内部的热量排放至空气中，从而可以保证冻融圈温度的稳定，起到防治冻融循环作用对岩体的侵蚀目的，从而可以保证整个锚固系统的稳定性。

相比现有的锚固支护方法，该方法可以提高边坡防护的可靠性、经济性和长期有效性，变被动治理为主动防护。

整个锚固体的材质可以采用钢材，在锚固体外对应绝热段b处可以喷涂隔热涂层或直接包裹隔热层。

参见图1，为提高冷凝段c散热能力，在冷凝段c的外壁上可以设置若干散热翅片10，热量通过散热翅片10快速向边坡外散去。

参见图3，在一实施例中，锚固体1可以采用分段式结构：包括通过连接头11相连接的锚固杆101和热传导管102，储液腔5设置于热传导管102中，胀壳锚固头2设置于锚固杆101上，连接头11的两端分别设有与锚固杆101和热传导管102螺纹对接的螺纹沉孔，锚固杆101和热传导管102与螺纹沉孔螺纹连接。

为提高锚固的稳定性，锚固杆101的外壁上设有锚固螺纹。

此外，为提高注浆锚固效果，锚固杆101采用中空杆体，在中空杆体的侧壁上形成有若干注浆孔，通过锚固杆101的内腔进行注浆。

可以理解的是，锚固体杆体前端的锚固杆仅是本发明的一种常用方式，所述锚固杆还可以更改为柔性锚索或其他具有锚固岩体作用的组件。

参见图4，具体的，所述胀壳锚固头2包括一螺杆201、一锚固螺母202及两瓣对应设置的胀壳夹片203，螺杆201一端与锚固杆101前端固定连接，另一端从两瓣胀壳夹片203之间穿过并与锚固螺母202之螺孔螺接配合，胀壳夹片203固定设置在锚固螺母的外壁上，且朝向锚固体尾端倾斜向外设置。优选的，胀壳夹片的外表面为倒锯齿状锥形表面，倒锯齿环向布设，从而提高胀壳锚固头与岩层孔壁的摩擦力，进而提高锚固体的锚固力。

本发明耦合相变传热技术和锚固技术，利用热传导管102在气候变化过程中上下端的温差，将冻融圈内部热量带至空气中释放，保持冻融圈岩体温度的恒定，防治冻融循环作用对岩体的剥蚀破坏。另一方面，利用锚固技术对边坡工程进行防护，该锚固系统不仅可以加固边坡，而且可以防治高海拔寒区边坡工程的冻融灾害，延缓或阻止岩体在气候温度交替变化过程中裂纹、剥落等损伤，具有安全高效、经济环保、长期有效等优点。

为便于安装锚固体和注浆，锚固杆与锚固孔之间的间距取2-3cm，热传导管与锚固孔之间的间距取8-10cm。

参见图5，采用上述锚固组件对寒区边坡进行支护的过程如下：

步骤1：搜集整理边坡工程地区历年气象资料，勘察地层地质赋存状态，总结边坡工程区域温度变化范围、年平均气温、岩土体冻融圈厚度；

步骤2：根据步骤1获取的数据确定锚固体长度，保证蒸发段a处于冻融圈内，冷凝段c能够及时通过散热翅片10散失热量，锚固头锚固在边坡的基岩12中；

步骤3：试验确定边坡工程区域内锚固体的布置范围和密度；

本发明提供两种方案：一是根据工程岩土体材料制作相似岩体，埋入锚固体，模拟气候温度变化(或在工程现场试验)，分析热传导管102周围不同范围不同深度区域温度变化情况，总结出热传导管102作用范围。二是根据已有工程经验，热传导管102作用范围取3-4m。

本实施例中，根据已有工程经验，热传导管作用范围取4m，也即锚固组件的间距为4m，如图6所示。

步骤4：安装锚固体，先根据热传导管102直径和长度使用钻机钻凿大直径钻孔和小直径钻孔，大直径钻孔在上，小直径钻孔在下。首先将锚固杆101埋入小直径钻孔，注入水泥浆固定，其次将连接套置入钻孔，通过螺纹连接锚固杆101端部，然后放入热传导管102，热传导管102底部与连接套螺纹连接固定，接着使用水泥砂浆固定热传导管102；

步骤5：对边坡进行喷浆处理，形成喷浆支护层8，一方面防止水分的渗透和减少热量的传递，另一方面起到加固防护的作用，最后旋拧热传导管102尾端的锚固螺母4，对锚固体施加预紧力，使垫板3紧贴边坡，实现整个支护过程的施工。

本方法耦合了相变传热技术和锚固技术，在边坡冻融圈内部锚固岩层，通过热传导管保持冻融圈温度的恒定，可以有效防治高海拔寒区边坡工程的冻融灾害。

本方法能够充分利用相变工作介质的物态变化带走岩体内部热量，有效降低冻融圈温度，防止岩体内冻结水融化，加强了边坡稳定性，具有长期有效性，成本低，可靠性强的优点。

实施例2

参见图7和图8，一种维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，包括如下步骤：

步骤1：搜集整理边坡工程地区历年气象资料，勘察地层地质赋存状态，总结边坡工程区域温度变化范围、年平均气温、岩土体冻融圈厚度。

步骤2：根据步骤1获取的数据确定热传导管102长度、蒸发段长度、绝热段长度、冷凝段长度。保证蒸发段处于冻融圈内，冷凝段能够及时通过散热翅片散失热量。

步骤3：取热传导管102作用直径为4m，布置方式参见图4和图5。

步骤4：安装锚杆。使用钻机钻孔，直径略大于锚固杆，深度为锚固杆长度，然后置入锚固杆，向锚杆内注入水泥砂浆，采用止浆塞防止水泥砂浆外泄，采用钢垫板和螺母固定锚固。

步骤5：安装热传导管102。使用钻机钻孔，直径略大于热传导管，深度为热传导管埋深，然后埋入热传导管，并采用水泥砂浆固定热传导管。

步骤6：对边坡进行喷浆处理，一方面防止水分的渗透和减少热量的传递，另一方面起到加固防护的作用。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，其特征在于，通过在锚固支护的边坡上设置热传导管，利用热传导管上下温差将冻融圈内部热量带至空气中释放，保持冻土层温度的恒定，变被动治理为主动防护，以防治边坡工程的冻融灾害。

2.根据权利要求1所述的维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1：搜集整理边坡工程地区历年气象资料，勘察地层地质赋存状态，总结边坡工程区域温度变化范围、年平均气温、岩土体冻融层厚度；

步骤2：根据步骤1获取的数据确定锚固体长度，所述锚固体的尾端套设有垫板和锚固螺母，内部形成有一密闭储液腔，所述锚固体设有储液腔的部分从前到后依次分为蒸发段、绝热段和冷凝段，所述蒸发段上的储液腔内填充有相变液，保证蒸发段处于冻融圈内，冷凝段位于边坡外，从而能够及时散热；

步骤3：通过试验确定边坡工程区域内锚固体的布置范围和密度；

步骤4：依据步骤3确定的布置范围和密度，使用钻机钻凿锚固孔，将上述锚固体插入锚固孔中，并注入水泥浆固定，待水泥浆凝固后，通过锚固螺母对锚固体施加预应力，将垫板抵靠在边坡上；

步骤5：对边坡进行喷浆支护处理。

3.根据权利要求2所述的维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，其特征在于：所述锚固体前端还设有胀壳锚固头。

4.根据权利要求2所述的维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，其特征在于：所述相变液采用液氨。

5.根据权利要求2所述的维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，其特征在于：所述冷凝段外壁上设有散热翅片。

6.根据权利要求2-5任一项所述的维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，其特征在于：所述锚固体包括相互连接的锚固杆和热传导管，所述储液腔设置于所述热传导管中，储液腔长度根据边坡冻融圈条件设定。

7.根据权利要求6所述的维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，其特征在于：所述锚固杆和热传导管通过连接头相连接，所述连接头的两端分别设有与所述锚固杆和热传导管螺纹连接的螺纹沉孔。

8.根据权利要求6所述的维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，其特征在于：所述锚固杆为中空杆体且其外壁上设有锚固螺纹。

9.根据权利要求2-5任一项所述的维护高海拔寒区冻融边坡长期稳定的方法，其特征在于：所述锚固体包括顺次连接的锚索和热传导管，所述储液腔设置于所述热传导管中，储液腔长度根据边坡冻融圈条件设定。