CN111088807A - 一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩和护坡体系 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，公开了一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩和护坡体系，其反转电极桩包括表面设置有多个凹槽的电极套筒，电极套筒外部包裹有土工布并由卡箍固定，电极套筒的内孔进行混凝土注浆形成微型混凝土抗滑桩；该反转电极桩既能够达到边坡防渗与排水的效果，又能够增强滑动面上部岩土体、滑床和下部稳定土体之间的整体稳定性；反转电极桩通过开关和集成电路板可以反转阴、阳电极，结合截水沟和排水盲管构成护坡体系，可以最大面积排出入渗到边坡内部的水分，并可以根据判断降雨强度以及坡面渗水量，利用不同档位的电压进行电渗排水，达到节约能耗和保持边坡结构长期稳定的效果。

Description

一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩和护坡体系

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体的说，是涉及一种应用于表层为碎石土层，内部为软弱粘性土层的边坡防渗加固反转电极桩和护坡体系。

背景技术

边坡是山地丘陵区工程建设的基本地质环境，确保边坡安全是人类生活与工程活动的基本要求。但由于大量工程建设地处复杂的地质环境条件区，边坡失稳时有发生，滑坡灾害成为山地丘陵区工程建设所面临的主要问题之一。我国南方地区雨水充沛，地表水的大量入渗导致地下水入渗量超过了坡体中原有排泄系统的排泄能力，从而使坡体中的地下水位上升、斜坡稳定性降低，引起边坡内部潜在滑动面的整体失稳，进而引发严重的滑坡事故。含碎石粘性土滑坡成为最主要的滑坡类型，所以对于碎石土边坡防渗加固尤为重要。

中国专利申请“一种化学电渗法联合微型抗滑桩治理滑坡工程的方法”(申请号：201110175164.4)公开了一种利用边坡加固的方法，通过在钻孔内布置金属电极并灌入不同的化学溶液，在直流电场作用下形成电渗和化学反应，然后在钻孔内浇筑混凝土，形成微型钢筋混凝土抗滑桩，共同作用提高边坡稳定性；但是此方法起到边坡加固的作用，对于后续边坡的雨水入侵无法起到良好的防渗作用，特别是对于碎石土滑坡坡面易渗水的特性，经历多次雨水侵蚀后，不能达到长期良好的防失稳效果。中国专利申请“一种用于边坡防护功能的电极桩及其使用方法”(申请号：201910075521.6)公开了一种用于防护功能的电极桩，通过连接多组阴、阳极桩，通过电渗阻止水分进入土体深部引起大体积滑坡，增强土体结构稳定性。但是该电极桩长度较短，只能应用于小型边坡，对于大型边坡不能起到良好的排水效果，增强潜在滑坡破坏面的抗剪强度效果不好，利用该方法无法有效提高大型边坡滑动面上部岩土体、滑床以及电极桩之间的整体稳定性，而且电渗能耗较大，没有采取节约能耗的方法。

发明内容

本发明要解决的是如何保持含碎石粘性土边坡结构长期稳定的技术问题，提供了一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩和护坡体系，该反转电极桩既能够达到边坡防渗与排水的效果，又能够增强滑动面上部岩土体、滑床和下部稳定土体之间的整体稳定性，基于该反转电极桩构成的护坡体系可以最大面积排出入渗到边坡内部的水分，并可以根据判断降雨强度以及坡面渗水量，利用不同档位的电压进行电渗排水，达到节约能耗和保持边坡结构长期稳定的效果。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩，包括电极套筒，所述电极套筒顶部设置有一组导线连接螺栓，所述电极套筒表面周向均匀设置有多个沿轴向延伸的凹槽；所述电极套筒外部包裹有土工布，并通过卡箍将所述土工布固定于所述电极套筒，使所述电极套筒表面凹槽与所述土工布之间形成畅通的孔隙通道；所述电极套筒的内孔进行混凝土注浆形成微型混凝土抗滑桩。

进一步地，所述凹槽的形状为半圆柱体。

进一步地，所述电极套筒外表面设置有防腐层。

一种应用于碎石土边坡防渗加固的护坡体系，包括多个上述的反转电极桩，每个所述反转电极桩可通过集成电路板反转阴、阳电极；

所述反转电极桩在边坡上布置至少两排，并且在连接电路时以排为单位交错布置阴极和阳极；每个所述反转电极桩垂直坡面设置，所述反转电极桩底端穿过潜在滑动带、顶部露出坡面；所述反转电极桩下方的边坡内部顺坡向安放有排水盲管；

作为阴极和阳极的每一组所述反转电极桩通过导线连接后，以并联的方式分别连入控制箱；所述控制箱内置有控制开关盒和集成电路板；所述控制开关盒包括开关K0、开关K1、开关K2；开关K0为电路总开关，用于控制所有元件是否运行；开关K1为电极操纵开关，控制电渗方向为顺坡向或逆坡向；开关K2用于控制工作电压为低档电压、正常电压或高档电压；所述集成电路板包括单片机和电极驱动模块；所述单片机用于接受所述开关K1的开关方向信号，并通过所述电极驱动模块控制电渗方向；同时，所述单片机用于接受所述开关K2的挡位信号，并通过所述电极驱动模块控制电压强度。

进一步地，相邻两排所述反转电极桩之间间距为4-6m，每排内的相邻反转电极桩间距为2-3m。

进一步地，边坡顶部挖设有截水沟，所述截水沟底部间隔设置有竖向排水管，每个所述竖向排水管连接所述排水盲管。

更进一步地，所述竖向排水管在与所述截水沟连接的管口安放有不锈钢丝网。

进一步地，所述排水盲管与边坡坡面的垂直距离为6-22m，仰角为5-60°。

进一步地，所述排水盲管由内而外由乱丝式内管壁、PVC塑料管、土工滤膜构成，所述PVC塑料管上部管壁均匀设置有透水孔。

进一步地，所述控制箱内置有感知器，所述感知器包括温度传感器和数码管，所述温度传感器和所述数码管均与所述单片机连接；所述温度传感器用于检测电路运行时的温度，所述单片机用于采集所述温度传感器的温度信号并进行处理，所述数码管用于显示所述单片机处理后的温度数值。

本发明的有益效果是：

(一)本发明提供的一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩，将电极套筒与微型混凝土抗滑桩结合在一起，将其插入潜在滑动面下部稳定土体，通过土体对桩的抗力平衡滑坡体的推力，当滑坡体下滑时受到反转电极桩的阻抗，使桩前滑体达到稳定状态。同时，反转电极桩联合接通直流电场进行电渗排水的综合作用，提高潜在破坏面软弱土的抗剪强度，既达到了边坡防渗与排水的效果，又增强滑动面上部岩土体、滑床和下部稳定土体之间的整体稳定性。

(二)本发明提供的一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩，其电极套筒表面的凹槽与外包土工布形成了竖向甬道，改变了水分通过土颗粒孔隙渗流较慢的情形，使电渗过程中积累到阴极附近土体中的水分通过水平渗流渗入竖向甬道，进而快速流入反转电极桩下部的排水盲管中，缩短了渗流路径，提高了排水效率，有效的收集了聚集在反转电极桩附近土中的水分；解决了传统反转电极桩电渗排水护坡方法无法迅速良好收集水分并排除坡外的问题。另外，通过在电极套筒内注浆形成的微型混凝土抗滑桩，有效增强了反转电极桩的抗剪和抗弯能力，进而显著增强了边坡的抗滑移能力。

(三)本发明提供了一种应用于碎石土边坡防渗加固的护坡体系，将本发明的反转电极桩通过集成电路板反转阴、阳电极，有效地利用电渗将滑坡体内的水分汇集到靠近坡顶和坡底的两排反转电极桩附近土体中，结合埋置于地下的排水盲管，最大面积排出入渗到边坡内部的水分，并可以根据判断降雨强度以及坡面渗水量，利用不同档位的电压进行电渗排水，达到节约能耗和保持边坡结构长期稳定的效果。另外，通过在电路中设置温度传感器以及数码管，可随时检测电路温度，保证电路工作的安全可靠性。

综上，本发明的护坡体系对边坡防渗排水与加固效果显著，与传统电渗排水相比节约能耗，经济效益明显，操作性较强。

附图说明

图1是实施例所提供的反转电极桩的结构示意图；

图2是实施例所提供的反转电极桩中电极套筒的结构示意图；

图3是实施例所提供的反转电极桩中卡箍的结构示意图；

图4是实施例所提供的护坡体系中反转电极桩、截水沟、竖向排水管、排水盲管布置形式的纵向剖面结构示意图；

图5是实施例所提供的护坡体系中反转电极桩、截水沟、竖向排水管、排水盲管布置形式的俯视结构示意图；

图6是实施例所提供的护坡体系中排水盲管的轴向及横向剖面示意图；

图7是实施例所提供的护坡体系中排水盲管上分布透水孔的结构示意图；

图8是实施例所提供的护坡体系中反转电极桩、控制箱、电源的连接示意图；

图9是实施例所提供的护坡体系中电路元件连接结构示意图。

上述图中：1、反转电极桩，101、电极套筒，102、凹槽，103、导线连接螺栓，104、土工布，105、卡箍，106、微型混凝土抗滑桩；2、截水沟；3、竖向排水管；4、排水盲管，401、乱丝式内管壁，402、PVC塑料管，403、土工滤膜，404、透水孔；5、控制箱，501、控制开关盒，502、感知器，5021、温度传感器，5022、数码管，503、集成电路板，5031、单片机，5032、电极驱动模块，5033、电阻丝；6、电源。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例公开了一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩1，每个反转电极桩1包括一个金属制成的电极套筒101，电极套筒101在5-20m范围内切割为不同规格的长度以满足不同边坡场地的要求，电极套筒101的直径为220-270mm，厚度为15mm左右。

如图2所示，电极套筒101的表面由半自动打孔机加工出多个沿轴向延伸的凹槽102，每个凹槽102的形状为半圆柱体，多个凹槽102在电极套筒101周向均匀布置。电极套筒101外表面电镀0.1-0.15mm的Cu-Sn合金镀层，以提高电极套筒1的耐腐蚀性。电极套筒101的顶部两侧分别安设一个导线连接螺栓103，用于分别连接导线，将反转电极桩1作为阳极或者阴极。

电极套筒11外表面紧密均匀的包裹有土工布104，土工布104优选采用短纤针刺土工布，具有抗老化、耐酸碱、耐磨损、韧性好、施工简便的特点，有效提高了对电极套筒101的保护。并且，土工布104由不锈钢的卡箍105紧密固定于电极套筒11。如图3所示，卡箍105由带纹络的不锈钢薄片和螺栓两部分组成，带纹络不锈钢钢薄片厚度为2mm左右，扭动螺栓可以控制箍径大小，不同规格的卡箍箍径在220-270mm之间，以保证土工布104与不同规格的电极套筒101外表面紧密相贴，进而保证电极套筒101外表面的凹槽102与土工布104之间的孔隙通道畅通。

对边坡进行预成孔处理后，将包有土工布104的电极套筒11放入孔中，然后在孔内进行混凝土注浆形成微型混凝土抗滑桩106，电极套筒101和微型混凝土抗滑桩106共同构成反转电极桩1。

反转电极桩1通过集成电路板503可以反转阴、阳电极，一对反转电极桩1分别作为阴极和阳极组成一组。利用导线将控制箱5、反转电极桩1连接起来，接通电源6，组成应用于碎石土边坡防渗加固的护坡体系。在电场作用下，潜在滑动面软弱土中带正电荷的水及阳离子向阴极流动，带负电荷的阴离子向阳极流动，形成电渗和化学反应，阴极附近土中积累的水分由地下排水盲管4收集并排出坡外，从而提高潜在滑动面的抗剪强度和稳定性。

如图4和图5所示，反转电极桩1垂直于坡面打入边坡，并穿越潜在滑动带三至五米，这样可以增加电渗土体的范围，增强电渗效果。为了方便连接导线，反转电极桩1一般露出坡面0.1m。安置反转电极桩1时，先利用钻孔机在垂直于坡面的方向进行成孔，钻孔孔径在250-300mm之间，钻孔深度根据地质勘测的潜在滑动带位置和走势结果进行确定，针对大多数边坡，钻孔深度在5-20m之间；然后在孔内进行混凝土注浆形成微型混凝土抗滑桩106，电极套筒101和微型混凝土抗滑桩106共同构成反转电极桩1。

在边坡上布置至少两排反转电极桩1，每排反转电极桩1均呈一字型分布，反转电极桩1的排与排之间间距4-6m，每排内的相邻反转电极桩间距2-3m。反转电极桩1连接电路时按排为单位交错布置阴极和阳极。对于小型坡面，一般设置两排反转电极桩1，靠近坡顶和坡底各设置一排；对于大型坡面，可设置三排乃至更多排反转电极桩1。反转电极桩1的位置可根据环境和土质条件微作调整，根据潜在滑动带深度和走势安放相应规格的反转电极桩1及间距和排布，不做细致说明，均在本发明保护范围之内。

边坡顶部挖设有截面为倒梯形的截水沟2，截水沟2深度0.4m，上部宽1.0m，下部宽0.6m，两腰的倾斜角度与水平方向呈63°；截水沟2两腰斜表面以及底部铺设厚度为50mm左右的混凝土层以防止雨水对沟内土的冲刷，也有利于定期对截水沟2内的杂物及泥石进行清理。在截水沟2底部每隔3-4m安设PVC塑料竖向排水管3，竖向排水管3的管口安放有过滤杂物的不锈钢丝网。

在边坡的滑床内部顺坡向钻孔并安放通长的排水盲管4，并且排水盲管4与竖向排水管3连接。排水盲管4位于反转电极桩1底端的下方，排水盲管4与坡面的垂直距离为6-22m，仰角在5°和60°之间，具体长度、仰角度数以及与其连接的竖向排水管3的长度根据边坡的坡长和坡角决定。如图6所示，排水盲管4是由乱丝式内管壁401、PVC塑料管402、土工滤膜403三部分组成。乱丝式内管壁401是由挤塑机挤出的塑料丝并在其固定成型时将其打乱制成，其孔隙率在70-80％，塑料丝的直径为1mm-2mm，乱丝式内管壁401的厚度在30-35mm之间，孔径在130-150mm之间。乱丝式内管壁401外套PVC塑料管402使其与乱丝式内管壁401紧密接触。如图7所示，PVC塑料管402上部三分之一到二分之一的管壁上均匀设置若干直径4mm的透水孔404，使阴极附近汇集的水分通过反转电极桩1表面竖向甬道以及排水盲管4上部土体下渗到排水盲管4表面时，可以通过透水孔404流入排水盲管4中，辅助排水盲管4高效迅速的收集排水。土工滤膜403是将短纤针刺土工布紧密包裹于PVC塑料管402外表面，再喷合成纤维丝制成。PVC塑料管402以及竖向排水管3均采用内径200mm规格。

降雨时，坡顶截水沟2拦截坡顶顺坡流下的雨水，经过竖向排水管3汇入排水盲管4中，并通过排水盲管4顺坡向流向坡底并排出坡外；接通直流电场利用反转电极桩1进行电渗排水，使滑坡体中渗入的水分聚集到坡底阴极附近土体中，进而通过反转电极桩1表面竖向甬道和排水盲管4上部土体下渗到排水盲管4中，最后顺坡向排出坡外。待降雨停止一段时间后，转换电渗方向进行电渗排水，使得水分汇集到坡顶反转电极桩1附近，同样通过反转电极桩1表面甬道和排水盲管4上部土体下渗到排水盲管4中，最后顺坡向排出坡外。

如图8所示，作为阴极和阳极的每一组反转电极桩1通过导线连接起来后，以并联的方式分别连入控制箱5；每一组反转电极桩1所连接的工作电路相互独立。控制箱5可埋置于边坡上部中间位置。控制箱5包括长方体的耐腐蚀金属外壳，外壳内置有控制开关盒501、感知器502以及集成电路板503。

控制开关盒501包括三个开关按钮：开关K0、开关K1、开关K2。开关K0为电路总开关，用于控制所有元件是否运行；开关K1为电极操纵开关，控制电渗方向，按动一下电渗方向为顺坡向，按动两下阴阳电极反转，电渗方向为逆坡向进行；开关K2用于控制工作电压，按一下为低档电压，按两下为正常电压，按三下为高档电压。

感知器502包括温度传感器5021和数码管5022，温度传感器用于检测电路运行时的温度，数码管用于显示温度数值。在打开开关K0后，当数码管显示的温度数值大于设定值或温度数值无法显示时，需立刻人为关掉总开关K0检查电路各元件是否出现故障，以保证运行安全。

集成电路板503包括单片机5031、电极驱动模块5032、电阻丝5033。单片机5031用于接受开关K1的开关方向信号，并通过电极驱动模块5032控制电渗方向；同时，单片机5032用于接受开关K2的挡位信号，并通过驱动模块控制电压强度。根据边坡土性、含水率以及降雨强度不同进行确定工作电压和电流的大小；例如，可利用集成电路板503控制将工作电压分为三档，分别为120V、180V、240V，减轻长期电渗过程对土质的影响，避免不必要的能耗。

如图9所示，电源6通过导线连接开关K0后，分成两个支路分别连接开关K1和开关K2，开关K1和开关K2均与单片机5031连接，单片机5031通过电极驱动模块5032连接至少一个作为阴极和一个作为阳极的反转电极桩1，反转电极桩1再连接电源6形成回路。温度传感器5021和数码管5022均与单片机5031连接，单片机5031采集温度传感器5021的温度信号后将温度转化为对应范围的二进制代码，并将得到的数字信号传递给数码管5022，由数码管5022显示温度数值。电阻丝5033并联于单片机5031，以保护单片机5031的工作安全。

电路工作时接通电源6，闭合开关K0接通电路。由于电机驱动模块5032内含有两个继电器，受单片机503的两个I/O口控制，通过单片机5031接受开关K1的信号使得其中一个I/O口低电平，根据电平差就会产生相应方向的电流。按动开关K1一下，单片机5031接收正向开关信号，经过单片机5031处理后将正弦信号转化为PWM(脉冲宽度调制)信号输出，经过电极驱动模块5032将PWM信号变为电压信号，此时电流自a端流向b端，电渗方向为顺坡向，即坡体内的水分自坡顶阳极的反转电极桩1流向坡底阴极的反转电极桩1，然后通过排水盲管4排出。按动K1两下，电流自b端流向a端，此时电渗方向为逆坡向，即坡体内的水分自坡底阳极的反转电极桩1流向坡顶阴极的反转电极桩1，然后通过排水盲管4排出。按动开关K2由单片机5031接收挡位信号，经过单片机5031滤波处理后输出相应的PWM波，进而使反转电极桩1获得相应的电压强度，直接控制反转电极桩1的电渗工作，依次按动K2三下将依次得到低档位，中档位，高档位的工作电压，可根据边坡土性、含水率以及降雨强度不同进行工作电压档位值进行调整。另外，与单片机5031并联的电阻丝5033用于保护其安全性。电路工作过程中，由温度传感器5021检测电路运行时的温度，单片机5031采集温度传感器5021的信号，将得到的信号处理后在数码管5022上显示温度数值，若温度过高或无法显示，应立即终止电路工作进行安全检测。

值得说明的是，在降雨时，打开总开关K0接通电源6，然后按动开关K1一下，电渗开始顺坡向进行，即自坡顶阳极→坡底阴极进行；调节开关K2，根据降雨强度以及坡面渗水程度选择合适的电压档位，待降雨停止一段时间后，阳极温度持续升高，则按动K1两下转换电渗方向进行电渗，增强滑坡体的电渗排水效果，进而增强潜在滑动带上部滑坡体、滑床之间的整体稳定性。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩，其特征在于，包括电极套筒，所述电极套筒顶部设置有一组导线连接螺栓，所述电极套筒表面周向均匀设置有多个沿轴向延伸的凹槽；所述电极套筒外部包裹有土工布，并通过卡箍将所述土工布固定于所述电极套筒，使所述电极套筒表面凹槽与所述土工布之间形成畅通的孔隙通道；所述电极套筒的内孔进行混凝土注浆形成微型混凝土抗滑桩。

2.根据权利要求1所述的一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩，其特征在于，所述凹槽的形状为半圆柱体。

3.根据权利要求1所述的一种应用于碎石土边坡防渗加固的反转电极桩，其特征在于，所述电极套筒外表面设置有防腐层。

4.一种应用于碎石土边坡防渗加固的护坡体系，其特征在于，包括多个如权利要求1-3中任一项所述的反转电极桩，每个所述反转电极桩可通过集成电路板反转阴、阳电极；

所述反转电极桩在边坡上布置至少两排，并且在连接电路时以排为单位交错布置阴极和阳极；每个所述反转电极桩垂直坡面设置，所述反转电极桩底端穿过潜在滑动带、顶部露出坡面；所述反转电极桩下方的边坡内部顺坡向安放有排水盲管；

作为阴极和阳极的每一组所述反转电极桩通过导线连接后，以并联的方式分别连入控制箱；所述控制箱内置有控制开关盒和集成电路板；所述控制开关盒包括开关K0、开关K1、开关K2；开关K0为电路总开关，用于控制所有元件是否运行；开关K1为电极操纵开关，控制电渗方向为顺坡向或逆坡向；开关K2用于控制工作电压为低档电压、正常电压或高档电压；所述集成电路板包括单片机和电极驱动模块；所述单片机用于接受所述开关K1的开关方向信号，并通过所述电极驱动模块控制电渗方向；同时，所述单片机用于接受所述开关K2的挡位信号，并通过所述电极驱动模块控制电压强度。

5.根据权利要求4所述的一种应用于碎石土边坡防渗加固的护坡体系，其特征在于，相邻两排所述反转电极桩之间间距为4-6m，每排内的相邻反转电极桩间距为2-3m。

6.根据权利要求4所述的一种应用于碎石土边坡防渗加固的护坡体系，其特征在于，边坡顶部挖设有截水沟，所述截水沟底部间隔设置有竖向排水管，每个所述竖向排水管连接所述排水盲管。

7.根据权利要求6所述的一种应用于碎石土边坡防渗加固的护坡体系，其特征在于，所述竖向排水管在与所述截水沟连接的管口安放有不锈钢丝网。

8.根据权利要求4所述的一种应用于碎石土边坡防渗加固的护坡体系，其特征在于，所述排水盲管与边坡坡面的垂直距离为6-22m，仰角为5-60°。

9.根据权利要求4所述的一种应用于碎石土边坡防渗加固的护坡体系，其特征在于，所述排水盲管由内而外由乱丝式内管壁、PVC塑料管、土工滤膜构成，所述PVC塑料管上部管壁均匀设置有透水孔。

10.根据权利要求4所述的一种应用于碎石土边坡防渗加固的护坡体系，其特征在于，所述控制箱内置有感知器，所述感知器包括温度传感器和数码管，所述温度传感器和所述数码管均与所述单片机连接；所述温度传感器用于检测电路运行时的温度，所述单片机用于采集所述温度传感器的温度信号并进行处理，所述数码管用于显示所述单片机处理后的温度数值。

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