CN112252375A - 一种高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能减灾装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能减灾装置及方法属于地质灾害防治安全技术领域。装置包括：矩形钢筋混凝土桩、节段装配式耗能自复位保护壳。保护壳由内而外主要包括：橡胶环、内置钢板、橡胶混凝土、外侧钢板组成，其中，保护壳迎冲弧形段中内置竖向波纹钢管。内置波纹钢管与内置钢板、外侧钢板通过对拉螺栓和螺母连接。装置中内置波纹钢管、通过橡胶混凝土与内、外侧钢板形成刚柔一体式夹心结构，起到多层防护缓冲撞击力作用。本发明充分发挥了内、外侧钢板的刚性、橡胶混凝土和橡胶环的延性、以及波纹钢管通过波纹拉伸和压缩变形提升的耗能韧性，从而较大幅度提高了桩群结构耗能抗冲击、自复位特性，可对碎屑流中巨大动能的块石进行有效拦挡。

Description

一种高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能减灾装置及方法

技术领域

本发明涉及一种碎屑流拦挡工程技术，尤其是一种高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能防护技术，属于地质灾害防治安全技术领域，广泛适用于高陡山区内高位碎屑流的防治。

背景技术

我国青藏高原周边地区地质活动很强烈，从龙门山构造带到青藏高原周边、新疆喀什地区、尼泊尔一带均属于地质活动强烈地区。同时，上述地区在全球范围内地形陡度、梯度最大，常发育高位泥石流、高位滑坡碎屑流、高位崩塌碎屑流等强破坏性链式灾害。此类灾害运动呈散体介质快速流动，并且具有高位、远程、速度快、能级高，破坏大等特征，此外，碎屑流在运动过程中，剧烈铲刮下伏和侧缘岩土体，导致体积明显放大。

碎屑流灾害造成的危害是巨大的，1991年云南昭通头寨滑坡碎屑流约2000万方，共造成202间房屋被毁，216人遇难。2017年茂县新磨村滑坡碎屑流，最终碎屑流体积超过1600万方，与初始体积放大超过4倍，最终摧毁了整个新磨村，造成83人死亡。2018年金沙江白格两次滑坡碎屑流，形成两次堵江事件，过流洪峰进入四川、云南境内，大量路基和桥梁被洪水冲毁，下游沿江两岸大量居民房屋被洪水淹没，造成巨大的经济损失。除危害人民群众的生命财产安全外，碎屑流还威胁到国家的基础设施建设，我国水电设施90％以上分布在山区，约50％道路干线穿过山区，受高位碎屑流威胁严重。

目前，高位碎屑流防护拦挡技术通常采用的是已在高位泥石流拦挡工程中运用较多的重力坝、索网坝、格栅坝、桩林坝、桩梁坝等，其中桩林及桩梁坝兼具水石分治和抵抗大块石冲击的优点，已在甘肃舟曲三眼峪沟、罗家峪沟、四川清平文家沟、宝兴冷木沟、汶川棋盘沟、云南鲁甸龙头山等特大泥石流治理工程中得到成功应用。

高位碎屑流中含有大量巨石，若得不到有效拦截，势必从高位滚落下来，高势能转化为巨大动能，目前的拦挡结构将面临巨大冲击，若设计不当，将造成严重破坏。桩林及桩梁坝的拦挡效果好、刚度大、抗冲击能力强，已成为目前使用较广泛的结构形式。

桩林及桩梁坝作为一种被动防护措施，其设计由于相关冲击力学理论研究不足，往往结构断面、配筋率设计过大。即使这样偏安全设计，混凝土保护层在多次瞬时撞击情况下易发生局部破坏，致使钢筋裸露锈蚀，结构耐久性受到影响。

因此迫切需要研究一种在高位碎屑流灾害体运动过程中，可对巨大动能的块石进行拦挡，且具有耗能、自复位且可节段装配保护壳的韧性桩群结构。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述问题，通过在桩群结构外侧增设节段装配式耗能自复位保护壳，增加桩群结构韧性，从而达到桩群抵抗巨能块石冲击的目的，其中保护壳主要由波纹钢管、橡胶混凝土、橡胶环组成。

本发明的目的以及解决其技术问题可以通过以下技术方案来实现。

依据本发明提出的高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能减灾装置，包括：矩形钢筋混凝土桩(1)、节段装配式耗能自复位保护壳(2)。节段装配式耗能自复位保护壳(2)由内而外主要包括：橡胶环(2-3)、内置钢板(2-6)、橡胶混凝土(2-2)、外侧钢板(2-1)组成，其中，节段装配式耗能自复位保护壳(2)迎冲弧形段中内置竖向波纹钢管(2-5)。内置波纹钢管(2-5)与内置钢板(2-6)、外侧钢板(2-1)通过对拉螺栓(2-4)和螺母(2-7)连接。

具体地，多个所述波纹钢管(2-5)竖向设置，边缘与内置钢板(2-6)、外侧钢板(2-1)相切，中部波纹钢管(2-5)直径等于两个所述钢板之间的距离，而两边的波纹钢管(2-5)直径大于所在位置的所述钢板之间的距离。

进一步，所述中部波纹钢管(2-5)直径最大，越往两边，直径越小。

具体地，两边的波纹钢管(2-5)边界之间相切，中部波纹钢管(2-5)与两边的波纹钢管(2-5)边界可留有空隙。

具体地，所述波纹钢管(2-5)与内置钢板(2-6)、外侧钢板(2-1)通过贯穿型对拉螺栓(2-4)进行连接，对拉螺栓(2-4)为圆头方颈螺栓，圆头外露于外侧钢板(2-1)外侧，螺母(2-7)位于内置钢板(2-6)内侧。所述对拉螺栓(2-4)穿过波纹钢管(2-5)螺栓孔和内置钢板(2-6)、外侧钢板(2-1)螺栓孔将所述波纹钢管和所述钢板固定

具体地，所述波纹钢管(2-5)与内置钢板(2-6)、外侧钢板(2-1)通过贯穿型对拉螺栓(2-4)进行连接，对拉螺栓(2-4)为圆头方颈螺栓，圆头外露于外侧钢板(2-1)外侧，螺母(2-7)位于内置钢板(2-6)内侧。所述对拉螺栓(2-4)穿过波纹钢管(2-5)螺栓孔和内置钢板(2-6)、外侧钢板(2-1)螺栓孔将所述波纹钢管和所述钢板固定

具体地，所述波纹钢管(2-5)通过橡胶混凝土(2-2)、对拉螺栓(2-4)与所述钢板(2-1)、(2-6)形成一体式结构，起到多层防护缓冲撞击力作用。波纹钢管(2-5)、外侧钢板(2-1)、内置钢板(2-6)采用镀锌双壁波纹钢管，壁厚10mm，镀层900g/m³。橡胶混凝土中采用4mm橡胶颗粒掺入，粗骨料最大粒径不超过30mm。

具体地，所述内置钢板(2-6)与矩形钢筋混凝土桩(1)之间为充填液态橡胶，固化后形成的橡胶环(2-3)。液态橡胶注入填充时，需要在节段装配拼接外边界搭设挡板，防止液体外流，可以边装配拼接边填充，也可装配拼接完一次性填充。橡胶环(2-3)采用的液体橡胶可为浇注型聚氨酯液体橡胶，浇筑主要为加热溶解→加入预聚物和激活剂、搅拌→真空脱气(真空压强6kPa)→浇筑(需从底部往上面浇满、不能有气泡附在表面)→固化脱模。

具体地，所述韧性桩群布设型式可为“一”字型、“人”字型、倒“人”字型、雁列错位型、斜向排列型，改流型。其中，“一”字型、雁列错位型，主要发挥桩结构本身抗碎屑流冲击特性。“人”字型、倒“人”字型、斜向排列型，改流型，主要是通过桩的布设改变碎屑流整体的流动方式。此类结构可在结构前缘形成拱圈固源效应，有效阻止了巨石对拦挡结构的毁坏。

本发明还将提供上述高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能减灾技术的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：根据设计，切割钢板成对应尺寸，切割波纹钢成对应尺寸；

步骤二：将钢板、波纹钢板通过机械轧制、螺旋卷管、咬口接缝，按设计图制成外侧钢板(2-1)、内置钢板(2-6)及波纹钢管(2-5)；

步骤三：在所述钢板、波纹钢管的相应位置处开设螺栓孔，并通过对拉螺栓(2-4)和螺母(2-7)进行连接；

步骤四：在所述外侧钢板(2-1)、内置钢板(2-6)之间浇筑橡胶混凝土(2-2)，制作成节段装配式耗能自复位保护壳(2)；

步骤五：将节段装配式耗能自复位保护壳(2)分段运输到现场，通过吊装套入矩形钢筋混凝土桩(1)；

步骤六：在所述内置钢板(2-6)与矩形钢筋混凝土桩(1)之间充填液体橡胶，待液体橡胶固化后，形成可自复位的橡胶环(2-3)。

有益效果

本发明一种高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能减灾技术，具有以下效果：

(1)本发明节段装配式耗能自复位保护壳，可在加工厂按照设计图纸进行批量加工和浇筑，并可运输至现场进行吊运组装，橡胶混凝土利用钢板、波纹钢管作为模板浇筑，工序简单，操作方便。

(2)内置波纹钢管、通过橡胶混凝土与内、外侧钢板形成刚柔一体式夹心结构，起到多层防护缓冲撞击力作用。该发明发挥了内、外侧钢板的刚性、橡胶混凝土的延性、波纹钢管通过波纹拉伸和压缩变形提升的耗能韧性，从而较大幅度提高了桩群结构耗能抗冲击特性。

(3)现场在内置钢板与矩形钢筋混凝土桩之间浇筑的液体橡胶。固化形成的橡胶环，使得保护壳收到冲击后，在一定幅度可恢复原位。

(4)本发明既可与桩林坝、桩梁板一起设计加工制作，也可用于既有拦挡结构的耗能增韧，具有良好的应用前景。

(5)本发明既可考虑对矩形断面钢筋混凝土桩施加如上述所说的马蹄形保护壳，也可对本就是马蹄形断面钢筋混凝土桩施加等厚度的马蹄形保护壳，设计思路清晰，应用范围较广。

(6)碎屑流中单块巨石撞击作用力计算公式为：

式中：

W——巨石重力(kN)；

v——巨石运动速度(m/s)；

T——撞击时间(s)；

g——重力加速度，9.81m/s²。

本发明节段装配式耗能自复位保护壳可将撞击时间从1秒提升到3秒以上，较大消耗冲击能量，减少冲击力。

(7)碎屑流总质量为M_all，M_c为通过桩群的质量。则拦挡率η：

本发明节段装配式耗能自复位保护壳安装后的单排矩形桩较同尺寸马蹄形单排桩可将拦挡率提升4.5％～10％，较未安装保护壳的单排矩形桩，拦挡率提升10％～24％。

综上所述，本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的技术方法。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，同时可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳的实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一种高位碎屑流灾害的韧性桩群结构平面布置示意图，分别为“一”字型、倒“人”字型、雁列错位型、斜向排列型，“人”字型、改流型；

图2为图1中单桩及保护壳结构简图；

图3为图1中保护壳结构横截面示意图；

图4为图1中保护壳结构纵向剖视图；

1、矩形钢筋混凝土桩，2、节段装配式耗能自复位保护壳，2-1、外侧钢板，2-2、橡胶混凝土，2-3、橡胶环，2-4、对拉螺栓，2-5、波纹钢管，2-6、内置钢板，2-7、螺母

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对一种高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能减灾技术作进一步详细描述。

由图1、2、3看出，依据本发明提出的一种高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能减灾技术，包括：矩形钢筋混凝土桩、节段装配式耗能自复位保护壳。节段装配式耗能自复位保护壳由内而外主要包括：橡胶环、内置钢板、橡胶混凝土、外侧钢板组成，其中，节段装配式耗能自复位保护壳迎冲弧形段中内置竖向波纹钢管。内置波纹钢管与内置钢板、外侧钢板通过对拉螺栓和螺母连接。波纹钢管通过橡胶混凝土、对拉螺栓与所述内置和外侧钢板形成一体式结构，起到多层防护缓冲撞击力作用。首先，内置和外侧钢板、波纹钢管机械切割后，通过机械轧制、螺旋卷管、咬口接缝，按设计图制成。其次，在内置和外侧钢板、波纹钢管中开设螺栓孔后，可通过对拉螺栓和螺母进行连接。然后，在所述外侧钢板、内置钢板之间浇筑橡胶混凝土，制作成节段装配式耗能自复位保护壳。最后，待节段装配式耗能自复位保护壳运输到现场吊运组装后，在所述内置钢板与矩形钢筋混凝土桩之间充填液体橡胶，待液体橡胶固化后，形成可自复位的橡胶环。

内置波纹钢管、通过橡胶混凝土与内置和外侧钢板形成刚柔一体式夹心结构，起到多层防护缓冲撞击力作用，从而发挥了内、外侧钢板的刚性、橡胶混凝土的延性、波纹钢管通过波纹拉伸和压缩变形提升的耗能韧性，从而较大幅度提高了桩群结构耗能抗冲击特性。

实施例

应用地区情况：高位碎屑流沟道两岸大量发育崩塌、滑坡等地质灾害，其固体物源丰富，历史上单体块石体积最大达1000m³，块石的冲击力巨大。现场既有拦挡结构为桩林坝，钢筋混凝土单桩断面为矩形，长为3m，宽为2m，桩长12m。具体施工步骤如下。第一步骤：根据原有桩林坝的结构设计图，设计出节段装配式耗能自复位保护壳，保护壳断面为马蹄形，长为3.8m，宽为2.6m，节段长为3m。保护壳内置波纹钢管为5组，最大直径为0.5m，最小直径为0.25m，内置和外侧钢板厚度、波纹钢管管壁厚度为4mm，橡胶混凝土强度级别可与单桩混凝土强度一致；第二步骤：根据设计，在加工厂切割钢板成对应尺寸，切割波纹钢成对应尺寸；第三步骤：将钢板、波纹钢板通过机械轧制、螺旋卷管、咬口接缝，按设计图制成外侧钢板、内置钢板及波纹钢管；第四步骤：在所述钢板、波纹钢管的相应位置处开设螺栓孔，并通过对拉螺栓和螺母进行连接；第五步骤：在所述外侧钢板、内置钢板之间浇筑橡胶混凝土，制作成节段装配式耗能自复位保护壳，并养护；第六步骤：将节段装配式耗能自复位保护壳分段运输到现场，通过吊车吊装依次套入矩形钢筋混凝土桩，吊装过程中注意对中；第七步骤：现场在内置钢板与矩形钢筋混凝土单桩之间充填聚氨酯液体橡胶，待液体橡胶固化后，形成可自复位的橡胶环。

Claims (9)

1.高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能减灾装置，其特征在于包括：矩形钢筋混凝土桩(1)、节段装配式耗能自复位保护壳(2)；节段装配式耗能自复位保护壳(2)由内而外包括：橡胶环(2-3)、内置钢板(2-6)、橡胶混凝土(2-2)、外侧钢板(2-1)组成，外侧钢板(2-1)截面为马蹄形断面，即截面有部分弧形段，节段装配式耗能自复位保护壳(2)的弧形段中内置竖向波纹钢管(2-5)；内置多个波纹钢管(2-5)与内置钢板(2-6)、外侧钢板(2-1)通过对拉螺栓(2-4)和螺母(2-7)连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：多个所述波纹钢管(2-5)边缘与内置钢板(2-6)、外侧钢板(2-1)相切，中部波纹钢管(2-5)直径等于两个所述钢板之间的距离，而两边的波纹钢管(2-5)直径大于所在位置的所述钢板之间的距离。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述中部波纹钢管(2-5)直径最大，越往两边，直径越小。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：两边的波纹钢管(2-5)边界之间相切，中部波纹钢管(2-5)与两边的波纹钢管(2-5)边界留或者不留有空隙。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述波纹钢管(2-5)与内置钢板(2-6)、外侧钢板(2-1)通过贯穿型对拉螺栓(2-4)进行连接，对拉螺栓(2-4)为圆头方颈螺栓，圆头外露于外侧钢板(2-1)外侧，螺母(2-7)位于内置钢板(2-6)内侧。所述对拉螺栓(2-4)穿过波纹钢管(2-5)螺栓孔和内置钢板(2-6)、外侧钢板(2-1)螺栓孔将所述波纹钢管和所述钢板固定。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：波纹钢管(2-5)、外侧钢板(2-1)、内置钢板(2-6)采用镀锌双壁波纹钢管；橡胶混凝土中采用4mm橡胶颗粒掺入，粗骨料最大粒径不超过30mm。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述内置钢板(2-6)与矩形钢筋混凝土桩(1)之间为充填液态橡胶，固化后形成的橡胶环(2-3)。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：韧性桩群布设型式为“一”字型、“人”字型、倒“人”字型、雁列错位型、斜向排列型或改流型。

9.制作如权利要求1所述高位碎屑流灾害的韧性桩群耗能减灾装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据设计，切割钢板成对应尺寸，切割波纹钢成对应尺寸；

步骤二：将钢板、波纹钢板通过机械轧制、螺旋卷管、咬口接缝，按设计图制成外侧钢板(2-1)、内置钢板(2-6)及波纹钢管(2-5)；

步骤三：在所述钢板、波纹钢管的相应位置处开设螺栓孔，并通过对拉螺栓(2-4)和螺母(2-7)进行连接；

步骤四：在所述外侧钢板(2-1)、内置钢板(2-6)之间浇筑橡胶混凝土(2-2)，制作成节段装配式耗能自复位保护壳(2)；

步骤五：将节段装配式耗能自复位保护壳(2)分段运输到现场，通过吊装套入矩形钢筋混凝土桩(1)；

步骤六：在所述内置钢板(2-6)与矩形钢筋混凝土桩(1)之间充填液体橡胶，待液体橡胶固化后，形成可自复位的橡胶环(2-3)。

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