CN113309075A - 一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构及系统，包括地梁、悬梁、固定桩和旋转桩，地梁安装在地面上，悬梁与地梁平行，固定桩垂直于悬梁和地梁，固定桩的两端分别与悬梁和地梁固定连接，旋转桩的上端与悬梁可转动连接，旋转桩与地梁之间通过消能锚索结构连接。与现有技术相比，本发明在保留原有桩群结构优点的基础上，进一步提升了桩群结构对泥石流冲击能量的耗散，除了通过泥石流内部相互作用以耗散能量外，还通过桩群结构吸收或转化泥石流的能量，因此适用于不同含水量的泥石流防治，且防护效果好。

Description

一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构及系统

技术领域

本发明涉及地质灾害防灾减灾领域，尤其是涉及一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构及系统。

背景技术

泥石流是指在暴雨、暴雪、地震或其他自然灾害作用下引发的山体滑坡或者洪流，并携带大量泥沙及石块等固体杂物。这种自然灾害多发生在狭窄河谷、地形陡峭的地区，具有突发性、流速快、历时短、流量大、固体物质多、破坏力强等特点，常常造成极大的财产损失和人员伤亡。

我国是一个泥石流灾害频发且损失极为严重的国家，尤其在强震区，强烈的地震扰动、过度不合理的震后重建工作以及频发的极端气候事件，致使泥石流灾害的规模和频率都保持在较高的水平。

泥石流的流动性极强，携带着巨大的能量，往往会对沿程的工程结构和建筑物造成严重的冲击破坏。因此，长期以来，泥石流的防灾减灾工作很大一部分集中在如何设计更加有效和安全的拦挡结构。其中，今年来逐渐发展起来的桩群防护系统得到了重视，其特点是在泥石流运动路径上布设一系列短桩，通过短桩之间的组合形成桩群，从而对泥石流的运动速度进行一定程度的削减，由于桩群系统结构简单，施工简易，因此具有较大的应用前景。

但是，现有的桩群系统存在以下缺陷：(1)桩群主要通过增强泥石流内部相互作用耗散其运动能量，桩群结构自身吸收的能量几乎可以忽略不计，因此桩群对泥石流的阻滞效果难以从根本上大幅提升；(2)目前桩群对于碎屑流阻滞效果比较好，但是对于缺乏有效能量耗散机制的高含水量泥石流而言阻滞效果不佳；(3)泥石流冲击作用大，导致单桩破坏风险较大，因此单桩设计高度通常较小，往往会因泥石流溢流而影响拦挡效果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构及系统，在保留原有桩群结构优点的基础上，进一步提升了桩群结构对泥石流冲击能量的耗散，除了通过泥石流内部相互作用以耗散能量外，还通过桩群结构吸收或转化泥石流的能量，因此适用于不同含水量的泥石流防治，且防护效果好。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，包括地梁、悬梁、固定桩和旋转桩，所述地梁安装在地面上，所述悬梁与地梁平行，所述固定桩垂直于悬梁和地梁，固定桩的两端分别与悬梁和地梁固定连接，所述旋转桩的上端与悬梁可转动连接，旋转桩与地梁之间通过消能锚索结构连接。

优选的，所述固定桩的顶部与悬梁固定连接，固定桩的顶部设有拉锚，所述拉锚的另一端连接至地面锚固，通过拉锚降低了泥石流冲击时固定桩产生的弯曲变形。

优选的，所述拉锚为钢索。

优选的，所述旋转桩包括桩身和圆环形的旋转接头，所述旋转接头套在悬梁上并绕悬梁旋转，将泥石流的冲击能量转化为旋转桩的势能。

优选的，所述消能锚索结构为弹塑性变形装置，一端连接在旋转桩的桩身上，另一端连接至地梁。

优选的，所述消能锚索结构包括导锚环、橡胶垫和弹塑性锚，所述弹塑性锚的一端固定在旋转桩的桩身顶部，另一端刚性连接至地梁；所述导锚环的数量为多个，自上而下依次固定在旋转桩的桩身上，用于对弹塑性锚进行引导和限位；所述橡胶垫的数量为多个，安装在桩身上并与导锚环的上端面接触，所述弹塑性锚贯穿橡胶垫；两个导锚环之间的弹塑性锚缠绕打结形成锚环。在受到泥石流冲击时，弹塑性锚形成的锚环受力收缩，压缩橡胶垫，从而将泥石流的冲击能量进一步转化为弹塑性锚及橡胶垫的变形能。

优选的，所述弹塑性锚为钢索，所述钢索缠绕成环并通过环扣束缚形成锚环。

优选的，所述固定桩的数量为多个，所述旋转桩的数量至少为1个，固定桩与旋转桩沿悬梁和地梁的长度方向依次布置，每个旋转桩均布置在两个固定桩之间。

优选的，所述地梁、悬梁、固定桩和旋转桩均为混凝土浇筑一体成型的。

一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护系统，包括至少两排泥石流桩群防护结构，每排至少包括一个泥石流桩群防护结构，多个泥石流桩群防护结构组合形成桩群防护系统；当泥石流规模与速度达到一定程度后，可以使用多级泥石流桩群防护系统组合形成复式桩群防护系统，从而大幅提升减灾效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)在保留原有桩群结构优点的基础上，进一步提升了桩群结构对泥石流冲击能量的耗散，除了通过泥石流内部相互作用以耗散能量外，还通过桩群结构吸收或转化泥石流的能量，因此适用于不同含水量的泥石流防治，且防护效果好。

(2)固定桩的顶部与悬梁固定连接，固定桩的顶部设有拉锚，拉锚的另一端连接至地面锚固，通过拉锚降低了泥石流冲击时固定桩产生的弯曲变形，使得固定桩的高度可以较大，从而避免了因泥石流溢流而影响桩群防护结构的防护效果。

(3)旋转桩包括桩身和圆环形的旋转接头，旋转接头套在悬梁上，在泥石流的冲击下旋转接头绕悬梁旋转，将泥石流的冲击能量转化为旋转桩的势能，吸收泥石流的能量，提升桩群防护结构的防护效果。

(4)消能锚索结构为弹塑性变形装置，一端连接在旋转桩的桩身上，另一端连接至地梁，当泥石流冲击桩群防护结构时，旋转桩旋转，消能锚索结构形变伸长，进一步吸收泥石流的冲击能量，提升桩群防护结构的防护效果。

(5)当桩群防护结构安装在斜面上时，消能锚索结构可以给旋转桩施加一个初始的锚固力，防止因旋转桩与地梁之间的开口过大而影响防护效果。

附图说明

图1为桩群防护结构的结构示意图；

图2为桩群防护结构的结构示意图；

图3为消能锚索结构的结构示意图；

图4为桩群防护系统的结构示意图；

附图标记：1、地梁，2、悬梁，3、固定桩，4、旋转桩，5、地面，6、消能锚索结构，7、拉锚，8、导锚环，9、橡胶垫，10、弹塑性锚，11、锚环，12、环扣，13、泥石流。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，用于拦挡泥石流13，如图1和图2所示，包括地梁1、悬梁2、固定桩3和旋转桩4，地梁1安装在地面5上，悬梁2与地梁1平行，固定桩3垂直于悬梁2和地梁1，固定桩3的两端分别与悬梁2和地梁1固定连接，旋转桩4的上端与悬梁2可转动连接，旋转桩4与地梁1之间通过消能锚索结构6连接。

一方面，固定桩3的顶部与悬梁2固定连接，固定桩3的顶部设有拉锚7，拉锚7的另一端连接至地面5锚固，拉锚7为钢索。通过拉锚7降低了泥石流13冲击时固定桩3产生的弯曲变形，使得固定桩3的高度可以较大，从而避免了因泥石流13溢流而影响桩群防护结构的防护效果。

另一方面，旋转桩4包括桩身401和圆环形的旋转接头402，旋转接头402套在悬梁2上，在泥石流13的冲击下，旋转接头402绕悬梁2旋转，将泥石流13的冲击能量转化为旋转桩4的势能。

其次，消能锚索结构6为弹塑性变形装置，一端连接在旋转桩4的桩身上，另一端连接至地梁1，当泥石流13冲击桩群防护结构时，旋转桩4旋转，消能锚索结构6形变伸长，进一步吸收泥石流13的冲击能量，灾后人为恢复消能锚索结构6即可。

本申请在保留原有桩群结构优点的基础上，进一步提升了桩群结构对泥石流13冲击能量的耗散，除了通过泥石流13内部相互作用以耗散能量外，还通过桩群结构吸收或转化泥石流13的能量，因此适用于不同含水量的泥石流防治，且防护效果好。

固定桩3的数量为多个，旋转桩4的数量至少为1个，固定桩3与旋转桩4沿悬梁2和地梁1的长度方向依次布置，每个旋转桩4均布置在两个固定桩3之间。如图1和图2所示，本实施例中包括4个固定桩3和3个旋转桩4，在其他实施方式中，可以灵活改变固定桩3与旋转桩4的数量、安装间距、排列顺序等。

地梁1、悬梁2、固定桩3和旋转桩4均为混凝土浇筑一体成型的。施工时，可以现场浇筑并装配也可以预制再运送到施工现场装配，安装完成后，地梁1、悬梁2和固定桩3连接成整体，旋转桩4在冲击力作用下可绕悬梁2自由转动。

综合考虑成本和弹塑性变形能力，本实施例中，如图3所示，消能锚索结构6包括导锚环8、橡胶垫9和弹塑性锚10，弹塑性锚10为钢索，弹塑性锚10的一端固定在旋转桩4的桩身401顶部，依次穿过导锚环8、橡胶垫9结构后刚性连接至地梁1。

导锚环8的数量为多个，自上而下依次固定在旋转桩4的桩身401上，用于对弹塑性锚10进行引导和限位；橡胶垫9的数量为多个，安装在桩身401上并与导锚环8的上端面接触，施工时可以将橡胶垫9铆接在导锚环8上，弹塑性锚10贯穿橡胶垫9；两个导锚环8之间的弹塑性锚10缠绕打结形成锚环11，具体为钢索缠绕成环并通过环扣12束缚形成锚环11。在受到泥石流13冲击时，弹塑性锚10形成的锚环11受力收缩(可参考在绳索上打出的绳结，在受力后被压缩)，压缩橡胶垫9，从而将泥石流13的冲击能量进一步转化为弹塑性锚10及橡胶垫9的变形能。

本实施例中，导锚环8等间距在旋转桩4的桩身401上分布，位置为桩身401的顶部、桩身401的底部以及桩身401的中间区域，弹塑性锚10穿过导锚环8，导锚环8能够防止弹塑性锚10错位；橡胶垫9布置在导锚环8的上端面，当锚环11受力压缩后会压缩橡胶垫9，从而将泥石流13的冲击能量转化为弹塑性锚10及橡胶垫9的变形能。

在其他实施方式中，消能锚索结构6可以是其他具有弹塑性变形的装置，如高强度弹簧、废弃轮胎等。

当桩群防护结构安装在斜坡上时，受重力作用，旋转桩4一开始就会自发旋转，与固定桩3之间存在一定的夹角，此时，可以通过消能锚索结构6向旋转桩4施加一个初始的锚固力，防止其与固定桩3之间的夹角过大，导致桩群防护结构开口过大而影响其防护效果。

当泥石流速度与规模较小时，旋转桩4和消能锚索结构6可能不会发生作用，此时本申请相当于传统的桩群结构，当泥石流规模与速度达到一定程度后，本申请的优势可以充分体现。

一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护系统，如图4所示，包括至少两排泥石流桩群防护结构，每排至少包括一个泥石流桩群防护结构，多个泥石流桩群防护结构组合形成桩群防护系统。当泥石流规模与速度达到一定程度后，可以使用多级泥石流桩群防护系统组合形成复式桩群防护系统，从而大幅提升减灾效果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，其特征在于，包括地梁(1)、悬梁(2)、固定桩(3)和旋转桩(4)，所述地梁(1)安装在地面(5)上，所述悬梁(2)与地梁(1)平行，所述固定桩(3)垂直于悬梁(2)和地梁(1)，固定桩(3)的两端分别与悬梁(2)和地梁(1)固定连接，所述旋转桩(4)的上端与悬梁(2)可转动连接，旋转桩(4)与地梁(1)之间通过消能锚索结构(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，其特征在于，所述固定桩(3)的顶部与悬梁(2)固定连接，固定桩(3)的顶部设有拉锚(7)，所述拉锚(7)的另一端连接至地面(5)锚固。

3.根据权利要求2所述的一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，其特征在于，所述拉锚(7)为钢索。

4.根据权利要求1所述的一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，其特征在于，所述旋转桩(4)包括桩身(401)和圆环形的旋转接头(402)，所述旋转接头(402)套在悬梁(2)上并绕悬梁(2)旋转。

5.根据权利要求4所述的一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，其特征在于，所述消能锚索结构(6)为弹塑性变形装置，一端连接在旋转桩(4)的桩身上，另一端连接至地梁(1)。

6.根据权利要求4所述的一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，其特征在于，所述消能锚索结构(6)包括导锚环(8)、橡胶垫(9)和弹塑性锚(10)，所述弹塑性锚(10)的一端固定在旋转桩(4)的桩身(401)顶部，另一端连接至地梁(1)；所述导锚环(8)的数量为多个，自上而下依次固定在旋转桩(4)的桩身(401)上，用于对弹塑性锚(10)进行引导和限位；所述橡胶垫(9)的数量为多个，安装在桩身(401)上并与导锚环(8)的上端面接触，所述弹塑性锚(10)贯穿橡胶垫(9)；两个导锚环(8)之间的弹塑性锚(10)缠绕打结形成锚环(11)。

7.根据权利要求6所述的一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，其特征在于，所述弹塑性锚(10)为钢索，所述钢索缠绕成环并通过环扣(12)束缚形成锚环(11)。

8.根据权利要求1所述的一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，其特征在于，所述固定桩(3)的数量为多个，所述旋转桩(4)的数量至少为1个，固定桩(3)与旋转桩(4)沿悬梁(2)和地梁(1)的长度方向依次布置，每个旋转桩(4)均布置在两个固定桩(3)之间。

9.根据权利要求1所述的一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，其特征在于，所述地梁(1)、悬梁(2)、固定桩(3)和旋转桩(4)均为混凝土浇筑一体成型的。

10.一种基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护系统，其特征在于，基于如权利要求1-9中任一所述的基于能量转化增强机制的泥石流桩群防护结构，包括至少两排泥石流桩群防护结构，每排至少包括一个泥石流桩群防护结构。

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