一种防治沟道泥石流起动的结构体及其设计方法

摘要

本发明公开了一种结构体及设计方法。针对现有泥石流主动治理技术方案存在需要在大量实地测量测绘基础上方能实施的技术缺陷，本发明首先提供一种设置在泥石流沟道中用于防治泥石流起动的结构体。本结构体由至少一个防治结构单体构成，防治结构单体包括框架梁、钢管桩、石笼；框架梁布置在泥石流沟床上，是由位于同一平面、相互垂直的纵梁与横梁构成的框体，钢管桩与所述纵梁、横梁静联接，沿纵梁、横梁的轴向排列，位于框架梁下方，埋置在泥石流沟床内；石笼填充在框架梁平面空间内。本发明还公开了该结构体的设计方法。本发明产品能有效弱化泥石流沿程侵蚀破坏力及对承灾体的冲击破坏力，结构体施工速度快，便于抢险救灾应用。设计方法科学简便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构体及其设计方法，特别是涉及一种防治沟道泥石流起动的结构体及其设计方法，属于水利工程领域与泥石流防治工程领域。

背景技术

泥石流大都从沟道上游初始起动，起动时规模不大，破坏力也不强，在其流动过程中侵蚀、裹挟沿途沟道中的松固体物质发展成灾害性泥石流。泥石流起动是泥石流全过程中的关键环节，只要不起动就不会形成泥石流，因此通过调节或控制泥石流起动条件进行泥石流防治能够达到防患于未然的目的。该技术思想在泥石流防治工程领域被称为“主动防治”。在泥石流防治工程中，已有沟道泥石流灾害工程防治措施主要包括跨越工程、穿过工程、防护工程、排导工程和拦挡工程等几类，特别是拦挡工程因直接可靠而使用最为普遍。但这些防治工程直接针对防护对象的“被动”措施，不能“主动”对泥石流的起动与发展进行防治，导致工程投入巨大，防治效果有限。

《风景区泥石流防治特点与技术》（崔鹏等，地学前缘，2007年第14卷第6期）公开了一套对泥石流形成区主动治理的技术方案，包括导水截流、拦挡土体、破坏起动面三种技术手段。该技术方案主要的技术缺陷在于：整套防治工程的设计需要严格结合既定泥石流沟道的具体地形地质环境条件进行，无论是构筑体本身设计方案还是施工方案都需要在大量实地测量测绘的基础上进行，因此，整体防治工程设计施工周期长、费用高、工程量大。对于大多数经济水平低、基础设施不足的偏远地区，不可能采用这样的技术方案进行泥石流发生的“主动防治”。而大多数泥石流的起动区又恰好位于这样的偏远地区。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种设置在泥石流沟道中用于防治泥石流起动的结构体，该结构体能够在施工现场快速构筑，从起动源头对泥石流危害加以主动防治。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种防治沟道泥石流起动的结构体，布置在泥石流沟床上，其特征在于：由至少一个防治结构单体构成；所述防治结构单体包括一片框架梁、多根钢管桩、石笼；所述框架梁布置在泥石流沟床上，是由位于同一平面、相互垂直的纵梁与横梁构成的框体；所述钢管桩与所述纵梁、横梁静联接，沿纵梁、横梁的轴向排列，位于框架梁下方，埋置在泥石流沟床内；所述石笼填充在框架梁平面空间内。

上述泥石流石笼防治结构体由一个或数个结构单体组成。结构单体利用下部钢管桩群固定在泥石流沟道内，作为结构单体的“根基”，钢管桩群不仅通过抗拔力为结构单体上部框架梁提供充足的抗滑移力，而且也对沟床“加筋”加固，增强了沟床的整体稳定性和抗蚀能力。结构单体上部框架梁平铺在沟床底面上，框架梁与钢管桩间静联接，并且通常是不可拆静联接。框架梁的纵梁与横梁的围阖空间内布置石笼。框架梁与石笼配合，起到平整沟床底面、加固松散堆积颗粒、缓和水流流态、降低混合流侵蚀能力的作用。上述泥石流石笼防治结构体通常布置在泥石流沟道内形成区和/或流通区的松散堆积体沟床上。

本发明防治结构体的技术原理在于：一方面，在流域降雨条件下，当上游大规模来水流经防治区沟道时，因框架梁与石笼的防护，沟床面得到了平整硬化，沟道堆积体可免受沟道水流的直接侵蚀，阻断了泥石流形成的物源补给。同时，失去物源增容扩能作用，沟道水流的侵蚀破坏力大大下降，对下游承灾体的冲击破坏力有效削弱，进一步形成发展成泥石流灾害的可能性也得到有效遏制。另一方面，防治结构体不仅截断了泥石流形成的物质来源，降低了泥石流的侵蚀力，同时也增大了松散堆积体沟床的整体性和稳定性，稳定沟道侵蚀基准面，缓和侧蚀和溯源侵蚀强度，保证沟道两侧边坡和松散堆积体沟床的稳定。由此能够实现“源头治理”，防治泥石流。

上述防治沟道泥石流起动的结构体，对于单根钢管桩，外部为地质管，地质管中心有沿轴向布置三根与地质管等长的钢筋，钢筋呈等边三角形布置。地质管管内壁与钢筋间灌注水泥砂浆。钢管桩下部桩身制成花管，采用花管注浆以便压力注浆形成管壁防蚀层。钢管桩桩身埋置在沟床内，上部桩顶露出沟床底面。一般而言，上部桩顶出露的高度应当不小于框架梁的高度，以保证其与框架梁稳固联接。

上述结构体，框架梁框体是矩形框体和/或井字型框体和/或网格框体，纵梁与横梁间有围阖空间用于安放石笼。在实际使用中，框架梁一般采用钢筋混凝土浇筑体，钢管桩桩顶出露部分分别穿过纵梁、横梁并用混凝土浇筑成一体。

上述结构体，石笼通常加工成立方体，石笼与框架等高，使石笼安放后石笼上顶面与框架梁上平面基本齐平，以减少作用沟道水流在结构体上产生的拖拽力，保证结构整体稳定。

为了增加结构体上部石笼加固松散堆积颗粒、缓和水流流态的能力，本发明防治结构体的优化设计方案在于将石笼分解为多个石笼连接构成，具体是：石笼规格缩小，加工成小型立方体，多个石笼填充在框架梁平面空间内，并与纵梁、横梁的内侧面石笼面紧贴。每一框架梁框体内的石笼彼此紧邻，并采用联接件联接。一般地，石笼采用防锈铁丝编制，大密度不易风化的块石填充。优化设计的结构体具有三点技术效果，一、采用彼此连接的小规格石笼铺设框架梁，使铺设层成为网点连接形式的柔性结构体，可在保证结构安全运行的条件下通过系统变形与耗能来拦挡泥石流大块石冲击，能够有效提高结构体抗冲击能力，降低被冲击损伤的概率；二、采用小型石笼，可以在工厂中完成小型石笼的前期规格设计，并预先加工成标准件，在施工现场直接使用，能够著提高泥石流防治结构体修筑现场施工进度；三、“模块化”的石笼结构有利于局部维护与修复，能够极大降低防治结构体的运行维护成本。

在实际应用中，本发明防治沟道泥石流起动的结构体通常包括至少二防治结构单体，各防治结构单体紧接排列布置在泥石流沟床上，沿沟道纵向的各防治结构单体纵梁相互平行，且错位排列，沿沟道横向的各防治结构单体横梁相互沿直线延伸；石笼呈网格状对齐排列填充在框架梁的平面空间内以及相邻框架梁组成的平面空间内。

本发明防治沟道泥石流起动的结构体的现场施工的基本过程是：在选定的泥石流沟床位置，钢管桩在平面上沿框架梁各排各列纵梁与横梁的设计位置中心线等间距布置，钢管桩桩身埋入沟床。桩顶出露沟床底面，出露高度不低于框架梁设计高度。钢管桩采用钻机成孔，地质管跟管钻进，M30水泥砂浆压力灌注成型；桩身锚固段钢管制成花管，以便压力注浆形成管壁防蚀层，同时钢管内设呈三角形绑扎的三根钢筋以提高钢管桩的抗冲击力。框架梁由现浇钢筋混凝土横梁与纵梁构成，内设纵筋增强梁的抗弯抗剪能力。出露的钢管桩桩顶穿过纵梁与横梁，使框架梁与钢管桩嵌固连接而与沟床堆积体形成统一整体。石笼采用防锈铁丝编织，充填密度大不易风化块石。石笼整齐紧密排列，石笼相互间用铁丝连接固定。

对于既定的泥石流沟道而言，针对泥石流沟道现场地质地形特征条件，设计适用的防治沟道泥石流起动的结构体的主要参数包括钢管桩埋置深度H、框架梁设计面积S等，其中关键性技术参数是钢管桩埋置深度H。因为埋深决定了钢管桩抗拔承载力大小，继而直接影响到受钢管桩锚固的结构单体的稳定性。因此，本发明进一步提供上述防治沟道泥石流起动的结构体的设计方法，具体是防治沟道泥石流起动的结构体钢管桩埋置深度H设计方法，其技术方案如下：

一种防治沟道泥石流起动的结构体的设计方法，其特征在于：依照如下步骤确定钢管桩埋置深度H设计参数：

步骤S1、调查泥石流沟道现场，确定防治沟道泥石流起动的结构体所在泥石流沟道的基础参数，包括

现场测量测绘确定沟道需防治面积、沟床倾角θ，

依历史测量数据统计确定或根据调查数据理论推导确定需防治沟道泥石流的最大流深h、依历史测量数据统计确定泥石流重度γ_m、依历史测量数据统计确定流深h时的泥石流平均流速v_m；

原位抗拔试验确定微型钢管桩侧阻力q_s、室内土工试验确定框架梁与沟床的摩擦系数μ_a、沟床摩擦系数μ_b；

步骤S2、依1计算确定钢管桩埋置深度H

$>H=\left(\begin{array}{cc}\frac{Q}{\mathrm{\pi d}{q}_s},& \frac{Q}{\mathrm{\pi d}{q}_s}\ge 5\\ 5,& \frac{Q}{\mathrm{\pi d}{q}_s}<5\end{array}\right)$>    式1

式中，q_s——微型钢管桩侧阻力，kPa，步骤S1确定；

d——单根钢管桩桩径，m，由防治单体设计参数确定；

Q——单根钢管桩承载的抗拔力，kN，由式2确定；

$>Q=\frac{\mathrm{\tau A}}{n({\mu }_a\cos \beta +\sin \beta )}$>    式2

式中，A——防治结构单体平面防治面积，m²，由设计参数及沟道需防治面积综合确定，

n——防治结构单体包含的钢管桩数量，由设计参数确定，

μ_a——框架梁与沟床的摩擦系数，步骤S1确定，

β——钢管桩与沟床法向夹角，°，由式2求极小值确定，

τ——泥石流对结构表面的流动剪切力，kPa，由式3确定；

$>\tau ={\mu }_b{\gamma }_{m}h\cos \theta +\frac{{\gamma }_m{v_m}^2}{\xi }$>     式3

式中，h——需防治沟道泥石流的最大流深，m，步骤S1确定，

γ_m——泥石流重度，kN/m³，步骤S1确定，

v_m——流深h时的泥石流平均流速，m，步骤S1确定，

μ_b——沟床摩擦系数，步骤S1确定，

θ——沟床倾角，°，步骤S1确定，

ξ——Voellmy液相作用参数，s²/m，取常量1.86。

上述钢管桩埋深H设计方法的技术原理在于：将钢管桩按设置于框架梁并埋入沟床后，因设计上钢管桩与沟床面法向呈一锐角夹角，钢管桩的抗拔力可同时分解为沿沟床面向上的抗滑力和垂直于沟床面向下的锚固力，即钢管桩抗拔力不仅可直接抵抗沟道水流的“拖拽”作用，同时也增加了框架梁与沟床面的法向接触和切向摩擦作用。在确定防治结构需承当的“拖拽力”大小后，即可求出钢管桩需承担的抗拔力，继而确定出钢管桩的最小埋深。设计方法中，μγ_mhcosθ为摩擦项（kPa），γ_mv_m²/ξ为紊流项（kPa），均可由室内土工试验确定。各依照历史测量数据统计确定的参数值一般是依照历史测量数据中最大一次泥石流的观测数据确定。

上述设计方法中，防治结构单体平面防治面积A的确定可能有两种情况：一是设计结构单体相互间为紧挨布置时，首先根据泥石流沟床宽度与结构工程特征确定防治结构单体的长a、宽b值，则此时每一个单位的防治面积A＝a×b；二是设计结构单体相互间为间隔布置（相互间存在间隔）时，首先确定沟道中实际需要防治面积X与应当布置的结构单体数量n，则此时每一个单位的防治面积A＝X/n。上述设计方法可进行如下优化：优化一：钢管桩与沟床法向夹角β的最优取值需满足：在泥石流对结构表面流动剪切力确定的情况下，作用在单根钢管桩所承载的抗拔力最小。在式2取极小值情况下β一般为30°，故在优化条件下β可直接取值30°。此时，防治沟道泥石流起动的结构体技术方案优化为钢管桩与沟床法向夹角30°。优化二：由于若需防治沟道泥石流的最大流深h值根据调查数据理论推导确定，会存在因真实性下降、趋于保守而发生建设材料投资浪费的可能性，故在优化条件下，h值经由历史测量数据统计确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明产品布置在泥石流沟道内形成区和/或流通区的松散堆积体沟床上能够阻断泥石流下切侵蚀，稳定沟道侵蚀基准面，缓和侧蚀和溯源侵蚀强度，保证沟道两侧边坡和松散堆积体沟床的稳定，并且能够阻断泥石流物质补给，防治泥石流起动与发展，同时降低下游泥石流固体物质含量，弱化泥石流沿程侵蚀破坏力及对承灾体的冲击破坏力；（2）防治结构单体仅通过钢管桩固定于松散的堆积沟床上，这使得防治结构有很强的系统柔度，提高了结构的耐久可靠性；（3）多个防治结构体交错顺序布置，相互间无连接，提高了由多个防治结构体构成的防治系统的系统弹性与抗冲击能力；（4）石笼为工厂标准化定制生产，充填石料就地取材，钢管桩和框架梁采用机械化作业，施工速度快，劳动强度低，便于抢险救灾应用。

附图说明

图1是防治结构单体平面结构示意图。

图2是防治结构单体横断面结构示意图。

图3是工程布置的纵剖面图。

图4是单根钢管桩结构示意图。

图5是图4的K-K′剖面示意图。

图6是石笼结构示意图。

图7是防治沟道泥石流起动的结构体布置平面示意图。

图8是防治结构单体沿沟道纵向错位排列示意图（图7的局部放大示意图）。

图9是防治结构单体沿沟道纵向错位排列示意图。

图10是实施例二石笼与框架梁配合结构示意图。

附图中的数字标记分别是：

1防治结构单体  11框架梁  111纵梁  112横梁  12钢管桩

121地质管  122钢筋  13石笼

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1～图9所示，依照本发明技术方案在某泥石流沟设计一道本发明泥石流起动防治结构体。

该泥石流沟位于北川县擂鼓镇，平均纵向长度11km，属深切割构造，地形陡峻，整体呈“U”形，崩滑灾害频发。其中，上游处沟床纵坡比较大，松散堆积深厚，加之地形雨频发，已成为该沟泥石流爆发的主要策源地，对沟口农田及道路危害巨大，急需治理。

1、基础参数获取：

经勘查，本发明泥石流起动防治结构体的初步规划选址位于起动区一处宽约30m沟道处，沟床倾角θ≈24°。据当地国土部门多年气象水文统计资料中最大一次泥石流数据显示，雨季降雨汇流后，在该区形成的需防治沟道泥石流的最大流深h＝5.75m，γ_m=14.7kN/m³，v_m=3.5m/s，室内土工试验确定μ_b=0.33、μ_a=0.33。因强烈侵蚀增容作用，在下游形成破坏极大的沟道泥石流。

通过式2求极小值，确定钢管桩与沟床法向夹角的最合理值为30°，即β=30°。

2、防治结构单体的设计

为加固沟床松散堆积体，选用多个长×宽=16m×9m的结构单体进行组合防治，每个结构单体防治面积A=144m²，由n=108根埋入沟床的钢管桩锚固，钢管桩直径d=0.146m。同时，由室内土工试验确定框架梁与沟床的摩擦系数μ_a=0.49，由原位试验确定钢管桩侧阻力q_s=50kPa。

图1是防治结构单体平面结构示意图。防治沟道泥石流起动的结构体，布置在泥石流沟床上，由至少一个防治结构单体1构成。

图2是防治结构单体横断面结构示意图；图3是工程布置的纵剖面图。防治结构单体1包括框架梁11、钢管桩12、石笼13；框架梁11布置在泥石流沟床上，是由位于同一平面、相互垂直的纵梁111与横梁112构成的框体；钢管桩12与纵梁111、横梁112静联接，沿纵梁111、横梁112的轴向排列，位于框架梁11下方，埋置在泥石流沟床内；石笼13填充在框架梁11平面空间内。。

框架梁11框体是矩形框体和/或井字型框体和/或网格框体。框架梁11是钢筋混凝土浇筑体。钢管桩12与纵梁111、横梁112经混凝土浇筑联接。框架梁11由4根纵梁111与3根横梁112构成的网格框体，纵梁111长×宽×高＝900cm×80cm×80cm，横梁112长×宽×高＝1600cm×80cm×80cm，即梁截面均为80cm×80cm。防治结构单体在平面上的防治面积A＝144m²。

钢管桩12位于框架梁11下方，沿纵梁111、横梁112的轴向排列，与纵梁111、横梁112静联接。钢管桩12与沟床的法向呈β=30°角。钢管桩12沿纵梁排列的间距55cm，沿横梁排列的间距80cm，因此每一防治结构单体包含钢管桩108根。

图4是单根钢管桩结构示意图；图5是图3的K-K′剖面示意图。钢管桩12外部为地质管121，地质管121中心有沿轴向布置三根与地质管121等长的钢筋122，钢筋122呈等边三角形布置。地质管121管内壁与钢筋122间灌注水泥砂浆。地质管121直径146mm，钢筋122直径32mm，水泥砂浆强度M30，注浆压力不小于0.3Mpa。地质管121下部加工为花管，经压力注浆后在管壁形成防锈保护层。

图6是石笼结构示意图。石笼13是多个立方体，石笼13与框架梁11等高，填充在在框架梁11平面空间内，石笼13间彼此紧邻并通过联接件联接。石笼13具体是长方体，采用5cm铁丝为边丝，4cm铁丝为网丝，内部填装干砌石片，规格：长×宽×高＝55cm×80cm×80cm。

3、防治结构体的设计

图7是防治沟道泥石流起动的结构体布置平面示意图。防治沟道泥石流起动的结构体布置在泥石流沟道形成区和/或流通区内的松散堆积沟床上。根据现场调查测算，在该泥石流沟道中需要布置2组防治沟道泥石流起动的结构体，防治面积分别是150m²、880m²，每组包括多个防治结构单体1。

以下记载其中一组防治结构单体的参数设计方法。

防治沟道泥石流起动的结构体的钢管桩埋置深度H设计方法：

（1）确定泥石流对结构单体的流动剪切力τ确定：

将参数需防治沟道泥石流的最大流深h＝5.75m、γ_m=14.7kN/m³、v_m=3.5m/s、μ_b=0.33、θ＝24°、ξ＝1.86代入式3，有$>\tau ={\mu }_b{\gamma }_{m}h\cos \theta +\frac{{\gamma }_m{v_m}^2}{\xi }=122.3\mathrm{kPa}.$>

（2）确定单根钢管桩承载的抗拔力Q：

将参数A＝144m、n=108、μ_a=0.33、β＝30°、τ＝122.3代入式2，有$>Q=\frac{\mathrm{\tau A}}{n({\mu }_a\cos \beta +\sin \beta )}=176.4\mathrm{kN}.$>

（3）确定钢管桩埋置深度H：

微型钢管桩侧阻力q_s、单根钢管桩桩径d、单根钢管桩承载的抗拔力Q代入式1，有$>H=\frac{Q}{\mathrm{\pi d}{q}_s}=7.69m.$>

为增大系统的安全系数，具体设计中埋深H取8m。

图8是防治结构单体沿沟道纵向错位排列示意图（图7的局部放大示意图）；图9是防治结构单体沿沟道纵向错位排列示意图。在每组防治沟道泥石流起动的结构体中，各防治结构单体1紧接排列布置在泥石流沟床上；沿沟道纵向的各防治结构单体1纵梁111相互平行，且错位排列，沿沟道横向的各防治结构单体1横梁112相互沿直线延伸。石笼3呈网格状对齐排列填充在框架梁11平面空间内以及相邻框架梁11组合的平面空间内。

实施例二

如图10所示，设计一座防治沟道泥石流起动的结构体，其与实施例一相同之处不再重复，其不同之处在于石笼结构。

图10是石笼与框架梁配合结构示意图。防治结构单体1包括框架梁11、钢管桩12、石笼13；框架梁11布置在泥石流沟床上，是由位于同一平面、相互垂直的纵梁111与横梁112构成的框体；钢管桩12与纵梁111、横梁112静联接，沿纵梁111、横梁112的轴向排列，位于框架梁11下方，埋置在泥石流沟床内；石笼13填充在框架梁11平面空间内。