一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构 |
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| 申请号 | CN202410338635.6 | 申请日 | 2024-03-22 | 公开(公告)号 | CN117988258A | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所; 中国铁道科学研究院集团有限公司; | 发明人 | 张玉芳; 袁坤; 李健; 宋国壮; 万军利; 高旭; 刘梦佳; 刘波; 段磊; 邓胜; 杨忠民; 周文皎; 尹振华; 崔建; 范家玮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及泥石流及崩塌落石技术领域，且公开了一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构，包括拦挡防护网，拦挡防护网包括用于拦挡高位崩塌落石的上部拦挡防护网结构和用于拦截沟谷泥石流物质的下部拦挡防护网结构，下部拦挡防护网结构两侧通过爬坡梁与沟谷连接，上部拦挡防护网结构中部通过 支撑 桩连接，支撑桩侧面通过锚索与山体连接，上部防护网两侧通过地梁与谷坡坡面连接。拦挡防护网包括若干垂直交叉设置的柔性横向 钢 绞线和柔性竖直钢绞线。本发明采用上述一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构，能够对泥石流和高位崩塌落石进行拦挡防护，拦挡防护网在防护高度高、能级大的优势 基础 上成本低、韧性强、易维护。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构，其特征在于：包括拦挡防护网，拦挡防护网包括用于拦挡高位崩塌落石的上部拦挡防护网结构和用于拦截沟谷泥石流物质的下部拦挡防护网结构，下部拦挡防护网结构的两侧通过爬坡梁与沟谷连接，爬坡梁设置于沟谷内，爬坡梁通过反向预应力锚索一与沟谷连接； |
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| 说明书全文 | 一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构技术领域[0001] 本发明涉及泥石流及崩塌落石技术领域，尤其是涉及一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构。 背景技术[0002] 谷坡型泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，由于降水(暴雨、冰川、积雪融化水)在多沟谷地形或山坡上产生的一种挟带大量泥砂、石块和巨砾等固体物质的特殊洪流，具有突然性以及流速快，流量大，物质容量大和破坏力强等特点。另外，部分泥石流沟上部陡坡发育有大量高位高危危岩体，一经发生崩塌落石，沿沟谷或坡面快速滑落或滚落，冲击能量大、弹跳高度难以预测，势必对公路铁路等道路工程运营安全或人类居住主住处造成威胁。 [0003] 针对泥石流的现场防治手段中，常常通过修建拦挡坝等结构对泥石流物质进行阻拦，但对于多谷坡地形的泥石流沟中修建拦挡坝施工难度较大，且成本较高、不易维护。另外，目前对于高位高势能危岩体主要治理手段包括原位整治及被动拦挡两种，其中传统被动拦挡技术主要以被动防护网和拦石墙为主，大量实验研究证明，这类防护结构最大承受能级只能达到5000KJ，且拦挡高度较低(一般不超过6m)，对于高位高能崩塌落石防护能力有限，在高山峡谷区极易发生破损失效。因此，亟需探索能够抵抗高能级落石冲击的新型拦挡技术。 [0004] 近年来柔性拦挡技术获得了不断发展与广泛应用，高能级柔性拦挡结构作为一种针对泥石流和高位危岩体的新型被动防治技术，主要是通过结构型式、材料组成、施工工艺等技术方面的创新，最终使其适用于拦截谷坡型泥石流物质和高位高危崩塌落石危岩体等特殊工况及应用场景，从而保护公路铁路等道路工程正常运维，维护人民财产安全。随着我国交通工程建设向高山峡谷地区推进，必将面临更多的沟谷型泥石流及高位崩塌落石防护工程问题，因此亟需开发适用于复杂山区多谷坡地形、兼顾泥石流及高位崩塌落石等不同地质灾害拦挡防护的新型高能级柔性拦挡结构。 发明内容[0005] 为解决上述背景技术中提出的问题，本发明的目的是提供一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构，能够对山体谷坡地形的高位崩塌落石和泥石流进行防护拦挡，拦挡防护网在防护等级高的基础上成本低、韧性强、易维护。 [0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构，拦挡防护网包括用于拦挡高位崩塌落石的上部拦挡防护网结构和用于拦截沟谷泥石流物质的下部拦挡防护网结构，下部拦挡防护网结构的两侧通过爬坡梁与沟谷连接，爬坡梁设置于沟谷内，爬坡梁通过反向预应力锚索一与沟谷连接； [0007] 上部拦挡防护网结构通过支撑桩与地梁连接，支撑桩侧向通过锚索与山体连接，地梁设置与山体坡面上，地梁通过反向预应力锚索二与山体连接； [0009] 优选的，柔性横向钢绞线和柔性竖直钢绞线的垂直交叉处通过卡扣连接，柔性横向钢绞线和柔性竖直钢绞线均为NPR钢绞线，柔性横向钢绞线包括横钢绞线一、横钢绞线二，横钢绞线一均设置在横钢绞线二的上方。 [0010] 优选的，垂直交叉设置的横钢绞线一和柔性竖直钢绞线构成上部拦挡防护网结构，垂直交叉设置的横钢绞线二和柔性竖直钢绞线构成下部拦挡防护网结构。 [0011] 优选的，横钢绞线二与爬坡梁固定连接，爬坡梁上设置有锚索孔一，反向预应力锚索一的一端设置在锚索孔一内，反向预应力锚索一的另一端与沟谷锚固连接。 [0012] 优选的，横钢绞线一通过支撑桩连接，横钢绞线一侧与地梁连接，地梁上设置有锚索孔二，反向预应力锚索二的一端设置在锚索孔二内，反向预应力锚索二的另一端与山体锚固连接。 [0013] 优选的，支撑桩的底部通过桩基础与山体连接，支撑桩侧面设置有锚索孔三，锚索的一端设置于锚索孔三内，锚索的另一端与山体锚固连接。 [0014] 优选的，相邻横钢绞线一之间的间距大于相邻横钢绞线二之间的间距。 [0015] 优选的，相邻的横钢绞线一之间的间距满足以下关系： [0016] [0017] 其中，m为相邻横钢绞线一之间的间距，n为横钢绞线一的数量，V为崩塌落石的当量体积； [0018] 横钢绞线一的数量n满足以下关系： [0019] MgH≤n(Q1+Q2) [0020] [0021] Q2＝F2×L×(Δ2‑Δ1) [0022] 其中，M为崩塌落石的质量，H为落石崩落位置到碰撞冲击拦挡防护网接触位置的高差，Q1为单束横钢绞线一的塑性阶段做功，Q2为单束横钢绞线一的破坏阶段做功，F1为施加在单束横钢绞线一的初始预紧力，F2为单束横钢绞线一的屈服临界力，L为单束横钢绞线一的长度，Δ0为单束横钢绞线一预紧拉伸率，Δ1为单束横钢绞线一进入屈服状态的延伸率，Δ2为单束横钢绞线一破坏时的延伸率，g为重力加速度。 [0023] 优选的，相邻的横钢绞线二之间的间距满足以下关系： [0024] D≤n/(d+1) [0025] 其中，D为每米内所需布设的横钢绞线二的根数，n为抵消冲击能量所需横钢绞线二的数量，d为泥石流中块石的平均粒径(m)； [0026] 横钢绞线二的数量n满足以下关系： [0027] [0028] [0029] w2＝f2×l×(Δ2‑Δ1) [0030] 其中，v为泥石流块石物质冲击速度，w1为单束横钢绞线二弹性阶段吸收能量，w2为单束横钢绞线二塑性阶段吸收能量，f1为施加在单束横钢绞线二的初始预应力，f2为单束横钢绞线二的屈服力，l为单束横钢绞线二的长度，Δ0为单束横钢绞线二预紧拉伸率，Δ1为单束横钢绞线二进入屈服状态的延伸率，Δ2为单束横钢绞线二破坏时的延伸率。 [0031] 本发明还提供了一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构施工方法，包括以下步骤： [0032] 步骤一，在谷坡坡面上钻取孔放置反向预应力锚索二，在沟谷内钻取孔放置反向预应力锚索一； [0033] 步骤二，沿谷坡坡面上反向预应力锚索二排布方向完成地梁钢筋绑扎及混凝土浇筑，并沿地梁上设置的锚索孔二完成反向预应力锚索二预应力施加；沿沟谷内反向预应力锚索一排布方向完成爬坡梁钢筋绑扎及混凝土浇筑，并沿爬坡梁上设置的锚索孔一完成反向预应力锚索一预应力施加； [0034] 步骤三，山体上施工钢筋混凝土支撑桩，支撑桩侧面施加锚索与山体连接； [0035] 步骤四，制备柔性横向钢绞线，依据实际山体沟谷，将横钢绞线二与爬坡梁连接，施加预应力，将横钢绞线一通过支撑桩与地梁连接，施加预应力； [0036] 步骤五，制备柔性竖直钢绞线，柔性竖直钢绞线采用卡扣与横钢绞线一、横钢绞线二垂直交叉连接，完成拦挡防护网施工； [0037] 步骤六，拦挡防护网底部通过浇筑混凝土结构体完成与山体沟谷底部的连接。 [0038] 因此，本发明采用上述一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构，具有以下有益效果： [0039] (1)本发明的拦挡防护网下部两侧通过爬坡梁与山体沟谷连成一体，拦挡防护网底部通过混凝土结构体与沟谷底部连成一体，能够在沟谷内形成稳定的拦挡防护结构；拦挡防护网上部横向通过支撑桩、地梁与谷坡坡面的山体连成一体，支撑桩纵向通过锚索与山体连为一体，保证拦挡防护网在增加防护高度的同时，整体稳定性良好，不仅能够应对高位落石的冲击，而且能够对泥石流进行防护，安全性更高； [0040] (2)本发明的拦挡防护网的柔性横向钢绞线与柔性竖直钢绞线均采用NPR钢绞线，韧性和延展性更好，上部拦挡防护网相邻的柔性横向钢绞线和下部拦挡防护网相邻的柔性横向钢绞线间距不同，从而造成拦挡防护网的疏密不同，密集布置的下部拦挡防护网能够拦挡低位泥石流小颗粒物质，稀疏布置的上部拦挡防护网能够拦挡高位高能级崩塌落石，防护性更加广泛。 [0041] (3)本发明拦挡防护网上柔性横向钢绞线和柔性竖直钢绞线垂直交叉处通过卡扣连接，便于安装拆卸，单束或多束钢绞线损坏后容易更换，易于维修且无需更换整个拦挡防护网，维修成本更低。 附图说明[0043] 图1为本发明一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构实施例的结构三维示意图； [0044] 图2为本发明一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构实施例的部分防护结构正面结构示意图； [0045] 图3为本发明一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构实施例的支撑桩结构示意图； [0046] 图4为本发明一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构实施例的爬坡梁断面示意图； [0047] 图5为本发明一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构实施例的爬坡梁立面示意图。 [0048] 附图标记 [0049] 1、拦挡防护网；2、爬坡梁；3、支撑桩；4、地梁；5、混凝土结构体；6、反向预应力锚索一；7、反向预应力锚索二；8、锚索孔一；9、锚索；10、横钢绞线一；11、横钢绞线二；12、柔性竖直钢绞线；13、横钢绞线预留孔。 具体实施方式[0050] 以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。 [0051] 除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。 [0052] 实施例 [0053] 如图1所示，本发明所述的一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构，包括拦挡防护网1，拦挡防护网1包括用于拦挡高位崩塌落石的上部拦挡防护网结构和用于拦截沟谷泥石流物质的下部拦挡防护网结构。如图3、图4、图5所示，下部拦挡防护网结构的两侧通过爬坡梁2与沟谷连接，爬坡梁2设置于沟谷内，爬坡梁2通过反向预应力锚索一6与沟谷连接。下部拦挡防护网结构通过爬坡梁2与沟谷连接更加牢固。爬坡梁2通过反向预应力锚索一6能够使其与沟谷稳定连接。下部拦挡防护网通过混凝土结构体5与沟谷底部连接，进而使下部拦挡防护网结构底部与沟谷连成一个整体，加强下部拦挡防护网结构的稳定性与拦截范围。 [0054] 如图2、图3所示，上部拦挡防护网结构的中间网结构与支撑桩3连接，支撑桩3的侧面通过锚索9与山体连接。支撑桩3的底部通过桩基础与山体连接，支撑桩3侧面设置有锚索孔三，锚索9的一端设置于锚索孔三内，锚索9的另一端与山体锚固连接。如图1所示，上部拦挡防护网除中间网结构之外的两侧网结构通过地梁4与谷坡坡面连接，地梁4设置与山体坡面上，地梁4通过反向预应力锚索二7与山体连接。地梁4、支撑桩3均采用钢筋混凝土结构，通过支撑桩3能够使上部拦挡防护网结构中部与山体牢固连接，通过地梁4能够使上部拦挡防护网结构两侧与山体牢固连接，进而使上部拦挡防护网结构与山体连接更加稳定。支撑桩3侧面通过锚索9与山体连接，加强连接效果，大大加强上部拦挡防护网结构连接的稳定性。通过设置支撑桩3增加上部拦挡防护网结构的高度，使其能够对高位崩塌落石形成有效防护。 [0055] 拦挡防护网1的底部通过混凝土结构体5与山体沟谷底部连接。通过混凝土结构体5能够使拦挡防护网1的底部与山体沟谷底部牢固连接，防止泥石流从拦挡防护网1的底端流动，同时能够提升拦挡防护网1的稳定性。混凝土结构体5主要采用混凝土钢筋结构，但是与常规的混凝土坝相比高度低工程量小，成本更低，且制作周期短，施工更快。 [0056] 如图2所示，拦挡防护网1包括若干垂直交叉设置的柔性横向钢绞线和柔性竖直钢绞线12，柔性横向钢绞线和柔性竖直钢绞线12的垂直交叉处通过卡扣连接。卡扣分为扣体与扣件，卡扣采用现有的结构，扣体与扣件通过螺栓锁紧连接，扣体和扣件内设置有不重合的竖型凹槽与横向凹槽，两者垂直，通过扣体与扣件使垂直的柔性横向钢绞线与柔性竖直钢绞线12锁紧连接，提升拦挡防护网1整体稳定性。柔性横向钢绞线包括横钢绞线一10、横钢绞线二11，横钢绞线一10均设置在横钢绞线二11的上方。横钢绞线二11与爬坡梁2固定连接，爬坡梁2上设置有锚索孔一8，反向预应力锚索一6的一端设置在锚索孔一8内，反向预应力锚索一6的另一端与沟谷锚固连接。横钢绞线一10两侧与地梁4固定连接，地梁4上设置有锚索孔二，反向预应力锚索二7的一端设置在锚索孔二内，反向预应力锚索二7的另一端与山体锚固连接。爬坡梁2上设置有横钢绞线预留孔13，横钢绞线一10设置在横钢绞线预留孔13内。 [0057] 相邻横钢绞线一10之间的间距大于相邻横钢绞线二11之间的间距，使拦挡防护网1形成两种疏密程度不同的防护网。密集布置的下部拦挡防护网结构能够拦挡泥石流物质，稀疏布置的上部拦挡防护网结构能够拦挡高位高能级崩塌落石，防护性更加广泛，提高防护能力。 [0058] 相邻的横钢绞线一10之间的间距满足以下关系： [0059] [0060] 其中，h为相邻横钢绞线一10之间的间距，n为横钢绞线一10的数量，V为崩塌落石的当量体积； [0061] 横钢绞线一10的数量n满足以下关系： [0062] MgH≤n(Q1+Q2) [0063] [0064] Q2＝F2×L×(Δ2‑Δ1) [0065] 其中，M为崩塌落石的质量，H为崩塌落石崩落位置到碰撞冲击拦挡防护网1接触位置的高差，Q1为单束横钢绞线一10的塑性阶段做功，Q2为单束横钢绞线一10的破坏阶段做功，F1为施加在单束横钢绞线一10的初始预紧力，F2为单束横钢绞线一10的屈服临界力，L为单束横钢绞线一10的长度，Δ0为单束横钢绞线一10预紧拉伸率，Δ1为单束横钢绞线一10进入屈服状态的延伸率，Δ2为单束横钢绞线一10破坏时的延伸率，g为重力加速度。 [0066] 相邻的横钢绞线二11之间的间距满足以下关系： [0067] D≤n/(d+1) [0068] 其中，D为每米内所需布设的横钢绞线二11的根数，n为抵消冲击能量所需横钢绞线二11的数量，d为泥石流中块石的平均粒径(m)； [0069] 横钢绞线二11的数量n满足以下关系： [0070] [0071] [0072] w2＝f2×l×(Δ2‑Δ1) [0073] 其中，v为泥石流块石物质冲击速度，w1为单束横钢绞线二11弹性阶段吸收能量，w2为单束横钢绞线二11塑性阶段吸收能量，f1为施加在单束横钢绞线二11的初始预应力，f2为单束横钢绞线二11的屈服力，l为单束横钢绞线二11的长度，Δ0为单束横钢绞线二11预紧拉伸率，Δ1为单束横钢绞线二11进入屈服状态的延伸率，Δ2为单束横钢绞线二11破坏时的延伸率。 [0074] 柔性横向钢绞线和柔性竖直钢绞线12均为NPR钢绞线，使拦挡防护网1具有更好的延伸能力，具有更强的韧性。柔性横向钢绞线、柔性竖直钢绞线12的间距与数量根据实际山体沟谷地形进行相应的布设。拦挡防护网1的柔性横向钢绞线、柔性竖直钢绞线12能够进行单束拆卸更换，损坏时无需更换整个拦挡结构，维修便利且维修成本更低。反向预应力锚索一6、反向预应力锚索二7均采用相同的反向预应力锚索，反向预应力锚索一6、反向预应力锚索二7的布设数量根据所需施加的预应力计算确定，反向预应力锚索一6、反向预应力锚索二7的布设角度根据实际山体沟谷地形进行施工设置。 [0075] 本发明所述的一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构施工方法，包括以下步骤： [0076] 步骤一，在谷坡坡面上钻取孔放置反向预应力锚索二7，在沟谷内钻取孔放置反向预应力锚索一6； [0077] 步骤二，沿谷坡坡面上反向预应力锚索二7排布方向完成地梁4钢筋绑扎及混凝土浇筑，并沿地梁4上设置的锚索孔二完成反向预应力锚索二7预应力施加；沿沟谷内反向预应力锚索一6排布方向完成爬坡梁2钢筋绑扎及混凝土浇筑，并沿爬坡梁2上设置的锚索孔一8完成反向预应力锚索一6预应力施加； [0078] 步骤三，山体上施工钢筋混凝土支撑桩3，支撑桩3侧面施加锚索9与山体连接； [0079] 步骤四，制备柔性横向钢绞线，依据实际山体沟谷，依据实际山体沟谷，将横钢绞线二11与爬坡梁2连接，施加预应力，将横钢绞线一10通过支撑桩3与地梁4连接，施加预应力； [0080] 步骤五，制备柔性竖直钢绞线12，柔性竖直钢绞线12采用卡扣与横钢绞线一10、横钢绞线二11垂直交叉连接，垂直交叉连接，完成拦挡防护网1施工； [0081] 步骤六，拦挡防护网1底部通过浇筑混凝土结构体5完成与山体沟谷底部的连接。 [0082] 本实施例中，拦挡防护网1下部两侧通过爬坡梁2与沟谷谷坡连成一体，拦挡防护网1底部通过混凝土结构体5与沟谷底部连成一体，够在沟谷内形成稳定的拦挡防护结构；拦挡防护网1上部横向通过支撑桩3、地梁4与沟谷上方谷坡坡面的山体连成一体，支撑桩3纵向通过锚索9与山体连为一体，从而提升拦挡防护网1整体的连接稳定性。拦挡防护网1采用柔性高能级钢绞线，突破传统拦挡网的防护等级，延展性更好，安全性更高。使其能够对高位崩塌落石和泥石流同时进行防护，能够达到更好的防护效果，大大降低施工成本与施工人力。 [0083] 因此，本发明采用上述一种适用谷坡泥石流及高位崩塌落石的柔性拦挡防护结构，能够对山体谷坡地形的高位崩塌落石和泥石流同步进行防护拦挡，拦挡防护网1在防护高度高、防护能级大的基础上成本低、韧性强、易维护。 [0084] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。 |
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