錨桿技術在泥石流防治工程中的應用與分析

吳梓瑞

(開灤集團公司東歡坨礦業分公司，河北唐山 063000)

錨桿技術在泥石流防治工程中的應用與分析

吳梓瑞

(開灤集團公司東歡坨礦業分公司，河北唐山 063000)

錨桿是一種新型的受拉桿件，用于工程建筑物與地下巖層或土層連接，以承受由于土壓力或水壓力等其他荷載所產生的拉力，從而利用地層的“錨固力”，防止建筑結構變形，以維持建筑物或巖層的穩定。錨桿技術在水利水電工程建設中廣泛應用，它不僅用于大壩壩基加固，也常用作地下工程的加固及高邊坡工程加固的重要手段，可以大幅度減少工程量，應用前景廣闊。

錨桿;泥石流;防治工程

我國地質構造復雜，巖石破碎，山體穩定性較差，泥石流災害十分嚴重。因此，加強泥石流治理，利用錨桿技術增強被加固巖體的強度，改善巖體的應力狀態，提高巖體的穩定性，已引起工程建設者的廣泛研究和應用。

1.巖土工程防治泥石流常用技術

巖土工程防治措施是通過在泥石流的形成區、流通區和堆積區修建一系列蓄水、引水、排導、攔擋、支護、改坡等工程，控制泥石流的發生和危害。巖土工程防治方法幾乎適用于所有類型的泥石流。通常巖土工程措施可分為三類:攔擋工程、排導工程、防護工程。

1.1 攔擋工程:攔擋工程是巖土工程防治方法中采用最多的措施之一，它是修建在泥石流溝上的一種橫向攔擋建筑物，可以將泥石流的大部分沖刷物質攔截于泥石流溝道內停淤，主要有攔沙壩和谷坊兩種，其主要功能是攔沙截流，減小泥石流的峰值流量和密度，減緩泥石流流速，調節下泄固體物質總量，重力壩整體性好，抗沖擊能力強，在泥石流防治工程中廣泛應用。

1.2 排導工程:泥石流排導工程是利用己有的天然溝道或者人工開挖及填筑形成的一種開敞式過流建筑物。其主要功能是把泥石流順暢地排入下游非危險區，以控制泥石流對下游流通區和堆積區的淤埋和沖擊作用，調節流路，限制漫流，改善溝槽縱坡，調整過流斷面，控制泥石流流速和輸沙能力。

1.3 防護工程:防護工程包括穩坡固溝和調蓄洪水工程，目的是控制泥石流形成的水動力條件，減少固體物質補給來源，從而防止泥石流發生或者減小泥石流規模。

2.錨桿技術的特點及工作原理

錨桿是一種安設在巖土層深處的受拉桿件，它一端與工程建筑物相連，另一端錨固在巖土層，對其施加預應力，以承受土壓力、水壓力等其他荷載所產生的拉力，防止結構變形，從而維持建筑物的穩定，加固巖體的強度，改善巖體的應力狀態，提高巖體的穩定性。

2.1 巖土錨桿技術。它是把一種受拉桿件埋入地層中，以提高自身強度和自穩能力的一門工程技術;它通過采用特殊的手段提高鋼材、鋼絲、鋇絞線變成長期處于高應力狀態下的受拉結構，從而增強被加固巖體的強度。因而該技術具有先進型、經濟性、可靠性等諸多優點。目前，這項技術在水利水電工程建設中廣泛應用，它不僅用于大壩壩基加固，也常用作地下工程的加固及高邊坡工程加固的重要手段。

2.2 錨桿工程。也稱為錨固工程，可以極自由地選擇施工位置，由于可以選擇邊坡極下方的位置，故不同于抗滑樁工程會耽心施工地點下部邊坡有可能單獨發生滑坍，在陡坡處亦能施工。錨桿可分為摩擦型和承壓型，摩擦型錨桿可以根據錨固基巖的容許粘著強度決定錨固長度，承壓型錨桿可以根據容許承壓強度合理決定錨固長度。由于錨桿的孔徑比抗滑樁工程小，所以無論是大型還是小型滑坡，或者夾有堅硬的巖石或崩坍性、擠出性地基都能施工。錨固后暫不必給予張拉力，可以將其處于自由開放狀態，待所需數量的錨桿全部完工后再一起張拉，所以是唯一能夠部分施工的抗滑工程。采用承壓型錨桿只需對自錨固體頭部起往外至某一區段灌漿即可，經養護達到預計拉力，這和摩擦型無甚不同，但其優點是縮短了錨固段長度和錨固部位灌漿區段的長度。

2.3 錨固提高邊坡穩定性的原理。錨桿的使用，可以使結構與地層連接在一起，形成一種共同工作的結合體，使其能有效地承受拉力和剪力。邊坡錨固技術是把錨桿這種拉力型桿件埋入邊坡剪切面以下以增強剪切面上的摩阻效應，同時直接產生抵抗邊坡移動的作用力，提高邊坡穩定性的技術。其作用過程是將外錨頭位于錨桿的外端，通過它最終實現對錨桿施加預應力，并將錨固力傳遞給結構物;自由段連接錨頭和錨固體，通常利用其彈性變形的特性，在錨固過程中對錨桿施加預應力;錨固體位于錨桿的根部，把拉力從桿體傳遞給地層。

3.錨桿技術在泥石流防治工程中的應用

攔沙壩是泥石流防治措施中的一種大型攔蓄工程，一般位于流域中上游，上承泥石流發生，下接危險區防護，既是生物措施和工程設施的結合部，又是攔穩工程與排導工程的銜接點，處于減災樞紐地位和關鍵部位，關系到綜合防治措施功能優劣及防災治害效益的發揮。攔沙壩具有不同結構和型式，可分為用于抑制泥石流形成的重力式結構攔沙壩和以阻攔粗顆粒為主的格柵壩。

3.1 在重力式攔沙壩中的應用

重力式攔沙壩的斷面類型很多，但尺寸都比較粗大。他的穩定計算主要包括抗滑穩定、抗傾穩定。

3.1.1 抗滑穩定計算。在設計荷載或校核危險荷載組合的作用下，壩體發生穩定破壞的形式有:沿基面產生水平滑動;沿齒、踵基底連線方向滑移，或剪斷齒、踵跟部后沿基面滑動，沿地基薄弱一側的壩肩做整體滑移;在水平推力和揚壓力的作用下壩體發生傾覆。或中低壩未淤滿前被泥石流沖擊力所傾覆。抗滑穩定計算對斷面型式及尺寸起決定作用，壩體沿基面滑動計算的公式為:

式中，W為作用于單位壩長計算斷面各垂直力的總和，包括壩體自重、水重泥石流重、淤積物重，以及基底浮托力、滲透壓力等;C為單位面積上的粘結力;Q為作用于單位壩長計算斷面的水壓力、流體壓力、淤積物側壓力;P為作用于單位壩長計算斷面的沖擊力;f是砌體同壩基之間的摩擦系數;Kc為抗滑穩定安全系數，隨建筑物等級劃分而取不同的值，一般Kc=1.05～1.15。鑒于泥石流攔砂壩壩址距離泥石流形成源地較近，溝床坡度陡，攔砂庫容與一次泥石流總量相比相對較小，泥石流沖擊力在計算中起重要作用，工程運用中不乏沿結構基面剪斷失穩的實例，因此，除在受力分析中應充分重視外，宜于選用較大的Kc值，防止整體結構失穩，還可采取提高壩體橫斷面尺寸，增加抗滑穩定性。

3.1.2 抗傾覆穩定計算。抗傾覆穩定主要驗算壩體繞壩腳下游端的力矩能否滿足要求。公式為:

式中，W'Lw為壩的抗傾覆力矩，即由壩體自重、水重、泥石流重、淤積物重等荷載對壩腳下游端的合力矩;QLq為使壩體傾覆的力矩，指水壓力、流體壓力、淤積物側壓力、基底揚壓力等對壩腳下游端的合力矩;PLp為泥石流沖擊力對壩腳下游端的力矩;Ky為抗傾覆安全系數，Ky=1.30 ～1.60。設計時須提高壩體尺寸，增加穩定性。

3.3.3 優化結構設計。在泥石流防治工程中，泥石流沖擊力的計算非常重要，其大小決定壩體橫斷面尺寸，設計思路主要是依靠壩體自重來增加抗滑以及抗傾覆穩定性，為了提高安全度必須大幅度增加壩體自重。如果在攔沙壩設計中引入錨桿，可以將式(1)和式(2)寫成式(3)和式(4):

式中，T為錨桿的拉力;TLt為錨桿拉力對壩腳下游端的合力矩。從式(3)式(4)可知，泥石流沖擊力增大，只提高錨桿的拉力T就能滿足要求。

3.2 在格柵壩中的應用

3.2.1 格柵壩結構形式類似水工建筑物中的攔污柵，它主要用于水石流的防治，但傳統的格柵壩的抗滑以及抗傾覆穩定性仍然依據支墩的自重。當然用錨桿固定支墩可以減少支墩的尺寸。如果采用的錨桿為回收式錨桿，而且支墩的大小適合于搬運的話，可以做成便于現場施工的組裝式格柵壩，這樣就能夠設計出新型的移動式格柵壩。

3.2.2 回收式錨桿吸取了其它地錨的技術專長，具有高信賴度的結構及能回收PC鋼絞線的技術結構，在價格和施工方面有極大的優點。回收式錨桿的組成主要有:

(1)受拉構件由PC鋼絞線、承載體、套管、水泥、砂漿四部分所構成;

(2)PC鋼絞線在承載體的端部處于壓接狀態、在套管內處于自由的狀態;

(3)拉伸荷載是根據所使用的PC鋼絞線的直徑以及根數來決定的。拉伸荷載在30～100tf;

(4)目前常用的地錨錨固長度為8～9m，而回收地錨的錨固長度為2m左右;

(5)使用專用千斤頂對PC鋼絞線進行回收。能安全、準確、快速地對PC鋼絞線進行回收;

(6)回收式錨桿具有良好的施工結構。與同類的工法相比較具有施工方便的優點。被回收的PC鋼絞線還能重復地使用2～3次;因此整體的價格低廉，且能有效地利用地球的資源。

3.3.3 錨桿回收技術。錨桿回收技術能消除城市地下“建筑垃圾”，過去國內深基坑工程除了支撐外，大都采用錨桿支護形式，工程完工以后，錨桿全部留在地下，造成嚴重的地下污染，而一般城市的檔案中又沒有這方面的記載，給以后的工程建設留下了嚴重隱患。同樣，在泥石流防治工程中，當生物措施尚未真正起作用之前，采用移動式格柵壩可以減少泥石流的規模，一旦生物措施達到預期目的后，可以取消移動式格柵壩，既起到了緩解泥石流的作用，又不影響自然環境，真正達到防災減災美化環境的效果。

［1］谷建國.一種新型的錨固設計方法［J］.西安:西北水電，2001:76－81.

［2］張發明等.巖質邊坡預應力錨固的力學行為及群錨效應［J］.武漢:巖石力學與工程學報，2000:53 －56.

［3］周必凡，李德基，羅德富等.泥石流防治指南［M］.北京:科學出版社，1991.10.

The Application of Rock Bolt for the Prevention of Debris Flow

WU Zi－rui
(Kailuan Donghuantuo Mining Company，Tangshan Hebei，063000)

Rock bolt is a new kind of tension member，used in engineering building and underground rock or soil connection，in order to support the pulling force generated by earth pressure or water pressure and other loads，thus making use of the stratal"anchoring force"to prevent building structural deformation so as to maintain the stability of the building or rock.Rock bolt technology is widely used in water conservancy and hydropower engineering construction.it is not only for the dam reinforcement，is also used for underground engineering reinforcement and is the important means to reinforce high slope engineering，which can greatly reduce the engineering quantity.Rock bolt technology has a broad prospect of application.

rock bolt;Debris flow;preventative engineering

TU323

A

1671－3974(2012)03－0051－03

2012－03－20

吳梓瑞(1986－)，男，大學，開灤集團公司東歡坨礦業公司工程科，助理工程師。