锚杆技术在泥石流防治工程中的应用与分析

吴梓瑞

(开滦集团公司东欢坨矿业分公司，河北唐山 063000)

锚杆技术在泥石流防治工程中的应用与分析

吴梓瑞

(开滦集团公司东欢坨矿业分公司，河北唐山 063000)

锚杆是一种新型的受拉杆件，用于工程建筑物与地下岩层或土层连接，以承受由于土压力或水压力等其他荷载所产生的拉力，从而利用地层的“锚固力”，防止建筑结构变形，以维持建筑物或岩层的稳定。锚杆技术在水利水电工程建设中广泛应用，它不仅用于大坝坝基加固，也常用作地下工程的加固及高边坡工程加固的重要手段，可以大幅度减少工程量，应用前景广阔。

锚杆;泥石流;防治工程

我国地质构造复杂，岩石破碎，山体稳定性较差，泥石流灾害十分严重。因此，加强泥石流治理，利用锚杆技术增强被加固岩体的强度，改善岩体的应力状态，提高岩体的稳定性，已引起工程建设者的广泛研究和应用。

1.岩土工程防治泥石流常用技术

岩土工程防治措施是通过在泥石流的形成区、流通区和堆积区修建一系列蓄水、引水、排导、拦挡、支护、改坡等工程，控制泥石流的发生和危害。岩土工程防治方法几乎适用于所有类型的泥石流。通常岩土工程措施可分为三类:拦挡工程、排导工程、防护工程。

1.1 拦挡工程:拦挡工程是岩土工程防治方法中采用最多的措施之一，它是修建在泥石流沟上的一种横向拦挡建筑物，可以将泥石流的大部分冲刷物质拦截于泥石流沟道内停淤，主要有拦沙坝和谷坊两种，其主要功能是拦沙截流，减小泥石流的峰值流量和密度，减缓泥石流流速，调节下泄固体物质总量，重力坝整体性好，抗冲击能力强，在泥石流防治工程中广泛应用。

1.2 排导工程:泥石流排导工程是利用己有的天然沟道或者人工开挖及填筑形成的一种开敞式过流建筑物。其主要功能是把泥石流顺畅地排入下游非危险区，以控制泥石流对下游流通区和堆积区的淤埋和冲击作用，调节流路，限制漫流，改善沟槽纵坡，调整过流断面，控制泥石流流速和输沙能力。

1.3 防护工程:防护工程包括稳坡固沟和调蓄洪水工程，目的是控制泥石流形成的水动力条件，减少固体物质补给来源，从而防止泥石流发生或者减小泥石流规模。

2.锚杆技术的特点及工作原理

锚杆是一种安设在岩土层深处的受拉杆件，它一端与工程建筑物相连，另一端锚固在岩土层，对其施加预应力，以承受土压力、水压力等其他荷载所产生的拉力，防止结构变形，从而维持建筑物的稳定，加固岩体的强度，改善岩体的应力状态，提高岩体的稳定性。

2.1 岩土锚杆技术。它是把一种受拉杆件埋入地层中，以提高自身强度和自稳能力的一门工程技术;它通过采用特殊的手段提高钢材、钢丝、钡绞线变成长期处于高应力状态下的受拉结构，从而增强被加固岩体的强度。因而该技术具有先进型、经济性、可靠性等诸多优点。目前，这项技术在水利水电工程建设中广泛应用，它不仅用于大坝坝基加固，也常用作地下工程的加固及高边坡工程加固的重要手段。

2.2 锚杆工程。也称为锚固工程，可以极自由地选择施工位置，由于可以选择边坡极下方的位置，故不同于抗滑桩工程会耽心施工地点下部边坡有可能单独发生滑坍，在陡坡处亦能施工。锚杆可分为摩擦型和承压型，摩擦型锚杆可以根据锚固基岩的容许粘着强度决定锚固长度，承压型锚杆可以根据容许承压强度合理决定锚固长度。由于锚杆的孔径比抗滑桩工程小，所以无论是大型还是小型滑坡，或者夹有坚硬的岩石或崩坍性、挤出性地基都能施工。锚固后暂不必给予张拉力，可以将其处于自由开放状态，待所需数量的锚杆全部完工后再一起张拉，所以是唯一能够部分施工的抗滑工程。采用承压型锚杆只需对自锚固体头部起往外至某一区段灌浆即可，经养护达到预计拉力，这和摩擦型无甚不同，但其优点是缩短了锚固段长度和锚固部位灌浆区段的长度。

2.3 锚固提高边坡稳定性的原理。锚杆的使用，可以使结构与地层连接在一起，形成一种共同工作的结合体，使其能有效地承受拉力和剪力。边坡锚固技术是把锚杆这种拉力型杆件埋入边坡剪切面以下以增强剪切面上的摩阻效应，同时直接产生抵抗边坡移动的作用力，提高边坡稳定性的技术。其作用过程是将外锚头位于锚杆的外端，通过它最终实现对锚杆施加预应力，并将锚固力传递给结构物;自由段连接锚头和锚固体，通常利用其弹性变形的特性，在锚固过程中对锚杆施加预应力;锚固体位于锚杆的根部，把拉力从杆体传递给地层。

3.锚杆技术在泥石流防治工程中的应用

拦沙坝是泥石流防治措施中的一种大型拦蓄工程，一般位于流域中上游，上承泥石流发生，下接危险区防护，既是生物措施和工程设施的结合部，又是拦稳工程与排导工程的衔接点，处于减灾枢纽地位和关键部位，关系到综合防治措施功能优劣及防灾治害效益的发挥。拦沙坝具有不同结构和型式，可分为用于抑制泥石流形成的重力式结构拦沙坝和以阻拦粗颗粒为主的格栅坝。

3.1 在重力式拦沙坝中的应用

重力式拦沙坝的断面类型很多，但尺寸都比较粗大。他的稳定计算主要包括抗滑稳定、抗倾稳定。

3.1.1 抗滑稳定计算。在设计荷载或校核危险荷载组合的作用下，坝体发生稳定破坏的形式有:沿基面产生水平滑动;沿齿、踵基底连线方向滑移，或剪断齿、踵跟部后沿基面滑动，沿地基薄弱一侧的坝肩做整体滑移;在水平推力和扬压力的作用下坝体发生倾覆。或中低坝未淤满前被泥石流冲击力所倾覆。抗滑稳定计算对断面型式及尺寸起决定作用，坝体沿基面滑动计算的公式为:

式中，W为作用于单位坝长计算断面各垂直力的总和，包括坝体自重、水重泥石流重、淤积物重，以及基底浮托力、渗透压力等;C为单位面积上的粘结力;Q为作用于单位坝长计算断面的水压力、流体压力、淤积物侧压力;P为作用于单位坝长计算断面的冲击力;f是砌体同坝基之间的摩擦系数;Kc为抗滑稳定安全系数，随建筑物等级划分而取不同的值，一般Kc=1.05～1.15。鉴于泥石流拦砂坝坝址距离泥石流形成源地较近，沟床坡度陡，拦砂库容与一次泥石流总量相比相对较小，泥石流冲击力在计算中起重要作用，工程运用中不乏沿结构基面剪断失稳的实例，因此，除在受力分析中应充分重视外，宜于选用较大的Kc值，防止整体结构失稳，还可采取提高坝体横断面尺寸，增加抗滑稳定性。

3.1.2 抗倾覆稳定计算。抗倾覆稳定主要验算坝体绕坝脚下游端的力矩能否满足要求。公式为:

式中，W'Lw为坝的抗倾覆力矩，即由坝体自重、水重、泥石流重、淤积物重等荷载对坝脚下游端的合力矩;QLq为使坝体倾覆的力矩，指水压力、流体压力、淤积物侧压力、基底扬压力等对坝脚下游端的合力矩;PLp为泥石流冲击力对坝脚下游端的力矩;Ky为抗倾覆安全系数，Ky=1.30 ～1.60。设计时须提高坝体尺寸，增加稳定性。

3.3.3 优化结构设计。在泥石流防治工程中，泥石流冲击力的计算非常重要，其大小决定坝体横断面尺寸，设计思路主要是依靠坝体自重来增加抗滑以及抗倾覆稳定性，为了提高安全度必须大幅度增加坝体自重。如果在拦沙坝设计中引入锚杆，可以将式(1)和式(2)写成式(3)和式(4):

式中，T为锚杆的拉力;TLt为锚杆拉力对坝脚下游端的合力矩。从式(3)式(4)可知，泥石流冲击力增大，只提高锚杆的拉力T就能满足要求。

3.2 在格栅坝中的应用

3.2.1 格栅坝结构形式类似水工建筑物中的拦污栅，它主要用于水石流的防治，但传统的格栅坝的抗滑以及抗倾覆稳定性仍然依据支墩的自重。当然用锚杆固定支墩可以减少支墩的尺寸。如果采用的锚杆为回收式锚杆，而且支墩的大小适合于搬运的话，可以做成便于现场施工的组装式格栅坝，这样就能够设计出新型的移动式格栅坝。

3.2.2 回收式锚杆吸取了其它地锚的技术专长，具有高信赖度的结构及能回收PC钢绞线的技术结构，在价格和施工方面有极大的优点。回收式锚杆的组成主要有:

(1)受拉构件由PC钢绞线、承载体、套管、水泥、砂浆四部分所构成;

(2)PC钢绞线在承载体的端部处于压接状态、在套管内处于自由的状态;

(3)拉伸荷载是根据所使用的PC钢绞线的直径以及根数来决定的。拉伸荷载在30～100tf;

(4)目前常用的地锚锚固长度为8～9m，而回收地锚的锚固长度为2m左右;

(5)使用专用千斤顶对PC钢绞线进行回收。能安全、准确、快速地对PC钢绞线进行回收;

(6)回收式锚杆具有良好的施工结构。与同类的工法相比较具有施工方便的优点。被回收的PC钢绞线还能重复地使用2～3次;因此整体的价格低廉，且能有效地利用地球的资源。

3.3.3 锚杆回收技术。锚杆回收技术能消除城市地下“建筑垃圾”，过去国内深基坑工程除了支撑外，大都采用锚杆支护形式，工程完工以后，锚杆全部留在地下，造成严重的地下污染，而一般城市的档案中又没有这方面的记载，给以后的工程建设留下了严重隐患。同样，在泥石流防治工程中，当生物措施尚未真正起作用之前，采用移动式格栅坝可以减少泥石流的规模，一旦生物措施达到预期目的后，可以取消移动式格栅坝，既起到了缓解泥石流的作用，又不影响自然环境，真正达到防灾减灾美化环境的效果。

［1］谷建国.一种新型的锚固设计方法［J］.西安:西北水电，2001:76－81.

［2］张发明等.岩质边坡预应力锚固的力学行为及群锚效应［J］.武汉:岩石力学与工程学报，2000:53 －56.

［3］周必凡，李德基，罗德富等.泥石流防治指南［M］.北京:科学出版社，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

吴梓瑞(1986－)，男，大学，开滦集团公司东欢坨矿业公司工程科，助理工程师。