一种用于陡坡地形的波纹钢管道防滑移装置

技术领域

本发明涉及管涵固定技术领域，特别是指一种用于陡坡地形的波纹钢管道防滑移装置。

背景技术

涵洞作为公路工程的重要组成部分，是公路排水系统中重要的构造物，其作用在于迅速排除公路沿线的地表水，保证路基安全。涵洞的流水坡度按水力性质分,大于临界坡度时为陡坡,反之为缓坡。

波纹钢管道具有对地基承载力要求低、施工方便快捷、经济性好、低碳环保等优点，所以近年来在公路桥涵设计中的应用越来越广泛。在山区，一般天然河沟坡度多数大于设计涵洞的临界坡度，这就产生了波纹钢管道底纵坡较大的问题。

中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司的尹惠、云南省交通科学研究院有限公司云南交通安全研究中心种鹏云对波纹钢管涵在陡坡地形中的应用进行了一定研究，2018年在《工程技术》上发表了《山区公路波纹钢管涵抗滑移设计研究》的论文。该论文对波纹钢管涵位于山区陡坡地形采用抗滑墩在设计、施工等方面进行了较为详细的研究，为波纹钢管涵在山区陡坡上的应用进行了一定探索。

但是，波纹钢管道在山区陡坡抗滑采用抗滑墩是需要具备一定条件的，当地形坡度达到一定值，不但抗滑墩在陡坡上自身也存在稳定问题，同时抗滑墩施工时也对边坡造成了一定破坏，且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服以上不足，提供一种用于陡坡地形的波纹钢管道防滑移装置，其采用锚杆原理实现波纹钢管道的防滑移，具有施工快、成本低的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于陡坡地形的波纹钢管道防滑移装置，包括波纹钢管道；所述波纹钢管道的至少一处圆周上设有防滑移锚杆组，每个防滑移锚杆组均包括连接于波纹钢管道两侧拱肩和两侧拱腋处的各一根锚杆，拱肩处的两根锚杆对称设置且末端外撇，拱腋处的两根锚杆对称设置且末端内聚；每根锚杆的末端均通过锚固体固定于波纹钢管道底部陡坡的岩土中。

进一步的，所述拱腋与所述拱肩位置对称。

进一步的，所述锚杆包括连接环、连接杆、拉紧器和锚固杆，所述连接环焊接在连接杆的前端，拉紧器的两端均具有螺孔，连接杆的末端和锚固杆的前端均具有螺纹段，连接杆的末端和锚固杆的前端分别与拉紧器两端的螺孔螺纹连接，拉紧器两端的连接杆螺纹段和锚固杆螺纹段上还设有拉紧器松紧螺母。

进一步的，所述波纹钢管道上每一与锚杆连接的位置处均设有一个弧形加强波纹钢板，所述弧形加强波纹钢板覆盖连接位置处的波纹钢管道波峰以及该波峰的两侧波谷，弧形加强波纹钢板通过设于波峰上的三个螺栓与波纹钢管道连接，每个螺栓的螺杆均依次穿过波纹钢管道的管壁和弧形加强波纹钢板，所述锚杆的连接环套在中间螺栓的末端螺杆上，并通过锁紧螺母固定。

进一步的，所述拉紧器包括两块矩形端面钢板和两块矩形侧面钢板，四块钢板焊接在一起构成一矩形框架，拉紧器两端的螺孔分别为两矩形端面钢板中心处的螺纹钻孔。

进一步的，以经过波纹钢管道轴线且垂直于水平面的平面作为参考面，所述锚杆在参考面内的投影与水平面的夹角大于波纹钢管道轴线与水平面的夹角。

进一步的，拱肩处锚杆在参考面内的投影与拱腋处锚杆在参考面内的投影相平行。

进一步的，所述波纹钢管道为波纹钢通道或波纹钢涵洞。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

1、本发明通过锚杆的拉力作用，达到波纹钢管道的受力平衡，满足了波纹钢管道防滑移的需要，具有结构简单、构件少、加工容易、成本低等特点，易于推广应用。

2、本发明可以通过调节锚杆的拉力大小、设置位置以及锚杆组数来适应各种大坡度地形，避免了抗滑墩、抗滑键等抗滑设施在大坡度下自身稳定性不足和施工对坡面造成破坏的问题，具有更高的安全性和可靠性。

3、波纹钢管道位于陡坡地形采用本发明时，可以有效减小波纹钢管长度，降低工程造价。

4、波纹钢管道位于陡坡地形且存在不良工程地质时，本发明可充分利用波纹钢管道结构自身整体结构强的特点，适当增加位置数量或长度，即可同时满足防滑移和边坡加固的需要。

附图说明

图1为本发明实施例中防滑移结构的示意图。

图2为图1的A-A视图。

图3为图2中A部分的局部放大图。

图4为图3的B-B视图。

图5为图4中加强波纹钢板的结构示意图。

图6为图1中连接环和连接杆的结构示意图。

图7为图1中拉紧器的结构示意图。

图8为图1中松紧螺母的结构示意图。

图9为图1中拱肩锚杆中锚固杆的结构示意图。

图10为图1中拱腋锚杆中锚固杆的结构示意图。

图11为锚固体的示意图。

图12为本发明实施例中防滑移结构的受力分析示意图。

图13为锚固体的受力分析示意图。

图中：

D-波纹钢管直径。

α1-波纹钢管道轴线与水平面的夹角

α2-锚杆在参考面内的投影与水平面的夹角

1-弧形加强波纹钢板

2-首端圆钢连接锚杆

2-1-圆钢连接环

2-2-圆钢连接杆

2-3-圆钢螺纹段

L1-圆钢螺纹段长度

d-圆钢直径

3-矩形框架拉紧器

3-1矩形框架端面钢板

3-2矩形框架侧面钢板

W1-矩形框架拉紧器内侧净宽

L2-矩形框架拉紧器内侧净长度

4-拉紧器松紧螺母

5-波纹钢管上部末端锚固杆

5-1圆钢螺纹段

5-2圆钢段

L2-波纹钢管上部末端锚固杆圆钢段长度

6-波纹钢管下部末端锚固杆

6-1圆钢螺纹段

6-2圆钢段

L3-波纹钢管下部末端锚固杆圆钢段长度

7-锚固体

L4-锚固杆锚固长度

8-波纹钢管道

9-岩土

10、11-高强螺栓

12-锁紧螺母

13、14-与高强螺栓及弧形加强波纹钢板配套的凹、凸垫片

q-车辆均布荷载

G-车辆、填土、波纹钢管和管内流水重量之和

F-坡面角α1时，G分解的下滑分力

N-坡面角α1时，G分解的压力分力

μ-波纹钢管与四周土体的摩擦系数

f-波纹钢管抗滑摩擦力，f＝μN

T-锚固杆反拉力

N1-夹角α1+α1时，T分解的压力分力

f1-夹角α1+α1时，T分解的抗滑分力

f2-由N1产生波纹钢管抗滑摩擦力，f2＝μN1

T1-锚固杆与锚固体砂浆的握裹力

T2-砂浆与岩土的摩擦力。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1～11所示，一种用于陡坡地形的波纹钢管道防滑移装置，包括波纹钢管道8；所述波纹钢管道8的至少一处圆周上设有防滑移锚杆组，每个防滑移锚杆组均包括连接于波纹钢管道8两侧拱肩和两侧拱腋处的各一根锚杆，拱肩处的两根锚杆对称设置且末端外撇，拱腋处的两根锚杆对称设置且末端内聚；每根锚杆的末端均通过锚固体7固定于波纹钢管道底部陡坡的岩土9中。

所述锚杆包括圆钢连接环2-1、圆钢连接杆2-2、矩形框架拉紧器3、波纹钢管上部末端锚固杆5、波纹钢管下部末端锚固杆6，圆钢连接环2-1焊接在圆钢连接杆2-2的前端。矩形框架拉紧器3包括两块矩形端面钢板3-1和两块矩形侧面钢板3-2，四块钢板焊接在一起构成一矩形框架，两矩形端面钢板中心处各有一螺纹钻孔。圆钢连接杆2-2的末端具有圆钢螺纹段2-3，锚固杆5、6的前端均具有圆钢螺纹段5-1、6-1，圆钢螺纹段5-1、6-1后为圆钢段5-2、6-2，圆钢连接杆的末端和锚固杆的前端分别与拉紧器两端的螺纹钻孔螺纹连接，拉紧器两端的螺纹段上还设有拉紧器松紧螺母4。

所述波纹钢管道8上每一与锚杆连接的位置处均设有一个弧形加强波纹钢板1，所述弧形加强波纹钢板1覆盖连接位置处的波纹钢管道波峰以及该波峰的两侧波谷，弧形加强波纹钢板1通过设于波峰上的三个螺栓10、11与波纹钢管道连接，每个螺栓的螺杆均依次穿过波纹钢管道的管壁和加强波纹钢板，所述锚杆的圆钢连接环2-1套在中间螺栓的末端螺杆上，并通过锁紧螺母12固定。

进一步的，所述拱腋与所述拱肩位置对称。

进一步的，以经过波纹钢管道轴线且垂直于水平面的平面作为参考面，所述锚杆在参考面内的投影与水平面的夹角α2大于波纹钢管道轴线与水平面的夹角α1。

进一步的，拱肩处锚杆在参考面内的投影与拱腋处锚杆在参考面内的投影相平行。

该结构中各部分的功能如下：

弧形加强波纹钢板1：该构件为矩形弧形波纹板，在波峰处设有三处钻孔，通过高强螺栓10、11、螺母12和凸凹垫片13、14把弧形加强波纹钢板1、波纹钢管道8和首端圆钢连接锚杆2连接在一起。首端圆钢连接锚杆2对波纹钢管道8的拉力通过三点连接而降低其内部应力，起到了局部加强的作用。

首端圆钢连接锚杆2：该构件由圆钢连接环2-1、圆钢连接杆2-2和圆钢螺纹段2-3组成，其中，圆钢连接环2-1与圆钢连接杆2-2通过焊接连接。圆钢连接环2-1由圆钢环和直线段组成，圆钢环的孔径大于高强螺栓11的公称直径，可以直接套入并通过锁紧螺母12拧紧。圆钢螺纹段2-3与矩形框架拉紧器3采用螺纹方式连接并可通过拉紧器松紧螺母4进行松紧调整和紧固。

矩形框架拉紧器3：该拉紧器由两块矩形端面钢板3-1和两块矩形侧面钢板3-2组成，其中，矩形端面钢板3-1中心处设有螺纹钻孔。四块钢板采用焊接方式组成一个矩形构架结构并能承受最大锚固杆设计拉力。该拉紧器两端分别与首端圆钢连接锚杆2、波纹钢管上部末端锚固杆5或波纹钢管下部末端锚固杆6采用螺纹方式连接，并可通过拉紧器松紧螺母4进行松紧调整和紧固。

拉紧器松紧螺母4：该螺母与首端圆钢连接锚杆2圆钢螺纹段2-3和波纹钢管上部末端锚固杆5圆钢螺纹段5-1或波纹钢管下部末端锚固杆6圆钢螺纹段6-1相配套，可对首端圆钢连接锚杆2、波纹钢管上部末端锚固杆5或波纹钢管下部末端锚固杆6进行松紧调整和紧固。

波纹钢管上部末端锚固杆5：该构件由圆钢螺纹段5-1和圆钢段5-2组成。圆钢螺纹段5-1与矩形框架拉紧器3采用螺纹方式连接并可通过拉紧器松紧螺母4进行松紧调整和紧固。圆钢段5-2末端进入锚固体7，通过圆钢与四周砂浆的握裹力将波纹钢管上部末端锚固杆5与锚固体7连接一起。

波纹钢管下部末端锚固杆6：该构件由圆钢螺纹段6-1和圆钢段6-2组成。圆钢螺纹段6-1与矩形框架拉紧器3采用螺纹方式连接并可通过拉紧器松紧螺母4进行松紧调整和紧固。圆钢段6-2末端进入锚固体7，通过圆钢与四周砂浆的握裹力将波纹钢管下部末端锚固杆6与锚固体7连接一起。

锚固体7：波纹钢管上部末端锚固杆5圆钢段5-2末端L4进入锚固体7，通过圆钢与四周砂浆的握裹力将波纹钢管上部末端锚固杆5与锚固体7连接一起，波纹钢管下部末端锚固杆6与锚固体7连接道理相同。锚固体7周边通过粘结力或摩擦力与岩土9连接在一起。

波纹钢管道8：波纹钢板拼装或组装的结构主体。

岩土9：是岩石和土的统称，起到锚固锚固体7的作用。

高强螺栓：起到连接作用，高强螺栓11长度大于高强螺栓10长度。

锁紧螺母12：起到紧固作用。

凹、凸垫片13、14：与高强螺栓及弧形加强波纹钢板配套，用于增大接触面积，增大摩擦和缓冲力，防止螺栓松动。

参照图12和13，该结构的防滑移原理如下：

波纹钢管道位于陡坡地形时，在车辆、填土、波纹钢管和管内流水重量之和G的作用下，沿坡面方向分解成下滑分力F和垂直于坡面的压力分力N，所产生的波纹钢管抗滑摩擦力f＝Nμ。当f≥F时，波纹钢管道不发生滑移，处于稳定状态，否则，波纹钢管道滑移，处于不稳定状态。为了防止波纹钢管道滑移，可在该管道滑动方向后部适当位置设置一处或多处波纹钢管道防滑移装置，来阻止波纹钢管道滑移。装置通过设在波纹钢管两侧拱腋、拱肩对称设置处的4个反拉力点与锚固杆首端连接，并通过设置在锚固杆中间的矩形框架拉紧器和松紧螺母进行紧固，一旦波纹钢管道发生滑移，将产生被动反拉力T(该拉力与下滑力方向相反)，使其与波纹钢管道产生的剩余下滑力达到平衡。锚固杆末端与锚固体连接，将反拉力T力传递到岩土中，使其波纹钢管道整体达到平衡。

将锚固杆反拉力T力传递到岩土中，锚固体起到关键作用。锚固杆反拉力T通过杆体与周边锚固体砂浆的握裹力，将反拉力T传递到砂浆中，然后通过锚固体钻孔周边的粘结力(或摩阻力)，将反拉力T传递到锚固体外边的岩土中。

以下为几个更具体的例子：

案例1：直径为1500mm的波纹钢管道8位于坡度20％(α1＝11.31°)的地形上，采用防滑移结构固定。防滑移结构中的锚固杆圆钢直径为25mm，锚固杆钻孔角度15°，锚固体7长度6000mm。

案列2：直径为6000mm的波纹钢管道8位于坡度25％(α1＝14.03°)的地形上，采用防滑移结构固定。防滑移结构中的锚固杆圆钢直径为28mm，锚固杆钻孔角度18°，锚固体7长度8000mm。

案列3：直径为10000mm的波纹钢管道8位于坡度30％(α1＝16.7°)的地形上，采用防滑移结构固定。防滑移结构中的锚固杆圆钢直径为30mm，锚固杆钻孔角度20°，锚固体7长度10000mm。

该防滑移结构通过设在波纹钢管道两侧拱腋、拱肩对称设置处的4个反拉力点，施加与下滑力相反方向的被动反拉力，从而阻止波纹钢管道的滑移。4个反拉力点在每侧对称位置布置2个，分别位于波纹钢管道的拱腋、拱肩适当位置并对称，以达到波纹钢管道结构四周均匀受力、减少管道变形，保证使用寿命目的。锚杆现场完成组装并对波纹钢管道拉紧之后，波纹钢管道开始回填土、碾压并交付使用，此后，一旦波纹钢管道发生滑移，由于锚杆一端与波纹钢管道已紧固，另一端被锚固体、岩土锁定，这样势必产生一个滑移方向被动反拉力，则波纹钢管道的下滑力将在此力的平衡下，达到稳定状态。

当波纹钢管道处于陡坡地形和地质不良地段时，可通过调节锚固杆波纹钢管上部末端锚固杆或波纹钢管下部末端锚固杆的圆钢段末端进入锚固体的锚固长度L4，以及锚杆的位置和数量，来满足防滑移和边坡加固的需要。

弧形加强波纹钢板在波峰处设有三处钻孔，锚杆对波纹钢管道的拉力通过弧形加强波纹钢板与波纹钢管道的三点连接而降低由拉力引起的波纹钢管道的内部应力，起到了局部加强的作用。

圆钢连接锚杆的圆钢螺纹段与矩形框架拉紧器采用螺纹方式连接，并可通过拉紧器松紧螺母进行松紧调整和紧固。

矩形框架拉紧器中的W1的宽度应满足拉紧器松紧螺母紧固作业的需要，L2的长度应大于2倍的L1。

波纹钢管上部末端锚固杆或波纹钢管下部末端锚固杆的圆钢段进入锚固体，通过圆钢与四周砂浆的握裹力将圆钢段与锚固体连接一起，L3应大于L2。

总之，本发明通过锚杆的拉力作用，达到波纹钢管道的受力平衡，满足了波纹钢管道防滑移的需要，具有结构简单、构件少、加工容易、成本低等特点，是对现有技术的一种重要改进。