一种随水位变化边坡自动加载加固装置及加固方法

1.本发明涉及库岸边坡防护防治领域，尤其是一种随水位变化边坡自动加载加固装置加固方法， 能够利用库水位上升的浮力自动对边坡锚索施加张拉荷载。


背景技术：

2.库岸边坡的变形破坏常常给社会公共安全以及人民生命财产造成巨大损失，在库岸边坡的崩塌、滑坡等各种破坏形式中，库水位的变化往往是诱导边坡向不稳定方向发展的重要因素。在库水位上升阶段，库水淹没滑坡坡脚，滑坡坡脚受到库水产生的向上的浮托力作用，减小了坡脚压力，即降低滑坡的坡脚抗滑力；同时在库水浸泡软化作用下，岩土体的抗剪能力逐渐降低。在这两个方面因素作用下，容易导致库岸边坡稳定性降低甚至产生失稳破坏。
3.为了提高库岸边坡的稳定性，预应力锚索是常用的工程防护措施，在控制边坡变形、保证边坡稳定中效果显著。但由于库岸边坡岩土结构相对比较松散，而且长期的库水位升降循环作用导致岩土体物理力学特性劣化，锚固范围内的岩土体变形大，进而导致预应力锚索的预应力逐渐损失，使得加固效果逐渐减弱。因此，急需一种装置，以维持预应力锚索的预应力，进而保证其加固效果。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种随水位变化边坡自动加载加固装置加固方法，施工方便、工程量小、对岸坡原状土体扰动较小且能够随着库水的上升自动施加张拉荷载，有效地维持或者增大锚索预应力，提高岸坡稳定性。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种随水位变化边坡自动加载加固装置，包括格构梁、锚索及浮力装置；所述格构梁固定在岸坡上并设置有多个格区；所述锚索包括外锚固段、自由段和内锚固段，其中，外锚固段设有第一锚头、第二锚头，自由段处安装有定滑轮，锚索主体绕过定滑轮且两端分别与第一锚头、第二锚头连接；锚索主体一端通过第一锚头锁紧，锚索主体另一端伸出第二锚头后与浮力装置连接；所述浮力装置置于格区中，浮力装置包括边框，边框内固定有浮块，在水位上升时，浮力装置升起并对锚索主体施加张拉荷载。
6.所述第二锚头内设有锁紧结构，包括l型梁、楔形锚体、弹簧，其中，l型梁固定在第二锚头上，楔形锚体设置在第二锚头的锥形孔内并通过弹簧与l型梁连接。所述第一锚头处安装有锚索测力计。
7.所述第二锚头与浮力装置之间通过固定螺栓可拆卸连接。
8.所述定滑轮安装在自由段和内锚固段的连接处。
9.所述边框侧壁设有孔隙。
10.所述锚索沿岸坡坡面逐次向下等间距布置且各锚索的底面高程沿岸坡向下逐次
降低。
11.一种随水位变化边坡自动加载加固方法，利用库水上升淹没浮力装置，利用浮力装置的浮力，拉动锚索主体的张拉端，通过锚索主体的锁紧端对外锚固段施加向坡内的拉力，从而提高锚索预应力，对边坡加固。
12.一种随水位变化边坡自动加载加固方法，包括以下步骤：步骤1、设计锚索、浮力装置、固定锚索和浮力装置的格构梁的具体参数，所述构件的具体参数均可根据实际工程的规模确定，锚索为预制的，在自由段和内锚固段连接处安装有定滑轮，且已经过防锈处理；步骤2、材料与器械准备：将预制的锚索、浮力装置、格构梁以及钻机等施工器械运至施工场地；步骤3、清理岸坡：对岸坡进行清理和修整，清除会影响后续施工的碎石、杂草等，清理出工作面以便于后续的施工；步骤4、测量放线：在岸坡坡面上进行测量放线，并标记处各锚索的位置；步骤5、造孔：根据坡面测放孔位，准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值，按预留位置钻孔；步骤6、安装格构梁，按设计坐标进行横、竖梁位置和坡度的测定后，安装钢筋并对钢筋焊接绑扎及固定，最后浇筑混凝土；步骤7、安装锚索，将锚索放入孔内并预留张拉工作长度，利用高压注浆管将配比好的水泥浆注入孔底，风干后按设计进行张拉加荷载，完成后设置锚索测力计；步骤8、安装浮力装置，将由边框固定好的浮力装置放入格构梁的每一个格区中，再用相邻四个格构节点1.2处的锚索主体穿过边框的四个固定角，最后拧紧固定螺栓，完成安装；步骤9、当库水位上升至高水位线h1时，此时各浮力装置淹没于水中，浮力对锚索主体施加拉力，因为单向锁紧结构，锚索主体被拉伸无法收缩，又根据力平衡原理，拉力通过定滑轮传递给外锚固段，从而保证锚索始终处于锁紧状态，能维持或增大锚索预应力。
13.本发明一种随水位变化边坡自动加载加固装置加固方法，具有以下技术效果：1）、常规的防护措施随水位上升，岩土体结构松散，变形大，锚固体的预应力损失大，效果不佳，本装置通过在自由段与内锚固段安装了定滑轮，通过钢绞线连接外锚固段和浮力装置，不需要其他任何外部作用，便将库水上升产生的浮力转化为了对边坡的压力，利用浮力自动施加张拉荷载，不仅可以避免预应力损失，还可以自动补充预应力到设水平。
14.2）、该装置器材简单，施工方便；所用锚索、浮力装置等均为预制，装配简单，随到随用；整个施工过程无需大规模开挖，施工方便，节省了人力物力，带来了直接的和间接的效益，并且对岸坡原状土扰动较小，更有利于岸坡的稳定。
15.3）、将浮力装置设计为立方体，由框架固定，放置在每一个格构梁的格区中，并与相邻格构节点处的锚索张拉端连接，充分地利用了格构梁的格区空间，不仅提高了浮力装置自身的稳定性，还能够根据实际的浮力需求增大体积，产生更大的浮力，进一步增强了岸坡的稳定性。
16.4）、外框架与锚索张拉端的连接处设置为可活动的，便于更换浮力装置内部的轻质材料，并在锚头处另外设有只出不进的自动锁紧结构和锚索测力计，避免预应力损失的
同时也可以随水位变化实时调节。
17.5）、常规的预应力锚索只设置有第一锚头，通过内外锚头的连结，对锚索体张拉来提供预应力，在库水周期性升降变化作用，岩土体产生损伤，坡体结构变松散，导致预应力锚索的预应力逐渐损失失效，本装置通过设置第二锚头，随水位变化实时张拉锚索体，增大锚索预应力。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明的剖面图。
19.图2为本发明中浮力装置的纵向剖面图。
20.图3为本发明中锚索的纵向剖面图。
21.图4为本发明中浮力装置的横向剖面图。
22.图5为本发明中第一锚头的示意图。
23.图6为本发明中第二锚头的示意图。
24.图中：格构梁1，格区1.1，格构节点1.2，锚索2，浮力装置3，岸坡4，岩体5，外锚固段2.1，自由段2.2，内锚固段2.3，第一锚头2.4，第二锚头2.5，定滑轮2.6，锚索主体2.7，锚索测力计2.8，固定螺栓2.9，锚索孔2.10，导向帽2.11，钢绞线2.12，边框3.1，浮块3.2，封锚2.4.1，锚具2.4.2，楔形锚体2.5.1，l型梁2.5.2，弹簧2.5.3，刻槽2.5.4。
具体实施方式
25.如图1所示，一种随水位变化边坡自动加载加固装置，包括设在边坡上的锚索2、浮力装置3及固定锚索2、浮力装3的格构梁1。
26.所述锚索2为改装锚索，包括外锚固段2.1，自由段2.2和内锚固段2.3。
27.外锚固段2.1处设有第一锚头2.4、第二锚头2.5。如图5所示，第一锚头2.4包括封锚2.4.1和锚具2.4.2，第一锚头2.4直接锁紧。第二锚头2.5内设有锁紧结构，锁紧结构包括楔形锚体2.5.1、l型梁2.5.2、弹簧2.5.3、刻槽2.5.4，l型梁2.5.2固定在第二锚头2.5上，楔形锚体2.5.1位于第二锚头2.5的锥形槽中并通过弹簧2.5.3与l型梁2.5.2连接。第二锚头2.5在张拉过程中，弹簧2.5.3顶住楔形锚体2.5.1，楔形锚体2.5.1只进不退，保证锚索主体2.7始终处于锁紧状态。
28.另外，在第一锚头2.4处安装有锚索测力计2.8，可以监测水库运行过程中各阶段锚索的应力状态，根据实际情况，当库水位上升时，启动本装置。在锚头2处安装有可拆卸的固定螺栓2.9，能够连接第二锚头2.5和浮力装置3。
29.在自由段2.2和内锚固段2.3的连接处设计有定滑轮2.6，锚索2在施工前应已预制完成并做好防锈处理，锚索主体的长度、直径以及间距等参数可根据实际的工程情况并结合锚索2在岸坡上的具体位置确定，所述锚索2沿岸坡坡面逐次向下等间距布置且各锚索2的底面高程沿岸坡4（土体）向下逐次降低；所述浮力装置3设计为方体并由边框3.1（轻质框架）固定而成，内部装有可更换的浮块3.2（轻质材料），放置于每一个格构梁1的格区1.1中，并与相邻四个格构节点1.2处的锚索主体2.7（钢绞线）张拉端连接，水位上涨后能提供巨大浮力。本发明能够随着库水位的上升对边坡施加张拉荷载，从而提高岸坡稳定性，且施工方
便、工程量小、对岸坡原状土体扰动较小。
30.一种随水位变化边坡自动加载加固方法，包括以下步骤：步骤1、设计锚索2、浮力装置3、固定锚索2和浮力装置3的格构梁1的具体参数，所述构件的具体参数均可根据实际工程的规模确定，锚索为预制的，在自由段2.2和内锚固段2.3连接处安装有定滑轮2.6，且已经过防锈处理。
31.格构布置于坡面上，采用现浇钢筋混凝土，方形或者菱形结构形式，格构水平间距3000mm~5000mm，格构梁断面高
×
宽一般为300mm
×
250mm～450mm
×
400mm，混凝土强度等级不应低于c25。在格构梁节点布置预应力锚索，锚索直径为一般240mm～300mm，长度为一般6000mm～30000mm，倾角一般为15
°
～20
°
，第一锚头和第二锚头的直径一般为120mm～150mm，定滑轮直径一般为180mm～240mm。浮力装置3为轻质材料的长方体，布置于格构梁1的各个格区1.1中，长
×
宽尺寸根据格构水平间距确定，一般为3000mm~5000mm，高度与格构梁高度一致，一般为300mm~450mm。
32.步骤2、材料与器械准备：将预制的锚索2、浮力装置3、格构梁1以及钻机等施工器械运至施工场地。
33.步骤3、清理岸坡：对岸坡进行清理和修整，清除会影响后续施工的碎石、杂草等，清理出工作面以便于后续的施工。
34.步骤4、测量放线：在岸坡坡面上进行测量放线，并标记处各锚索2的位置。
35.步骤5、造孔：根据坡面测放孔位，准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值，按预留位置钻孔。
36.步骤6、安装格构梁，按设计坐标进行横、竖梁位置和坡度的测定后，安装钢筋并对钢筋焊接绑扎及固定，最后浇筑混凝土。
37.步骤7、安装锚索，将锚索2放入孔内并预留张拉工作长度，利用高压注浆管将配比好的水泥浆注入孔底，风干后按设计进行张拉加荷载，完成后设置锚索测力计2.8。
38.步骤8、安装浮力装置3，将由边框3.1固定好的浮力装置3放入格构梁的每一个格区中，再用相邻四个格构节点1.2处的锚索主体2.7穿过边框3.1的四个固定角，最后拧紧固定螺栓2.9，完成安装。
39.步骤9、当库水位上升至高水位线h1时，此时各浮力装置淹没于水中，浮力对锚索主体2.7施加拉力，因为单向锁紧结构，锚索主体2.7被拉伸无法收缩，又根据力平衡原理，拉力通过定滑轮传递给外锚固段2.1，从而保证锚索2始终处于锁紧状态，能维持或增大锚索预应力。