一种维持黄土地基承载力的挑流式排水系统及施工方法与流程

1.本公开涉及公路地基排水施工领域，尤其涉及一种维持黄土地基承载力的挑流式排水系统及施工方法。


背景技术：

2.在公路工程施工中，急流槽的主要作用是将涵洞、截水沟以及其它来源的水流，在很短的距离内、水面落差很大的情况下排出地基范围，防止水流对地基冲刷，急流槽结构的合理与否直接关系到地基的安全。
3.传统急流槽施工由于施工队伍技术缺乏，造成施工工艺、质量难以保证和控制，导致急流槽出现砂浆不饱满，勾缝脱落、渗水、开裂，冲刷地基，形成地基掏空，甚至造成地基沉降变形和垮塌。
4.此外，在黄土沟壑地区，由于黄土地质形成天然陡峻地形，即陡崖直立部分为q3、q2黄土，具备一定的湿陷性，需避免流水冲刷或浸泡。若采用传统的急流槽施工方法，则会耗费大量的人力、物力、财力，并无法保证工程质量、造成系列病害。


技术实现要素：

5.本发明的实施例提供一种维持黄土地基承载力的挑流式排水系统及施工方法，巧妙利用黄土地区独特的地质特点和地形特点，最大程度发挥挑流自然能，第二排水段采用挑流式排水代替传统的排水构造物，将排水挑流至地质隔水层，既简化了工程量，又利用地质优势避免了流水掏涮湿陷性黄土地基及构造物基础。
6.为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
7.一方面，提供一种维持黄土地基承载力的挑流式排水系统，包括：将公路排水输送到陡崖的第一排水段、将所述第一排水段排水输送到崖底的第二排水段、将所述第二排水段排水排出崖底的第三排水段；
8.陡崖为湿陷性黄土地质，崖底为非湿陷性黄土地质；
9.所述第二排水段为挑流式排水，所述第二排水段的排水挑流至所述第三排水段，所述第三排水段对所述第二排水段的排水消能处理后排放。
10.基于一方面，在一种可能的实现方式中，陡崖为q2老黄土或q3新黄土,具有湿陷性，陡崖须严格限制水流冲刷；
11.崖底则为q1老黄土或n2第三纪红土层，为水文地质相对隔水层，无需担心排水对崖底冲刷。
12.基于一方面，在一种可能的实现方式中，所述第二排水段包括：金属材质的急流槽、将所述急流槽固定于陡崖崖壁的固定组件；
13.所述急流槽的进水端与所述第一排水段连通。
14.基于一方面，在一种可能的实现方式中，所述急流槽位于陡崖顶部。
15.基于一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一排水段包括排水流道ⅰ；
16.所述排水流道ⅰ与所述第二排水段连通，所述排水流道ⅰ位于陡崖顶面。
17.基于一方面，在一种可能的实现方式中，所述第三排水段包括：用于排水消能处理的跌水消力池、与所述跌水消力池连通的排水流道ⅱ；
18.所述第二排水段的排水挑流至所述跌水消力池消能处理后从所述排水流道ⅱ排放。
19.另一方面，提供一种维持黄土地基承载力的挑流式排水施工方法，包括：
20.根据陡崖和崖底的地质条件选择排水路径；
21.同步和/或逐次施工排水路径的第一排水段、第二排水段、第三排水段；
22.对第一排水段和第二排水段的接缝处做地基处理和防水处理。
23.基于另一方面，在一种可能的实现方式中，施工排水路径的第二排水段，包括：
24.工厂化加工急流槽及斜撑杆；
25.在陡崖上部浇筑混凝土基座及牛腿，同时预埋钢结构螺栓；
26.将急流槽与斜撑杆现场拼装，并通过法兰盘与预埋螺栓连接固定；
27.对接缝处进行地基处理和防水处理；
28.施工排水路径的第三排水段，包括：
29.根据水力运动特点，在崖底适当位置施做跌水消力池，并保证水流通畅。
30.基于另一方面，在一种可能的实现方式中，急流槽与斜撑杆的安装，是通过起吊设备现场拼装、微调和紧固完成的。
31.基于另一方面，在一种可能的实现方式中，跌水消力池中心距挑流口的水平距离b及垂直高差h的几何关系为：h/b＝1:0.3～1:0.6。
32.在本公开中，至少具有如下技术效果或优点：
33.本发明的实施例巧妙利用黄土地区独特的地质特点和地形特点，最大程度发挥挑流自然能，第二排水段采用挑流式排水代替传统的排水构造物，将排水挑流至第三排水段的地质隔水层，既简化了工程量，又利用地质优势避免了流水掏涮湿陷性黄土地基及构造物基础。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为根据本公开的一些实施例提供的挑流式排水系统平面布置示意图；
36.图2为根据本公开的一些实施例提供的挑流式排水系统中急流槽立面布置示意图；
37.图3为根据本公开的一些实施例提供的斜撑组件安装于混凝土基座的示意图；
38.图4为根据本公开的一些实施例提供的金属材质急流槽与混凝土基座之间填充沥青麻絮防水层的示意图；
39.图5为根据本公开的一些实施例提供的金属材质急流槽内排水挑流示意图；
40.图6为根据本公开的一些实施例提供的跌水消力池平面示意图；
41.图7为根据本公开的一些实施例提供的跌水消力池剖面示意图；
42.图8为传统排水施工图示；
43.图9为黄土地区的地质地形照片；
44.图10为根据本公开的一些实施例提供的挑流式排水系统效果图；
45.图11为根据本公开的一些实施例提供的维持黄土地基承载力的挑流式排水系统示意图；
46.图12为根据本公开的一些实施例提供的挑流式排水施工方法流程图；
47.附图标记：1-急流槽；2-固定组件；3-混凝土基座；31-墙趾；32-牛腿；33-搭板；4-预埋法兰盘；5-沥青麻絮防水层；6-流水；7-跌水消力池；71-消力坎；72-墙身；73-第一铺底；74-基础；75-截水墙；76-前池；77-后池；8-黄土峁(塬、梁)；81-陡崖；82-崖底；83-冲沟；84-崖顶；9-公路；10-上游急流槽；11-挑流口；101-第二铺底；102-侧墙；a-第一排水段；b-第二排水段；c-第三排水段。
具体实施方式
48.下面结合附图所示的各实施方式对本公开进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本公开的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本公开的保护范围之内。
49.黄土属于特殊的地质结构，其突出特征是柱状节理发育、遇水情况下承载力急剧降低。我国黄土堆积时代包括整个第四纪，其中早更新世(q1)午城黄土和中更新世(q2)离石黄土称为老黄土，其大孔结构多已退化，一般不具湿陷性，仅在q2离石黄土的上部有轻微湿陷性，或在大压力下有湿陷性。晚更新世(q3)马兰黄土和全新世早期(q
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)堆积的黄土称为新黄土，有较强烈的湿陷性。请参阅图9，在陕北黄土沟壑地区，由于黄土地质形成天然陡峻地形，即陡崖直立部分为q3、q2黄土，具备一定的湿陷性，需避免流水冲刷或浸泡，而崖底则为q1老黄土或n2第三纪红土层，不具备湿陷性，为水文地质相对隔水层，无需担心流水对其冲刷。此时若采用传统的急流槽施工方法，则会耗费大量的人力、物力、财力，并无法保证工程质量、造成系列病害。
50.基于上述原因，请参阅图1-图8、图10和图11，本公开实施例提供一种维持黄土地基承载力的挑流式排水系统，包括：将公路9排水输送到陡崖81的第一排水段a、将第一排水段a排水输送到崖底82的第二排水段b、将第二排水段b排水排出崖底82的第三排水段c；陡崖81为湿陷性黄土地质，崖底82为非湿陷性黄土地质；第二排水段b为挑流式排水，第二排水段b的排水挑流至第三排水段c，第三排水段c对第二排水段b的排水消能处理后排放。
51.针对黄土地形陡峭的特殊环境，巧妙利用地质条件差异(陡崖81的崖顶84和崖底82)形成的天然地形高差，采用第二排水段b挑流自然能，实现了挑流式排水系统与黄土特殊地质条件的完美统一。
52.在实际应用中，本公开实施例的挑流式排水系统，优选陡崖81为q2老黄土或q3新黄土,具有湿陷性，陡崖81须严格限制水流冲刷；崖底82则为q1老黄土或n2第三纪红土层，为水文地质相对隔水层，无需担心排水对崖底82冲刷。
53.在上述方案中，请继续参阅图1-图8、图10和图11，优选第二排水段b包括：金属材质的急流槽1、将急流槽1固定于陡崖81崖壁的固定组件2；急流槽1的进水端与第一排水段a
连通。本公开实施例通过“对称型”斜撑杆件对急流槽1进行支撑，优化了受力结构；此外，本公开实施例采用镀锌钢板急流槽及斜撑杆，质量轻、防老化、加工方便且现场安装简单；采用混凝土基座3及牛腿32,同时预埋钢结构螺栓，可确保施工质量、维持结构稳定、加快施工进度并方便螺栓预埋；本发明采用起吊设备将钢板急流槽与斜撑杆现场拼装，并通过法兰盘与预埋螺栓连接固定，达到快速、简便施工的目的。
54.在实际应用中，优选急流槽1位于陡崖81顶部。本公开实施例巧妙利用地质条件差异(陡崖81的崖顶84和崖底82)形成的天然地形高差，实现了挑流式排水系统与黄土特殊地质条件的完美统一。
55.请继续参阅图1-图8、图10和图11，本公开实施例的挑流式排水系统，优选第一排水段a包括排水流道ⅰ；排水流道ⅰ与第二排水段b连通，排水流道ⅰ位于陡崖81顶面。排水流道ⅰ将公路9上的排水引流至第二排水段b，第二排水段b将排水挑流至第三排水段c。
56.请继续参阅图1-图8、图10和图11，本公开实施例的挑流式排水系统，优选第三排水段c包括：用于排水消能处理的跌水消力池7、与跌水消力池7连通的排水流道ⅱ；第二排水段b的排水挑流至跌水消力池7消能处理后从排水流道ⅱ排放。本公开实施例根据水力运动特点，在崖底82合适位置施做跌水消力池7，并保证水流通畅，其原理是根据水流排泄呈抛物线及黄土陡坎地质的独特性等确定。
57.本公开实施例的跌水消力池7位置处于黄土陡崖81的底部，属q1老黄土或n2红土层，属于水文地质相对隔水层，跌水消力池7设于此处，既可利用黄土直立性最大程度发挥水力挑流的优势、又可避免水流对q2或q3新黄土冲刷从而对砼基座形成掏蚀危害。
58.某公路9建设项目，位处典型的黄土高原地区，其排水工程需跨越黄土陡崖81远送至崖底82方才完成预期效果，但如此施工方法使得工程数量增加、施工难度加大、环境损伤严重、运营病害无法根治等一系列弊端。经现场地质核查，陡崖81段为q2老黄土或q3新黄土,具有一定湿陷性，须严格限制水流冲刷；而崖底82段为q1老黄土或第三纪n2红土层，属于水文地质相对隔水层，可以承受一定水流冲刷。
59.本公开实施例的设计构思是：一、利用黄土地质形成的天然“陡坎状”地形，采用“跳水运动式”排水方式，既可节省工程投资、降低施工难度，还可避免排水对陡坎部位(湿陷性黄土)的接触，从源头上规避了湿陷性黄土浸水后易出现掏涮、下沉等病害；二、采用工厂化加工镀锌钢板急流槽及斜撑杆，重量轻、质量优、防老化且现场安装简单；三、对钢板急流槽与圬工体急流槽1间接缝处填塞沥青麻絮进行防水处理，价格低、效果好；四、跌水消力池7位置处于黄土陡崖的底部，地质条件为q1老黄土或n2红土层，属于水文地质相对隔水层，跌水消力池7设于此处，是考虑到排水经跌水消力后可以漫流，并不会引起病害。
60.请参阅图12，本公开实施例提供的一种维持黄土地基承载力的挑流式排水施工方法，包括：根据陡崖81和崖底82的地质条件选择排水路径；同步和/或逐次施工排水路径的第一排水段a、第二排水段b、第三排水段c；对第一排水段a和第二排水段b的接缝处做地基处理和防水处理。
61.更具体地，优选施工排水路径的第二排水段b，包括：工厂化加工急流槽1及斜撑杆；在陡崖81上部浇筑混凝土基座3及牛腿32，同时预埋钢结构螺栓；将急流槽1与斜撑杆现场拼装，并通过法兰盘与预埋螺栓连接固定；对接缝处进行地基处理和防水处理。
62.传统的圬工体急流槽1，采用块片石浆砌或混凝土逐段现浇，存在工程量大、占地
面积多、施工困难、环境损伤严重、成本偏高等系列弊端，而且在后期养护运营中随着渗漏水掏空基础，进而引起湿陷性黄土下沉等病害频繁。
63.本公开实施例的急流槽1优选为镀锌钢板急流槽，采用镀锌钢板急流槽较传统的圬工体急流槽，巧妙的利用了黄土地质形成的陡坎状悬崖，节约了工程数量、减轻了劳动强度、加快了施工进度，尤其是避免了渗漏水对湿陷性黄土地基及构造物基础的掏涮，经济效益和社会效益均十分显著。
64.更具体地，优选施工排水路径的第三排水段c，包括：根据水力运动特点，在崖底82适当位置施做跌水消力池7，并保证水流通畅。
65.本公开实施例的挑流式排水施工方法，优选急流槽1与斜撑杆的安装，是通过起吊设备现场拼装、微调和紧固完成的。本公开实施例的挑流式排水施工方法，优选跌水消力池7中心距挑流口11的水平距离b及垂直高差h的几何关系为：h/b＝1:0.3～1:0.6。
66.由于黄土地质直立性特点，其陡崖81近似直立状，地层岩性为q2老黄土或q3新黄土，具有一定湿陷性，须严格限制水流冲刷；但崖底82地形较为平缓，其地质条件为q1老黄土或n2红土层，属于水文地质相对隔水层，地基排水经跌水消力后可以在此区域实行漫流，并不会引起病害。
67.本实施例的急流槽1结构包括镀锌钢板急流槽和斜撑杆，其中急流槽1钢板厚毫米，采用热浸镀锌涂层或热浸镀铝涂层；斜撑杆内径80毫米、壁厚3毫米，采用“双柱式”、“对称型”布置。急流槽1和斜撑杆均采用工厂化加工、现场拼装，确保产品质量并方便快速安装。
68.本实施例在黄土陡崖的上部施作混凝土基座3，混凝土基座3的断面尺寸是根据上覆钢板急流槽的重量及流水荷载等综合确定的，其标号为c30；混凝土基座3顺陡崖81爬坡呈“仰斜式”外形，可以发挥黄土地层直立性突出的优点。
69.在实际应用中，优选混凝土基座3上部增加牛腿32结构，可防止混凝土基座3沿坡面产生下沉。
70.本实施例在浇筑混凝土基座3的同时，在混凝土表面预埋螺栓，并注意与钢结构固定螺母尺寸相适配。本实施例的急流槽1和斜撑杆在现场安装过程中是通过预埋法兰盘4与预埋螺栓相连接，其预埋法兰盘4采用200毫米
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200毫米、厚10毫米。
71.镀锌钢板急流槽1与第一排水段a之间存在施工缝，存在渗漏水的风险，故本实施例对施工缝及混凝土基座3预留的钢板急流槽1位置堵塞沥青麻絮。为防止施工缝处因为渗漏水而发生基础下沉，本实施对施工缝下伏基础采用混凝土搭板结构。第一排水段a则为传统的浆砌或混凝土结构，由铺底及侧墙102组成。
72.本实施例在崖底82的适当位置施作跌水消力池7,跌水消力池7中心距挑流口11的水平距离b及垂直高差h的关系为：h/b＝1:0.3～1:0.6。跌水消力池7分前池76和后池77，前池76断面呈“倒梯形”状，有利于增大过水断面，后池77断面呈“矩形”状，是基于收敛上方跌水、防止溅水外溢的目的而采取的技术措施；前池76和后池77间增设消力坎71，目的在于缓解水流速度、防止水流速度过快对自然沟谷的过度冲刷；前池76和后池77的结构均由墙身72、铺底和基础74组成，满足结构稳定、排水通畅的目的；在基础74下增设截水墙75，目的在于防止排水溯源并掏涮消力池基础74；水流出前池76后，即顺应自然沟谷实现散排。
73.本发明的实施例巧妙利用黄土地区独特的地质特点和地形特点，最大程度发挥挑
流自然能，第二排水段b采用挑流式排水代替传统的排水构造物，将排水挑流至第三排水段c的地质隔水层，既简化了工程量，又利用地质优势避免了流水掏涮湿陷性黄土地基及构造物基础。
74.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本公开的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本公开的保护范围，凡未脱离本公开技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本公开的保护范围之内。
75.对于本领域技术人员而言，显然本公开不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本公开的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本公开。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本公开的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本公开内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
76.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。