一种库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构及其监测系统的制作方法

1.本发明涉及水库库岸地质灾害防治技术领域，尤其涉及一种库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构及其监测系统。


背景技术：

2.水库库区峡谷岸坡消落带加固目前常用钢制锚索进行锚固，但库区消落带往往受到干湿循环作用，传统的钢制锚索易锈蚀，且水位长时间循环变动情况下锚固结构的健康状况难以监测，这给库岸边坡带来一定的安全风险。现阶段，大量新型纤维增强复合材料锚杆(索)的出现为库岸边坡消落带加固提供了新的思路。其中，玄武岩纤维筋的抗拉强度大于1.1gpa，密度为钢筋的1/3～1/4，具有耐腐蚀性好，稳定性高和原材料成本低等优点，是一种绿色环保的轻质锚索制作材料。但是玄武岩纤维筋抗剪强度差，易因受剪切力而断裂。
3.现阶段，研究人员更多的关注玄武岩纤维筋与混凝土介质的粘结作用，能实际应用于库岸边坡消落带防护结构的大吨位锚固结构体系与其对应的锚固结构健康监测系统尚未开发。为满足峡谷区库岸边坡消落带锚固需求，提高玄武岩纤维筋锚索锚固结构的抗剪性能，有必要开发一种能实际应用于库岸边坡消落带锚固的大吨位玄武岩纤维锚固结构和锚固结构健康自动化监测系统。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了实现库岸边坡消落带锚固的大吨位玄武岩纤维锚固结构设计和锚固结构健康自动化监测，本发明的实施例提供了一种库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构及其监测系统。
5.本发明的实施例提供一种库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构，包括：
6.多根玄武岩纤维锚固筋，每一所述玄武岩纤维锚固筋包括多根相互粘接的玄武岩纤维筋、与各所述玄武岩纤维筋下端粘接的下钢套管、与各所述玄武岩纤维筋上端粘接的上钢套管、以及与所述上钢套管上部粘接且与所述玄武岩纤维筋对中的钢绞线，其中每一所述玄武岩纤维筋内部粘合有光栅阵列温度传感光缆、光栅阵列应力传感光缆、及光栅阵列振动传感光缆；
7.布设于锚固钻孔内壁结构面处的多块抗剪砖；
8.设置于所述锚固钻孔底部的浇筑底座，每一所述玄武岩纤维锚固筋的下钢套管浇筑于所述浇筑底座内、上钢套管设置于锚固钻孔内部；
9.以及设置于所述浇筑底座上部的锚固段，所述锚固段包括多根供各所述玄武岩纤维锚固筋穿过的锚固套管、以及浇筑于各所述锚固套管之间的高强混凝土浇筑层。
10.进一步地，所述锚固钻孔内位于各所述抗剪砖高程均设有抗剪对中支架，抗剪对中支架上设有多个供各所述玄武岩纤维锚固筋穿过的穿孔。
11.进一步地，所述抗剪对中支架为圆盘形，各所述穿孔均匀分布于所述抗剪对中支架上，每一所述穿孔的两端均向外延伸形成裹握结构。
12.进一步地，还包括锚环，各所述下钢套管上端与所述锚环插接，且所述锚环内嵌于所述浇筑底座上部。
13.进一步地，所述锚固钻孔内沿着锚固钻孔轴线方向设有多个间隔设置的对中支架，所有玄武岩纤维锚固筋均穿过所述对中支架。
14.进一步地，包括设置于所述锚固钻孔孔口处的锚固垫板、插接于锚固垫板穿孔中的有机夹片、设置于有机夹片上端的上垫板，以及浇筑于所述锚固垫板外的混凝土锚墩，各所述钢绞线贯穿所述锚固垫板且浇筑于所述混凝土锚墩内，各所述钢绞线延伸出所述混凝土锚墩。
15.进一步地，还包括钻孔全孔壁成像系统，所述钻孔全孔壁成像系统用于获取所述锚固钻孔内图像，以确定结构面位置。
16.进一步地，所述玄武岩纤维筋与所述上钢套管及下钢套管粘接部分表面喷砂处理，所述钢绞线与所述上钢套管粘接部分表面刻痕处理或喷砂处理，所述上钢套管和所述下钢套管内壁设有内螺纹。
17.本发明的一种库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构带来的有益效果是：采用绿色环保、耐腐蚀且抗拉性能好的玄武岩纤维筋材料，克服了库岸边坡锚固时传统钢制锚索易锈蚀失效的缺点。玄武岩纤维锚固结构安装前，首先精准确定了锚固钻孔中的弱面分布位置，在锚固钻孔内部层理、节理和软弱夹层等结构面处精准设置高强度贴壁抗剪砖加固孔壁，进而采用内置光栅阵列温度传感光缆、光栅阵列应力传感光缆、光栅阵列振动传感光缆的玄武岩纤维筋对岸坡消落带进行锚固，各结构面对应高程处的各束玄武岩纤维锚固筋用高强度抗剪对中支架分隔开，大幅提高了锚固结构的抗剪性能。施加预应力后，玄武岩纤维筋通过下钢套管对锚环施加压应力，锚环进而向锚固段高强度混凝土施压，该结构充分利用了高强度混凝土抗压性能强的特点，大幅提高了锚固结构的锚固能力。
18.本发明的实施例还提供了一种上述库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构的监测系统，包括数据采集模块，其分别连接各所述光栅阵列温度传感光缆、各所述光栅阵列应力传感光缆、及各所述光栅阵列振动传感光缆，通过所述钢绞线对所述玄武岩纤维锚固筋施加预应力，所述数据采集模块用以采集施加预应力后每一所述玄武岩纤维筋的温度、应力以及振动数据。
19.进一步地，所述数据采集模块包括光纤光栅解调仪、自动数据采集系统和gprs数据传输系统，其中所述光纤光栅解调仪分别连接每一所述玄武岩纤维筋内的光栅阵列温度传感光缆、光栅阵列应力传感光缆、及光栅阵列振动传感光缆，所述自动数据采集系统分别连接所述光纤光栅解调仪和gprs数据传输系统，所述gprs数据传输系统与库岸边坡监测预警终端连接。
20.本发明的一种库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构的监测系统带来的有益效果是：内置于玄武岩纤维筋内部的光栅阵列传感光缆能精确测试长时间范围内锚固结构内部的温度、应力和振动响应特征，该监测系统能对锚固结构进行长时间自动化监测，是一种绿色环保、经济可靠、自动化监测程度高的库岸边坡先进锚固结构监测系统。
附图说明
21.图1是本发明一种库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构及其监测系统的示意
图；
22.图2是图1中锚固钻孔孔口处玄武岩纤维锚固筋的锚固结构示意图；
23.图3是单根玄武岩纤维筋的横截面示意图；
24.图4是图2中a处的横截面示意图；
25.图5是图2中b处的横截面示意图；
26.图6是图1中抗剪对中支架5的横截面示意图；
27.图7是图1中对中支架6的横截面示意图；
28.图8是图1中锚环7的横截面示意图；
29.图9是图1中锚固段13的横截面示意图。
30.图中：1
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玄武岩纤维锚固筋、101
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玄武岩纤维筋、101a
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光栅阵列温度传感光缆、101b
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光栅阵列应力传感光缆、101c
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光栅阵列振动传感光缆、102
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上钢套管、103
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下钢套管、104
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钢绞线、105
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粘钢胶、2
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抗剪砖、3
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浇筑底座、4
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数据采集模块、401
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光纤光栅解调仪、402
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自动数据采集系统、403
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gprs数据传输系统、404
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fc/pc跳线、5
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抗剪对中支架、501
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穿孔、502
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裹握结构、503
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注浆孔、6
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对中支架、601
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对中孔、602
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注浆孔、7
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锚环、701
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锚固孔、702
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注浆孔、8
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锚固垫板、9
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混凝土锚墩、10
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结构面、11
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有机夹片、12
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锚固钻孔、13
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锚固段、1301
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锚固套管、1302
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高强混凝土层、14
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上垫板。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
32.请参考图1，本发明的实施例提供了一种库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构及其监测系统。
33.本发明的实施例提供一种库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构，包括多根玄武岩纤维锚固筋1、多块抗剪砖2、浇筑底座3、以及锚固段13。
34.具体的，请参考图2、4和5，所述玄武岩纤维锚固筋1主要由多根玄武岩纤维筋101、下钢套管103、上钢套管102和钢绞线104组成。各所述玄武岩纤维筋101相互粘接成束，之后各所述玄武岩纤维筋101下端插入所述下钢套管103内通过粘钢胶105粘接连接，各所述玄武岩纤维筋101上端插入所述上钢套管102内通过粘钢胶105粘接连接，同时所述钢绞线104由所述上钢套管102上端插入与成束的各所述玄武岩纤维筋101对中设置，再通过粘钢胶105进行粘接固定。这里所述钢绞线104和各所述玄武岩纤维筋101分别占用所述上钢套管102的1/2。
35.优选的，所述玄武岩纤维筋101与所述上钢套管102及下钢套管103粘接部分表面喷砂处理，所述钢绞线104与所述上钢套管102粘接部分表面刻痕处理或喷砂处理，所述上钢套管102和所述下钢套管103内壁设有内螺纹，这样可以增大摩擦，以保障连接部分的强度。
36.请参考图3，上述每一所述玄武岩纤维筋101内部粘合有光栅阵列温度传感光缆101a、光栅阵列应力传感光缆101b、及光栅阵列振动传感光缆101c。这三光缆在所述玄武岩纤维筋101粘合成型时通过有机材料与玄武岩纤维丝粘合成一体，形成完整的玄武岩纤维筋101。
37.所述抗剪砖2布设于锚固钻孔12内壁层理、节理和软弱夹层等结构面10发育处，具体沿着所述锚固钻孔12高度方向间隔设置。所述抗剪砖2由高强度有机材料制成，所述抗剪砖2贴壁面弧长和贴壁高度可依据层理、节理和软弱夹层等结构面10截割锚固钻孔12的宽度与高度确定。
38.所述抗剪砖2在所述锚固钻孔12内壁贴壁布设的方法为：安装前在所述抗剪砖2外侧表面涂抹一层与抗剪砖制备材料相同的有机材料，在所述抗剪砖2表面高强度有机材料将凝未凝时，将所述抗剪砖2悬空下入所述锚固钻孔12中与之对应的层理、节理和软弱夹层等结构面10发育处，将所述抗剪砖2外侧未凝材料朝向所述锚固钻孔12中的层理、节理和软弱夹层等结构面10。随后，将封隔器下入所述锚固钻孔12，使封隔器胶皮筒与所述抗剪砖2位于同一高程，控制封隔器胶皮筒膨胀，使所述抗剪砖2与所述锚固钻孔12壁紧密贴合，待所述抗剪砖2与所述锚固钻孔12壁紧密粘结后，控制封隔器胶皮筒收缩，取出封隔器，完成所述抗剪砖2的布设。重复该步骤，即可完成所有抗剪砖2的布设。
39.为了精确确定所述锚固钻孔12中的弱面分布位置，即锚固钻孔12内壁层理、节理和软弱夹层等结构面10发育的高程和方位，该库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构还设有钻孔全孔壁成像系统。通过所述钻孔全孔壁成像系统获取锚固钻孔12的360
°
孔壁图像，进而可确定层理、节理和软弱夹层等结构面10的发育位置，以便在锚固钻孔12内部层理、节理和软弱夹层等结构面10发育处精准设置高强度贴壁抗剪砖2加固孔壁，避免所述玄武岩纤维锚固筋101承受较大剪切力。
40.进一步地，请参考图1和6，所述锚固钻孔12内位于各所述抗剪砖2高程均设有抗剪对中支架5，抗剪对中支架5上设有多个供各所述玄武岩纤维锚固筋1穿过的穿孔501。每一所述抗剪砖2高程处设置一所述抗剪对中支架5，这里所述抗剪对中支架5为圆盘形，采用抗剪能力强的有机材料制成，各所述穿孔501均匀分布于所述抗剪对中支架5上，每一所述穿孔501的两端均向外延伸形成裹握结构502。每一所述玄武岩纤维锚固筋1的多根玄武岩纤维筋101穿过所述抗剪对中支架5的同一穿孔501，这样限位于同一对穿孔501中，避免多束玄武岩纤维锚固筋1下入所述锚固钻孔12时相互缠绕。
41.此外，请参考图1和7，所述锚固钻孔12内沿着锚固钻孔12轴线方向设有多个间隔设置的对中支架6，各所述对中支架6设置于所述锚固钻孔12位于层理、节理和软弱夹层等结构面10之外的部分，所述对中支架6同样为圆盘状，所述对中支架6上设有多个对中孔601，各所述玄武岩纤维锚固筋1分别穿过所述对中支架6上的各所述对中孔601，防止所述玄武岩纤维锚固筋1相互缠绕。
42.所述浇筑底座3设置于所述锚固钻孔12孔底，每一所述玄武岩纤维锚固筋1的下钢套管103浇筑于所述浇筑底座3内，同时各所述玄武岩纤维锚固筋1穿过锚环7，所述锚环7下部与各所述下钢套管103上端插接。所述浇筑底座3预先通过混凝土浇筑，具体浇筑方法为:首先在所述锚固钻孔12孔底下入一实心圆柱形铸铁，所述圆柱形铸铁直径与所述锚环7保持一致，所述圆柱形铸铁高度与所述锚环7上表面设计位置和锚固钻孔12底面的距离相等，向所述锚固钻孔12内注浆至注浆面高程与圆柱形铸铁上端面一致，待注浆浆液到达初凝状态后取出圆柱形铸铁。
43.请参考图1和8，所述锚环7为圆盘状，其上设有多个锚固孔701，各所述下钢套管103上端分别与所述锚环7上的各所述锚固孔701插接，且所述锚固孔701为阶梯孔，各所述
玄武岩纤维锚固筋1穿过所述锚固孔701。然后将所述锚环7内嵌于所述浇筑底座3上部，使各所述下钢套管103置于所述浇筑底座3内部，之后对所述浇筑底座3内进行混凝土浇筑，混凝土凝固后各所述下钢套管103固定。这里在所述锚环7、所述对中支架6和所述抗剪对中支架5上分别设置注浆孔702、602、503，以便对所述浇筑底座3内进行注浆浇筑。
44.另外，每一所述玄武岩纤维锚固筋1的上钢套管102设置于所述锚固钻孔12内部。具体的，所述锚固钻孔12孔口处设有锚固垫板8、插接于锚固垫板8穿孔中的有机夹片11、设置于有机夹片上端的上垫板14，以及浇筑于所述锚固垫板8外的混凝土锚墩9，所述有机夹片11为锥体结构，各所述钢绞线104贯穿所述有机夹片11且浇筑于所述混凝土锚墩9内，各所述钢绞线104延伸出所述混凝土锚墩9。所述钢绞线104超出所述混凝土锚墩9部分在对所述玄武岩纤维锚固筋1施加预应力后剪断，预应力施加时产生的侧向压力直接施加在所述钢绞线104上，避免预应力施加时有机夹片11咬断玄武岩纤维筋101。
45.请参考图1和9，所述锚固段13包括多根供各所述玄武岩纤维锚固筋1穿过的锚固套管1301、以及各所述锚固套管1301之间的高强混凝土浇筑层1302。所述锚固套管可以选择中空pvc套管或玄武岩纤维套管，所述玄武岩纤维锚固筋1在锚固段13内置所述锚固套管1301中，所述玄武岩纤维锚固筋1与所述锚固套管1301之间无粘结，可有效避免锚固段玄武岩纤维锚固筋1与高强混凝土层1302之间的变形不协调问题。施加预应力后，锚固结构所受拉应力可通过锚环7转化为锚固段13的高强度混凝土层1302所受的压应力，能最大程度发挥玄武岩纤维锚固筋1的抗拉能力和高强混凝土层1302的抗压性能，大幅提高了锚固结构的锚固性能。同时，设置所述锚固套管1301可防止所述玄武岩纤维锚固筋1相互缠绕。
46.本发明的实施例提供还提供了上述库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构的监测系统，其包括数据采集模块4，所述数据采集模块4用于采集施加预应力后每一所述玄武岩纤维筋101的温度、应力以及振动数据。具体的，所述数据采集模块4包括光纤光栅解调仪401、自动数据采集系统402和gprs数据传输系统403，其中所述光纤光栅解调仪401通过fc/pc跳线404分别连接每一所述玄武岩纤维筋101内的光栅阵列温度传感光缆101a、光栅阵列应力传感光缆101b、及光栅阵列振动传感光缆101c，所述自动数据采集系统402分别连接所述光纤光栅解调仪401和gprs数据传输系统403，所述gprs数据传输系统403与库岸边坡监测预警终端连接，向所述库岸边坡监测预警终端传输每一玄武岩纤维筋101的温度、应力和振动数据。
47.上述库岸边坡玄武岩纤维筋一体化锚固结构及其监测系统在安装布设时，首先确定所述锚固钻孔12中所有层理、节理和软弱夹层等结构面10所在高程与方位，并在对应位置布设抗剪砖2，之后在所述锚固钻孔12孔底浇筑形成浇筑底座3。然后将各所述玄武岩纤维锚固筋1、抗剪对中支架5、对中支架6、锚固套管1301和锚环7组装，并下放入所述锚固钻孔12内，将所述玄武岩纤维锚固筋1底部的下钢套管103放入所述浇筑底座3内，随后对浇筑底座3内部进行注浆浇筑，浇筑底座3内部与浇筑底座3浇筑形成一个完整的圆柱体。浇筑底座3内部混凝土完成初凝后，采用高强度混凝土对各所述锚固套管1301之间的空隙进行浇筑，混凝土凝固形成高强度混凝土层1302，锚固段13成型。之后在所述锚固钻孔12的孔口布置所述锚固垫板8、有机夹片11和上垫板14，而后对每一所述玄武岩纤维锚固筋1施加预应力，具体为采用小型穿心千斤顶逐一对单束玄武岩纤维锚固筋1的钢绞线104进行张拉，张拉至目标预应力的50％后，采用大型穿心千斤顶对玄武岩纤维锚固结构的所有钢绞线104
进行整体张拉，完成预应力施加。预应力施加完毕后，截断多余的钢绞线104，浇筑混凝土形成混凝土锚墩9，完成所述玄武岩纤维锚固结构的锚固。
48.最后通过fc/pc跳线404将各光栅阵列温度传感光缆101a、各光栅阵列应力传感光缆101b、及各光栅阵列振动传感光缆101c连接至所述数据采集模块4，进行数据采集，并自动将玄武岩纤维锚固结构的温度、应力、振动状态实时传输至监测预警指挥中心，实现玄武岩纤维锚固结构自动化健康监测。
49.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
50.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
51.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。