雪峰山水庫除險加固工程沖抓套井回填粘土防滲墻施工

莫伯科

（桃江縣水利水電建設公司 桃江縣 413400）

1 工程概況

雪峰山水庫樞紐位于桃江縣灰山港鎮杜家沖村，是一座以灌溉為主，兼有發電、養殖等綜合效益的小（Ⅰ）型水利工程。于1956年10月動工興建，1965年擴建定型，主壩為均質土壩，最大壩高26m，壩頂面寬6m，壩軸線長118m，壩址控制集雨面積2.3km2，可控外引面積9.2 km2，正常庫容560萬m3，由于該工程修建時間早，且為“三邊”工程，質量標準低，多年運行后，壩體、壩基、壩肩滲漏等險情不斷出現，嚴重影響大壩安全運行。

2 安全論證及初步設計概況

（1）2004年11月，由益陽市水利水電勘測設計研究院進行了大壩安全分析論證，2004年12月由益陽市水利局組織專家對大壩進行了安全鑒定，鑒定類別為三類壩，2006年11月水利部大壩管理中心確認雪峰山水庫為三類病險壩，并針對存在問題對大壩維修加固提出了相應的處理意見。

大壩壩體滲漏原因及滲透系數：水庫大壩填筑材料主要由褐黃色，褐紅色、褐灰色的亞粘土、粘土及含腐植根系的壤土組成，夾有石英砂巖及粉砂質頁巖風化棱角狀角礫，填筑不均勻，且壓實度不夠，結構松散～稍密，底部含水量較大～大，壩體填土高差較大，滲透系數懸殊，勘測滲透系數為：垂直（3.08×10-4～6.76×10-6）cm/s；水平（3.43×10-4～7.96×10-6）cm/s。特別是根系腐爛后形成滲流通道，不滿足均質土壩的質量要求。

（2）2007年10月由益陽市水利水電勘測設計研究院對雪峰山水庫進行了除險加固設計，其中主壩壩體防滲設計方案為壩體采用沖抓套井回填粘土防滲墻與鋪防滲膜相結合，粘土防滲墻采用雙排面孔，設計上游排軸線布置于內坡高程164.20m一級平臺中心線位置及上游高程（164.20～172.35）m的壩坡上，排距90cm，孔距86cm，單孔直徑1.1m，墻有效厚度1.59m，墻底至基巖與壩基帷幕灌漿相接，平面總長度198m，本次沖抓回填造井268孔，最大孔深22.4m，總進尺5235m，填筑土料采用素粘土。

3 沖抓套井回填粘土防滲墻技術

套井回填法在土壩壩體內修建粘土防滲墻，屬樁柱式防滲墻。該項防滲墻技術主要在土壩滲漏壩段，沿壩軸線或壩軸線上游一米處單排布孔或雙排布孔，利用沖抓鉆頭造孔，鉆孔在平面上套接布置，孔深要求達到壩體填筑質量較好的土層內或基巖內以滿足接觸面防滲要求。在單排布孔時，按主孔和套孔相間布置，一主一套相間連接;將孔內回填粘性土，經夯實后，形成一道連續的粘土防滲墻。當單排布孔的防滲效果達不到設計要求時，則可打雙排孔。該技術的特點是套井回填粘性土經夯實后干密度增大，滲透系數減小，防滲效果好，并可下井檢查，保證質量;同時，套井四周壩體干密度增大，壩體得到加固。施工方法簡單，操作方便，工效高，投資少。回填料易就地取材，但回填料用量大。該方法適用于水上施工，對水下或浸潤線以下施工較為困難。

4 套井回填粘土防滲墻設計與施工工藝

4.1 回填土料選擇

回填土的質量是套井回填成功的關鍵，對所選料場必須做物理力學指標試驗，與原壩體指標對比，加以確定。根據本工程實際，所用土料粘粒含量要求在30%～50%，含水量控制在22%～24%，設計壓實度達到98%，滲透系數K不大于1×10-6cm/s。

4.2 設計要點

套井回填粘土防滲墻設計的主要技術參數包括：防滲墻厚度、套井處理深度、套井鉆孔及防滲墻布置、回填土料特性等。

4.2.1 防滲墻厚度

防滲墻厚度應根據滲流計算和穩定分析綜合確定。一般方法是先根據類似工程經驗選擇適當的防滲墻厚度，再根據滲流計算確定壩體內浸潤線位置，然后進行壩體穩定性分析，并檢驗所假定的防滲墻厚度是否合理。同時，防滲墻厚度尚應保證在設計水頭作用下能夠抵抗滲透坡降的破壞。計算公式為;

式中 J——防滲墻滲透坡降；

δ——防滲墻設計厚度（m）；

△H——防滲墻上下游水位落差（m）。

其中防滲墻允許滲透坡降可參照 《碾壓式土石壩設計規范》相關規定和實際工程經驗綜合確定，一般可取3～5。在本水庫中防滲墻設計厚度為1.59m。

4.2.2 套井處理深度

根據工程實際經驗，套井回填粘土防滲墻的套井處理深度一般應位于壩體滲透部位至少（1～2）m以下，在本水庫設計中要求達到大壩基巖。

4.2.3 套井鉆孔及防滲墻布置

由于套井鉆孔位置也就是今后防滲墻土料填筑位置，故套井鉆孔和防滲滲墻布置是相互對應的。主要設計參數包括鉆孔排數、軸線位置、孔距等，與防滲墻設計厚度、沖抓機規格有關。為保證防滲墻的有效厚度，同時避免相鄰井孔接合處發生新的滲漏，應合理選擇鉆孔孔距，并保證相鄰井孔之間有一定的搭接長度。具體應以相鄰井孔搭接處最小防滲墻厚度不小于設計防滲墻厚度為控制標準，需根據防滲墻設計厚度、沖抓機鉆孔直徑、鉆孔排數計算確定。

4.2.4 回填土料特性

套井回填土料的特性一般應遵循碾壓式土壩對心墻土料的相關要求，重點需明確回填土料的顆粒組成、自然含水率、塑性指數、壓實度、干密度以及滲透系數等指標。根據工程實際經驗，套井回填土料一般應選用塑性指數大于17，粘粒含量大于35%的粘土；土料自然含水量應接近最優含水量，其偏差應控制在最優含水量的土2%～3%之間為宜；回填土料應容易壓實，并要求壓實度達到0.95以上；土料壓實后的干密度一般應達到1.55kg/cm3以上，滲透系數可根據室內試驗得出的干密度一滲透系數關系曲線確定，本水壩設計滲透系數K不大于1×10-6cm/s。

4.3 施工工藝及質量控制

4.3.1 施工準備

套井回填粘土防滲墻施工前應先進行平整場地，并布置好沖抓機械施工路線、棄土和回填土料堆放場地以及土料運輸通道等。

4.3.2 鉆 孔

先按設計要求將套井孔放樣并編號，施工時造孔順序應間隔進行，鉆孔速度一般控制在（2.0～3.5）m/h之間，根據孔深、土質情況不同適時調整;造孔的關鍵是要求井孔垂直，以保證防滲墻的有效防滲厚度;施工時應經常檢查套井孔的垂直度。為防止井孔坍塌，重點應注意以下幾點：

（1）消除井孔內的滲透水。這就要求在套井鉆孔前，必須先將庫水位降低至設計套井最低高程至少1.0m以下。這樣，既可以消除因壩體內滲透水的存在而可能引發的塌孔事故，又可以避免對回填土料特性產生的不利影響。

（2）合理控制鉆孔速度。鉆孔速度過快或過慢，均不利于套井孔的穩定。根據實際經驗，當套井深度較小（10 m～20m）、原土體中粘粒含量較多時，鉆孔速度可適當快些，一般可控制在（3.0～3.5）m/h之間；當套井深度較大（20 m～30m），原土體中砂粒含量較多時，鉆孔速度應適當放緩，一般可控制在（2.0～2.5）m/h之間。

（3）及時回填。一個套井孔完成鉆孔后，應及時進行土料回填夯實，兩者間隔以不超過1h為宜。同時，只有待一個套井孔完成從鉆孔至回填的全部工序后，才允許進行下一個鉆孔的施工。

（4）鉆孔時從壩體內沖抓出來的土方應隨時運走，不得堆放在套井孔周邊，以避免堆土對井壁所產生的附加應力。同樣，準備入孔回填的土料也不得堆放在套井孔周邊。

4.3.3 土料回填夯實

土料的回填夯實直接影響到套井回填防滲處理的效果與成敗，施工時應十分重視。首先，嚴格控制回填土料的質量。為此，施工現場應設立簡易土工試驗室，及時對回填土料進行土工試驗，以確定土料的顆粒組成、自然含水率、塑性指數等指標。若自然含水量不符合規定要求，即土料過干或過濕，應進行灑水或翻曬處理。對不符合要求的土料，不得下井回填。

其次，應重視防滲墻底部與原壩體土層結合處的處理，以防產生新的滲透薄弱面。為此，回填前應先清除井孔底部的浮土、砂礫石等雜物。如有積水，應先用松干土料回填吸干后再抓出松土，直至井底無水時才開始土料回填。

第三，做到合理夯實。合理夯實有助于提高回填土的密實度和抗滲強度。夯錘不能過重過高，否則沖擊力太大會對原壩體結構造成破壞。夯錘應保持底部呈球面形狀以增加夯擊時的側壓力，使回填土料能向套井孔四周擠壓，促使新老土體緊密結合。另外，夯錘應與套井孔四周保持有l0cm左右的空隙，以避免夯錘下落時因氣浪沖擊波震動而對原壩體結構造成破壞。對于夯錘高度和夯擊次數，一般需根據現場試驗后確定。

4.4 施工過程中遇到的困難

開工初期，在沖抓造井到一定深度，測量為154m高程，還未達到上游水位150.35m（死水位）時，沖抓出的土料中含水量很大，施工稍作停頓，井內就出現積水，井壁出現垮塌現象，影響正常施工，在孔深達到上游水位150.35m后，井內來水量很大，垮塌嚴重，無法繼續造孔至基巖。

4.4.1 原 因

（1）由于施工前水庫未提早降低水位，滲入壩體內的水分未能導出壩體，導致在死水位以上一定高程內的土體中含水量大。

（2）壩體與壩基接觸面以上至死水位高程之間的土體由于壩基或接觸面滲漏嚴重，導致以上部分土體滲徑短，井內來水快。

4.4.2 措 施

（1）在來水不大的情況下，施工速度加快，施工中不停頓，達到基巖后迅速回填夯實。

（2）在來水較大，出現垮塌的情況下，采取沖抓→回填干土→再沖抓→再回填的循環方式。

（3）在沖抓軸線上每隔一定距離打一個先導井來排水的方法。

（4）利用原輸水箱涵基本排空了庫水。

通過以上措施，雖然施工初期進度受到了一定影響，但確保了施工質量，每個造孔均達到了基巖，通過鉆孔壓水試驗和土體取樣檢測，施工質量達到設計要求標準。

5 結語

沖抓套井工程于2008年11月3日動工，2009年2月底完工，總進尺5289.7m，最大孔深達23m，每孔均達基巖。總結經驗如下：

（1）沖抓套井防滲墻施工，水庫必須至少提前15天降低水位，最好想辦法基本排空庫水，確保施工質量。

（2）壩體土料含水量不大，土質較好，造孔時不易出現垮塌的條件下，沖抓造孔深可達30m左右，30m左右壩高的大壩采用沖抓套井防滲方案時，宜選擇在壩頂軸線沖抓，方便施工。

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