沖抓套井回填處理土壩滲漏的設(shè)計(jì)

劉文超彭敏

（1.開(kāi)元發(fā)展（湘潭）投資有限責(zé)任公司湘潭市411100；2.湘潭市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院湘潭市411100）

沖抓套井回填處理土壩滲漏的設(shè)計(jì)

劉文超1彭敏2

（1.開(kāi)元發(fā)展（湘潭）投資有限責(zé)任公司湘潭市411100；2.湘潭市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院湘潭市411100）

文章介紹一種處理土筑堤壩滲漏的方法——沖抓套井回填再筑截水墻處理土筑堤壩滲漏法，簡(jiǎn)稱“沖抓套井回填法”。詳述了該方法設(shè)計(jì)需收集的基本資料，以及鉆孔布置、孔深、孔距排距及墻厚、墻體厚度及其他參數(shù)的確定、浸潤(rùn)線和滲流量的計(jì)算、干容重（干密度）的選擇和穩(wěn)定復(fù)核。

沖抓套井回填法土壩設(shè)計(jì)

1 概述

所謂“沖抓套井回填”，就是在要處理的土壩范圍內(nèi)，用沖抓鉆按一定的要求造孔，然后用級(jí)配好的粘土分層回填，并利用鉆機(jī)動(dòng)力和卷?yè)P(yáng)設(shè)備帶動(dòng)設(shè)計(jì)重量的夯壓工具將填土夯壓密實(shí)，在壩內(nèi)造成一個(gè)有一定厚度的、滲漏系數(shù)小的連續(xù)截水墻，截住壩身或地基滲流，從而達(dá)到防滲止漏的目的。這是多快好省處理土壩滲漏的方法之一。其他方法相比，該方法具有如下特點(diǎn)：

（1）工程量小，土料省。與上游再建斜墻、截水墻或開(kāi)挖壩體重新用好土料回填等處理方法相比較，只需打一兩排套井，回填工程量小得多。再者，一般水庫(kù)在大壩修成后，當(dāng)?shù)赝亮弦呀?jīng)很缺乏，大量的粘土難于解決。

（2）工效高，進(jìn)度快。每臺(tái)沖抓機(jī)組只需10～16人（包括運(yùn)土）。由于回填土料少，挖運(yùn)工日和施工組織管理都大大節(jié)省和簡(jiǎn)化。只要機(jī)械使用得當(dāng)，一般中小水庫(kù)，只需幾十個(gè)勞力三班作業(yè)，于一冬春就可以完成。

（3）由于在壩內(nèi)施工，一般不需在壩前圍水、排水。

（4）施工處理與勘探相結(jié)合。套井口徑大，人可進(jìn)入并進(jìn)行全面觀察、檢查，對(duì)各段壩體質(zhì)量、滲漏水層或孔道分布情況作全面了解，從而合理地提出處理深度、厚度和填筑質(zhì)量。

（5）適應(yīng)面廣，均質(zhì)土壩和心墻壩、壩身為細(xì)粒料的斜墻土壩都適應(yīng)。

（6）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，維修方便。由于機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般民工學(xué)習(xí)十天半月即可獨(dú)立操作和維修，而且配件不復(fù)雜，一般小廠可以解決。

2 基本資料的收集

全面收集反映工程實(shí)際情況的材料，是做好處理工程設(shè)計(jì)的前提。沖抓套井設(shè)計(jì)，需收集的基本資料有：

（1）與工程有關(guān)的各種文字材料。如設(shè)計(jì)、審批、施工記錄、歷次處理工程設(shè)計(jì)和施工記錄、工程觀測(cè)成果、特別是有關(guān)滲漏觀測(cè)成果（逸出部位，流量大小，與大氣降水和上游水位關(guān)系等），三查三定成果等。

（2）與工程設(shè)計(jì)的有關(guān)圖紙。如壩區(qū)平面圖、壩址縱、橫斷面圖、壩區(qū)地質(zhì)圖和地質(zhì)剖面圖。

（3）壩身土料試驗(yàn)成果。應(yīng)取有代表性的、能真實(shí)反映壩身工作情況的填筑土試件樣本，數(shù)量要滿足統(tǒng)計(jì)、分析、修正要求。

（4）回填土料的查勘和試驗(yàn)成果。回填土料物理力學(xué)指標(biāo)，一定要優(yōu)于原壩身土料，否則回填就沒(méi)有意義。查勘土料的儲(chǔ)量、復(fù)核土層厚度、其中可用土層厚度、運(yùn)距等。一般料場(chǎng)儲(chǔ)量不得小于兩倍需用量。

3 工程設(shè)計(jì)

套井回填粘土截水墻設(shè)計(jì)內(nèi)容包括鉆孔布置、孔深、孔距、排數(shù)、排距、滲流穩(wěn)定計(jì)算和壩坡穩(wěn)定復(fù)核等設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.1 鉆孔布置

套井回填孔布置在壩的原防滲體內(nèi)是最理想的。新形成的截水墻與原防滲體結(jié)合在一起，相得益彰，將使防滲體抗?jié)B能力大大提高，浸潤(rùn)線降低。總的來(lái)說(shuō)，將孔布置在壩軸線或平行于壩軸的壩頂上游側(cè)為好。一是壩頂開(kāi)闊平坦，便于機(jī)具架設(shè)，不需搭設(shè)機(jī)臺(tái)，省工省料；二是機(jī)具本身限制，不能打斜孔，只能打垂直孔；三是在壩頂部分造孔，壩體兩邊有足夠的厚度抵抗回填沖擊夯壓對(duì)壩體產(chǎn)生的側(cè)壓力，使壩體不發(fā)生變形，而能提高回填土的夯壓質(zhì)量，提高抗?jié)B能力。造孔范圍，如系局部壩段滲漏，一般以滲漏點(diǎn)為中心，向壩軸兩端延伸一倍壩高的距離；如壩內(nèi)有多段滲漏分布在壩左、右岸和壩中段，則需在全壩布孔回填。

3.2 孔深

選定造孔深度的原則是屬壩身部分滲漏的，新筑的截水墻應(yīng)嵌入質(zhì)量好的老壩體內(nèi)（1～2）m；屬原清基不徹底，基礎(chǔ)部分滲漏的，要截至不透水層。一般兩岸山坡的淺孔都可截至不透水層。但孔深最大限度，不得超過(guò)機(jī)具可能達(dá)到的設(shè)計(jì)能力。由于孔越深，壩內(nèi)壓力越大，垮孔機(jī)率增大，故最大控制孔深在（25～30）m內(nèi)最好。

3.3 孔距、排距及墻厚

孔距與排距選擇的原則是：應(yīng)以最小工程量取得最大的防滲效果。不同孔距、排距、截水墻厚度是不同的，用幾何方法推導(dǎo)的成果是：

一排孔最優(yōu)角α1=45°（圖1）

相應(yīng)孔距D1=2Rcosα1=2×0.55×0.707=0.78 m

最小墻厚T1=2Rsinα1=2×0.55×0.707=0.78 m

圖1 一排孔最優(yōu)角

二排孔最優(yōu)角α2=38°57′07″（圖2）

此時(shí)孔距D2=2Rcosα2=2×0.55×0.778=0.86 m

排距L2=R（1+sinα2）=0.55×（1+0.6287）=0.9 m

最小墻厚T2=2R（1+3sinα2）=0.55×（1+3×0.6287）=1.59 m

圖2 二排孔最優(yōu)角

三排及三排以上的孔，最優(yōu)角αn=30°（圖3）

此時(shí)孔距Dn=2Rcosαn=2×0.55×0.866=0.95 m

排距Ln=R（1+sinαn）=0.55×（1+0.5）=0.825 m

最小墻厚Tn=R[（n-1）+（n+1）sinαn]

得出三排孔時(shí)最小墻厚T2=2.2 m

式中n——排數(shù)n≥3

圖3 三排及三排以上孔的最優(yōu)角

3.4 墻體厚度及其他參數(shù)的確定

套井回填截水墻厚度，是根據(jù)壩體防滲要求以及孔距、排距和墻體后部滲流穩(wěn)定條件來(lái)定的，與壩高、防滲體滲透系數(shù)、回填土滲透系數(shù)、壩體斷面尺寸等參數(shù)有關(guān)，實(shí)際是滿足滲流穩(wěn)定來(lái)反推的。

墻體初步選定厚度可按下式推求：

式中T——防滲墻體有效厚度即最小厚度；

H——防滲墻承擔(dān)的最大水頭，通過(guò)浸潤(rùn)線計(jì)算求出；

[i]——防滲墻土體容許水力坡降，可參考表1采用。

表1 粘性土壤容許水力坡降

土壤類別，可通過(guò)試驗(yàn)確定，根據(jù)土工試驗(yàn)成果或經(jīng)驗(yàn)取值，隨之可以確定[i]，再通過(guò)第五小節(jié)浸潤(rùn)線計(jì)算確定保防滲墻體承受之水頭H，即可確定墻厚T，隨之孔距排距都可求出。也可以用確定的排數(shù)相應(yīng)墻厚復(fù)核滲流穩(wěn)定。

3.5 浸潤(rùn)線和滲流量計(jì)算

一般土壩工程在設(shè)計(jì)時(shí)都對(duì)壩體浸潤(rùn)線和滲流量做過(guò)計(jì)算，有的還有觀測(cè)成果。修筑套井截水墻后，在壩內(nèi)形成了一道有效的防滲體，滲徑延長(zhǎng)，浸潤(rùn)線和滲流量將會(huì)隨之改變。因此，需重新進(jìn)行計(jì)算，用以比較效果。下面將簡(jiǎn)略介紹沖抓套井建截水墻后壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線和墻體滲透流量的計(jì)算方法。

套井回填形成截水墻后，由于壩體中增加了一道高抗?jié)B體，滲徑相應(yīng)延長(zhǎng)，浸潤(rùn)線及滲流量亦隨之而變，計(jì)算方法目前很不完善，一般都是采用化引方法，即折算法。即根據(jù)新建套井截水墻的滲透系數(shù)和原壩體心墻或壩殼滲透系數(shù)之比值，將截水墻的有效厚度折算成等效的壩體厚度，然后，按一般心墻壩、均質(zhì)壩公式計(jì)算。

（1）心墻壩（圖4）。

圖4 心墻壩計(jì)算

如心墻和壩體均建在基巖上，則各式中的T均為0。

（2）均質(zhì)土壩（不透水地基）（圖5）。

圖5 均質(zhì)土壩計(jì)算

式中△l=βH（β為上游邊坡系數(shù)）

3.6 干容重（干密度）的選擇

干容重是土壤重要的物理力學(xué)指標(biāo)，是土壩設(shè)計(jì)中的首選指標(biāo)，也是土壩防滲處理對(duì)填筑土料質(zhì)量控制的重要指標(biāo)。由于土料顆粒級(jí)配、礦物成分、含水量、夯壓方式等不相同，所獲得的干容重也不相同。單以含水量一項(xiàng)為例，如土的含水量太低，土粒間水膜相應(yīng)少，不夠潤(rùn)滑，難于壓實(shí)、干容重低。因此，干燥狀態(tài)下壓實(shí)的土，一經(jīng)浸水即發(fā)生沉陷。土的含水量大，多是因?yàn)橥亮ｉg水膜太厚，摩擦力小，不但抗剪強(qiáng)度低，邊坡也難于穩(wěn)定，是所謂“橡皮土”，亦夯壓不實(shí)，干容重小。因此，嚴(yán)格控制土的含水量是提高土的干容重的重要環(huán)節(jié)。土料最優(yōu)含水量可以通過(guò)土工試驗(yàn)確定。大致在土的塑限附近，或比土的塑限略低或略高于1%～2%。一般粘粒含量高的土取低值。

確定設(shè)計(jì)干容重的方法有幾種：

（1）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)取得。我國(guó)規(guī)定的土壩壓實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功能為750 kJ/m3，這是室內(nèi)試驗(yàn)在剛性圓筒中無(wú)側(cè)移的情況下的試驗(yàn)結(jié)果。現(xiàn)實(shí)工程中土的壓縮都是有側(cè)移的，故實(shí)際運(yùn)用的擊實(shí)功能要大。設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣本數(shù)不宜低于25～30組，取干容重的大值平均值乘施工條件系數(shù)m即得：

m——施工條件系數(shù)，高壩為0.97～0.99，中低壩0.95～0.97；

（2）通過(guò)公式計(jì)算取得。如土的總體積為1，空氣體積為Va（參考表2），水的體積為Vw，土粒體積為Vs，則：Va+Vw+Vs=1

表2 Va的數(shù)值參考表

其中：Vw=（γd）maxwp

式中（γd）max——理論最大干容重；

wp——塑限，以小數(shù)計(jì)。

式中△s——土粒比重。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)很難達(dá)到理論計(jì)算的干密度，還應(yīng)乘施工條件系數(shù)m即：

上述兩種方法得出的結(jié)果，用下式校核，即：

設(shè)計(jì)干密度γd=1.02～1.12（γd）t

式中（γd）t——料場(chǎng)土體的天然干密度，由現(xiàn)場(chǎng)取樣在室內(nèi)試驗(yàn)確定。

在實(shí)際工作中，可視具體條件決定采用哪種方法。

3.7 穩(wěn)定復(fù)核

分為滲流穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定復(fù)核。滲流穩(wěn)定復(fù)核，在選定墻厚中已計(jì)算過(guò)一次，但只是根據(jù)一種水位（如最高洪水位）的計(jì)算成果，其他特征水位條件下的結(jié)果，仍需補(bǔ)充復(fù)核。抗滑穩(wěn)定復(fù)核，一般來(lái)說(shuō)，沖抓套井回填沒(méi)有改變壩體外型尺寸，所改變的僅僅是壩下游坡內(nèi)浸潤(rùn)線下降和滲流量下降，也就是飽和區(qū)降低，對(duì)抗滑穩(wěn)定是有利的。

[1]王國(guó)海.沖抓套井回填黏土防滲墻的設(shè)計(jì)與施工[J].浙江水利科技，2007，（5）：69-70,73.

[2]鐘超英，陳廷筆.利用沖抓套井回填處理土壩滲漏的研究及應(yīng)用[J].防滲技術(shù)，1992，（2）:37-45.

2016-10-26）

劉文超（1983-），男，大學(xué)本科，工程師，目前從事水利水電施工工作。