淺析土壩“套孔沖抓回填黏土防滲心墻”的滲透穩定

喻建中

（湖南信科工程設計有限公司，湖南 長沙 410014）

1 概 述

土壩套孔沖抓回填黏土防滲心墻技術是從20世紀80年代至今一直在我國浙江、江西、湖南、福建、廣東、四川等多省廣泛應用于已建中小型水庫土壩滲漏隱患治理的水利工程技術。

該技術按照設計套孔布置，利用三角架沖抓鉆機懸吊的沖抓鉆頭從壩頂垂直往下造孔，經清孔再逐層往孔中回填并用夯錐夯實黏土，孔孔套接構筑成連續的垂直防滲墻。

該技術分別被《土石壩加固》[1]和《滲流計算分析和控制》[2]等水利名著所肯定，參考文獻[1]稱，土壩套孔沖抓回填黏土防滲墻技術具有防滲效果好，施工方法簡單，便于就地取材，利于保證工程質量等優點，是一種高效、經濟、實用的土壩滲漏治理技術；參考文獻[2]則稱，黏土防滲墻很適宜于中小型水庫，也較經濟。

該技術應用至今，大多數土壩都采用單排大孔徑（1 100 mm）套孔沖抓回填黏土構筑防滲墻（以下簡稱“單排大孔徑防滲墻”），少數土壩采用雙排大孔徑防滲墻[3]，很少有土壩采用單排或多排中孔徑（900 mm）和小孔徑（700 mm）防滲墻。治理后，多數土壩滲漏得以控制，但也有不少土壩的滲漏隱患仍然存在。

本文即針對這些滲漏仍然存在的土壩滲透穩定性進行論述分析，并提出相對合理的建議。

2 20 世紀所建土壩較普遍存在的滲漏隱患和典型滲漏壩段

2.1 均質土壩滲漏隱患的形式

1）水平滲漏層

●壩體施工中遺留有未被清除的凍土層，因上壩土料含水量較高，碾壓不實，冬季凍脹（土的孔隙率加大）而形成，其滲透系數可達1×10-3cm/s甚至更大（圖1）；

圖1 土壩橫剖面圖（凍土層）

●壩體填土碾壓面上的滲漏層，因土壩填筑土層偏厚，碾壓設備功率偏小，填筑層的下部碾壓不實，而其上層的碾壓面又往往過碾，進而形成順碾壓機履帶銷方向的水平滲漏（圖2）。

圖2 土壩橫剖面圖（碾壓面）

2）橫向施工工段結合面或裂縫滲漏

●壩體一般分段施工，某工段結合部往往因施工進度不一而存在碾壓不實、土塊偏大、土料含礫量集中等問題，最終構成橫向滲漏帶，見圖3（a）；

●壩肩不均沉降橫向裂縫，見圖3（b），在水庫較高水位時也是明顯的橫向滲漏帶；

●穿壩涵等剛性建筑物與土壩結合面及相關橫向縫，見圖3（c），都是土壩發生橫向滲漏的通道。

圖3 土壩縱剖面圖

2.2 典型橫向滲漏壩段及其特性

圖3中顯示的施工分段接合部是一個典型的橫向滲漏壩段。

另外，由2.1所示的均質土壩的滲漏隱患形式也可以推斷，當某均質土壩的水平滲漏層層數較多、分布較寬或與橫向接縫（或裂縫）有較為明顯交織時，都將形成橫向滲漏壩段。

顯然在當年修建的均質土壩中，實際存在著不均質的橫向滲漏壩段，而且這些壩段都有不確定性、隨機性。

3 不透水地基上均質土壩經“套孔沖抓回填黏土防滲墻”技術處理后滲流計算分析

3.1 計算分析說明

1）存在橫向滲漏壩段的均質土壩經“套孔沖抓回填黏土防滲心墻”技術處理后，其橫向滲流計算采用參考文獻[4]中相關方法和公式；

2）受篇幅所限，本文僅列出我國中小型水庫土壩中數量最多的建于不透水地基上、下游壩腳設有排水、壩下游水位與排水溝頂（即壩建基面）齊平的滲流計算分析；

3）本計算分析要求“套孔沖抓回填黏土防滲心墻”回填黏土的壓實度≥0.98，墻體滲透系數K2≤1×10-5cm/s，防滲墻允許滲透坡降〔J〕≥6；

4）本計算分析，套孔布置的孔距、排距是按回填土成墻有效水平面積最大擬定的。

3.2 滲流計算簡圖和方程

滲流計算簡圖和方程見圖4和式（1）。

圖4 滲流計算簡圖

式中 H1——黏土心墻前（上游）水深（m）；

h——黏土心墻后（下游）水深（m）；

δ——黏土心墻有效厚度（m）；

s——黏土心墻下游浸潤線水平投影長度（m）；

K1——原均質壩體相應壩段土的滲透系數（cm/s）；

K2——套孔沖抓回填黏土心墻的滲透系數（cm/s）。

3.3 黏土防滲（心）墻滲透坡降計算

式中 △H——黏土防滲（心）墻上下游水位差（m）；

H1——黏土防滲（心）墻前（上游）水深（m）；

h——黏土防滲（心）墻后（下游）水深（m）；

J——黏土防滲（心）墻滲透坡降；

δ——套孔沖抓回填黏土防滲墻有效厚度（m）。

3.4 黏土防滲（心）墻允許滲透坡降

圖5、圖6、圖7中示出〔J〕=6。

4 單排大孔徑（1 100 mm）、三排小孔徑（700 mm）、三排中孔徑（900 mm）套孔沖抓回填黏土防滲（心）墻滲透參數關系

由式（1）、式（2）、式（3）、式（4）聯立可計算出本文推薦的合理套孔沖抓回填黏土防滲（心）墻有效厚度相關的滲流計算參數關系曲線圖（圖5、圖6、圖7）。

圖5 單排大孔徑（1 100）防滲心墻滲透參數關系圖

圖6 三排小孔徑（700）防滲心墻滲透參數關系圖

圖7 三排中孔徑（900）防滲心墻滲透參數關系圖

從圖5、圖6、圖7分析可知：

1）計算分析斷面中，原土壩土體的滲透系數K1較小時，套孔沖抓回填黏土防滲（心）墻易于滿足抗滲安全要求；

2）計算分析斷面中，原土壩土體的滲透系數K1較大時，必須增加套孔沖抓回填黏土防滲（心）墻的有效厚度或提高套孔沖抓回填黏土防滲（心）墻的允許滲透坡降〔J〕，才能確保其滲透穩定。

5 關于完善“套孔沖抓回填黏土防滲心墻”設計的建議

1）對于當年建于不透水地基上的眾多中小型均質土壩，建議采用本文圖5、圖6、圖7列示的滲透參數關系復核“套孔沖抓回填黏土防滲心墻”的滲透穩定。

2）建議采用奇數排孔套孔組合成墻，有效加厚黏土心墻厚度，使之滿足抗滲安全要求〔偶數排孔套孔組合成墻實施過程中，不能保證各排、各序、各孔都能豎直成孔，不能按設計套孔沖抓組合成（心）墻〕。

3）沖抓鉆屬簡單機械，具有簡單機械的許多優點，但沖抓能力有限。因此，建議合理擬定套井回填黏土的土層厚度，盡可能提高沖抓回填黏土防滲心墻的允許滲透坡降。