沖抓套井回填處理土壩滲漏的設計

劉文超彭敏

（1.開元發展（湘潭）投資有限責任公司湘潭市411100；2.湘潭市水利水電勘測設計院湘潭市411100）

沖抓套井回填處理土壩滲漏的設計

劉文超1彭敏2

（1.開元發展（湘潭）投資有限責任公司湘潭市411100；2.湘潭市水利水電勘測設計院湘潭市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，簡稱“沖抓套井回填法”。詳述了該方法設計需收集的基本資料，以及鉆孔布置、孔深、孔距排距及墻厚、墻體厚度及其他參數的確定、浸潤線和滲流量的計算、干容重（干密度）的選擇和穩定復核。

沖抓套井回填法土壩設計

1 概述

所謂“沖抓套井回填”，就是在要處理的土壩范圍內，用沖抓鉆按一定的要求造孔，然后用級配好的粘土分層回填，并利用鉆機動力和卷揚設備帶動設計重量的夯壓工具將填土夯壓密實，在壩內造成一個有一定厚度的、滲漏系數小的連續截水墻，截住壩身或地基滲流，從而達到防滲止漏的目的。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：

（1）工程量小，土料省。與上游再建斜墻、截水墻或開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，一般水庫在大壩修成后，當地土料已經很缺乏，大量的粘土難于解決。

（2）工效高，進度快。每臺沖抓機組只需10～16人（包括運土）。由于回填土料少，挖運工日和施工組織管理都大大節省和簡化。只要機械使用得當，一般中小水庫，只需幾十個勞力三班作業，于一冬春就可以完成。

（3）由于在壩內施工，一般不需在壩前圍水、排水。

（4）施工處理與勘探相結合。套井口徑大，人可進入并進行全面觀察、檢查，對各段壩體質量、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、厚度和填筑質量。

（5）適應面廣，均質土壩和心墻壩、壩身為細粒料的斜墻土壩都適應。

（6）設備簡單，操作容易，維修方便。由于機具結構簡單，一般民工學習十天半月即可獨立操作和維修，而且配件不復雜，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際情況的材料，是做好處理工程設計的前提。沖抓套井設計，需收集的基本資料有：

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

（2）與工程設計的有關圖紙。如壩區平面圖、壩址縱、橫斷面圖、壩區地質圖和地質剖面圖。

（3）壩身土料試驗成果。應取有代表性的、能真實反映壩身工作情況的填筑土試件樣本，數量要滿足統計、分析、修正要求。

（4）回填土料的查勘和試驗成果。回填土料物理力學指標，一定要優于原壩身土料，否則回填就沒有意義。查勘土料的儲量、復核土層厚度、其中可用土層厚度、運距等。一般料場儲量不得小于兩倍需用量。

3 工程設計

套井回填粘土截水墻設計內容包括鉆孔布置、孔深、孔距、排數、排距、滲流穩定計算和壩坡穩定復核等設計指標。

3.1 鉆孔布置

套井回填孔布置在壩的原防滲體內是最理想的。新形成的截水墻與原防滲體結合在一起，相得益彰，將使防滲體抗滲能力大大提高，浸潤線降低。總的來說，將孔布置在壩軸線或平行于壩軸的壩頂上游側為好。一是壩頂開闊平坦，便于機具架設，不需搭設機臺，省工省料；二是機具本身限制，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壩體產生的側壓力，使壩體不發生變形，而能提高回填土的夯壓質量，提高抗滲能力。造孔范圍，如系局部壩段滲漏，一般以滲漏點為中心，向壩軸兩端延伸一倍壩高的距離；如壩內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，新筑的截水墻應嵌入質量好的老壩體內（1～2）m；屬原清基不徹底，基礎部分滲漏的，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，不得超過機具可能達到的設計能力。由于孔越深，壩內壓力越大，垮孔機率增大，故最大控制孔深在（25～30）m內最好。

3.3 孔距、排距及墻厚

孔距與排距選擇的原則是：應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，用幾何方法推導的成果是：

一排孔最優角α1=45°（圖1）

相應孔距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 一排孔最優角

二排孔最優角α2=38°57′07″（圖2）

此時孔距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 二排孔最優角

三排及三排以上的孔，最優角αn=30°（圖3）

此時孔距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]

得出三排孔時最小墻厚T2=2.2 m

式中n——排數n≥3

圖3 三排及三排以上孔的最優角

3.4 墻體厚度及其他參數的確定

套井回填截水墻厚度，是根據壩體防滲要求以及孔距、排距和墻體后部滲流穩定條件來定的，與壩高、防滲體滲透系數、回填土滲透系數、壩體斷面尺寸等參數有關，實際是滿足滲流穩定來反推的。

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——防滲墻承擔的最大水頭，通過浸潤線計算求出；

[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，可通過試驗確定，根據土工試驗成果或經驗取值，隨之可以確定[i]，再通過第五小節浸潤線計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相應墻厚復核滲流穩定。

3.5 浸潤線和滲流量計算

一般土壩工程在設計時都對壩體浸潤線和滲流量做過計算，有的還有觀測成果。修筑套井截水墻后，在壩內形成了一道有效的防滲體，滲徑延長，浸潤線和滲流量將會隨之改變。因此，需重新進行計算，用以比較效果。下面將簡略介紹沖抓套井建截水墻后壩體內的浸潤線和墻體滲透流量的計算方法。

套井回填形成截水墻后，由于壩體中增加了一道高抗滲體，滲徑相應延長，浸潤線及滲流量亦隨之而變，計算方法目前很不完善，一般都是采用化引方法，即折算法。即根據新建套井截水墻的滲透系數和原壩體心墻或壩殼滲透系數之比值，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、均質壩公式計算。

（1）心墻壩（圖4）。

圖4 心墻壩計算

如心墻和壩體均建在基巖上，則各式中的T均為0。

（2）均質土壩（不透水地基）（圖5）。

圖5 均質土壩計算

式中△l=βH（β為上游邊坡系數）

3.6 干容重（干密度）的選擇

干容重是土壤重要的物理力學指標，是土壩設計中的首選指標，也是土壩防滲處理對填筑土料質量控制的重要指標。由于土料顆粒級配、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。單以含水量一項為例，如土的含水量太低，土粒間水膜相應少，不夠潤滑，難于壓實、干容重低。因此，干燥狀態下壓實的土，一經浸水即發生沉陷。土的含水量大，多是因為土粒間水膜太厚，摩擦力小，不但抗剪強度低，邊坡也難于穩定，是所謂“橡皮土”，亦夯壓不實，干容重小。因此，嚴格控制土的含水量是提高土的干容重的重要環節。土料最優含水量可以通過土工試驗確定。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。

確定設計干容重的方法有幾種：

（1）通過標準擊實試驗取得。我國規定的土壩壓實的標準擊實功能為750 kJ/m3，這是室內試驗在剛性圓筒中無側移的情況下的試驗結果。現實工程中土的壓縮都是有側移的，故實際運用的擊實功能要大。設計試驗樣本數不宜低于25～30組，取干容重的大值平均值乘施工條件系數m即得：

m——施工條件系數，高壩為0.97～0.99，中低壩0.95～0.97；

（2）通過公式計算取得。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，以小數計。

式中△s——土粒比重。

實際應用時很難達到理論計算的干密度，還應乘施工條件系數m即：

上述兩種方法得出的結果，用下式校核，即：

設計干密度γd=1.02～1.12（γd）t

式中（γd）t——料場土體的天然干密度，由現場取樣在室內試驗確定。

在實際工作中，可視具體條件決定采用哪種方法。

3.7 穩定復核

分為滲流穩定和抗滑穩定復核。滲流穩定復核，在選定墻厚中已計算過一次，但只是根據一種水位（如最高洪水位）的計算成果，其他特征水位條件下的結果，仍需補充復核。抗滑穩定復核，一般來說，沖抓套井回填沒有改變壩體外型尺寸，所改變的僅僅是壩下游坡內浸潤線下降和滲流量下降，也就是飽和區降低，對抗滑穩定是有利的。

[1]王國海.沖抓套井回填黏土防滲墻的設計與施工[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用[J].防滲技術，1992，（2）:37-45.

2016-10-26）

劉文超（1983-），男，大學本科，工程師，目前從事水利水電施工工作。