淺析小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的沖抓套井回填工藝

胡素娥

壩體滲漏是蓄水型水利建筑設(shè)施普遍存在的工程隱患，也是不同等級(jí)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作所要解決的最基本問(wèn)題。基于此，本文針對(duì)此類施工常用的幾種方案措施進(jìn)行比較分析，總結(jié)了沖抓套井回填技術(shù)對(duì)于治理小型水庫(kù)土壩壩體滲漏現(xiàn)象存在的施工工期短、對(duì)原壩體結(jié)構(gòu)破壞小、工程造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)，并借助病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固的具體實(shí)例，對(duì)該措施的工藝特點(diǎn)和操作要求進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過(guò)本文的工藝解析，可為同類水庫(kù)壩體防滲除險(xiǎn)提供技術(shù)參考。

壩體防滲;沖抓套井回填;小型水庫(kù);工程設(shè)計(jì)

小型水庫(kù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)村日常生活中主要的蓄水型水利工程。以湖南省為例，現(xiàn)有水庫(kù)達(dá)1.3萬(wàn)多座，其中小型水庫(kù)占總數(shù)超過(guò)98%。這些小型水庫(kù)大多建成于20世紀(jì)50～70年代，受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)水平、經(jīng)濟(jì)條件、技術(shù)能力、材料等諸多制約，加之又經(jīng)過(guò)了多年的運(yùn)行，目前普遍存在壩體滲漏、設(shè)施老化、建筑物破壞等問(wèn)題，其中大壩滲漏是這些病險(xiǎn)水庫(kù)蘊(yùn)藏的最為顯著的安全隱患。滲漏現(xiàn)象的存在，不僅造成水庫(kù)蓄水功能下降或低水位運(yùn)行，使其正常工程效益不能充分發(fā)揮，而且會(huì)在很大程度上增加壩體發(fā)生潰壩的可能，對(duì)水庫(kù)受益區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)和水庫(kù)自身的工程安全存在嚴(yán)重的威脅。因此對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)實(shí)施防滲治漏，提高其抗?jié)B能力，是十分必要和迫切的，也是完善防洪體系的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。

本文以寧鄉(xiāng)國(guó)慶水庫(kù)為例，通過(guò)對(duì)同類施工中實(shí)施較多的幾種方案進(jìn)行綜合比較，論述了沖抓回填方案的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及施工工藝特點(diǎn)，以期對(duì)同類水庫(kù)大壩滲漏處理方案的選擇提供參考。

國(guó)慶水庫(kù)壩址位于長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)雙江口鎮(zhèn)新香村境內(nèi)，距雙江口集鎮(zhèn)4.5km，距寧鄉(xiāng)市25km。國(guó)慶水庫(kù)集雨面積為0.21km，干流全長(zhǎng)為0.50km，流域平均坡降為8.7‰，正常蓄水位47.45m，相應(yīng)正常庫(kù)容25.56萬(wàn)m，是一座設(shè)施齊全并集防洪、灌溉、養(yǎng)殖功能于一體的?。á颍┬退こ?。壩頂高程49.00 m，最大壩高10.8m，壩頂寬4.5m，壩頂軸線長(zhǎng)123.30m。

該水庫(kù)始建于1973年10月，于1974年4月投入運(yùn)行，屬“三邊”工程，由當(dāng)?shù)厝罕娺M(jìn)行施工完成。為節(jié)省人力物力，降低工程造價(jià)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況采取就地取材，大壩型式采用的是均質(zhì)土壩。在除險(xiǎn)加固前大壩運(yùn)行狀況一直較差，正常蓄水位運(yùn)行時(shí)，壩體外坡45 m高程以下多處存在較嚴(yán)重的散浸現(xiàn)象（散浸面積達(dá)120 m，且在汛期散浸量增大趨勢(shì)明顯），因此屬于帶險(xiǎn)情隱患運(yùn)行的水利樞紐工程。為確保大壩正常運(yùn)行，消除對(duì)水庫(kù)受益區(qū)人民生命及財(cái)產(chǎn)安全的影響，因此急需對(duì)該大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。

病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固是保證水利設(shè)施安全運(yùn)行和提高投資效益的關(guān)鍵內(nèi)容。地質(zhì)勘查結(jié)果顯示，國(guó)慶水庫(kù)壩體填筑土干密度為1.41～1.61 g/cm，不滿足均質(zhì)土壩的工程要求;而野外鉆孔注水試驗(yàn)測(cè)得壩體填筑土的滲透系數(shù)k為3.2～4.7×10cm/s（推薦使用值4.3×10cm/s），明顯高于壩體填筑土碾壓后應(yīng)有的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（k小于或等于1×10 cm/s），表明該大壩外坡散浸的主要原因是填筑土夯壓欠密實(shí)，導(dǎo)致土體的孔隙大、結(jié)構(gòu)松散，使得滲透系數(shù)達(dá)不到土壩要求的防滲效果。因此，該水庫(kù)消除病險(xiǎn)的關(guān)鍵措施是對(duì)壩體的防滲漏處理。

土壩壩體防滲漏處理可采用的方案主要包括上游鋪設(shè)復(fù)合土工薄膜、加做混凝土防滲墻、壩體沖抓套井回填等?，F(xiàn)就各處理方案特點(diǎn)比較，如表1所示。

沖抓鉆孔套井回填處理土壩滲漏的原理是利用沖抓式打井機(jī)具在土壩或堤防滲漏范圍內(nèi)鉆孔造井，然后用粘土進(jìn)行分層回填，并利用動(dòng)力設(shè)備帶動(dòng)夯錘加以夯實(shí)，使其形成連續(xù)的套接粘土防滲墻來(lái)截?cái)酀B流通道，從而達(dá)到防滲目的。在工程設(shè)計(jì)中，具體的技術(shù)指標(biāo)確定如下：

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2020），防滲墻頂部在靜水位以上的超高，對(duì)水庫(kù)正常情況下的運(yùn)用應(yīng)高出靜水位0.5m，而對(duì)非正常狀態(tài)運(yùn)用，防滲體的頂部應(yīng)不低于靜水位。沖抓套井的機(jī)械在壩頂施工，先從上向下造井然后進(jìn)行土料回填，為方便工程開(kāi)展，套井防滲墻的頂部高程設(shè)定為壩頂高程為限（即高程設(shè)定為49.0 m，如圖1所示）。

距離國(guó)慶水庫(kù)庫(kù)區(qū)2km的土料場(chǎng)黏性土儲(chǔ)量充足，運(yùn)輸與開(kāi)采條件好。根據(jù)地勘推薦值，其滲透系數(shù)4.0×10 cm/s，孔隙比0.725～0.783，最大干密度1.63～1.65g/cm，最優(yōu)含水量21.4～23.0%，壓縮系數(shù)0.163～0.231MPa，完全滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）要求的防滲墻土料的物理性質(zhì)。因此選擇該處粘土作此次回填工程的防滲土料。

沖抓套井回填范圍為整個(gè)大壩壩體，全長(zhǎng)123.50 m。根據(jù)《湖南省病險(xiǎn)土石壩工程治理研究》及相關(guān)文獻(xiàn)，防滲墻的有效厚度是通過(guò)有效滲透穩(wěn)定計(jì)算求得其滲透坡降小于允許滲透坡降的條件決定的，粘土防滲墻的允許滲透坡降為6～8，確定防滲墻的有效厚度為大于等于防滲墻承擔(dān)的最大水頭除以粘土防滲墻的允許滲透坡降。沖抓套井回填孔、排距和有效厚度的相互關(guān)系如表2所示。

假定α= 45o，則L = 0.78 m，= 0.78 m，根據(jù)上述與的大小關(guān)系，取 = 0.78m就可通過(guò)沖抓套井回填設(shè)置防滲墻。因此此次國(guó)慶水庫(kù)防滲工程采用單排孔設(shè)計(jì)，孔距為78 cm，主井和套井之間搭接長(zhǎng)度為32 cm，形成的防滲墻寬78 cm（如圖2所示），需處理123.5 m壩體上共計(jì)158孔，造井-回填的工程量總計(jì)1115.80 m。

沖抓套井回填深度為回填防滲墻底緣伸入至相對(duì)不透水層以下1 m，具體布置可見(jiàn)沖抓套井橫斷面示意圖圖1。

沖抓套井回填處理土壩滲漏宜于在水庫(kù)低水位情況下施工，首先應(yīng)選擇水位符合施工要求的時(shí)段，因此需避開(kāi)洪水期并將水放至施工要求水位;其次，為避免施工與蓄水的矛盾，需將河床深孔段進(jìn)行處理，然后再對(duì)壩端淺孔段施工，按照先主井、后套井的順序進(jìn)行;第三，為便于移孔，應(yīng)采取沿直線方向前進(jìn)施工的方法。除此之外，為便于安置沖抓機(jī)，應(yīng)先將擋土墻推翻后，再進(jìn)行沖抓施工，其施工程序與工藝流程如圖3所示

嚴(yán)格達(dá)標(biāo)的施工質(zhì)量是工程能否成功的關(guān)鍵。在工程施工中，從造井到回填各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)操作需進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，具體要求細(xì)節(jié)如下：

造孔：造孔要保證平整垂直，孔位允許偏差正負(fù)3 cm，端孔傾斜不得大于0.3%，否則將影響防滲墻的有效厚度。為了防止井孔偏斜，造孔時(shí)定位要對(duì)準(zhǔn)中心樁，三角架墊應(yīng)保持平穩(wěn)，且不能移位，而且掛鉤器要始終保持水平位置，造孔順序，采用間隔法進(jìn)行，先主井，后套井，即1、3、2、5、4、7、6、9、8......，具體見(jiàn)圖4。

回填：鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后，為避免塌方應(yīng)立即進(jìn)行回填。位于庫(kù)水位以下的井段，為防止井內(nèi)積水，必須快速填至庫(kù)水位以上，中途非特殊情況不得停歇，保持底部無(wú)水。更重要的是保證回填土料的質(zhì)量，不僅要去除土料中的雜物，而且要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)，將其粘粒含量、干容重、及含水量等控制在《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)定的范圍內(nèi)。

夯實(shí)：填筑土的擊實(shí)是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵，其在很大程度上決定著壩體的抗?jié)B強(qiáng)度和壩面的抗開(kāi)裂強(qiáng)度。遵循夯實(shí)進(jìn)土，不在夯頂形成堆積的原則，使夯擊填土充分向周圍擠壓。此外，為提高夯壓效果，在夯擊過(guò)程中要求夯錘保持穩(wěn)定，不得左右搖擺和碰撞井壁。當(dāng)夯實(shí)10m以下的井段時(shí)，可適當(dāng)加大夯錘落距，以增加夯錘的沖擊作用，擴(kuò)大對(duì)井孔周圍土體的擠壓。但當(dāng)回填到距壩頂2 m以內(nèi)時(shí)，應(yīng)減少夯距，夯錘提升高度小于2 m，以防壩面開(kāi)裂或回填井周圍土體隆起。

在施工過(guò)程中，上述幾個(gè)環(huán)節(jié)必須嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)控制工程尺度，及時(shí)取樣檢查回填土質(zhì)量并測(cè)定夯實(shí)后的干密度和含水量，確保合格率不小于90%，且不合格干密度不低于設(shè)計(jì)干密度的98%，同時(shí)不合格樣不得集中。

沖抓套井回填技術(shù)的工序簡(jiǎn)單、工程概算低、質(zhì)量易把控，而且便于就地取材，是工程量小、經(jīng)濟(jì)可行的小型水庫(kù)防滲加固措施。利用此方案對(duì)國(guó)慶水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，采用單排孔套井回填可使壩體防滲系數(shù)降低到1×10cm/s以下，從中等透水帶轉(zhuǎn)為弱透水帶，不僅有效地實(shí)現(xiàn)病險(xiǎn)水庫(kù)防滲除險(xiǎn)的目的，而且工程量共計(jì)1116 m，投資金額不到24萬(wàn)元，還完整保持了原有壩體的結(jié)構(gòu)，具有高的環(huán)保達(dá)成度，值得在類似工程中推廣和應(yīng)用。

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Dam leakage is a common hidden damage of water-storing hydraulic projects， and it is also the most basic problem to be solved in the reinforcement of various types of dangerous reservoirs. Based on a concrete example of removing dangers and strengthening for dangerous reservoirs， in this paper， several technical schemes widely used in anti-seepage and plugging for small reservoirs were comprehensively compared and analyzed. It points out that casing well backfilling technology owns the obvious advantages of short construction period， little damage to the original dam structure and low project cost， and is one of the most effective measures to deal with the water leakage from earth-dams. Through the discussion， it can provide useful technical reference for the reinforcement of other similar reservoirs.

dam anti-seepage;casing well backfilling;small reservoirs;engineering design