冲抓套井回填处理土坝渗漏的设计

刘文超彭敏

（1.开元发展（湘潭）投资有限责任公司湘潭市411100；2.湘潭市水利水电勘测设计院湘潭市411100）

冲抓套井回填处理土坝渗漏的设计

刘文超1彭敏2

（1.开元发展（湘潭）投资有限责任公司湘潭市411100；2.湘潭市水利水电勘测设计院湘潭市411100）

文章介绍一种处理土筑堤坝渗漏的方法——冲抓套井回填再筑截水墙处理土筑堤坝渗漏法，简称“冲抓套井回填法”。详述了该方法设计需收集的基本资料，以及钻孔布置、孔深、孔距排距及墙厚、墙体厚度及其他参数的确定、浸润线和渗流量的计算、干容重（干密度）的选择和稳定复核。

冲抓套井回填法土坝设计

1 概述

所谓“冲抓套井回填”，就是在要处理的土坝范围内，用冲抓钻按一定的要求造孔，然后用级配好的粘土分层回填，并利用钻机动力和卷扬设备带动设计重量的夯压工具将填土夯压密实，在坝内造成一个有一定厚度的、渗漏系数小的连续截水墙，截住坝身或地基渗流，从而达到防渗止漏的目的。这是多快好省处理土坝渗漏的方法之一。其他方法相比，该方法具有如下特点：

（1）工程量小，土料省。与上游再建斜墙、截水墙或开挖坝体重新用好土料回填等处理方法相比较，只需打一两排套井，回填工程量小得多。再者，一般水库在大坝修成后，当地土料已经很缺乏，大量的粘土难于解决。

（2）工效高，进度快。每台冲抓机组只需10～16人（包括运土）。由于回填土料少，挖运工日和施工组织管理都大大节省和简化。只要机械使用得当，一般中小水库，只需几十个劳力三班作业，于一冬春就可以完成。

（3）由于在坝内施工，一般不需在坝前围水、排水。

（4）施工处理与勘探相结合。套井口径大，人可进入并进行全面观察、检查，对各段坝体质量、渗漏水层或孔道分布情况作全面了解，从而合理地提出处理深度、厚度和填筑质量。

（5）适应面广，均质土坝和心墙坝、坝身为细粒料的斜墙土坝都适应。

（6）设备简单，操作容易，维修方便。由于机具结构简单，一般民工学习十天半月即可独立操作和维修，而且配件不复杂，一般小厂可以解决。

2 基本资料的收集

全面收集反映工程实际情况的材料，是做好处理工程设计的前提。冲抓套井设计，需收集的基本资料有：

（1）与工程有关的各种文字材料。如设计、审批、施工记录、历次处理工程设计和施工记录、工程观测成果、特别是有关渗漏观测成果（逸出部位，流量大小，与大气降水和上游水位关系等），三查三定成果等。

（2）与工程设计的有关图纸。如坝区平面图、坝址纵、横断面图、坝区地质图和地质剖面图。

（3）坝身土料试验成果。应取有代表性的、能真实反映坝身工作情况的填筑土试件样本，数量要满足统计、分析、修正要求。

（4）回填土料的查勘和试验成果。回填土料物理力学指标，一定要优于原坝身土料，否则回填就没有意义。查勘土料的储量、复核土层厚度、其中可用土层厚度、运距等。一般料场储量不得小于两倍需用量。

3 工程设计

套井回填粘土截水墙设计内容包括钻孔布置、孔深、孔距、排数、排距、渗流稳定计算和坝坡稳定复核等设计指标。

3.1 钻孔布置

套井回填孔布置在坝的原防渗体内是最理想的。新形成的截水墙与原防渗体结合在一起，相得益彰，将使防渗体抗渗能力大大提高，浸润线降低。总的来说，将孔布置在坝轴线或平行于坝轴的坝顶上游侧为好。一是坝顶开阔平坦，便于机具架设，不需搭设机台，省工省料；二是机具本身限制，不能打斜孔，只能打垂直孔；三是在坝顶部分造孔，坝体两边有足够的厚度抵抗回填冲击夯压对坝体产生的侧压力，使坝体不发生变形，而能提高回填土的夯压质量，提高抗渗能力。造孔范围，如系局部坝段渗漏，一般以渗漏点为中心，向坝轴两端延伸一倍坝高的距离；如坝内有多段渗漏分布在坝左、右岸和坝中段，则需在全坝布孔回填。

3.2 孔深

选定造孔深度的原则是属坝身部分渗漏的，新筑的截水墙应嵌入质量好的老坝体内（1～2）m；属原清基不彻底，基础部分渗漏的，要截至不透水层。一般两岸山坡的浅孔都可截至不透水层。但孔深最大限度，不得超过机具可能达到的设计能力。由于孔越深，坝内压力越大，垮孔机率增大，故最大控制孔深在（25～30）m内最好。

3.3 孔距、排距及墙厚

孔距与排距选择的原则是：应以最小工程量取得最大的防渗效果。不同孔距、排距、截水墙厚度是不同的，用几何方法推导的成果是：

一排孔最优角α1=45°（图1）

相应孔距D1=2Rcosα1=2×0.55×0.707=0.78 m

最小墙厚T1=2Rsinα1=2×0.55×0.707=0.78 m

图1 一排孔最优角

二排孔最优角α2=38°57′07″（图2）

此时孔距D2=2Rcosα2=2×0.55×0.778=0.86 m

排距L2=R（1+sinα2）=0.55×（1+0.6287）=0.9 m

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

图2 二排孔最优角

三排及三排以上的孔，最优角αn=30°（图3）

此时孔距Dn=2Rcosαn=2×0.55×0.866=0.95 m

排距Ln=R（1+sinαn）=0.55×（1+0.5）=0.825 m

最小墙厚Tn=R[（n-1）+（n+1）sinαn]

得出三排孔时最小墙厚T2=2.2 m

式中n——排数n≥3

图3 三排及三排以上孔的最优角

3.4 墙体厚度及其他参数的确定

套井回填截水墙厚度，是根据坝体防渗要求以及孔距、排距和墙体后部渗流稳定条件来定的，与坝高、防渗体渗透系数、回填土渗透系数、坝体断面尺寸等参数有关，实际是满足渗流稳定来反推的。

墙体初步选定厚度可按下式推求：

式中T——防渗墙体有效厚度即最小厚度；

H——防渗墙承担的最大水头，通过浸润线计算求出；

[i]——防渗墙土体容许水力坡降，可参考表1采用。

表1 粘性土壤容许水力坡降

土壤类别，可通过试验确定，根据土工试验成果或经验取值，随之可以确定[i]，再通过第五小节浸润线计算确定保防渗墙体承受之水头H，即可确定墙厚T，随之孔距排距都可求出。也可以用确定的排数相应墙厚复核渗流稳定。

3.5 浸润线和渗流量计算

一般土坝工程在设计时都对坝体浸润线和渗流量做过计算，有的还有观测成果。修筑套井截水墙后，在坝内形成了一道有效的防渗体，渗径延长，浸润线和渗流量将会随之改变。因此，需重新进行计算，用以比较效果。下面将简略介绍冲抓套井建截水墙后坝体内的浸润线和墙体渗透流量的计算方法。

套井回填形成截水墙后，由于坝体中增加了一道高抗渗体，渗径相应延长，浸润线及渗流量亦随之而变，计算方法目前很不完善，一般都是采用化引方法，即折算法。即根据新建套井截水墙的渗透系数和原坝体心墙或坝壳渗透系数之比值，将截水墙的有效厚度折算成等效的坝体厚度，然后，按一般心墙坝、均质坝公式计算。

（1）心墙坝（图4）。

图4 心墙坝计算

如心墙和坝体均建在基岩上，则各式中的T均为0。

（2）均质土坝（不透水地基）（图5）。

图5 均质土坝计算

式中△l=βH（β为上游边坡系数）

3.6 干容重（干密度）的选择

干容重是土壤重要的物理力学指标，是土坝设计中的首选指标，也是土坝防渗处理对填筑土料质量控制的重要指标。由于土料颗粒级配、矿物成分、含水量、夯压方式等不相同，所获得的干容重也不相同。单以含水量一项为例，如土的含水量太低，土粒间水膜相应少，不够润滑，难于压实、干容重低。因此，干燥状态下压实的土，一经浸水即发生沉陷。土的含水量大，多是因为土粒间水膜太厚，摩擦力小，不但抗剪强度低，边坡也难于稳定，是所谓“橡皮土”，亦夯压不实，干容重小。因此，严格控制土的含水量是提高土的干容重的重要环节。土料最优含水量可以通过土工试验确定。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。

确定设计干容重的方法有几种：

（1）通过标准击实试验取得。我国规定的土坝压实的标准击实功能为750 kJ/m3，这是室内试验在刚性圆筒中无侧移的情况下的试验结果。现实工程中土的压缩都是有侧移的，故实际运用的击实功能要大。设计试验样本数不宜低于25～30组，取干容重的大值平均值乘施工条件系数m即得：

m——施工条件系数，高坝为0.97～0.99，中低坝0.95～0.97；

（2）通过公式计算取得。如土的总体积为1，空气体积为Va（参考表2），水的体积为Vw，土粒体积为Vs，则：Va+Vw+Vs=1

表2 Va的数值参考表

其中：Vw=（γd）maxwp

式中（γd）max——理论最大干容重；

wp——塑限，以小数计。

式中△s——土粒比重。

实际应用时很难达到理论计算的干密度，还应乘施工条件系数m即：

上述两种方法得出的结果，用下式校核，即：

设计干密度γd=1.02～1.12（γd）t

式中（γd）t——料场土体的天然干密度，由现场取样在室内试验确定。

在实际工作中，可视具体条件决定采用哪种方法。

3.7 稳定复核

分为渗流稳定和抗滑稳定复核。渗流稳定复核，在选定墙厚中已计算过一次，但只是根据一种水位（如最高洪水位）的计算成果，其他特征水位条件下的结果，仍需补充复核。抗滑稳定复核，一般来说，冲抓套井回填没有改变坝体外型尺寸，所改变的仅仅是坝下游坡内浸润线下降和渗流量下降，也就是饱和区降低，对抗滑稳定是有利的。

[1]王国海.冲抓套井回填黏土防渗墙的设计与施工[J].浙江水利科技，2007，（5）：69-70,73.

[2]钟超英，陈廷笔.利用冲抓套井回填处理土坝渗漏的研究及应用[J].防渗技术，1992，（2）:37-45.

2016-10-26）

刘文超（1983-），男，大学本科，工程师，目前从事水利水电施工工作。