套井塌孔和坝体裂缝的原因分析及处理

吴有星，张 蕾

(浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324003)

20世纪五六十年代建设了数量众多的中小型灌溉水库，基本上采用以粘土防渗的土石坝，基本上采用人力挑、人力推车、畜力拉等方式运输，采用夯锤、碾子压实，土料分区混杂，普遍压实度低，防渗体土料渗透系数大，坝基开挖深度达不到规范要求，坝基处理措施不规范.目前基本上水库运行时间达四五十年，接近设计寿命，存在坝体渗漏、接触带渗漏[1]问题，急需进行防渗加固，对于坝高小于30 m的坝体采用套井粘土回填技术是土坝防渗加固不错的选择，套井回填技术在低坝除险加固中的应用是非常成功的，是一种操作简单易行，效率高投资少的技术,但施工过程中经常出现塌孔和坝体裂缝.[2]

1 套井回填应用情况

对衢州市水库土石坝除险加固工程做了部分统计，其中采用套井粘土回填技术进行防渗加固的中小型水库37座，其中中型水库2座，小(1)型7座，小(2)型28座，最长坝长287 m，最大坝高7.30～24.50 m，套井最大深度8.5～28.02 m.套井回填技术应用情况(见表1).

2 套井回填塌孔及坝体裂缝情况

对采用套井回填方案进行防渗加固的37座水库进行了统计分析，37座水库中有12座出现了塌孔、坝顶纵向裂缝和横向裂缝[3].

2.1 塌孔

(1)塌孔非常严重无法成孔

狮子口(中型)、方家坞(小1)和工农兵(小2)等3座水库大坝坝基存在松散土层，该土层含泥量少，粗粒土含量高，渗透系数大，且该层均低于水库水位，套井内水位和库区水位相差很小，套井内积水很多，经过多次复套均无法成井.3座水库情况(见表2).

表1 套井回填技术应用情况统计表

表2 存在砂土层水库情况表

(2)塌孔严重加固后能成孔

三汶塘水库大坝坝体存在厚度超过4 m的砂卵石夹层，坝体含水量大，塌孔严重，该砂卵石夹层无法成套井孔.白西坑水库部分坝段存在砂土层，相应坝段套井孔塌孔严重.2座水库情况(见表2).

(3)局部塌孔严重

部分坝段套井土质较松散，坝体含水量大，形成连续塌孔，采用粘性较好的干土回填压实后重新采用冲抓钻打孔，反复打孔回填后仍无法连续成孔，后采用跳段式前进施工，完成其他孔后再跳回原塌孔较严重位置打套井，顺利完成了,如开化县牛坞水库等.

(4)一般塌孔

个别坝段套井土质较松散，坝体含水量较大，形成塌孔，采用粘性较好的干土回填压实后重新采用冲抓钻打孔，顺利成孔，采用粘土回填压实，到达防渗加固目的.

2.2 坝顶纵横向裂缝

金村垅、白西坑、谢后垅、清源里和金村垅等5座水库均产生了坝顶裂缝，其中金村垅水库大坝坝顶纵向、横向裂缝均有，毗溪岭水库大坝上游坝坡产生纵向裂缝，其他3座水库大坝均产生了横向裂缝.5座水库的基本情况(见表3).

表3 产生坝体裂缝水库情况表

3 塌孔和坝体裂缝原因分析及处理措施

3.1 塌孔原因分析及处理措施

狮子口、工农兵和方家坞等3座水库砂土层低于库水位，塌孔位置低于水库水位，由于砂土层含泥量少，允许渗透坡降小，水库水通过砂土层大量渗入套井，套井周边土体抗剪强度大大降低，套井无法成孔，导致防渗加固方案失败.狮子口水库砂卵石层采用钢套管护壁水泥固结灌浆，在坝基与坝体结合段采用水力劈裂水泥灌浆加微膨胀水泥回填收缩裂缝处理，方家坞和工农兵坝体防渗后改用水泥充填灌浆技术加固(见图1).白西坑和三汶塘2座水库，均存在厚度达4 m多的砂卵石夹层，位置高于库水位，由于水库放水后时间不长，就开始套井施工，坝体含水量很大，套井施工时套井周边坝体土中水大量渗出，造成孔壁失稳塌孔，后采用在套井轴线上下游先各打一排套井进行加固，然后打防渗套井孔的办法解决(见图2).坝体土松散，坝体含水量较大，也会形成套井塌孔，一般采用“两次造孔法”[7]，及时用粘性较好的干土回填压实后重新采用冲抓钻打孔，顺利成孔；后采用跳段式前进施工，完成其他孔后再跳回原塌孔较严重位置打套井，顺利完成了.

图1 砂土层低于库水位

图2 库水位降低时间较短

从上述水库发生塌孔情况分析可知，采用套井防渗加固的坝体都存在松散土层，且渗透系数都相对较大，这是发生塌孔的内部原因；松散层厚度、库区水位、坝体土含水量大小以及是否有渗透压力是决定是否塌孔、塌孔严重程度的关键.

3.2 坝体裂缝原因分析及处理措施

白西坑、清源里、金村垅和谢后垅等4座水库，大坝最大坝高分别为23.12 m、24.30 m、15.10 m和17.50 m，坝高均超过15 m，套井最大深度分别为26.21 m、25.00 m、21.70 m和18.00 m，最大套井深度均接近或超过20 m，加固前坝体土最小压实度均小于0.8，在大坝建设期间，岸坡开挖时均存在陡坡情况，均采用大坝坝肩向河床施工的顺序，套井施工的振动促进坝体固结密实产生沉降，河床段沉降量大，坝肩沉降量小，从而大坝均在河床与坝肩连接处附近产生了横向裂缝，示意图(见图3)；毗溪岭水库最大坝高22.65 m，最大套井深度达23.65 m，大坝坝体土加固前压实度为0.70～0.87，最小压实度为0.70，套井回填过程中坝顶最大沉降量达0.20 m，由于套井粘土回填施工前上游混凝土预制块护坡已施工完成，套井冲抓施工位于坝顶，套井冲抓震动导致坝轴线附近坝体密实，体积缩小坝体沉降量大，而远离坝顶部位坝体沉降量小，导致上游坝坡产生不均匀沉降，从而产生上游边坡裂缝，示意图(见图4)；金村垅水库由于套井开挖土临时存放在上游坝坡，同时上游坝坡脚承载力余地不大，造成上游坝坡向上游滑动，上游坝坡坝顶附近产生纵向裂缝，示意图(见图5).均采用挖除表层裂缝，然后回填压实处理.

上述分析可知，不均匀沉降是坝体产生纵横向裂缝的主要原因，坝坡堆放弃土是坝坡生产滑坡的重要原因.

图3 横向裂缝示意图

图4 沉降产生纵向裂缝示意图

图5 滑动产生纵向裂缝示意图

4 套井设计中应注意事项

根据上述水库除险加固实践经验，设计人员在拟定套井回填防渗处理方案时应注意以下几点：

(1)当坝体存在压实度低于0.75、渗透系数大于6×10-4cm/s的土层且该层厚度不小于3.5 m，且该土层位于水库死水位以下时，渗透压力较大，孔壁产生渗透破坏，往往套井无法成孔，慎用套井粘土回填技术.

(2)坝体内含水量大是造成塌孔的主要原因，所以套井施工前应提前放水，尽量尽早降低至死水位以下，减少坝体含水量，减少发生塌孔法人几率.[4-7]

(3)套井从两岸往河床段方向施工顺序是坝体产生横向裂缝的主要原因，在施工图设计说明中应明确要求套井施工从大坝河床段开始往两岸施工[7-10].

(4)先施工上游坝坡衬砌后套井回填是产生纵向裂缝的主要原因，大坝除险加固施工时宜先进行套井粘土回填，再进行上游坝坡衬砌.

(5)套井冲抓开挖的原坝体土堆放在上游坝坡是坝顶产生从向裂缝的重要因素，在施工图设计说明中应明确不得将套井冲抓开挖的原坝体土堆放在坝体上.

5 结 论

套井粘土回填技术是中小型水库土石坝除险加固中防渗加固的高效、投资小、易操作的方案.此方案只要通过含水量、干密度、压水试验，同时选择合适的原料及合理的技术参数，严格控制施工工序，保证质量，能将大坝防渗效果达到最优化.而施工过程中塌孔及坝体裂缝是多发、常见的问题，如何最大程度地避免发生塌孔及坝体裂缝是广大水利工作者所关心的问题，希望本文能给套井回填设计提供帮助.