浅析土坝“套孔冲抓回填黏土防渗心墙”的渗透稳定

喻建中

（湖南信科工程设计有限公司，湖南 长沙 410014）

1 概 述

土坝套孔冲抓回填黏土防渗心墙技术是从20世纪80年代至今一直在我国浙江、江西、湖南、福建、广东、四川等多省广泛应用于已建中小型水库土坝渗漏隐患治理的水利工程技术。

该技术按照设计套孔布置，利用三角架冲抓钻机悬吊的冲抓钻头从坝顶垂直往下造孔，经清孔再逐层往孔中回填并用夯锥夯实黏土，孔孔套接构筑成连续的垂直防渗墙。

该技术分别被《土石坝加固》[1]和《渗流计算分析和控制》[2]等水利名著所肯定，参考文献[1]称，土坝套孔冲抓回填黏土防渗墙技术具有防渗效果好，施工方法简单，便于就地取材，利于保证工程质量等优点，是一种高效、经济、实用的土坝渗漏治理技术；参考文献[2]则称，黏土防渗墙很适宜于中小型水库，也较经济。

该技术应用至今，大多数土坝都采用单排大孔径（1 100 mm）套孔冲抓回填黏土构筑防渗墙（以下简称“单排大孔径防渗墙”），少数土坝采用双排大孔径防渗墙[3]，很少有土坝采用单排或多排中孔径（900 mm）和小孔径（700 mm）防渗墙。治理后，多数土坝渗漏得以控制，但也有不少土坝的渗漏隐患仍然存在。

本文即针对这些渗漏仍然存在的土坝渗透稳定性进行论述分析，并提出相对合理的建议。

2 20 世纪所建土坝较普遍存在的渗漏隐患和典型渗漏坝段

2.1 均质土坝渗漏隐患的形式

1）水平渗漏层

●坝体施工中遗留有未被清除的冻土层，因上坝土料含水量较高，碾压不实，冬季冻胀（土的孔隙率加大）而形成，其渗透系数可达1×10-3cm/s甚至更大（图1）；

图1 土坝横剖面图（冻土层）

●坝体填土碾压面上的渗漏层，因土坝填筑土层偏厚，碾压设备功率偏小，填筑层的下部碾压不实，而其上层的碾压面又往往过碾，进而形成顺碾压机履带销方向的水平渗漏（图2）。

图2 土坝横剖面图（碾压面）

2）横向施工工段结合面或裂缝渗漏

●坝体一般分段施工，某工段结合部往往因施工进度不一而存在碾压不实、土块偏大、土料含砾量集中等问题，最终构成横向渗漏带，见图3（a）；

●坝肩不均沉降横向裂缝，见图3（b），在水库较高水位时也是明显的横向渗漏带；

●穿坝涵等刚性建筑物与土坝结合面及相关横向缝，见图3（c），都是土坝发生横向渗漏的通道。

图3 土坝纵剖面图

2.2 典型横向渗漏坝段及其特性

图3中显示的施工分段接合部是一个典型的横向渗漏坝段。

另外，由2.1所示的均质土坝的渗漏隐患形式也可以推断，当某均质土坝的水平渗漏层层数较多、分布较宽或与横向接缝（或裂缝）有较为明显交织时，都将形成横向渗漏坝段。

显然在当年修建的均质土坝中，实际存在着不均质的横向渗漏坝段，而且这些坝段都有不确定性、随机性。

3 不透水地基上均质土坝经“套孔冲抓回填黏土防渗墙”技术处理后渗流计算分析

3.1 计算分析说明

1）存在横向渗漏坝段的均质土坝经“套孔冲抓回填黏土防渗心墙”技术处理后，其横向渗流计算采用参考文献[4]中相关方法和公式；

2）受篇幅所限，本文仅列出我国中小型水库土坝中数量最多的建于不透水地基上、下游坝脚设有排水、坝下游水位与排水沟顶（即坝建基面）齐平的渗流计算分析；

3）本计算分析要求“套孔冲抓回填黏土防渗心墙”回填黏土的压实度≥0.98，墙体渗透系数K2≤1×10-5cm/s，防渗墙允许渗透坡降〔J〕≥6；

4）本计算分析，套孔布置的孔距、排距是按回填土成墙有效水平面积最大拟定的。

3.2 渗流计算简图和方程

渗流计算简图和方程见图4和式（1）。

图4 渗流计算简图

式中 H1——黏土心墙前（上游）水深（m）；

h——黏土心墙后（下游）水深（m）；

δ——黏土心墙有效厚度（m）；

s——黏土心墙下游浸润线水平投影长度（m）；

K1——原均质坝体相应坝段土的渗透系数（cm/s）；

K2——套孔冲抓回填黏土心墙的渗透系数（cm/s）。

3.3 黏土防渗（心）墙渗透坡降计算

式中 △H——黏土防渗（心）墙上下游水位差（m）；

H1——黏土防渗（心）墙前（上游）水深（m）；

h——黏土防渗（心）墙后（下游）水深（m）；

J——黏土防渗（心）墙渗透坡降；

δ——套孔冲抓回填黏土防渗墙有效厚度（m）。

3.4 黏土防渗（心）墙允许渗透坡降

图5、图6、图7中示出〔J〕=6。

4 单排大孔径（1 100 mm）、三排小孔径（700 mm）、三排中孔径（900 mm）套孔冲抓回填黏土防渗（心）墙渗透参数关系

由式（1）、式（2）、式（3）、式（4）联立可计算出本文推荐的合理套孔冲抓回填黏土防渗（心）墙有效厚度相关的渗流计算参数关系曲线图（图5、图6、图7）。

图5 单排大孔径（1 100）防渗心墙渗透参数关系图

图6 三排小孔径（700）防渗心墙渗透参数关系图

图7 三排中孔径（900）防渗心墙渗透参数关系图

从图5、图6、图7分析可知：

1）计算分析断面中，原土坝土体的渗透系数K1较小时，套孔冲抓回填黏土防渗（心）墙易于满足抗渗安全要求；

2）计算分析断面中，原土坝土体的渗透系数K1较大时，必须增加套孔冲抓回填黏土防渗（心）墙的有效厚度或提高套孔冲抓回填黏土防渗（心）墙的允许渗透坡降〔J〕，才能确保其渗透稳定。

5 关于完善“套孔冲抓回填黏土防渗心墙”设计的建议

1）对于当年建于不透水地基上的众多中小型均质土坝，建议采用本文图5、图6、图7列示的渗透参数关系复核“套孔冲抓回填黏土防渗心墙”的渗透稳定。

2）建议采用奇数排孔套孔组合成墙，有效加厚黏土心墙厚度，使之满足抗渗安全要求〔偶数排孔套孔组合成墙实施过程中，不能保证各排、各序、各孔都能竖直成孔，不能按设计套孔冲抓组合成（心）墙〕。

3）冲抓钻属简单机械，具有简单机械的许多优点，但冲抓能力有限。因此，建议合理拟定套井回填黏土的土层厚度，尽可能提高冲抓回填黏土防渗心墙的允许渗透坡降。