雪峰山水库除险加固工程冲抓套井回填粘土防渗墙施工

2010-03-15莫伯科

湖南水利水电 2010年3期

莫伯科

（桃江县水利水电建设公司桃江县 413400）

1 工程概况

雪峰山水库枢纽位于桃江县灰山港镇杜家冲村，是一座以灌溉为主，兼有发电、养殖等综合效益的小（Ⅰ）型水利工程。于1956年10月动工兴建，1965年扩建定型，主坝为均质土坝，最大坝高26m，坝顶面宽6m，坝轴线长118m，坝址控制集雨面积2.3km2，可控外引面积9.2 km2，正常库容560万m3，由于该工程修建时间早，且为“三边”工程，质量标准低，多年运行后，坝体、坝基、坝肩渗漏等险情不断出现，严重影响大坝安全运行。

2 安全论证及初步设计概况

（1）2004年11月，由益阳市水利水电勘测设计研究院进行了大坝安全分析论证，2004年12月由益阳市水利局组织专家对大坝进行了安全鉴定，鉴定类别为三类坝，2006年11月水利部大坝管理中心确认雪峰山水库为三类病险坝，并针对存在问题对大坝维修加固提出了相应的处理意见。

大坝坝体渗漏原因及渗透系数：水库大坝填筑材料主要由褐黄色，褐红色、褐灰色的亚粘土、粘土及含腐植根系的壤土组成，夹有石英砂岩及粉砂质页岩风化棱角状角砾，填筑不均匀，且压实度不够，结构松散～稍密，底部含水量较大～大，坝体填土高差较大，渗透系数悬殊，勘测渗透系数为：垂直（3.08×10-4～6.76×10-6）cm/s；水平（3.43×10-4～7.96×10-6）cm/s。特别是根系腐烂后形成渗流通道，不满足均质土坝的质量要求。

（2）2007年10月由益阳市水利水电勘测设计研究院对雪峰山水库进行了除险加固设计，其中主坝坝体防渗设计方案为坝体采用冲抓套井回填粘土防渗墙与铺防渗膜相结合，粘土防渗墙采用双排面孔，设计上游排轴线布置于内坡高程164.20m一级平台中心线位置及上游高程（164.20～172.35）m的坝坡上，排距90cm，孔距86cm，单孔直径1.1m，墙有效厚度1.59m，墙底至基岩与坝基帷幕灌浆相接，平面总长度198m，本次冲抓回填造井268孔，最大孔深22.4m，总进尺5235m，填筑土料采用素粘土。

3 冲抓套井回填粘土防渗墙技术

套井回填法在土坝坝体内修建粘土防渗墙，属桩柱式防渗墙。该项防渗墙技术主要在土坝渗漏坝段，沿坝轴线或坝轴线上游一米处单排布孔或双排布孔，利用冲抓钻头造孔，钻孔在平面上套接布置，孔深要求达到坝体填筑质量较好的土层内或基岩内以满足接触面防渗要求。在单排布孔时，按主孔和套孔相间布置，一主一套相间连接;将孔内回填粘性土，经夯实后，形成一道连续的粘土防渗墙。当单排布孔的防渗效果达不到设计要求时，则可打双排孔。该技术的特点是套井回填粘性土经夯实后干密度增大，渗透系数减小，防渗效果好，并可下井检查，保证质量;同时，套井四周坝体干密度增大，坝体得到加固。施工方法简单，操作方便，工效高，投资少。回填料易就地取材，但回填料用量大。该方法适用于水上施工，对水下或浸润线以下施工较为困难。

4 套井回填粘土防渗墙设计与施工工艺

4.1 回填土料选择

回填土的质量是套井回填成功的关键，对所选料场必须做物理力学指标试验，与原坝体指标对比，加以确定。根据本工程实际，所用土料粘粒含量要求在30%～50%，含水量控制在22%～24%，设计压实度达到98%，渗透系数K不大于1×10-6cm/s。

4.2 设计要点

套井回填粘土防渗墙设计的主要技术参数包括：防渗墙厚度、套井处理深度、套井钻孔及防渗墙布置、回填土料特性等。

4.2.1 防渗墙厚度

防渗墙厚度应根据渗流计算和稳定分析综合确定。一般方法是先根据类似工程经验选择适当的防渗墙厚度，再根据渗流计算确定坝体内浸润线位置，然后进行坝体稳定性分析，并检验所假定的防渗墙厚度是否合理。同时，防渗墙厚度尚应保证在设计水头作用下能够抵抗渗透坡降的破坏。计算公式为;

式中 J——防渗墙渗透坡降；

δ——防渗墙设计厚度（m）；

△H——防渗墙上下游水位落差（m）。

其中防渗墙允许渗透坡降可参照《碾压式土石坝设计规范》相关规定和实际工程经验综合确定，一般可取3～5。在本水库中防渗墙设计厚度为1.59m。

4.2.2 套井处理深度

根据工程实际经验，套井回填粘土防渗墙的套井处理深度一般应位于坝体渗透部位至少（1～2）m以下，在本水库设计中要求达到大坝基岩。

4.2.3 套井钻孔及防渗墙布置

由于套井钻孔位置也就是今后防渗墙土料填筑位置，故套井钻孔和防渗渗墙布置是相互对应的。主要设计参数包括钻孔排数、轴线位置、孔距等，与防渗墙设计厚度、冲抓机规格有关。为保证防渗墙的有效厚度，同时避免相邻井孔接合处发生新的渗漏，应合理选择钻孔孔距，并保证相邻井孔之间有一定的搭接长度。具体应以相邻井孔搭接处最小防渗墙厚度不小于设计防渗墙厚度为控制标准，需根据防渗墙设计厚度、冲抓机钻孔直径、钻孔排数计算确定。

4.2.4 回填土料特性

套井回填土料的特性一般应遵循碾压式土坝对心墙土料的相关要求，重点需明确回填土料的颗粒组成、自然含水率、塑性指数、压实度、干密度以及渗透系数等指标。根据工程实际经验，套井回填土料一般应选用塑性指数大于17，粘粒含量大于35%的粘土；土料自然含水量应接近最优含水量，其偏差应控制在最优含水量的土2%～3%之间为宜；回填土料应容易压实，并要求压实度达到0.95以上；土料压实后的干密度一般应达到1.55kg/cm3以上，渗透系数可根据室内试验得出的干密度一渗透系数关系曲线确定，本水坝设计渗透系数K不大于1×10-6cm/s。

4.3 施工工艺及质量控制

4.3.1 施工准备

套井回填粘土防渗墙施工前应先进行平整场地，并布置好冲抓机械施工路线、弃土和回填土料堆放场地以及土料运输通道等。

4.3.2 钻孔

先按设计要求将套井孔放样并编号，施工时造孔顺序应间隔进行，钻孔速度一般控制在（2.0～3.5）m/h之间，根据孔深、土质情况不同适时调整;造孔的关键是要求井孔垂直，以保证防渗墙的有效防渗厚度;施工时应经常检查套井孔的垂直度。为防止井孔坍塌，重点应注意以下几点：

（1）消除井孔内的渗透水。这就要求在套井钻孔前，必须先将库水位降低至设计套井最低高程至少1.0m以下。这样，既可以消除因坝体内渗透水的存在而可能引发的塌孔事故，又可以避免对回填土料特性产生的不利影响。

（2）合理控制钻孔速度。钻孔速度过快或过慢，均不利于套井孔的稳定。根据实际经验，当套井深度较小（10 m～20m）、原土体中粘粒含量较多时，钻孔速度可适当快些，一般可控制在（3.0～3.5）m/h之间；当套井深度较大（20 m～30m），原土体中砂粒含量较多时，钻孔速度应适当放缓，一般可控制在（2.0～2.5）m/h之间。

（3）及时回填。一个套井孔完成钻孔后，应及时进行土料回填夯实，两者间隔以不超过1h为宜。同时，只有待一个套井孔完成从钻孔至回填的全部工序后，才允许进行下一个钻孔的施工。

（4）钻孔时从坝体内冲抓出来的土方应随时运走，不得堆放在套井孔周边，以避免堆土对井壁所产生的附加应力。同样，准备入孔回填的土料也不得堆放在套井孔周边。

4.3.3 土料回填夯实

土料的回填夯实直接影响到套井回填防渗处理的效果与成败，施工时应十分重视。首先，严格控制回填土料的质量。为此，施工现场应设立简易土工试验室，及时对回填土料进行土工试验，以确定土料的颗粒组成、自然含水率、塑性指数等指标。若自然含水量不符合规定要求，即土料过干或过湿，应进行洒水或翻晒处理。对不符合要求的土料，不得下井回填。

其次，应重视防渗墙底部与原坝体土层结合处的处理，以防产生新的渗透薄弱面。为此，回填前应先清除井孔底部的浮土、砂砾石等杂物。如有积水，应先用松干土料回填吸干后再抓出松土，直至井底无水时才开始土料回填。

第三，做到合理夯实。合理夯实有助于提高回填土的密实度和抗渗强度。夯锤不能过重过高，否则冲击力太大会对原坝体结构造成破坏。夯锤应保持底部呈球面形状以增加夯击时的侧压力，使回填土料能向套井孔四周挤压，促使新老土体紧密结合。另外，夯锤应与套井孔四周保持有l0cm左右的空隙，以避免夯锤下落时因气浪冲击波震动而对原坝体结构造成破坏。对于夯锤高度和夯击次数，一般需根据现场试验后确定。