套井回填技术在土坝防渗处理中的应用分析

王 栋,邱云胜

(台州市黄岩区水利局,浙江 台州 318020)

1 概 述

黄岩区拥有大小水库(山塘)600多座,且大部分建于20世纪50—60年代,限于历史原因,这些工程,大都是“三边”工程,质量低劣,隐患不少.近年来,为解决该区部分水库土坝坝体的渗漏问题,我们进行一系列的科学分析和方案对比,最后都认为采用粘土套井回填防渗处理措施,能取得良好效果.

2 套井回填技术的机理

套井回填技术于20世纪70年代初期,由浙江省温岭市开创,在处理险坝险堤中,成效明显.随后,在实践中不断完善和发展,逐步推广到江西、湖南、四川等10多个省,几百座水库土坝和堤防采用了这项技术.它具有机械设备简单、施工方便、工程量小、工效高、造价低及防渗效果好等优点.

所谓套井回填的机理,即利用冲抓钻,在土坝或堤防渗漏范围造井,用粘性土料分层回填夯实,形成一连续的套接粘土防渗墙,截断渗流通道,起到防渗的目的.此外,在回填粘土夯击时,夯锤对井壁的土层挤压,使其周围土体密实,提高堤坝质量,从而达到防渗和加固的目的(3).根据总结经验,在正常情况下,每台冲抓钻24 h可完成冲填深度40～50 m,造价为粘土斜墙的1/2,为倒挂井的1/6.

3 处理要点

3.1 确定套井处理范围

根据土坝工程渗漏情况,即渗漏量大小、出逸点位置、施工记录以及钻探、槽探资料分析,尽量摸清水库渗漏范围,处理坝段长度.如处理一个漏洞时,如果漏洞不是一条直线,要适当扩大范围,其深度也必须超过渗出点3 m.

3.2 套井防渗墙设计

套井回填粘土防渗墙处理堤坝渗漏的设计,主要包括冲抓套井平面布置、孔距、孔深、排距和防渗墙厚度等.

3.2.1 套井平面布置

套井防渗墙,在平面上按主、套井相间布置,见图1,一主一套相交连成井墙,见图1.套井为整圆,主井被套井切割,呈对称蚀圆.从降低浸润线高度考虑,粘土心墙坝或均质坝套井应布置在坝轴线上游侧,但为了与原防渗体连成整体,坝基防渗也可布置在上游河床上[1].

图1 冲抓套井造孔顺序排列示意图

3.2.2 套井的排数与排距

套井的排数,即需要的套井回填粘土防渗墙的厚度,可根据渗透计算确定.计算内容侧重于渗透坡降的验算.确定防渗墙的有效厚度如下:

式中:T—防渗墙有效厚度,m;ΔH—防渗墙承担的最大水头,m;H1—上游水位,m;h—防渗墙下游水位,m;J—防渗墙允许渗透坡降(对于粘土一般采用6～8).

根据试验测得的资料,土坝由于冲抓建造防渗墙的侧向挤压作用,一般影响范围约为套井边缘外0.8～1.0 m,其中符合设计干容重要求的有效环形厚度为0.2～0.3 m.一排套井的实际有效厚度为1.3～1.4 m,为安全计,采用有效厚度为1.1～1.2 m.一般在高度25 m以下的土坝防渗,可考虑一排套井,在施工中再根据渗漏情况,必要时可增设加强孔,以加厚防渗墙,满足防渗的要求.坝高超过25 m,达到40 m的土坝,可考虑采用二排或三排套井[1].

3.2.3 套井深度

根据坝体填筑质量确定,要求做到填筑质量较密实,渗透系数与防渗墙相接近的土层相衔接,并深入坝体填筑质量较好的土层内1～2 m.对坝基漏水,深入不透水层或至较好的岩基.坝内设有涵洞,为不影响涵洞质量,一般洞顶以上5 m时,不要冲击,而是采用钻头自重抓土.

3.2.4 套井孔距

孔距决定于两孔间的搭接长度.搭接长,则孔距小,增加套井工程量.反之,搭接短,则孔距大,可减少总孔数.每个套井直径约为1.1 m.过去主要考虑搭接处要达到70～80 cm厚度,套井中心距一般为65～75 cm.实践证明,由于夯击时侧向压力作用,套井搭接处的坝体渗透系数小于套井中心处的渗透系数.因此,套井搭接处的厚度虽然小于套井中心处,但防渗强度大于中心处,说明两孔套接处不会产生集中渗流,套井孔距可以加大.现在一般将套井中心距离由65～75 cm加大到80～90 cm,以节省工程量,降低工程造价.

3.3 回填土料选择

回填土料的质量是套井回填成功的关键,对所选料场必须做土的物理力学指标试验,加以确定.一般要求是非分散性土料,粘粒含量在35%～50%,渗透系数小于1×10-5cm/s,干密度与含水量通过现场试验控制在设计要求的范围内.

4 施工设备与施工工艺

4.1 施工设备

以前台州一带的水库,造孔机械一般都采用8JZ—95型冲抓钻,虽然现在造孔设备开始丰富,但造孔方式还是采用冲抓钻进行.

4.2 施工工艺

4.2.1 施工布置

为满足立架和施工道路的要求,一般坝顶宽不得小于2 m,否则应采取加宽措施.施工前应平整场地,然后按设计要求放样,用编好的木桩打入每个井孔的中心位置,放样要一次完成.

4.2.2 施工工艺流程

冲抓钻施工操作主要是造孔、加填、夯实三个环节,其详细工艺流程如下所示:

放样布孔→架机对中→造孔(弃土)→下井检查→人工清理→回填夯实→质量检查→移机

4.2.3 造孔

在造孔前,必须尽早将水库水位降低到要求处理的高程以下.

施工顺序,在同一排井先打主井1、3号井(见图1);回填夯实后,再打套井2号井;回填,再打5号井;回填后,再打4号井,依此类推,按顺序进行.如设计两排井,先打上游排井,再打下游排井.如打三排井,先打一、三排井,再打二排井.

施工操作.凭借机具自重向井位冲击.冲击时,叶片张开,并插入井孔土层.冲击后,操作卷扬机使钢丝绳通过滑轮组使4个叶片闭合,将土抓住,然后把整个机具提升至井口,使其碰到固定于塔架上的自动挂卸器,实现自动挂钩.挂钩后,放松钢比绳,叶片自动张开,向井口小车内卸土,待小车运走弃土后,再将机具从持钩器上脱下,再次进行冲击,开始下一次循环进行,直至挖到设计深度.

钻孔要垂直,这是施工中的关键,否则会影响防渗墙的搭接和有效厚度.为防止井孔偏斜,造孔时,定位要对准中心桩,三脚架垫应保持平稳,避免钻头摆动而影响造孔质量.冲抓钻头上的4个叶片必须长短一致,而且要直,造孔到一定深度,及时检查井孔是否平整垂直,如发现井壁已歪斜,必须查明原因,及时纠正.

4.2.4 回填

在回填土料前,应下井检查,把井底浮土、碎石清理干净,并保持无水.井内如有渗水,要及时抽干.井壁有渗水,在渗水方向布置副井,用深井泵抽吸,拦截渗水,保证套井回填质量.回填土料,应通过试验确定.土料开采后,要打碎,粒径一般不得大于5 cm,并不准掺有草皮、树根等杂物.回填铺土要均匀平整,分层填筑,松土不宜过厚,以30 cm为宜.

4.2.5 夯实

回填土的夯实是提高土的密实度和抗渗强度的重要环节,对保证填土质量起很大作用.击实次数与每层土的厚度及夯击功能参数有关,应通过击实试验确定,如无条件做现场试验,可根据室内试验确定,也可按公式计算击实次数,参见下式

式中:Kp—压缩系数,由试验确定,其值为0.35～0.55;D为孔径,m,等于1.1 m;h—填土层厚,m;E—击实功能,t◦m/m3;Q—锤重,t;H—夯锤落距,m.

深井底部要及时回填,分层铺土要均匀、平整,不要一边高一边低;夯锤落距宜小,落锤要平稳,提升后自由下坠,不使钢丝绳抖动,以保证夯实密度.一般回填控制夯距2 m,夯击次数20～25次.当距顶2 m以内时,应减少单位冲量,夯距要小于2 m,以防坝顶开裂或沿孔周壅起.

夯锤底部可做成球冠形,并布置有羊角(锥形),羊角直径3 cm,高5 cm,间距10 cm,梅花形布置.锤上部做成椭圆抛物面形,以利于侧向挤压和进土.夯锤直径应略小于孔径,可为孔径的0.5～0.9倍.夯锤中心留空气孔,可避免气浪冲击波震动影响原有老坝体,同时可向孔四周挤紧[1].

4.2.6 质量检查

及时检查质量是保证套井回填质量的重要措施,其内容包括土料检查、井孔检查、施工参数控制及回填土检测等项目[2].

其中,在施工参数控制方面.施工参数的确定应通过现场试验确定,按其试验最佳铺土厚度、落距、夯击次数控制.当料场改变时,施工参数也应作相应调整.回填土质量检查方面.检查项目包括干密度、含水量、渗透系数.一般要求对每个套井均应取样试验,井中取样间隔离井底2～3 m处取第一组土样,以后每回填4～5 m取一组,必要时可以在任意深度内抽取土样,每组取样3个.主孔中位置在上、中、下,套井中位置在左、中、右.每取一组土样必须注明取样时间、井号、深度以及料场等.渗透系数测定可根据施工质量和回填土性质,抽查取样,但要有足够的组数和代表性.

判别填土压实质量指标,一般采用压实度.当套井回填土料方量较大时,在一个料场的不同部位、不同深度的土料,甚至其他料场,其压实性不尽相同.如采用同一干密度指标,作为填土压实控制指标,将会造成超压或少压.因此,要以压实度控制,见下式

式中:D— 压实度,%;ρα— 填土干密度,g/cm3;ρmax—室内标准功能击实最大干密度,g/cm3.

但当取土土料性质比较均匀时,可忽略土料压实性变化,直接用一个干密度指标控制,取样所测定的压实度、含水量、渗透系数合格率不应小于90%,且不合格的土料不得集中[1].

4.3 施工中遇到的主要问题及其解决方法

4.3.1 井壁偏斜的原因及其处理方法

主要是:套井内土质不同,有时遇到一边软、一边坚硬,随着井深增加,导致井壁内较软的一侧偏斜.处理的方法,将机架置于软基一侧垫高或者置于硬基一侧降低,但幅度过适中.如置软基一侧,因受力后沉陷,则需要垫枕木置于软基上,增加受力面积,防止继续下沉;钻头上下冲击振动,使底架缓慢位移,或因振动产生支架的螺栓松动变位,引起井壁偏斜,必须找锚桩固定机架,并拧紧支架的连接螺栓;当钻头4块叶片长短不一或弯曲时,导致井壁偏斜,必须及时更换叶片[3].

4.3.2 深孔坍方的原因及其处理方法

由于坝体土质松散、渗水等原因,导致井壁坍方,特别是在深孔中更加明显.解决方法一般采用堵与排.堵的方法,可采用粘土固壁和打补强孔两种方法.粘土固壁是在已坍方或将要坍方的井段回填粘土夯实后,再重复造孔.打补强孔是在漏水或坍方的上游打井回填粘土截断水流,加强坍方部分.该方法效果好,但造价高,只有在可能出现突发性坍方或已出现大坍方时再采用.排的方法,即在主井的渗水侧打排水井,拦截渗漏水,保证主井回填或在有渗水的主井内以预制钢护筒衬砌井壁,采用潜水泵进行排水,其具体做法,在已布置的单序孔位上间隔一定距离钻孔.如未发现较大漏水,则一直打至设计深度,再回填.如有渗水则将井深打至漏水部位以下2 m左右,下钢护筒支护,用潜水泵排水.钢护筒采用3 mm厚的钢板和3号角钢制作而成,每节护筒由两块半圆形组成,四角以角钢包边,用螺丝连接成整体,一节护筒长为1.1 m,直径1.0 m,沿圆周布置4节吊环,以便提升和上下两节定位之用,在护筒钢板上可钻些小孔,以便渗水[4].

5 结 语

实践证明,在坝高不高的条件下,套井回填粘土防渗墙的施工方法和机具操作简单易行,直观性强.在施工过程中,我们可以通过下井检查,发现问题,从而及时处理,确保工程质量.由于黄岩区的土坝坝高普遍不高,且周边都有黄土,因此,使用粘土套井回填技术来解决黄岩区域范围内的土坝的坝体渗漏问题还是很有效果的.

[1]牛运光.土坝安全与加固[M].北京:中国水利水电出版社,1998.

[2]毛佑仪.安全检查与加固[M].北京:中国水利电力出版社,1994.

[3]白永年,吴士宁,王洪恩.土石坝加固[M].北京:水利电力出版社,1992.

[4]陆文海.水工建筑物病害处理[M].成都:四川科学技术出版社,1985.