坝堤防渗加固处理中套井回填施工技术探讨

黄汉苗

摘要：水利工程中，坝基出现渗漏是工程中易出现的质量通病问题。为了水利工程的正常、安全运行，必须对坝基进行防渗加固处理。本文结合某水利工程实例就堤坝防渗处理中套井回填技术的具体应用作以阐述，以供同行参考。

关键词：水利工程 防渗漏 加固 套井回填

1工程概况及存在的问题

某小型水库，集雨面积约0.8km2，总库容约17万m3，水库大坝为心墙土坝，坝基为微风化岩基，坝高18.5m，坝顶长97m，坝顶宽5m，上下游坝坡均分为二级，坡度分别为1：2、1：2.5。该水库建于六十年代，经过几十年的运行，工程老化严重，主要存在以下突出问题：一是由于该水库由当地村民自建，缺乏技术指导，施工质量总体较差；二是水库大坝心墙土质量较差，加上填筑不够密实，导致坝体渗透性偏大，背水坡浸润线逸出点较高，坝面有大面积的散渗现象；三是因心墙土施工结合面处理不善，局部地段坝体内存在水平方向的渗透薄弱面；四是坝体右岸有二处集中渗漏，且渗流量较大。

针对该水库的大坝结构、坝体形式和渗漏特点，经研究决定采用套井回填粘土防渗墙技术进行坝体防渗加固处理。套井回填防渗技术是利用冲抓式打井机在坝体内钻孔取出原防渗体质量较差的土料，然后重新回填粘土并压实，形成连续粘土防渗墙的一种防渗处理技术。

2工程设计要点

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、套井钻孔及防渗渗墙布置、回填土料特性等。

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：

J= ΔH/δ

式中：J—防渗墙渗透坡降，δ—防渗墙设计厚度(m)，ΔH—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。

对于坝高在30m以下的小型水库，防渗墙设计厚度一般取0.8~1.0m即可满足要求。该水库防渗墙设计厚度为0.8m，防渗墙上下游水位落差为3.0m，渗透坡降为3.75。

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1~2m以下。该水库因大坝建在岩基上，加上坝高较小，原心墙土质量整体较差，故套井回填防渗墙直接置于坝基岩基上，套井处理深度大多在10~18m之间。

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。

对于坝高在30m以内的小型水库，因防渗墙设计厚度一般小于1m，通常布置一排套井即可。对于心墙土坝，套井钻孔轴线位置一般和原心墙轴线保持基本一致；对于均质土坝，套井钻孔轴线位置以布置在大坝轴线略偏迎水坡一侧为宜，这样有利于降低坝体浸润线。

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。如该水库设计防渗墙厚度为0．8m，冲抓机钻孔直径1．1m，沿原心墙轴线布置一排套井，故相邻井孔间允许最大孔距为0.75m，相应搭接长度为0.35m。参见图1所示。

图1套井钻孔及防渗墙布置示意图

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±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~渗透系数关系曲线确定，一般应小于1×10-5cm／s。

3施工工艺及质量控制

3．1施工流程

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，主要施工工艺流程见图2所示。

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，即先完成图1中1号孔和3号孔施工，再回过头来进行2号孔施工；钻孑L速度一般控制在2.0~3.5m/h之间，根

图2套井回填主要工艺流程

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，一般要求套井孔垂直度小于0.4％。

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(10~20m)、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3.0~3.5m／h之间；当套井深度较大(20~30m)，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。

事实上，由于套井钻孔处原坝体土料一般为粘土或壤土，尽管防渗强度较差，但仍具有较强的粘结力，故只要预防措施得当，实际施工中发生塌孔事故的可能性极小。

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，严格控制每次填土厚度。土料下井回填时，每次填土厚度一般以0.2~0.3m为宜。实际操作时可用填土重量来控制填土厚度，估算公式为：

C=S﹡Υ﹡H

式中G—一次填土重量(t)，S—套井孔底面积(m2)，Υ—回填土料容重(t/m3)，H—每层夯实厚度(m)。

如一次下井土料过多，则会使回填土较难夯实，达不到相应的密实度要求。

第四，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10cm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。

第五，加强对回填土的质量检查。为及时掌握回填土的填筑情况，施工过程中，可根据套井孔深度间隔一孔每填筑5m左右土料下井取1~2个土样进行现场干密度试验，达不到规定要求的应立即予以返工。每一套井孔取样试验应不少于2次。

4处理效果

(1)除漏效果明显。该水库坝体自套井回填处理后至今已历时3年，原水库大坝的二处明显渗漏已完全消除，也未出现其他新的渗漏现象，除漏效果较为明显。

(2)防渗效果较好。该水库大坝套井回填防渗处理前，大坝背水坡散渗现象较为明显。套井回填处理后，经过各种不同库水位的考验，除背水坡底部1~2m高度范围外，其他部位坝体干燥。说明坝体内浸润线已明显降低，防渗效果较好，并有利于增强坝体稳定性。

(3)对原坝体影响较小。小型水库一般具有坝高较低、坝体较小的特点。如采用大开挖后重新回填防渗墙的处理方案，往往需将原水库大坝中心部位大部分坝体挖除，可能对原坝体结构造成破坏。而套井回填处理方案由于坝体开挖面窄，土方开挖量小，相应地对原坝体扰动也较小。

5 结语

(1)套井回填粘土防渗墙技术的主要作用是消除渗漏隐患、提高坝体防渗能力，经过若干年的实践已日趋完善，具有施工方便、工效高、投资省、防渗除漏效果好等优点，可作为小型水利工程大坝防渗处理的优选方案。

(2)套井回填粘土防渗墙技术处理效果的好坏，主要取决于施工质量：在施工过程中，应严格保证回填土料的质量，重点控制钻孔垂直度，合理夯实回填土料，做好套井孔坍塌的各种预防措施，并加强施工过程中的现场试验与检查。

(3)套井回填粘土防渗墙技术较适合于均质土坝和心墙土坝中．由于坝体填土质量较差或因防渗墙施工结合面处理不当等引起的渗漏问题，其防渗处理效果一般较好；而对于因土坝砂砾透水地基变形或土坝与两岸山体接触面等渗漏问题，其实际防渗处理效果并不理想，通常应配合采取其他防渗处理措施(如灌浆处理等)。

(4)由于套井回填粘土防渗墙技术对钻孔井的垂直度要求较高，套井深度越深，施工难度也越大，工程质量也越难以保证，相应防渗效果也较差：因此，套井处理深度一般应控制在30m以内为宜。

(5)套井回填粘土防渗墙施工结束后，最好在防渗墙上下游各埋设2、3排浸润线测压管，以进一步监测坝体的渗透状况和防渗墙的工作状况，并对今后类似工程提供可靠依据。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。