冲抓套井回填粘土技术在潭水坪水库主坝防渗设计中的应用

肖穆光

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 工程概述

潭水坪水库位于怀化市鹤城区芦坪乡张家村。水库控制集雨面积0.55km2，坝址以上干流长度1.54km，水库正常蓄水位204.6m，相应库容110.81万m3，设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇，总库容122万m3，死水位193.5m，为年调节水库。潭水坪水库是一座以灌溉为主，兼防洪、养殖等综合利用的小（Ⅰ）型水利工程。根据国家《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的规定，该水库为小(Ⅰ)型水库，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。

水库枢纽工程由主坝、副坝、溢洪道、输水涵洞、卧管等建筑物组成。主坝为均质土坝，最大坝高13.6 m，坝顶高程206.9m，坝顶轴长165m，坝顶宽6.0m。

2 工程地质

主坝为均质土坝，调查表明，坝体填筑质量较差，碾压不密实，结构较松散，干密度偏小，渗透系数偏大，部分坝段坝基与坝体接触面、坝体均存在不同程度的渗漏情况。

（1）主坝基础岩性为棕红色泥质粉砂岩。钻孔试验表明：主坝基础浅部为中等透水层，岩体为强风化，透水率（18～28）Lu，坝基及接触带渗漏严重。

（2）主坝填筑土为粉质粘土等，该区碾压不密实，易跨孔、缩孔，渗透系数为（4×10-4～8×10-4）cm/s，坝体渗漏严重。

3 主坝防渗加固设计

3.1 防渗加固方案选择

主坝坝基与坝体接触面、坝体均存在不同程度的渗漏情况，因此，主坝防渗处理项目包括坝身及坝基。主坝坝基的防渗采用水泥灌浆帷幕的方案。坝身防渗处理通常有以下几种方法：高喷灌浆、劈裂灌浆、套井回填粘土、混凝土防渗墙等。主坝坝高13.2m，采用冲抓套井回填粘土和混凝土防渗墙两种方案进行比选。经综合比较，主坝坝身采用冲抓套井回填粘土方案，具有设备简单，操作方便，造价低，便于检查等优点。方案比较见附表。

附表 主坝防渗方案比较表

3.2 坝身防渗方案设计

冲抓套井回填粘土措施是以渗透系数比原土质防渗体渗透系数小得多（1/30～1/100）的土料去置换原部分防渗体的一种方法，实际上就是在坝体内形成一道沿老坝中心线方向的连续的粘土防渗墙，以达到坝体防渗效果。冲抓套井回填粘土防渗墙的设计主要包括钻孔平面套接布置、孔距、排距、孔深、有效厚度设计及回填土料设计等。

（1）主孔和套孔的布置。

将钻孔中心线布置在上游侧距离坝轴线3m处，即桩号H0-003.00m处。主坝最大坝高13.2m，考虑大坝高度在25m以下，采用单排孔。单排布孔方法先主孔后套孔。钻孔底部应达岩土分界线，以下为坝基帷幕灌浆。钻孔的平面套接布置见附图。

附图 主坝钻孔平面套接布置图

（2）孔距和排距计算。

设计主孔被套孔切割，呈对称蚀圆，选择最优α角为45°。每排孔沿直线错位相套，孔距按L=2Rcosα，计算得主坝设计孔距为0.85m。

（3）防渗墙有效厚度计算。

主坝单排孔形成的防渗墙有效厚度按T=2Rsinα= 0.85m计算。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处（0.8～1）m，其中有效环形厚度为（0.2～0.3）m，所以主坝套井的实际有效厚度为（1.25～1.45）m。

（4）所需防渗墙厚度的计算。

设粘土防渗墙承受最大水头为H，根据T=H/[J]确定防渗心墙厚度。

式中 H——防渗墙承受最大水头，大坝H=10.6m；

[J]——防渗墙允许坡降，[J]=8。

大坝T=H/[J]=10.6/8=1.32m，计算厚度小于实际有效厚度，满足要求。

故确定防渗墙有关参数为：主坝孔径d=1.2m，孔距L=0.85m，有效厚度T=（1.25～1.45）m，采用单排孔布设防渗墙可满足要求。

（5）土料的选择。

回填土料要求粘粒含量为35%～50%，渗透系数小于1×10-5cm/s，含水量控制在21%～25%左右，干密度大于1.55kg/cm3，干密度和含水量均通过现场试验，控制在设计要求范围内。

（6）技术要求。

钻孔要求铅直，钻孔的偏斜率应不大于1/80，造孔程序：先主井后套井按两序施工,钻孔达到设计深度后应立即回填，按先主井后套井的原则，填土分层进行，回填一层，夯实一层，不得边填边夯。填土层的厚度控制在（0.3～0.5）m。夯实方式应视现场试验确定，夯实过程中，确保夯锤稳定，不碰撞井壁，以提高夯压效果。当夯实10m以下的井段时，可适当加大夯锤的冲击力，扩大对周围土体的挤压影响。当接近井顶部位时，则应减小夯锤的落距，以防坝面开裂或孔周土体隆起。

死水位以下的冲抓回填施工质量受地下水影响，应采用相应的技术措施，连续施工，如停工须及时抽排渗水，确保施工质量。

为保证施工质量，应及时进行检测。检测内容为钻孔的深度与造孔的偏斜率，土料的含水量，最优含水量依现场试验确定，确保满足规范和设计要求。应采用现场注水试验检查施工质量，确保填筑土体渗透系数满足规范要求。

3.3 主坝坝基及两岸坝肩水泥灌浆帷幕设计

针对主坝坝基、坝基接触面存在的渗漏，在坝基、坝基接触面进行水泥帷幕灌浆，对整个坝基进行垂直防渗处理，以形成防渗帷幕体，增长渗径。本文不对坝基帷幕灌浆做详细介绍。

4 渗流稳定计算

渗流计算采用北京理正研究院编制的《渗流分析计算》软件，用二维有限元法分析计算。计算断面选择为最大坝高断面，根据大坝加固后的渗流计算结果可知，在大坝上游侧布置的垂直防渗体可以有效地降低坝体浸润线位置。边坡稳定计算采用北京理正研究院编制的《稳定计算分析程序》，用瑞典圆弧法进行分析计算，计算断面与渗流计算断面一致，大坝加固后上、下游坝坡在各种工况时的坝坡稳定最小安全系数均满足规范要求。

5 结 语

潭水坪水库主坝坝身采用冲抓套井回填粘土方案，该措施具有设备简单、操作方便、造价低、便于检查等优点，工程实施后防渗效果良好，对坝高小于25m的小型水库防渗加固具有一定的借鉴作用。