套井塌孔和壩體裂縫的原因分析及處理

吳有星，張 蕾

(浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324003)

20世紀五六十年代建設(shè)了數(shù)量眾多的中小型灌溉水庫，基本上采用以粘土防滲的土石壩，基本上采用人力挑、人力推車、畜力拉等方式運輸，采用夯錘、碾子壓實，土料分區(qū)混雜，普遍壓實度低，防滲體土料滲透系數(shù)大，壩基開挖深度達不到規(guī)范要求，壩基處理措施不規(guī)范.目前基本上水庫運行時間達四五十年，接近設(shè)計壽命，存在壩體滲漏、接觸帶滲漏[1]問題，急需進行防滲加固，對于壩高小于30 m的壩體采用套井粘土回填技術(shù)是土壩防滲加固不錯的選擇，套井回填技術(shù)在低壩除險加固中的應(yīng)用是非常成功的，是一種操作簡單易行，效率高投資少的技術(shù),但施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)塌孔和壩體裂縫.[2]

1 套井回填應(yīng)用情況

對衢州市水庫土石壩除險加固工程做了部分統(tǒng)計，其中采用套井粘土回填技術(shù)進行防滲加固的中小型水庫37座，其中中型水庫2座，小(1)型7座，小(2)型28座，最長壩長287 m，最大壩高7.30～24.50 m，套井最大深度8.5～28.02 m.套井回填技術(shù)應(yīng)用情況(見表1).

2 套井回填塌孔及壩體裂縫情況

對采用套井回填方案進行防滲加固的37座水庫進行了統(tǒng)計分析，37座水庫中有12座出現(xiàn)了塌孔、壩頂縱向裂縫和橫向裂縫[3].

2.1 塌孔

(1)塌孔非常嚴重無法成孔

獅子口(中型)、方家塢(小1)和工農(nóng)兵(小2)等3座水庫大壩壩基存在松散土層，該土層含泥量少，粗粒土含量高，滲透系數(shù)大，且該層均低于水庫水位，套井內(nèi)水位和庫區(qū)水位相差很小，套井內(nèi)積水很多，經(jīng)過多次復(fù)套均無法成井.3座水庫情況(見表2).

表1 套井回填技術(shù)應(yīng)用情況統(tǒng)計表

表2 存在砂土層水庫情況表

(2)塌孔嚴重加固后能成孔

三汶塘水庫大壩壩體存在厚度超過4 m的砂卵石夾層，壩體含水量大，塌孔嚴重，該砂卵石夾層無法成套井孔.白西坑水庫部分壩段存在砂土層，相應(yīng)壩段套井孔塌孔嚴重.2座水庫情況(見表2).

(3)局部塌孔嚴重

部分壩段套井土質(zhì)較松散，壩體含水量大，形成連續(xù)塌孔，采用粘性較好的干土回填壓實后重新采用沖抓鉆打孔，反復(fù)打孔回填后仍無法連續(xù)成孔，后采用跳段式前進施工，完成其他孔后再跳回原塌孔較嚴重位置打套井，順利完成了,如開化縣牛塢水庫等.

(4)一般塌孔

個別壩段套井土質(zhì)較松散，壩體含水量較大，形成塌孔，采用粘性較好的干土回填壓實后重新采用沖抓鉆打孔，順利成孔，采用粘土回填壓實，到達防滲加固目的.

2.2 壩頂縱橫向裂縫

金村垅、白西坑、謝后垅、清源里和金村垅等5座水庫均產(chǎn)生了壩頂裂縫，其中金村垅水庫大壩壩頂縱向、橫向裂縫均有，毗溪嶺水庫大壩上游壩坡產(chǎn)生縱向裂縫，其他3座水庫大壩均產(chǎn)生了橫向裂縫.5座水庫的基本情況(見表3).

表3 產(chǎn)生壩體裂縫水庫情況表

3 塌孔和壩體裂縫原因分析及處理措施

3.1 塌孔原因分析及處理措施

獅子口、工農(nóng)兵和方家塢等3座水庫砂土層低于庫水位，塌孔位置低于水庫水位，由于砂土層含泥量少，允許滲透坡降小，水庫水通過砂土層大量滲入套井，套井周邊土體抗剪強度大大降低，套井無法成孔，導(dǎo)致防滲加固方案失敗.獅子口水庫砂卵石層采用鋼套管護壁水泥固結(jié)灌漿，在壩基與壩體結(jié)合段采用水力劈裂水泥灌漿加微膨脹水泥回填收縮裂縫處理，方家塢和工農(nóng)兵壩體防滲后改用水泥充填灌漿技術(shù)加固(見圖1).白西坑和三汶塘2座水庫，均存在厚度達4 m多的砂卵石夾層，位置高于庫水位，由于水庫放水后時間不長，就開始套井施工，壩體含水量很大，套井施工時套井周邊壩體土中水大量滲出，造成孔壁失穩(wěn)塌孔，后采用在套井軸線上下游先各打一排套井進行加固，然后打防滲套井孔的辦法解決(見圖2).壩體土松散，壩體含水量較大，也會形成套井塌孔，一般采用“兩次造孔法”[7]，及時用粘性較好的干土回填壓實后重新采用沖抓鉆打孔，順利成孔；后采用跳段式前進施工，完成其他孔后再跳回原塌孔較嚴重位置打套井，順利完成了.

圖1 砂土層低于庫水位

圖2 庫水位降低時間較短

從上述水庫發(fā)生塌孔情況分析可知，采用套井防滲加固的壩體都存在松散土層，且滲透系數(shù)都相對較大，這是發(fā)生塌孔的內(nèi)部原因；松散層厚度、庫區(qū)水位、壩體土含水量大小以及是否有滲透壓力是決定是否塌孔、塌孔嚴重程度的關(guān)鍵.

3.2 壩體裂縫原因分析及處理措施

白西坑、清源里、金村垅和謝后垅等4座水庫，大壩最大壩高分別為23.12 m、24.30 m、15.10 m和17.50 m，壩高均超過15 m，套井最大深度分別為26.21 m、25.00 m、21.70 m和18.00 m，最大套井深度均接近或超過20 m，加固前壩體土最小壓實度均小于0.8，在大壩建設(shè)期間，岸坡開挖時均存在陡坡情況，均采用大壩壩肩向河床施工的順序，套井施工的振動促進壩體固結(jié)密實產(chǎn)生沉降，河床段沉降量大，壩肩沉降量小，從而大壩均在河床與壩肩連接處附近產(chǎn)生了橫向裂縫，示意圖(見圖3)；毗溪嶺水庫最大壩高22.65 m，最大套井深度達23.65 m，大壩壩體土加固前壓實度為0.70～0.87，最小壓實度為0.70，套井回填過程中壩頂最大沉降量達0.20 m，由于套井粘土回填施工前上游混凝土預(yù)制塊護坡已施工完成，套井沖抓施工位于壩頂，套井沖抓震動導(dǎo)致壩軸線附近壩體密實，體積縮小壩體沉降量大，而遠離壩頂部位壩體沉降量小，導(dǎo)致上游壩坡產(chǎn)生不均勻沉降，從而產(chǎn)生上游邊坡裂縫，示意圖(見圖4)；金村垅水庫由于套井開挖土臨時存放在上游壩坡，同時上游壩坡腳承載力余地不大，造成上游壩坡向上游滑動，上游壩坡壩頂附近產(chǎn)生縱向裂縫，示意圖(見圖5).均采用挖除表層裂縫，然后回填壓實處理.

上述分析可知，不均勻沉降是壩體產(chǎn)生縱橫向裂縫的主要原因，壩坡堆放棄土是壩坡生產(chǎn)滑坡的重要原因.

圖3 橫向裂縫示意圖

圖4 沉降產(chǎn)生縱向裂縫示意圖

圖5 滑動產(chǎn)生縱向裂縫示意圖

4 套井設(shè)計中應(yīng)注意事項

根據(jù)上述水庫除險加固實踐經(jīng)驗，設(shè)計人員在擬定套井回填防滲處理方案時應(yīng)注意以下幾點：

(1)當壩體存在壓實度低于0.75、滲透系數(shù)大于6×10-4cm/s的土層且該層厚度不小于3.5 m，且該土層位于水庫死水位以下時，滲透壓力較大，孔壁產(chǎn)生滲透破壞，往往套井無法成孔，慎用套井粘土回填技術(shù).

(2)壩體內(nèi)含水量大是造成塌孔的主要原因，所以套井施工前應(yīng)提前放水，盡量盡早降低至死水位以下，減少壩體含水量，減少發(fā)生塌孔法人幾率.[4-7]

(3)套井從兩岸往河床段方向施工順序是壩體產(chǎn)生橫向裂縫的主要原因，在施工圖設(shè)計說明中應(yīng)明確要求套井施工從大壩河床段開始往兩岸施工[7-10].

(4)先施工上游壩坡襯砌后套井回填是產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因，大壩除險加固施工時宜先進行套井粘土回填，再進行上游壩坡襯砌.

(5)套井沖抓開挖的原壩體土堆放在上游壩坡是壩頂產(chǎn)生從向裂縫的重要因素，在施工圖設(shè)計說明中應(yīng)明確不得將套井沖抓開挖的原壩體土堆放在壩體上.

5 結(jié) 論

套井粘土回填技術(shù)是中小型水庫土石壩除險加固中防滲加固的高效、投資小、易操作的方案.此方案只要通過含水量、干密度、壓水試驗，同時選擇合適的原料及合理的技術(shù)參數(shù)，嚴格控制施工工序，保證質(zhì)量，能將大壩防滲效果達到最優(yōu)化.而施工過程中塌孔及壩體裂縫是多發(fā)、常見的問題，如何最大程度地避免發(fā)生塌孔及壩體裂縫是廣大水利工作者所關(guān)心的問題，希望本文能給套井回填設(shè)計提供幫助.