淺析小型水庫除險加固工程中的沖抓套井回填工藝

胡素娥

壩體滲漏是蓄水型水利建筑設(shè)施普遍存在的工程隱患，也是不同等級病險水庫除險加固工作所要解決的最基本問題?；诖耍疚尼槍Υ祟愂┕こＳ玫膸追N方案措施進行比較分析，總結(jié)了沖抓套井回填技術(shù)對于治理小型水庫土壩壩體滲漏現(xiàn)象存在的施工工期短、對原壩體結(jié)構(gòu)破壞小、工程造價低的優(yōu)勢，并借助病險水庫除險加固的具體實例，對該措施的工藝特點和操作要求進行了詳細闡述。通過本文的工藝解析，可為同類水庫壩體防滲除險提供技術(shù)參考。

壩體防滲;沖抓套井回填;小型水庫;工程設(shè)計

小型水庫是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)村日常生活中主要的蓄水型水利工程。以湖南省為例，現(xiàn)有水庫達1.3萬多座，其中小型水庫占總數(shù)超過98%。這些小型水庫大多建成于20世紀50～70年代，受當時設(shè)計水平、經(jīng)濟條件、技術(shù)能力、材料等諸多制約，加之又經(jīng)過了多年的運行，目前普遍存在壩體滲漏、設(shè)施老化、建筑物破壞等問題，其中大壩滲漏是這些病險水庫蘊藏的最為顯著的安全隱患。滲漏現(xiàn)象的存在，不僅造成水庫蓄水功能下降或低水位運行，使其正常工程效益不能充分發(fā)揮，而且會在很大程度上增加壩體發(fā)生潰壩的可能，對水庫受益區(qū)人民的生命財產(chǎn)和水庫自身的工程安全存在嚴重的威脅。因此對病險水庫實施防滲治漏，提高其抗?jié)B能力，是十分必要和迫切的，也是完善防洪體系的重點和難點內(nèi)容。

本文以寧鄉(xiāng)國慶水庫為例，通過對同類施工中實施較多的幾種方案進行綜合比較，論述了沖抓回填方案的技術(shù)優(yōu)勢及施工工藝特點，以期對同類水庫大壩滲漏處理方案的選擇提供參考。

國慶水庫壩址位于長沙市寧鄉(xiāng)雙江口鎮(zhèn)新香村境內(nèi)，距雙江口集鎮(zhèn)4.5km，距寧鄉(xiāng)市25km。國慶水庫集雨面積為0.21km，干流全長為0.50km，流域平均坡降為8.7‰，正常蓄水位47.45m，相應(yīng)正常庫容25.56萬m，是一座設(shè)施齊全并集防洪、灌溉、養(yǎng)殖功能于一體的?。á颍┬退こ獭雾敻叱?9.00 m，最大壩高10.8m，壩頂寬4.5m，壩頂軸線長123.30m。

該水庫始建于1973年10月，于1974年4月投入運行，屬“三邊”工程，由當?shù)厝罕娺M行施工完成。為節(jié)省人力物力，降低工程造價，根據(jù)當?shù)貙嶋H情況采取就地取材，大壩型式采用的是均質(zhì)土壩。在除險加固前大壩運行狀況一直較差，正常蓄水位運行時，壩體外坡45 m高程以下多處存在較嚴重的散浸現(xiàn)象（散浸面積達120 m，且在汛期散浸量增大趨勢明顯），因此屬于帶險情隱患運行的水利樞紐工程。為確保大壩正常運行，消除對水庫受益區(qū)人民生命及財產(chǎn)安全的影響，因此急需對該大壩進行除險加固處理。

病險水庫除險加固是保證水利設(shè)施安全運行和提高投資效益的關(guān)鍵內(nèi)容。地質(zhì)勘查結(jié)果顯示，國慶水庫壩體填筑土干密度為1.41～1.61 g/cm，不滿足均質(zhì)土壩的工程要求;而野外鉆孔注水試驗測得壩體填筑土的滲透系數(shù)k為3.2～4.7×10cm/s（推薦使用值4.3×10cm/s），明顯高于壩體填筑土碾壓后應(yīng)有的質(zhì)量標準（k小于或等于1×10 cm/s），表明該大壩外坡散浸的主要原因是填筑土夯壓欠密實，導(dǎo)致土體的孔隙大、結(jié)構(gòu)松散，使得滲透系數(shù)達不到土壩要求的防滲效果。因此，該水庫消除病險的關(guān)鍵措施是對壩體的防滲漏處理。

土壩壩體防滲漏處理可采用的方案主要包括上游鋪設(shè)復(fù)合土工薄膜、加做混凝土防滲墻、壩體沖抓套井回填等?，F(xiàn)就各處理方案特點比較，如表1所示。

沖抓鉆孔套井回填處理土壩滲漏的原理是利用沖抓式打井機具在土壩或堤防滲漏范圍內(nèi)鉆孔造井，然后用粘土進行分層回填，并利用動力設(shè)備帶動夯錘加以夯實，使其形成連續(xù)的套接粘土防滲墻來截斷滲流通道，從而達到防滲目的。在工程設(shè)計中，具體的技術(shù)指標確定如下：

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2020），防滲墻頂部在靜水位以上的超高，對水庫正常情況下的運用應(yīng)高出靜水位0.5m，而對非正常狀態(tài)運用，防滲體的頂部應(yīng)不低于靜水位。沖抓套井的機械在壩頂施工，先從上向下造井然后進行土料回填，為方便工程開展，套井防滲墻的頂部高程設(shè)定為壩頂高程為限（即高程設(shè)定為49.0 m，如圖1所示）。

距離國慶水庫庫區(qū)2km的土料場黏性土儲量充足，運輸與開采條件好。根據(jù)地勘推薦值，其滲透系數(shù)4.0×10 cm/s，孔隙比0.725～0.783，最大干密度1.63～1.65g/cm，最優(yōu)含水量21.4～23.0%，壓縮系數(shù)0.163～0.231MPa，完全滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）要求的防滲墻土料的物理性質(zhì)。因此選擇該處粘土作此次回填工程的防滲土料。

沖抓套井回填范圍為整個大壩壩體，全長123.50 m。根據(jù)《湖南省病險土石壩工程治理研究》及相關(guān)文獻，防滲墻的有效厚度是通過有效滲透穩(wěn)定計算求得其滲透坡降小于允許滲透坡降的條件決定的，粘土防滲墻的允許滲透坡降為6～8，確定防滲墻的有效厚度為大于等于防滲墻承擔(dān)的最大水頭除以粘土防滲墻的允許滲透坡降。沖抓套井回填孔、排距和有效厚度的相互關(guān)系如表2所示。

假定α= 45o，則L = 0.78 m，= 0.78 m，根據(jù)上述與的大小關(guān)系，取 = 0.78m就可通過沖抓套井回填設(shè)置防滲墻。因此此次國慶水庫防滲工程采用單排孔設(shè)計，孔距為78 cm，主井和套井之間搭接長度為32 cm，形成的防滲墻寬78 cm（如圖2所示），需處理123.5 m壩體上共計158孔，造井-回填的工程量總計1115.80 m。

沖抓套井回填深度為回填防滲墻底緣伸入至相對不透水層以下1 m，具體布置可見沖抓套井橫斷面示意圖圖1。

沖抓套井回填處理土壩滲漏宜于在水庫低水位情況下施工，首先應(yīng)選擇水位符合施工要求的時段，因此需避開洪水期并將水放至施工要求水位;其次，為避免施工與蓄水的矛盾，需將河床深孔段進行處理，然后再對壩端淺孔段施工，按照先主井、后套井的順序進行;第三，為便于移孔，應(yīng)采取沿直線方向前進施工的方法。除此之外，為便于安置沖抓機，應(yīng)先將擋土墻推翻后，再進行沖抓施工，其施工程序與工藝流程如圖3所示

嚴格達標的施工質(zhì)量是工程能否成功的關(guān)鍵。在工程施工中，從造井到回填各個環(huán)節(jié)的技術(shù)操作需進行嚴格的質(zhì)量控制，具體要求細節(jié)如下：

造孔：造孔要保證平整垂直，孔位允許偏差正負3 cm，端孔傾斜不得大于0.3%，否則將影響防滲墻的有效厚度。為了防止井孔偏斜，造孔時定位要對準中心樁，三角架墊應(yīng)保持平穩(wěn)，且不能移位，而且掛鉤器要始終保持水平位置，造孔順序，采用間隔法進行，先主井，后套井，即1、3、2、5、4、7、6、9、8......，具體見圖4。

回填：鉆孔達到設(shè)計孔深后，為避免塌方應(yīng)立即進行回填。位于庫水位以下的井段，為防止井內(nèi)積水，必須快速填至庫水位以上，中途非特殊情況不得停歇，保持底部無水。更重要的是保證回填土料的質(zhì)量，不僅要去除土料中的雜物，而且要經(jīng)過現(xiàn)場土工試驗，將其粘粒含量、干容重、及含水量等控制在《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》設(shè)定的范圍內(nèi)。

夯實：填筑土的擊實是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵，其在很大程度上決定著壩體的抗?jié)B強度和壩面的抗開裂強度。遵循夯實進土，不在夯頂形成堆積的原則，使夯擊填土充分向周圍擠壓。此外，為提高夯壓效果，在夯擊過程中要求夯錘保持穩(wěn)定，不得左右搖擺和碰撞井壁。當夯實10m以下的井段時，可適當加大夯錘落距，以增加夯錘的沖擊作用，擴大對井孔周圍土體的擠壓。但當回填到距壩頂2 m以內(nèi)時，應(yīng)減少夯距，夯錘提升高度小于2 m，以防壩面開裂或回填井周圍土體隆起。

在施工過程中，上述幾個環(huán)節(jié)必須嚴格執(zhí)行設(shè)計標準，現(xiàn)場控制工程尺度，及時取樣檢查回填土質(zhì)量并測定夯實后的干密度和含水量，確保合格率不小于90%，且不合格干密度不低于設(shè)計干密度的98%，同時不合格樣不得集中。

沖抓套井回填技術(shù)的工序簡單、工程概算低、質(zhì)量易把控，而且便于就地取材，是工程量小、經(jīng)濟可行的小型水庫防滲加固措施。利用此方案對國慶水庫進行除險加固，采用單排孔套井回填可使壩體防滲系數(shù)降低到1×10cm/s以下，從中等透水帶轉(zhuǎn)為弱透水帶，不僅有效地實現(xiàn)病險水庫防滲除險的目的，而且工程量共計1116 m，投資金額不到24萬元，還完整保持了原有壩體的結(jié)構(gòu)，具有高的環(huán)保達成度，值得在類似工程中推廣和應(yīng)用。

[1]牛運光.土壩安全與加固[M].北京：中國水利水電出版社，1998.

[2]張啟岳.土石壩加固技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[3]鄒玉華.淺談中小型水庫土石壩的除險加固設(shè)計[J].四川水利，2009（5）：52-54.

[4]庹進朗，湯志輝，孫慕群，等.沖抓套井回填粘土防滲墻的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2007（4）：122-124.

[5]丁昭佐，沈?qū)捰?，簡士?探討中小型水庫土石壩的除險加固設(shè)計[J].黑龍江水利科技，2014（2）：120-122.

[6]牛遠光.病險水庫大壩除險加固實例連載（之十）：上石壩水庫大壩加固[J].水利建設(shè)與管理，2002（5）：75-76.

[7]王海麗，黃錦林，陳亮雄.套孔沖抓粘土防滲墻在水庫除險加固中的應(yīng)用[J].廣東水利水電，2005（5）：32-33.

[8]龍秋亮.某水庫除險加固總體施工方案分析[J].中外建筑，2016（8）：166-169.

[9]王漢夫.淺談土壩（堤）沖抓套孔防滲墻的設(shè)計與施工[J].廣東水利水電，2003（4）：63-64.

Dam leakage is a common hidden damage of water-storing hydraulic projects， and it is also the most basic problem to be solved in the reinforcement of various types of dangerous reservoirs. Based on a concrete example of removing dangers and strengthening for dangerous reservoirs， in this paper， several technical schemes widely used in anti-seepage and plugging for small reservoirs were comprehensively compared and analyzed. It points out that casing well backfilling technology owns the obvious advantages of short construction period， little damage to the original dam structure and low project cost， and is one of the most effective measures to deal with the water leakage from earth-dams. Through the discussion， it can provide useful technical reference for the reinforcement of other similar reservoirs.

dam anti-seepage;casing well backfilling;small reservoirs;engineering design