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1、冲抓套井回填在坝体防渗工程中的应用 - 工程设计 摘要:文章从冲抓套井回填粘土防渗墙的原理出发,论述了套井回填防 渗墙的设计要点,并结合车岙港水库工程阐述了冲抓套井回填粘土防 渗墙应用于软土地基土坝坝体防渗的设计实例。关键词: 套井回填;坝体防渗工程; 软土地基 1 冲抓套井回填粘土防渗墙的原理 冲抓套井回填粘土防渗墙是利用冲抓式打井机具,在土坝或堤 防防渗范 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 土体密实、提高堤坝质量,从而达到 防渗和加固的目的。2 设计要点 2.1 套井处理范 根据
2、土坝工程渗情况,即渗 量、出逸点 置以及地质勘探 成果资料,以查清渗范 ,以便确定处理范 ,一般沿坝轴线以渗点 为中心左右延伸约为坝高的 1 倍距离。如果仅处理一个渗点,因渗 径可能不是一条直线,需适当扩大范 。 2.2 套井平面布置 套井防渗墙在平面上按主、套井相间布置,一主一套相交连成 井墙,套井为整圆,主井被套井切割,呈对称蚀圆。从降低浸润线考虑, 粘土心墙坝套井应尽量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。 2.3 套井排数、排距 套井的排数,即需要的套井回填粘土防渗墙的厚度,根据渗透计 算确定。计算内容侧重于渗透坡降的验算。计算公式如下: TH/
3、J 式中:T 为防渗墙的有效厚度;H 为上下游水头差;J 为允许 水力梯度。 土坝由于冲抓建造防渗墙的侧向挤压作用,一般影响范 约为 套井边缘外 0.81.0m,其中符合设计干容重要求的有效环形厚度为 0.20.3m 。一排套井的实际有效厚度为 1.31.4m, 为安全计,采用 1.11.2m 。一般在高度小于 25m 的土坝防渗,可考虑一排套井,在施 工中再根据渗情况,必要时可增设加强孔,以加厚防渗墙,满足防渗要 求。坝高超过 25m 的可考虑采用二排或者三排套井。 2.4 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
4、土层内 12m 。对坝基水,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 5m 不冲抓,而是采用钻头自重抓土。2.5 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。套井直径常用的为 1.1m, 考虑到搭接处达到 7080cm 厚度,套井中心距一般为 6575cm,但根据工程经验,由于夯击时侧向压力的作用,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,套井孔距可以加大,由 6575cm 加大到 8090cm, 以节省工程量,降低工程造价。 2.6 套井土料要求 回填土料的质量是套井回填成功的
5、关键,对所选料场必须做土 的物理力学指标试验,与原坝体土指标对比,加以确定。一般要求是非 分散性土,粘粒含量在 35%50%, 渗透系数小于 10-5cm/s,干密度要大 于 1.5g/cm3,干密度与含水量通过现场试验控制在设计要求范 内。3 工程设计实例 3.1 工程概况 车岙港水库 于宁海县长街镇境内。水库枢纽工程由大坝、 泄洪闸、翻水站等组成。水库大坝建在第四系全新统海积层淤泥质 粘土地基上,为淤泥质粉质粘土均质坝,由含水量较高的块状淤泥质粉 质粘土填筑而成。坝高 4.5m,坝顶宽 4.0m,坝顶长 1547.0m 。 3.2 坝体水原因分析 车岙港水库于 1957 年建成蓄水,196
6、3 年开始发现渗水。虽曾 先后采用设置斜卧式反滤层、加建粘土防渗墙、实施自重灌浆等措 施进行防渗处理,但均 根治,被迫降低水 运行。1995 年在坝体某 处开挖竖井时,当挖至高程 1.87m 处,发现水平渗水缝,开挖中还发现 坝体填筑土间架空情况依然存在;同年 10 月在坝基地质补勘中,从坝 体内取出填筑土进行室内试验时,发现土样内有明显缝隙或架空结构。 据此分析,大坝渗的主要原因是坝体土填筑质量差,土块间存在明显缝隙和架空,渗透系数偏大。 3.3 防渗设计 3.3.1 处理范 与深度 (1)处理范 。对于 1547m 长的大坝来讲,很难确定具体处理 置,“头痛医头,脚痛医脚” 不能彻底消除隐
7、患,因此设计要求对全坝段进 行处理,并根据观测到的渗情况,实现分段处理。 桩号 0+000 0+550 段由于历史上多次发生渗,设计中设置双 排套井(见图 1),进行重点处理。双排套井中心线沿坝轴线布置,套井 直径为 1.1m, 套井沿坝轴线井距 0.8m,排距为 0.693m, 共 1376 个孔。 桩号 0+550 1+547 段采用单排套井回填处理。套井中心线沿 坝轴线布置,套井直径为 1.1m,井距 0.8m,共 1246 个孔。 (2)套井深度。根据地勘钻孔资料,坝体基础为第四系全新统海 积层淤泥质粘土,渗透系数 Kh=3.3110-8cm/s,Kv=3.2310-8cm/s,抗渗
8、性能良好。且由于坝体渗是坝体土块间的缝隙和架空造成的,故套 井深度以穿过坝体嵌入基础 0.5m 为宜,套井回填顶部至坝顶道结构 层。根据地质纵剖面图,桩号 0+000 0+550 段双排套井平均深度为 7.08m,桩号 0+550 1+547 段套井处理平均深度为 7.26m 。 (3)套井厚度验算。经计算,套井有效墙厚满足渗流稳定要求。 3.3.2 套井粘土指标要求 本工程需要防渗土料约 1.87 万 m3。设计中调查了 2 个土料 场。1#料场 于库区内坝址上游右侧山坡,有公 可达,地表现为松树 及灌木等,主要成份为粘土,地表无用层厚约 0.5m,平均厚度 2.0m 。2#料场 于长坑,地
9、表现为柿子树、杂木等,主要由含砂粉质粘土及粉质 粘土组成,地表无用层厚约 1.5m,平均厚度 1.2m。 根据击实试验成果,各料场渗透系数为 2.20E-072.81E- 07cm/s,粘粒含量 28.4% 42.5%, 塑性指数 10.121.6,各料场天然含 水量均与最优含水量较接近。土料场储量和质量基本可满足防渗体 要求。由此确定套井粘土指标要求,详见表 1: 表 1 套井粘土指标要求 序号 项目 指标要求 1 粘粒含量 35%50% 2 塑性指数 1020 3 渗透系数 小于 110-5cm/s 4 有机质含量 小于 2% 5 水溶盐含量 小于 3% 6 含水量 与最优含水量或塑性相近
10、 7 PH 值 大于 7 8 粒径 不大于 5cm 3.3.3 套井回填控制指标根据料场土料试验及大坝套井回填试 验,并参考类似工程的套井施工成果,确定车岙港水库大坝套井回填控 制指标为: 干容重大于 14.5kN/m3,渗透系数小于 110-5cm/s。 3.3.4 套井施工主要技术要求套井回填施工工序为造孔、分层 回填、夯实。造孔设备采用冲抓式打井机,打井机布置在坝顶。 (1)打井造孔。要求严格按照先主井后套井的顺序施工; 造孔应 连续作业,不得停歇,以免塌孔。 要求严格控制井孔的垂直度,否则会影响防渗墙的搭接和有效 厚度。为防止井孔倾斜,造孔时,定 要对准中心桩,三角架垫应保持 平稳,避
11、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。 (2)回填夯实。打井完毕后,应立即连续进行分层回填粘土夯实。 施工参数的确定应通过现场实验确定,按其试验最佳铺土厚度、落距、 夯击次数控制。 回填土料应选用含水量符合设计要求、颗粒松散的粘壤土。 土料开采后,要打碎,粒径一般不大于 5cm, 并不准掺有草皮、树根等 杂物。分层回填厚度以 0.30.5m 为宜,回填时应保持井底无水。夯 击时夯锤落距 23m,夯击次数 2025 次。 由于本工程水库大坝处于软土地基上,为避免扰动地基,套
12、井回 填底部夯击力度不宜太大,接触段回填土层不宜太厚,要求小于 0.3m, 以确保压实。 (3)异常情况处理。当出现严重塌孔时,先回填击实后,再进行 冲抓;当井底有渗水时,可倾倒干土,反复抓尽,直至把水吸干。 (4)质量检查。及时检查是保证套井回填的重要措施,其内容包 括土料检查、井孔检查、施工参数控制及回填土监测等。4 结语 本设计是宁波地区首次将冲抓套井回填防渗墙用于软土地基 坝体防渗处理。2007 年车岙港水库除险加固工程完工。运行三年来, 原大坝渗部 发现渗水; 于套井下游的渗压计水 变化平稳,且随 库水 变化幅度明显减小,这表明套井回填防渗墙防渗效果明显。 研究资料表明,我省小型水库土石坝存在坝体渗安全隐患的 有 900 余座。套井回填防渗墙具有投资省、施工方便、防渗效果好、 适应软土地基沉降变形能力强等优点,相信能够在土石坝除险加固工 程中得到更广泛的应用。 参考文献 1 碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)S. 2 牛运光.土坝安全与加固M. 中国水利水电出版社,1998.
