王 棟,邱云勝

(臺州市黃巖區(qū)水利局,浙江 臺州 318020)

1 概 述

黃巖區(qū)擁有大小水庫(山塘)600多座,且大部分建于20世紀50—60年代,限于歷史原因,這些工程,大都是“三邊”工程,質(zhì)量低劣,隱患不少.近年來,為解決該區(qū)部分水庫土壩壩體的滲漏問題,我們進行一系列的科學分析和方案對比,最后都認為采用粘土套井回填防滲處理措施,能取得良好效果.

2 套井回填技術的機理

套井回填技術于20世紀70年代初期,由浙江省溫嶺市開創(chuàng),在處理險壩險堤中,成效明顯.隨后,在實踐中不斷完善和發(fā)展,逐步推廣到江西、湖南、四川等10多個省,幾百座水庫土壩和堤防采用了這項技術.它具有機械設備簡單、施工方便、工程量小、工效高、造價低及防滲效果好等優(yōu)點.

所謂套井回填的機理,即利用沖抓鉆,在土壩或堤防滲漏范圍造井,用粘性土料分層回填夯實,形成一連續(xù)的套接粘土防滲墻,截斷滲流通道,起到防滲的目的.此外,在回填粘土夯擊時,夯錘對井壁的土層擠壓,使其周圍土體密實,提高堤壩質(zhì)量,從而達到防滲和加固的目的(3).根據(jù)總結(jié)經(jīng)驗,在正常情況下,每臺沖抓鉆24 h可完成沖填深度40～50 m,造價為粘土斜墻的1/2,為倒掛井的1/6.

3 處理要點

3.1 確定套井處理范圍

根據(jù)土壩工程滲漏情況,即滲漏量大小、出逸點位置、施工記錄以及鉆探、槽探資料分析,盡量摸清水庫滲漏范圍,處理壩段長度.如處理一個漏洞時,如果漏洞不是一條直線,要適當擴大范圍,其深度也必須超過滲出點3 m.

3.2 套井防滲墻設計

套井回填粘土防滲墻處理堤壩滲漏的設計,主要包括沖抓套井平面布置、孔距、孔深、排距和防滲墻厚度等.

3.2.1 套井平面布置

套井防滲墻,在平面上按主、套井相間布置,見圖1,一主一套相交連成井墻,見圖1.套井為整圓,主井被套井切割,呈對稱蝕圓.從降低浸潤線高度考慮,粘土心墻壩或均質(zhì)壩套井應布置在壩軸線上游側(cè),但為了與原防滲體連成整體,壩基防滲也可布置在上游河床上[1].

圖1 沖抓套井造孔順序排列示意圖

3.2.2 套井的排數(shù)與排距

套井的排數(shù),即需要的套井回填粘土防滲墻的厚度,可根據(jù)滲透計算確定.計算內(nèi)容側(cè)重于滲透坡降的驗算.確定防滲墻的有效厚度如下:

式中:T—防滲墻有效厚度,m;ΔH—防滲墻承擔的最大水頭,m;H1—上游水位,m;h—防滲墻下游水位,m;J—防滲墻允許滲透坡降(對于粘土一般采用6～8).

根據(jù)試驗測得的資料,土壩由于沖抓建造防滲墻的側(cè)向擠壓作用,一般影響范圍約為套井邊緣外0.8～1.0 m,其中符合設計干容重要求的有效環(huán)形厚度為0.2～0.3 m.一排套井的實際有效厚度為1.3～1.4 m,為安全計,采用有效厚度為1.1～1.2 m.一般在高度25 m以下的土壩防滲,可考慮一排套井,在施工中再根據(jù)滲漏情況,必要時可增設加強孔,以加厚防滲墻,滿足防滲的要求.壩高超過25 m,達到40 m的土壩,可考慮采用二排或三排套井[1].

3.2.3 套井深度

根據(jù)壩體填筑質(zhì)量確定,要求做到填筑質(zhì)量較密實,滲透系數(shù)與防滲墻相接近的土層相銜接,并深入壩體填筑質(zhì)量較好的土層內(nèi)1～2 m.對壩基漏水,深入不透水層或至較好的巖基.壩內(nèi)設有涵洞,為不影響涵洞質(zhì)量,一般洞頂以上5 m時,不要沖擊,而是采用鉆頭自重抓土.

3.2.4 套井孔距

孔距決定于兩孔間的搭接長度.搭接長,則孔距小,增加套井工程量.反之,搭接短,則孔距大,可減少總孔數(shù).每個套井直徑約為1.1 m.過去主要考慮搭接處要達到70～80 cm厚度,套井中心距一般為65～75 cm.實踐證明,由于夯擊時側(cè)向壓力作用,套井搭接處的壩體滲透系數(shù)小于套井中心處的滲透系數(shù).因此,套井搭接處的厚度雖然小于套井中心處,但防滲強度大于中心處,說明兩孔套接處不會產(chǎn)生集中滲流,套井孔距可以加大.現(xiàn)在一般將套井中心距離由65～75 cm加大到80～90 cm,以節(jié)省工程量,降低工程造價.

3.3 回填土料選擇

回填土料的質(zhì)量是套井回填成功的關鍵,對所選料場必須做土的物理力學指標試驗,加以確定.一般要求是非分散性土料,粘粒含量在35%～50%,滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s,干密度與含水量通過現(xiàn)場試驗控制在設計要求的范圍內(nèi).

4 施工設備與施工工藝

4.1 施工設備

以前臺州一帶的水庫,造孔機械一般都采用8JZ—95型沖抓鉆,雖然現(xiàn)在造孔設備開始豐富,但造孔方式還是采用沖抓鉆進行.

4.2 施工工藝

4.2.1 施工布置

為滿足立架和施工道路的要求,一般壩頂寬不得小于2 m,否則應采取加寬措施.施工前應平整場地,然后按設計要求放樣,用編好的木樁打入每個井孔的中心位置,放樣要一次完成.

4.2.2 施工工藝流程

沖抓鉆施工操作主要是造孔、加填、夯實三個環(huán)節(jié),其詳細工藝流程如下所示:

放樣布孔→架機對中→造孔(棄土)→下井檢查→人工清理→回填夯實→質(zhì)量檢查→移機

4.2.3 造孔

在造孔前,必須盡早將水庫水位降低到要求處理的高程以下.

施工順序,在同一排井先打主井1、3號井(見圖1);回填夯實后,再打套井2號井;回填,再打5號井;回填后,再打4號井,依此類推,按順序進行.如設計兩排井,先打上游排井,再打下游排井.如打三排井,先打一、三排井,再打二排井.

施工操作.憑借機具自重向井位沖擊.沖擊時,葉片張開,并插入井孔土層.沖擊后,操作卷揚機使鋼絲繩通過滑輪組使4個葉片閉合,將土抓住,然后把整個機具提升至井口,使其碰到固定于塔架上的自動掛卸器,實現(xiàn)自動掛鉤.掛鉤后,放松鋼比繩,葉片自動張開,向井口小車內(nèi)卸土,待小車運走棄土后,再將機具從持鉤器上脫下,再次進行沖擊,開始下一次循環(huán)進行,直至挖到設計深度.

鉆孔要垂直,這是施工中的關鍵,否則會影響防滲墻的搭接和有效厚度.為防止井孔偏斜,造孔時,定位要對準中心樁,三腳架墊應保持平穩(wěn),避免鉆頭擺動而影響造孔質(zhì)量.沖抓鉆頭上的4個葉片必須長短一致,而且要直,造孔到一定深度,及時檢查井孔是否平整垂直,如發(fā)現(xiàn)井壁已歪斜,必須查明原因,及時糾正.

4.2.4 回填

在回填土料前,應下井檢查,把井底浮土、碎石清理干凈,并保持無水.井內(nèi)如有滲水,要及時抽干.井壁有滲水,在滲水方向布置副井,用深井泵抽吸,攔截滲水,保證套井回填質(zhì)量.回填土料,應通過試驗確定.土料開采后,要打碎,粒徑一般不得大于5 cm,并不準摻有草皮、樹根等雜物.回填鋪土要均勻平整,分層填筑,松土不宜過厚,以30 cm為宜.

4.2.5 夯實

回填土的夯實是提高土的密實度和抗?jié)B強度的重要環(huán)節(jié),對保證填土質(zhì)量起很大作用.擊實次數(shù)與每層土的厚度及夯擊功能參數(shù)有關,應通過擊實試驗確定,如無條件做現(xiàn)場試驗,可根據(jù)室內(nèi)試驗確定,也可按公式計算擊實次數(shù),參見下式

式中:Kp—壓縮系數(shù),由試驗確定,其值為0.35～0.55;D為孔徑,m,等于1.1 m;h—填土層厚,m;E—擊實功能,t?m/m3;Q—錘重,t;H—夯錘落距,m.

深井底部要及時回填,分層鋪土要均勻、平整,不要一邊高一邊低;夯錘落距宜小,落錘要平穩(wěn),提升后自由下墜,不使鋼絲繩抖動,以保證夯實密度.一般回填控制夯距2 m,夯擊次數(shù)20～25次.當距頂2 m以內(nèi)時,應減少單位沖量,夯距要小于2 m,以防壩頂開裂或沿孔周壅起.

夯錘底部可做成球冠形,并布置有羊角(錐形),羊角直徑3 cm,高5 cm,間距10 cm,梅花形布置.錘上部做成橢圓拋物面形,以利于側(cè)向擠壓和進土.夯錘直徑應略小于孔徑,可為孔徑的0.5～0.9倍.夯錘中心留空氣孔,可避免氣浪沖擊波震動影響原有老壩體,同時可向孔四周擠緊[1].

4.2.6 質(zhì)量檢查

及時檢查質(zhì)量是保證套井回填質(zhì)量的重要措施,其內(nèi)容包括土料檢查、井孔檢查、施工參數(shù)控制及回填土檢測等項目[2].

其中,在施工參數(shù)控制方面.施工參數(shù)的確定應通過現(xiàn)場試驗確定,按其試驗最佳鋪土厚度、落距、夯擊次數(shù)控制.當料場改變時,施工參數(shù)也應作相應調(diào)整.回填土質(zhì)量檢查方面.檢查項目包括干密度、含水量、滲透系數(shù).一般要求對每個套井均應取樣試驗,井中取樣間隔離井底2～3 m處取第一組土樣,以后每回填4～5 m取一組,必要時可以在任意深度內(nèi)抽取土樣,每組取樣3個.主孔中位置在上、中、下,套井中位置在左、中、右.每取一組土樣必須注明取樣時間、井號、深度以及料場等.滲透系數(shù)測定可根據(jù)施工質(zhì)量和回填土性質(zhì),抽查取樣,但要有足夠的組數(shù)和代表性.

判別填土壓實質(zhì)量指標,一般采用壓實度.當套井回填土料方量較大時,在一個料場的不同部位、不同深度的土料,甚至其他料場,其壓實性不盡相同.如采用同一干密度指標,作為填土壓實控制指標,將會造成超壓或少壓.因此,要以壓實度控制,見下式

式中:D— 壓實度,%;ρα— 填土干密度,g/cm3;ρmax—室內(nèi)標準功能擊實最大干密度,g/cm3.

但當取土土料性質(zhì)比較均勻時,可忽略土料壓實性變化,直接用一個干密度指標控制,取樣所測定的壓實度、含水量、滲透系數(shù)合格率不應小于90%,且不合格的土料不得集中[1].

4.3 施工中遇到的主要問題及其解決方法

4.3.1 井壁偏斜的原因及其處理方法

主要是:套井內(nèi)土質(zhì)不同,有時遇到一邊軟、一邊堅硬,隨著井深增加,導致井壁內(nèi)較軟的一側(cè)偏斜.處理的方法,將機架置于軟基一側(cè)墊高或者置于硬基一側(cè)降低,但幅度過適中.如置軟基一側(cè),因受力后沉陷,則需要墊枕木置于軟基上,增加受力面積,防止繼續(xù)下沉;鉆頭上下沖擊振動,使底架緩慢位移,或因振動產(chǎn)生支架的螺栓松動變位,引起井壁偏斜,必須找錨樁固定機架,并擰緊支架的連接螺栓;當鉆頭4塊葉片長短不一或彎曲時,導致井壁偏斜,必須及時更換葉片[3].

4.3.2 深孔坍方的原因及其處理方法

由于壩體土質(zhì)松散、滲水等原因,導致井壁坍方,特別是在深孔中更加明顯.解決方法一般采用堵與排.堵的方法,可采用粘土固壁和打補強孔兩種方法.粘土固壁是在已坍方或?qū)⒁降木位靥钫惩梁粚嵑?再重復造孔.打補強孔是在漏水或坍方的上游打井回填粘土截斷水流,加強坍方部分.該方法效果好,但造價高,只有在可能出現(xiàn)突發(fā)性坍方或已出現(xiàn)大坍方時再采用.排的方法,即在主井的滲水側(cè)打排水井,攔截滲漏水,保證主井回填或在有滲水的主井內(nèi)以預制鋼護筒襯砌井壁,采用潛水泵進行排水,其具體做法,在已布置的單序孔位上間隔一定距離鉆孔.如未發(fā)現(xiàn)較大漏水,則一直打至設計深度,再回填.如有滲水則將井深打至漏水部位以下2 m左右,下鋼護筒支護,用潛水泵排水.鋼護筒采用3 mm厚的鋼板和3號角鋼制作而成,每節(jié)護筒由兩塊半圓形組成,四角以角鋼包邊,用螺絲連接成整體,一節(jié)護筒長為1.1 m,直徑1.0 m,沿圓周布置4節(jié)吊環(huán),以便提升和上下兩節(jié)定位之用,在護筒鋼板上可鉆些小孔,以便滲水[4].

5 結(jié) 語

實踐證明,在壩高不高的條件下,套井回填粘土防滲墻的施工方法和機具操作簡單易行,直觀性強.在施工過程中,我們可以通過下井檢查,發(fā)現(xiàn)問題,從而及時處理,確保工程質(zhì)量.由于黃巖區(qū)的土壩壩高普遍不高,且周邊都有黃土,因此,使用粘土套井回填技術來解決黃巖區(qū)域范圍內(nèi)的土壩的壩體滲漏問題還是很有效果的.

[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]毛佑儀.安全檢查與加固[M].北京:中國水利電力出版社,1994.

[3]白永年,吳士寧,王洪恩.土石壩加固[M].北京:水利電力出版社,1992.

[4]陸文海.水工建筑物病害處理[M].成都:四川科學技術出版社,1985.