套井回填在中小型土坝防渗加固中的应用及其质量控制

套井回填在中小型土坝防渗加固中的应用及其质量控制刘建光（衢州市水利水电工程质量监督站，浙江衢州324000）摘要：基于衢州市近年来采用套井回填技术进行中小型土坝防渗加固处理的经验，对其施工和质量控制中的关键问题进行了分析和讨论，提出了中小型水库除险加固工程套井粘土防渗墙的施工技术与质量控制标准，并对套井与灌浆的结合、套井事故处理等进行了分析，提出了相关建议。关键词：中小型土坝；防渗加固；套井回填；质量控制1引言在中小型水库的除险加固中，防渗处理难度高、成本大，因而成为工程设计与施工的重点与难点。套井粘土防渗墙是在土坝的轴线上或心墙位置，对全坝段或渗漏通道，用冲抓锤按一定要求造孔至岩基内或坝体填筑质量较好的的土层内1-2m，然后用粘土分层回填，并用夯锤夯实后，形成一道连续的套接粘土防渗墙，截断渗流通道，同时在套井夯实时，对井孔周围土体有压实作用，使其土体密度增大，渗透系数减少，综合达到防渗的目的。与其它防渗方式如粘土斜墙、劈裂灌浆等相比，具有施工方便、工效高、投资省、防渗效果好等优点，因而得到广泛应用。衢州市地处浙西南，数十年来已建成中、小型水库和万方以上山塘2314座，绝大多数为土坝，在近年来开展的“千库保安”和山塘整治工程中，仅小（二）型以上水库除险加固就已有262座，其中约40%采用了套井回填技术，效果良好。本文对其设计、施工要点和若干技术问题进行了分析与探讨。2套井回填防渗墙的设计普遍认为，套井回填技术仅适用于粘土心墙坝或均质土坝，如土体内含有块（砾）石，一般控制其粒径不大于60cm。在这两类坝中进行套井回填，实际形成的是一粘土心墙坝。如原大坝为斜墙坝，则不宜采用套井回填，否则原斜墙与套井形成的心墙将构成两道防渗体，致使中间积水难以排出，易导致滑坡等事故，见图1[1]。套井回填防渗墙的厚度，应根据渗流计算和稳定分析综合确定。一般方法先根据类似工程经验选择适当的防渗墙厚度，再根据渗流计算确定坝体内浸润线位置，然后进行坝体稳定性分析，并检验所假定的防渗墙厚度是否合理。同时，防渗墙厚度尚应保证在设计水头作用下能够抵抗渗透坡降的破坏。计算公式为：HJ（1）式中，J为防渗墙渗透坡降，δ为防渗墙设计厚度（m），∆H—防渗墙上下游水位落差（m）。其中防渗墙允许渗透坡降可参照《碾压式土石坝设计规范》相关规定和实际工程经验综合确定，一般可取3-5。经验表明，对于坝高在30m以下的小型水库，防渗墙设计厚度一般取0.8-1.0m（一排）即可满足要求，如图2所示。如单排孔不能满足要求，可布置两排或者多排孔，其有图1前后两层防渗体易导致积水难以排出新建套井心墙原粘土斜墙效厚度可根据孔径、孔距、排距计算。同一座坝，根据不同部位的防渗要求也可取不同的排数，如在狮子口水库除险加固中，就根据施工实际情况在0+000-0+190采用一排套井，堵口段（0+190-0+280）采用二排套井，原涵管段轴线各3m处则采用三排套井（上游排为C排、中间排为B排、下游排为A排）。图2单排孔套井回填3套井回填施工及质量控制套井回填施工主要由造孔、回填、夯实三个环节组成，其主要施工流程为：施工准备→放样布孔→钻机就位→冲抓造孔（弃土）→下井检查、△入岩深度鉴定→清孔（机械冲抓，必要时人工辅助）→△验收（合格）、重新清孔（不合格）→回填夯实（土料挖运、存储→翻晒或加水）→△取样检查→移机（合格）、重新冲抓回填（不合格）。加“△”的主要工序必须由项目法人、监理现场签字确认。3.1施工准备套井施工宜安排在枯水季节，施工前，要求水库水位必须及早降低至死水位以下，至少应一个月以上，从而使坝体内蓄含的水释放彻底。坝顶宽度应满足钻机架立及土料进出场地运输道路的要求，一般可降坝1.5-2.0m。施工前，场地应平整，并清除杂物。套井施工前，应选择合适的部位，使用接近击实试验确定的最优含水量的土料，进行造孔和回填夯实试验，取得分层填筑厚度、落锤高度、击实遍数等参数，对设计提出的各项技术指标进行验证，通过系统地整理、分析、研究、优选，确定经济合理的压实参数和主要施工方法，施工中应进一步复核、调整、优化。对不同的料场、不同的土料应分别进行试验。3.2土料制备应满足防渗土料的要求：渗透系数（均质坝≯1×10-4cm/s，心墙和斜墙≯1×10-5cm/s）、有较好的塑性和渗透稳定性、水溶盐含量≯3%、有机质含量（均质坝≯5%，心墙和斜墙≯2%），塑性指数≯20和液限≯40%的冲积粘土，以及非冻土、非分散性土、非膨胀性土等。施工中以含水率和干密度为控制指标，使用的土料，其含水率一般应控制在试验确定的最优含水率上下2个百分点，如超过该范围，应采用翻晒或洒水的方法来调整。控制干密度为最大干密度×设计压实度，如果施工中发现干密度波动较大，除了检查施工方面的原因，还需要对土料重新进行击实试验，以验证土料是否有变化，并相应调整施工控制指标。3.3放样布孔、造孔套井可分为单排套井和多排套井。双排套井一般先上游排、后下游排；多排套井一般先上游排、后下游排，再中间排。一般采用冲抓钻造孔。对较长的坝应使用多台机械同时作业，但要合理安排机位，间距一般为50m左右。需要强调的是，造孔应从坝的中部开始，向坝端延伸，尤其是坝肩岸坡较陡的情况下，如果从坝端开始施工，极易使坝体土方向中间挤压，造成坝体产生横向开裂。为了缩短工期，在互不干扰的情况下，每排可以分段同时进行。每段先在中间处开井，而后向左、右两侧延伸。每排套井均要求分为二序施工，主井（Ⅰ序）、套井（Ⅱ序）相间布置，一主一套相互套接连成井墙，Ⅱ序孔前后的Ⅰ序孔完成后，方可施工Ⅱ序孔，即每排先打Ⅰ序孔1、3号，回填后打Ⅱ序的2号孔，回填2号孔后再打Ⅰ序的5号孔，回填后再打Ⅱ序的4号孔，以此顺序，循环推进；多排套井排与排之间在前序排有足够的长度后，方可交叉施工。各排井之间必须套接，即井孔中心为呈等腰三角形布置。各施工段要做好衔接，防止漏打。Ⅱ序孔（排）套打时应检查与Ⅰ序孔（排）的套接厚度，如果厚度不能满足设计要求的最小搭接厚度且无法纠正，在该孔完成后，必须在厚度不足处中心补充造孔，确保套接厚度。套井孔径多选用1.1m，孔距0.75m，有效防渗（接头搭接处）厚度不小于0.8m；排距0.95m。井底应深入设计要求的土层内或深入基岩（一般为强风化基岩面以下0.5m或至弱风化基岩），接近勘探成果提供的估计岩面时，应加强观察，确定入岩高程，控制入岩深度。有入弱风化基岩要求的井孔，一般以5次明显出土空抓为终孔标准。套井中取出的废土应堆放至指定的地点或用于指定的部位，不得用于套井回填。为保证井孔竖直和套井最小搭接厚度达到设计要求，钻机三角架应架立稳固、防止移位，冲抓钻4个叶片必须长短一致，冲抓时应平稳下落。造孔至一定深度，要及时检查钻井是否平整垂直，如发现井壁已歪斜，应及时纠正，必要时，须派人下井，人工挖正纠偏。3.4粘土回填粘土回填工作应在清孔完毕、验收合格后及时进行，时间间隔不宜超过1h。在施工单位自检合格的基础上，由监理单位组织验收，项目法人进行认定，验收采用“套井开挖隐蔽工程验收合格证”，如实填写：排号、孔号、孔口高程、设计深度、实际深度、孔径、搭接厚度、孔斜度、入岩深度，由地质人员对抓取的岩样进行准确描述。土料用于回填前，应进行含水率测定，确定是否接近击实试验确定的最优含水率。不得将树（草）根等有机质及石块等混入土料中，5cm以上土块（团）等应敲碎。铺土应分层。每层铺土要均匀、平整，严格控制铺土厚度，一般控制厚度为0.3m，可用填土重量来控制填土厚度，估算公式为：HAG（2）式中：G为一次填土重量，t；A为套井底面积，m2；γ为回填土料的湿密度，t/m3；H为土料铺土厚度，m。同时，夯实要合理。夯锤不可过重，夯距不可过高，否则冲击力太大会对原坝体结构造成破坏，一般采用：夯锤直径90cm，重800kg，夯距（夯锤下落高度）2-3m，夯击次数20-25次，当距坝顶2.0m以内后，应减少单位冲量，控制夯距小于2.0m，以防止坝顶开裂或沿孔周壅起。实际铺土厚度、夯距和夯击遍数按照现场夯实试验参数。夯实时，夯锤不能忽高忽低，落锤要平稳，落锤前保持几秒钟的稳定时间，避免钢丝绳抖动，使之自由下坠，以保证夯击均匀密实和避免夯锤碰撞井壁、降低夯击功能。回填过程应无中断，如有中断，工作面应妥善保护，重新施工前应进行检查分析，确认不影响回填质量，方可恢复施工。施工前，对层面应进行清理并刨毛。3.5套井粘土防渗墙的质量控制指标与评定标准（1）造孔的孔序、井孔深度或井底深入基岩深度、墙体厚度应符合设计要求，井孔应竖直、无偏斜，井孔中心偏差要求不大于±3.0cm。（2）清孔要求彻底清理孔内积渣杂物，积水应妥善排干。（3）采用合格的土料回填，回填应在造孔完毕、验收合格后立即进行，并连续分层夯实，夯击遍数符合现场试验参数。回填应无中断，若有中断，应检查分析，不得因此影响回填质量。（4）每个套井施工应严格控制分层回填厚度，分层回填厚度不大于现场试验参数；回填后的套井，其压实度、渗透系数应满足设计要求，压实度一般为96%-98%，渗透系数不大于1×10-5cm/s[2]。质量控制上，每个套井抽检干密度的合格率应大于90.0%，不合格样不得集中，最小值不低于设计压实度的0.98倍。（5）土料检验、干密度和渗透系数的试验应按照《土工试验规程》（SL237-1999）的规定进行。含水率试验宜采用该《规程》所载的“酒精燃烧法”。（6）施工单位检验渗透系数和压实度次数视井孔深度确定，一般不少于3次。回填厚度视下料控制情况，逐层或数层检测1次（可根据每次回填土料数量推算）；渗透系数和压实度自底部起1.5m开始（所处位置一般不大于10m），视套井深度，每2-5m抽检1次，每次1组2个环刀检测干容重、1个环刀（专用）检测渗透系数。为保证取样人员安全，同时利于检查Ⅰ、Ⅱ序孔套接厚度，一般安排在Ⅱ序孔施工时取样。（7）监理单位抽检渗透系数和压实度次数不少于套井总数的10%。（8）在施工单位自检、监理单位抽检的基础上，项目法人应委托第三方检测机构对套井的渗透系数和压实度进行抽样检测，数量不少于套井单元总数的10%。（9）对所有回填厚度、干密度（压实度）、渗透系数检测资料，应及时分析汇总，作为验收评定资料，对达不到质量评定合格标准的套井必须及时返工。套井造孔、回填以及干密度、含水率、渗透系数试验等，应由专人负责记录，施工完成后，及时进行汇总。（10）套井施工完成后，视工程总体进度情况，有条件的应安排对套井进行抽样钻孔做注水试验，测定渗透系数。数量宜为套井单元总数的10%。钻孔可结合利用基础帷幕灌浆孔。4套井回填与帷幕灌浆的结合套井回填一般用于坝体防渗。当发现坝基渗漏或薄弱时，须与坝基防渗相结合。坝基防渗目前一般采用帷幕灌浆。帷幕灌浆应在套井回填完成后进行。灌浆通常采用自上而下分段灌浆方式。考虑坝体自身压重较大，为方便施工，加快进度，也可考虑采用自下而上分段灌浆。灌浆段应深入坝体0.5-1.0m。如图3[3]。5异常情况处理造孔过程，应及时检查孔壁、孔底的渗漏情况，发现有明显渗漏，必须及时处理，避免因此造成塌孔，甚至导致坝体塌陷、开裂。如果发生危及坝体安全的情况（渗漏量大甚至涌水、坝体塌陷、开裂等），必须立即停止造孔，尽快回填，必要时可以重复钻进回填（先进行上部处理、加固孔壁周围土体，重新造孔回填）。塌孔严重时可以采用换填干土、石灰拌土以吸附水分，不可强行加深。如果坝体发生严重塌陷或开裂，应上报主管部门，查明原因和对坝体的危害程度，在制定和落实处理方案后，方可恢复施工。如果塌孔严重，回填不能对坍塌部位充分回填密实，必须补打加强孔。套井中心线套井主井帷幕灌浆孔坝轴线套井中心线图3坝体套井与坝基帷幕灌浆结合示意6结语套井回填粘土防渗墙的施工质量，直接影响到防渗效果。因此，应严格控制各个施工环节和工序，要选用合格的土料、合理安排机位、控制钻孔垂直度、防范井孔坍塌、合理夯实回填土料，认真做好检查记录，适时检测回填土的各项控制指标，是十分必要的。近年来，衢州市在狮子口、周公畈等大量病险水库除险加固中均采用了套井回填技术，实践表