蔡勇平，吳芳華，蔡勇斌，蔡曉鴻

（1.江西省吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西吉安343000；2.江西省吉安市水利局，江西吉安343000）

0 前言

套井沖抓建造粘土防滲心墻已廣泛應(yīng)用于土石壩滲漏處理。該項(xiàng)技術(shù)是利用沖抓鉆造井，分層回填粘土，經(jīng)夯錘夯擊形成連續(xù)套接板柱式粘土防滲心墻；此外，夯錘夯擊擠壓井壁土層，使周圍壩體土孔隙比降低，干重度增大，防滲性能提高，從而與粘土防滲心墻共同達(dá)到壩體垂直防滲加固的目的。該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單、質(zhì)量易控、防滲效果好、工效高、造價(jià)低。

該項(xiàng)技術(shù)雖獲廣泛應(yīng)用，但到目前為止，還沒有一套成熟和完善的理論與設(shè)計(jì)計(jì)算方法，制約了該項(xiàng)實(shí)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。拙文采用土力學(xué)理論對(duì)這一問題進(jìn)行探討，導(dǎo)出了套井沖抓粘土防滲心墻有效厚度與壩體影響區(qū)厚度解析計(jì)算式，并用工程實(shí)例驗(yàn)證了方法的正確性。

1 防滲心墻有效厚度與影響區(qū)厚度計(jì)算

采用套井沖抓技術(shù)對(duì)土壩進(jìn)行防滲和加固處理，套井回填粘土在夯錘夯擊下密實(shí)，并對(duì)周邊壩土體產(chǎn)生擠壓，使心墻有效防滲厚度加大，且形成套井沖抓壩體影響區(qū)。

由土力學(xué)知[3]，壩體影響區(qū)范圍內(nèi)土體體積應(yīng)變?yōu)?/p>

式中，e0為套井沖抓加固前壩體土的初始孔隙比；e1為套井沖抓加固后壩體影響區(qū)土體的孔隙比；V0為套井沖抓加固處理，壩體影響區(qū)范圍土體體積。

設(shè)套井沖抓初始半徑為r0，夯錘夯擊擠擴(kuò)后的套井半徑為r1；套井沖抓加固后仍保持壩體土初始孔隙比e0的半徑為R；套井沖抓加固深度為H（圖1），則

圖1 套井沖抓粘土心墻示意圖Fig.1 Schematic drawing of casing shaft punching-grabbed clay core wall

將式（2）代入式（1），得套井沖抓處理后壩體影響區(qū)范圍土體體積變形

又據(jù)圖1，知

比較式（3）、式（4）得

套井沖抓回填土受夯錘夯擊荷載作用呈圓柱形擠壓擴(kuò)張，產(chǎn)生動(dòng)力壓密，即套井沖抓建造粘土心墻，可簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱問題。據(jù)土的連續(xù)性方程，套井沖抓加固處理前、后壩體影響區(qū)土體滿足積分關(guān)系式[3]

式中，ρ0為套井沖抓加固前壩體土的初始干密度；ρ(r)為套井沖抓加固后，壩體影響區(qū)半徑r處土體干密度，可據(jù)r1處的夯錘夯擊擠壓土體干密度ρr1按直線變化至R處的初始干密度ρ0求算，即

將式（7）代入式（6），積分整理有

聯(lián)立求解式（5）、式（8），得

另一解為R=r1，顯然該解無(wú)工程實(shí)際意義，予以舍棄。

將式（9）代入式（5），得

據(jù)式（9）知，m＞1，于是由m的計(jì)算式可導(dǎo)得如下不等式

式（12）、式（13）表征了套井沖抓加固前壩體土初始孔隙比e0、初始干密度ρ0與大壩加固后壩體影響區(qū)土體孔隙比e1、粘土心墻外邊緣壩體土干密度ρr1間的關(guān)系，可用于校驗(yàn)壩體套井沖抓加固處理前、后壩體土取土樣試驗(yàn)所得孔隙比值、干密度值是否合理。

由圖2知，套井沖抓粘土心墻有效厚度T即為夯錘夯擊擴(kuò)井后的主井與套井相割厚度；壩體影響區(qū)厚度2δ即為主井影響區(qū)與套井影響區(qū)相割厚度減去粘土心墻有效厚度T。于是粘土心墻有效厚度T與壩體影響區(qū)厚度2δ可據(jù)套井沖抓半徑、相割最優(yōu)角與套井沖抓井距求算。對(duì)單排套井沖抓，取最優(yōu)角α=46°28′，則T=1.45r1；2δ=1.45(R-r1)。若取α=45°，則T=r1；2δ=(R-r1)。

圖2 主井與套井相割平面圖Fig.2 Plane of the main shaft and casing shaft

2 化引厚度計(jì)算

為簡(jiǎn)化套井沖抓粘土心墻加固后的壩體滲流計(jì)算，常將粘土心墻有效厚度T與壩體影響區(qū)厚度2δ化引成具有與原壩體同一滲透系數(shù)K的均質(zhì)土壩厚度，下面分別推導(dǎo)其化引厚度計(jì)算式。

（1）粘土心墻有效厚度T的化引厚度

設(shè)土工試驗(yàn)給出套井沖抓相割有效厚度T范圍內(nèi)心墻土的滲透系數(shù)為Kc，則其化引厚度Dc計(jì)算式為

（2）影響區(qū)厚度2δ的化引厚度

設(shè)土工試驗(yàn)測(cè)得影響區(qū)壩體土的平均滲透系數(shù)為Kd，則影響區(qū)厚度2δ的化引厚度為

于是，化引總厚度為

3 工程實(shí)例

安?？h柘田水庫(kù)為中型水利工程（圖3），1959年冬施工完建，最大壩高29.4 m，壩頂長(zhǎng)248 m。壩體土主要由2類土組成，Ⅰ類土為含細(xì)粒土礫，Ⅱ類土為粘土質(zhì)砂（礫），滲透系數(shù)分別為K1=2.35×10-2cm/s，K2=5.8×10-5cm/s。壩體滲漏嚴(yán)重，采用套井沖抓建造粘土心墻進(jìn)行壩體防滲處理，套井半徑采用0.55 m，套井相割角α=45°。

圖3 柘田水庫(kù)大壩橫斷面圖（高程：m）Fig.3 Cross section of the Zhetian reservoir dam

經(jīng)對(duì)套井沖抓心墻取土樣檢查，滲透系數(shù)Kc=9×10-6cm/s；對(duì)壩體影響區(qū)取土樣試驗(yàn)，得e0=0.82，ρ0=1500 kg/m3；e1=0.798，ρr1=1590 kg/m，3Kd=4.18×10-4cm/s。

據(jù)式（10），有m=3.327739，r1=1.068r0=0.59 m，R=mr1=1.96 m；相應(yīng)T=0.83 m，2δ=1.93 m。

計(jì)算結(jié)果表明，套井井體擴(kuò)張值為40 mm；壩體影響區(qū)半徑計(jì)算值與檢測(cè)成果R=1.65 m相近，說明所介紹計(jì)算方法合理。

又據(jù)式（14）、式（15）分別求得粘土心墻的化引厚度Dc=2167.22 m、壩體影響區(qū)的化引厚度Dd=108.50 m。

由，可知壩體影響區(qū)的防滲效果相對(duì)套井沖抓粘土心墻而言甚微。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）壩體套井沖抓造粘土心墻，在夯錘夯擊下產(chǎn)生擠壓作用，使心墻有效防滲厚度加大，且在套井周邊形成壩體影響區(qū)。采用土力學(xué)理論，推導(dǎo)了套井?dāng)D擴(kuò)半徑r1與壩體影響區(qū)半徑R的解析計(jì)算式，并用工程實(shí)例驗(yàn)證了方法的合理性。

（2）工程實(shí)踐表明，套井?dāng)D擴(kuò)半徑r1與壩體影響區(qū)半徑R是在夯錘側(cè)向壓力作用下形成的，鑒于側(cè)向壓力約為豎向夯擊壓力的1/6～1/10，加之施工作業(yè)誤差，不可過高估計(jì)套井?dāng)D擴(kuò)的防滲效果。壩體影響區(qū)滲透系數(shù)通常不滿足土質(zhì)防滲體防滲性能的要求，其主要功能應(yīng)是形成防滲心墻過渡層作用。因此，套井沖抓造粘土心墻，應(yīng)致力于嚴(yán)格控制造孔—回填—夯擊質(zhì)量與檢查各工序的質(zhì)量，以確保粘土防滲心墻填筑滿足設(shè)計(jì)要求?！?/p>

致謝：

劉善綜高工提供了參考資料，僅致謝忱！

[1]胡顯卿.沖抓套井防滲墻影響厚度探討[J].水利工程管理技術(shù)，1998（1）.

[2]梁金碧.沖抓防滲墻厚度化引長(zhǎng)度計(jì)算公式探討[J].江西水利科技，1999（3）.

[3]錢家歡.土力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，1995.