套井冲抓粘土防渗心墙有效厚度与坝体影响区厚度解析计算法

蔡勇平，吴芳华，蔡勇斌，蔡晓鸿

（1.江西省吉安市水利水电规划设计院，江西吉安343000；2.江西省吉安市水利局，江西吉安343000）

0 前言

套井冲抓建造粘土防渗心墙已广泛应用于土石坝渗漏处理。该项技术是利用冲抓钻造井，分层回填粘土，经夯锤夯击形成连续套接板柱式粘土防渗心墙；此外，夯锤夯击挤压井壁土层，使周围坝体土孔隙比降低，干重度增大，防渗性能提高，从而与粘土防渗心墙共同达到坝体垂直防渗加固的目的。该项技术的优点是施工简单、质量易控、防渗效果好、工效高、造价低。

该项技术虽获广泛应用，但到目前为止，还没有一套成熟和完善的理论与设计计算方法，制约了该项实用技术的进一步发展。拙文采用土力学理论对这一问题进行探讨，导出了套井冲抓粘土防渗心墙有效厚度与坝体影响区厚度解析计算式，并用工程实例验证了方法的正确性。

1 防渗心墙有效厚度与影响区厚度计算

采用套井冲抓技术对土坝进行防渗和加固处理，套井回填粘土在夯锤夯击下密实，并对周边坝土体产生挤压，使心墙有效防渗厚度加大，且形成套井冲抓坝体影响区。

由土力学知[3]，坝体影响区范围内土体体积应变为

式中，e0为套井冲抓加固前坝体土的初始孔隙比；e1为套井冲抓加固后坝体影响区土体的孔隙比；V0为套井冲抓加固处理，坝体影响区范围土体体积。

设套井冲抓初始半径为r0，夯锤夯击挤扩后的套井半径为r1；套井冲抓加固后仍保持坝体土初始孔隙比e0的半径为R；套井冲抓加固深度为H（图1），则

图1 套井冲抓粘土心墙示意图Fig.1 Schematic drawing of casing shaft punching-grabbed clay core wall

将式（2）代入式（1），得套井冲抓处理后坝体影响区范围土体体积变形

又据图1，知

比较式（3）、式（4）得

套井冲抓回填土受夯锤夯击荷载作用呈圆柱形挤压扩张，产生动力压密，即套井冲抓建造粘土心墙，可简化为轴对称问题。据土的连续性方程，套井冲抓加固处理前、后坝体影响区土体满足积分关系式[3]

式中，ρ0为套井冲抓加固前坝体土的初始干密度；ρ(r)为套井冲抓加固后，坝体影响区半径r处土体干密度，可据r1处的夯锤夯击挤压土体干密度ρr1按直线变化至R处的初始干密度ρ0求算，即

将式（7）代入式（6），积分整理有

联立求解式（5）、式（8），得

另一解为R=r1，显然该解无工程实际意义，予以舍弃。

将式（9）代入式（5），得

据式（9）知，m＞1，于是由m的计算式可导得如下不等式

式（12）、式（13）表征了套井冲抓加固前坝体土初始孔隙比e0、初始干密度ρ0与大坝加固后坝体影响区土体孔隙比e1、粘土心墙外边缘坝体土干密度ρr1间的关系，可用于校验坝体套井冲抓加固处理前、后坝体土取土样试验所得孔隙比值、干密度值是否合理。

由图2知，套井冲抓粘土心墙有效厚度T即为夯锤夯击扩井后的主井与套井相割厚度；坝体影响区厚度2δ即为主井影响区与套井影响区相割厚度减去粘土心墙有效厚度T。于是粘土心墙有效厚度T与坝体影响区厚度2δ可据套井冲抓半径、相割最优角与套井冲抓井距求算。对单排套井冲抓，取最优角α=46°28′，则T=1.45r1；2δ=1.45(R-r1)。若取α=45°，则T=r1；2δ=(R-r1)。

图2 主井与套井相割平面图Fig.2 Plane of the main shaft and casing shaft

2 化引厚度计算

为简化套井冲抓粘土心墙加固后的坝体渗流计算，常将粘土心墙有效厚度T与坝体影响区厚度2δ化引成具有与原坝体同一渗透系数K的均质土坝厚度，下面分别推导其化引厚度计算式。

（1）粘土心墙有效厚度T的化引厚度

设土工试验给出套井冲抓相割有效厚度T范围内心墙土的渗透系数为Kc，则其化引厚度Dc计算式为

（2）影响区厚度2δ的化引厚度

设土工试验测得影响区坝体土的平均渗透系数为Kd，则影响区厚度2δ的化引厚度为

于是，化引总厚度为

3 工程实例

安福县柘田水库为中型水利工程（图3），1959年冬施工完建，最大坝高29.4 m，坝顶长248 m。坝体土主要由2类土组成，Ⅰ类土为含细粒土砾，Ⅱ类土为粘土质砂（砾），渗透系数分别为K1=2.35×10-2cm/s，K2=5.8×10-5cm/s。坝体渗漏严重，采用套井冲抓建造粘土心墙进行坝体防渗处理，套井半径采用0.55 m，套井相割角α=45°。

图3 柘田水库大坝横断面图（高程：m）Fig.3 Cross section of the Zhetian reservoir dam

经对套井冲抓心墙取土样检查，渗透系数Kc=9×10-6cm/s；对坝体影响区取土样试验，得e0=0.82，ρ0=1500 kg/m3；e1=0.798，ρr1=1590 kg/m，3Kd=4.18×10-4cm/s。

据式（10），有m=3.327739，r1=1.068r0=0.59 m，R=mr1=1.96 m；相应T=0.83 m，2δ=1.93 m。

计算结果表明，套井井体扩张值为40 mm；坝体影响区半径计算值与检测成果R=1.65 m相近，说明所介绍计算方法合理。

又据式（14）、式（15）分别求得粘土心墙的化引厚度Dc=2167.22 m、坝体影响区的化引厚度Dd=108.50 m。

由，可知坝体影响区的防渗效果相对套井冲抓粘土心墙而言甚微。

4 结语

（1）坝体套井冲抓造粘土心墙，在夯锤夯击下产生挤压作用，使心墙有效防渗厚度加大，且在套井周边形成坝体影响区。采用土力学理论，推导了套井挤扩半径r1与坝体影响区半径R的解析计算式，并用工程实例验证了方法的合理性。

（2）工程实践表明，套井挤扩半径r1与坝体影响区半径R是在夯锤侧向压力作用下形成的，鉴于侧向压力约为竖向夯击压力的1/6～1/10，加之施工作业误差，不可过高估计套井挤扩的防渗效果。坝体影响区渗透系数通常不满足土质防渗体防渗性能的要求，其主要功能应是形成防渗心墙过渡层作用。因此，套井冲抓造粘土心墙，应致力于严格控制造孔—回填—夯击质量与检查各工序的质量，以确保粘土防渗心墙填筑满足设计要求。■

致谢：

刘善综高工提供了参考资料，仅致谢忱！

[1]胡显卿.冲抓套井防渗墙影响厚度探讨[J].水利工程管理技术，1998（1）.

[2]梁金碧.冲抓防渗墙厚度化引长度计算公式探讨[J].江西水利科技，1999（3）.

[3]钱家欢.土力学[M].南京：河海大学出版社，1995.