粘土固化劑漿液防滲灌漿技術施工工藝和質量控制

范方亮

（會同縣水利局　懷化市　418300）

粘土固化劑漿液防滲灌漿技術施工工藝和質量控制

范方亮

（會同縣水利局懷化市418300）

粘土固化劑漿液是一種由粘土固化劑配置而成的粘土固化漿液，采用粘土固化劑漿液進行防滲灌漿具有防滲性能優越、經濟效益明顯的特點，已被廣泛應用于堤壩、邊坡、路基防滲加固處理。文章通過分析介紹粘土固化劑漿液的作用機理和主要性能，從注漿材料、設計參數、施工方案、管理體制、質量檢測多個角度總結論述，為工程提供參考。

粘土固化劑漿液防滲灌漿質量控制

灌漿技術是大壩壩體壩基防滲中常用的技術手段和重要的工程處理措施[1]。粘土固化劑漿液作為新一代灌漿材料，具有優于傳統水泥漿液和水泥粘土漿液的多項技術性能指標。

由于粘土固化劑徹底解決了水泥與粘土的不相容問題，因此由粘土固化劑配置而成的特種粘土固化漿液同水泥漿液和水泥粘土漿液相比，它同周圍土體具有很好的親和力，同周圍附著物具有很強的附著力，形成的結石體不會產生新的裂隙，能有效堵住滲流通道，大幅度降低滲透系數，而且防滲性能長期穩定可靠，是目前我國最先進的防滲加固處理方法。

粘土固化劑可廣泛適應于包括砂卵石層、碎石層、地下水侵蝕層等各種地質條件下土質堤壩、邊坡、路基、隧道、地鐵的防滲加固工程；與少量水泥配合使用，可很好地固化砂土、軟土、淤泥、海土、粉煤灰以及固體建筑垃圾等。采用粘土固化劑進行防滲加固處理，施工工藝簡單，不但可以顯著提高病險水庫、堤壩的防滲性能，而且還可節約工程成本、縮短施工工期，實現低碳環保。目前已廣泛應用于廣西、江西、山東、黑龍江、北京、重慶、四川、安徽、湖南、云南、貴州等多個省、區、市的堤壩、邊坡、路基、隧道、地鐵的防滲加固處理[2，3]。

1　作用機理和主要性能

1.1作用機理

粘土固化劑是由多種天然礦物材料按照一定比例配合且經高溫活化、碾磨粉碎而成的灰白色固體粉末，無毒、無味。

（1）膠凝材料的水解與水化反應。固化劑中的凝膠材料在水作用下產生各種化學反應生成凝膠狀的水化物，如水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣或氫氧化鈣，包圍土壤顆粒，在這些水化物中有的自行繼續硬化形成骨架，有的與土顆粒作用生成絡合物，最終相互連接形成穩定的空間網狀結構，從而增強土粒間的粘結強度和穩定性[4]。

（2）固化劑的組分與土壤顆粒的火山灰反應。固化劑與土壤混合后，反應生成鈣礬石針狀結晶體（3CaO ·Al2O3·3CaSO4·32H2O），將土壤中大量的自由水以結晶水的形式固定下來。這種水化反應生成的結晶體使材料的體積增加，它有效地填充土團粒間的孔隙，使固化土變得致密起來[5]。

1.2主要性能

（1）漿液基本無析水性，且穩定性和流動性好。在水料比小于2∶1范圍內皆可滿足析水率小于5%的要求，且有良好的流動性和可灌性。因特種粘土固化漿液中無多余的水分，灌漿后無多余水分的逸出而未留下被充填的空隙。

（2）初凝時間及膠凝時間可控制。通過調整漿液的水料比及特種粘土固化劑的摻量可調節特種粘土固化漿液的初始粘度及膠凝時間在幾十秒到幾小時。

（3）擴散半徑可控制。通過控制特種粘土固化漿液的初凝時間及膠凝時間，可以充分保證漿液在注漿管內的輸送與地層中的擴散，從而達到設計擴散半徑。因擴散半徑可控，從而減少了漿液流失、縮短了灌漿時間。粘土固化漿液的最小擴散半徑大于0.6 m。

（4）防滲效果好。特種粘土固化漿液結石體滲透系數較小，可達10-7cm/s，并且具有明顯的膠凝體積膨脹性，在水中具有很好的抗軟化性能。

（5）經濟效益好。特種粘土固化漿液的主要材料是十分低廉的粘土，且可就地取材。同高壓旋噴相比，可節約30%以上的工程成本，和純水泥灌漿相比可節省10%以上的工程成本，同沖抓回填相比，它可一次性解決壩體壩基的防滲加固問題，從而提高了防滲性能、節約了工程成本。

2　注漿材料及設計參數

2.1注漿材料

（1）粘土固化劑。質量控制標準：灰白色，粉沫狀固體，比表面積≥500 m2/kg，細度0.08 mm篩余≤8%，密度（2.8～3.15）g/cm3。含水率≤2%，無毒、無氣味、非易燃、滿足環保要求。儲運條件：確保干燥，嚴格防潮，內置防潮薄膜編織袋儲運，儲存期不超過3個月。不得使用過期、受潮結塊的產品。

（2）水泥。采用32.5以上普通硅酸鹽水泥，不得使用過期、受潮結塊的產品。

（3）粘土。可以采用商業粘土，也可以現場就地采取自然土，要求土干凈、含砂量小、黏粒（即粒徑小于0.005mm）含量應不低于25%，塑性指數不小于15。

（4）水。造漿用水采用無明顯化學污染的灌溉水或飲用水。

（5）外加劑。摻入外加劑、粉煤灰、粉細砂、瓜片狀碎石、中粗砂等形成特定功能的粘土固化劑。

2.2固化劑灌漿技術主要設計參數

（1）粘土固化劑漿液配比。粘土固化劑防滲灌漿一般采用鉆孔灌漿方式，其布孔、鉆孔方法、設計吸漿量、灌注壓力同傳統的水泥漿液灌漿和水泥粘土漿液完全相同，所不同的只是灌漿材料的配比不同。由粘土固化劑配置而成的特種粘土固化漿液中的灌漿材料包括粘土、水泥、粘土固化劑和水組成，其中粘土、水泥、粘土固化劑采用重量配比：

粘土80%～90%、水泥20%～15%，粘土固化劑為水泥用量的15%～20%，水料比為2∶1～0.8∶1。

（2）壩基灌漿設計。灌漿排數依據壩基透水性及需要形成的帷幕厚度來確定，可以采用單排孔、雙排孔等，排數不同其灌漿孔距不同，孔距范圍一般為2 m。基巖灌注壓力：起始壓力0.2 MPa，由上至下，每增加5 m，灌注壓力增加0.05 MPa。

（3）壩體灌漿設計。灌漿排數根據壩體、孔隙率、壩體土料性質及透水性確定，單排孔孔距一般采用1 m、1.2 m、l.5 m，雙排孔孔距一般采用1.2 m、排距0.6m，單位灌漿量根據壩體孔隙率大小按粘土固化漿液的重量配比設計。土層灌漿壓力：（0.10～0.20）MPa。

3　實施技術方案和施工方案

3.1技術方案

依據設計要求并參照DL/T 5148-2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》和DL/T 5238-2010《土壩灌漿技術規范》規定，同時結合具體工程水文地質和粘土固化漿液的特性，特制定如下技術方案：

（1）孔位確定及分配孔序。由專業測量人員按設計要求進行現場孔位放樣并作明顯標記。鉆灌依設計要求按分排、分序、分單元進行。

（2）漿液水料比確定。一般采用2∶1、1.5∶1、1.2∶1、1∶1四檔，如附表所示。特殊情況依據技術人員要求可以對水料比進行微調。

附表　漿液水料比及適用對象

（3）灌注方式確定。按設計要求進行，土層基巖自下而上分段灌注。

（4）壓力控制。按設計要求，采用循環式和純壓式相結合的綜合灌漿法。

（5）鉆灌事故處理。鉆孔出現垮孔、孔壁不均勻等現象，必須進行漿液護壁處理。灌漿時出現冒漿、壩體兩側漏漿等現象時，必須停灌，待滲漏處理初凝后續灌。3.2施工工藝

為了確保工程質量，必須嚴格按照如下施工工藝和技術規程進行施工。

3.2.1制漿工藝流程

（1）在灌漿現場開挖一個粘土粗漿池。

（2）用粉碎機將粘土和適量的水打造粘土粗漿（漿糊狀）入池。

（3）粗漿在池中析出多余水以滿足水料比不大于0.8:l的粗漿。

（4）將（300～400）L粘土粗漿泵送到第一個高速攪拌桶中高速攪拌（1～2）min，用測量設備測定粘土粗漿中的含水量和含土量，然后按照灌漿段以及灌漿要求制定的水料比向粘土粗漿中補加水，攪拌（1～2）min，粘土原漿便打造成功。

（5）根據粗漿中粘土含量，按已設計確定好的粘土固化漿液配比，計算出水泥用量和粘土固化劑用量，然后將水泥和粘土固化劑干拌均勻后一次性加入第一個正在攪拌的攪拌桶中，充分攪拌（7～10）min，粘土固化漿液便配制完成。

（6）將粘土固化漿液過篩導入第二個高速攪拌桶中繼續高速攪拌待灌。

3.2.2灌漿工藝

（1）設備準備及布置后掃孔復灌。同一段灌注中如出現無壓力，無回漿，吃漿量大的孔采取分時間隙灌注，并改用1∶1的濃漿，間隔時間首先是2h，如果仍然無壓力，無回漿，吃漿量大，延長間隔時間到24h；各灌漿段灌注結束，在壓力正常且壩面未出現裂縫的情況下一般不等漿液初凝后就可實施下一段的灌注。

（2）灌漿壓力（回漿壓力表值）。土體灌漿壓力控制為（0.1～0.15）MPa；基巖的灌漿壓力（0.2～0.51）MPa。

（3）封口方法。對孔口的密封是一個難題，因為多數壩頂就是簡易公路，且鋪有幾十公分厚的碎石層，漿液極易從土層滲出到碎石層，為此，開挖至粘土層30 cm以上深處，用纖維袋包裹套管扎緊，并用粘土夯實，防止因孔壁不規則造成漿液沿套管外壁冒出，制作壓漿板，阻止漿液從碎石層冒出。

（4）漿液濃度變換原則。施工中，根據灌注的實際情況需要適時改變漿液的濃度，漿液濃度的變換原則：在灌注基巖時，開灌采用水料比2∶1的漿液，然后改為水料比1.5∶1續灌，根據吸漿情況改為水料比1∶1灌完；土體統一采用水料比2∶1或水料比1.5∶1的漿液。

（5）灌漿結束封孔。當灌注達到設計壓力后，續灌（10～20）min左右。對于壩體而言，若壩面同時出現細長裂縫，可以結束灌漿；對于存在較大溶洞等滲流通道的壩基基巖灌漿，吸漿量超過設計量，仍無壓力的，暫時終止灌漿，等待初凝后，分時灌注，間隔時間（2～24）h。

4　質量控制

（1）建立工程質量管理制度。嚴把材料關，不合格材料堅決不允許進場；嚴把技術關，嚴格按照技術方案和施工方案施工，加強監督檢查，每道工序堅持先驗收后施工，防止偷工減料和弄虛作假等危害工程質量的行為發生。

（2）建立完善的監測制度。工程質量通過壓水試驗和注水試驗檢測。一般地，土層注水試驗需要工程完工后7 d，壓水試驗需要工程完工后28 d進行。

5　總結

（1）由于粘土固化劑徹底解決了水泥與粘土的不相容問題，同周圍土體具有很好的親和力，同周圍附著物具有很強的附著力，形成的結石體不會產生新的裂隙，能有效堵住滲流通道，大幅度降低滲透系數，而且防滲性能長期穩定可靠，是當今我國最先進的防滲加固處理方法之一。

（2）分析了粘土固化劑漿液的主要性能、基本設計參數，并提煉出了具體的技術方案和施工方案，不但可以顯著提高病險水庫、堤壩的防滲性能，而且還可節約工程成本、縮短施工工期，實現低碳環保。

（3）控制灌漿施工質量是確保防滲效果的重要保障，嚴格按照施工工藝進行施工，不斷加強施工管理，并結合監測等技術手段來控制灌漿質量。

[1]張景秀.壩基防滲及灌漿技術 [M].北京:中國水利水電出版社，2002.

[2]楊志霞，陳小山.特種粘土固化漿液在軍山水庫除險加固中的應用[J].江西水利科技，2013，39（4）:308-311.

[3]田信德，袁紅根.粘土固化劑漿液灌漿技術在大壩防滲加固中的應用[J].江西水利科技，2014，40（1）:14-17.

[4]李兵.土壤固化劑的作用機理及應用現狀[J].福建建材，2013，（1）：14-16.

[5]DL/T 5238-2010.土壩灌漿技術規范[S].北京:中國電力出版社，2010.

范方亮（1981-），男，大學本科，工程師，從事水利工程設計、建設與管理工作。

（2016-02-22）