范方亮

（会同县水利局　怀化市　418300）

粘土固化剂浆液防渗灌浆技术施工工艺和质量控制

范方亮

（会同县水利局怀化市418300）

粘土固化剂浆液是一种由粘土固化剂配置而成的粘土固化浆液，采用粘土固化剂浆液进行防渗灌浆具有防渗性能优越、经济效益明显的特点，已被广泛应用于堤坝、边坡、路基防渗加固处理。文章通过分析介绍粘土固化剂浆液的作用机理和主要性能，从注浆材料、设计参数、施工方案、管理体制、质量检测多个角度总结论述，为工程提供参考。

粘土固化剂浆液防渗灌浆质量控制

灌浆技术是大坝坝体坝基防渗中常用的技术手段和重要的工程处理措施[1]。粘土固化剂浆液作为新一代灌浆材料，具有优于传统水泥浆液和水泥粘土浆液的多项技术性能指标。

由于粘土固化剂彻底解决了水泥与粘土的不相容问题，因此由粘土固化剂配置而成的特种粘土固化浆液同水泥浆液和水泥粘土浆液相比，它同周围土体具有很好的亲和力，同周围附着物具有很强的附着力，形成的结石体不会产生新的裂隙，能有效堵住渗流通道，大幅度降低渗透系数，而且防渗性能长期稳定可靠，是目前我国最先进的防渗加固处理方法。

粘土固化剂可广泛适应于包括砂卵石层、碎石层、地下水侵蚀层等各种地质条件下土质堤坝、边坡、路基、隧道、地铁的防渗加固工程；与少量水泥配合使用，可很好地固化砂土、软土、淤泥、海土、粉煤灰以及固体建筑垃圾等。采用粘土固化剂进行防渗加固处理，施工工艺简单，不但可以显著提高病险水库、堤坝的防渗性能，而且还可节约工程成本、缩短施工工期，实现低碳环保。目前已广泛应用于广西、江西、山东、黑龙江、北京、重庆、四川、安徽、湖南、云南、贵州等多个省、区、市的堤坝、边坡、路基、隧道、地铁的防渗加固处理[2，3]。

1　作用机理和主要性能

1.1作用机理

粘土固化剂是由多种天然矿物材料按照一定比例配合且经高温活化、碾磨粉碎而成的灰白色固体粉末，无毒、无味。

（1）胶凝材料的水解与水化反应。固化剂中的凝胶材料在水作用下产生各种化学反应生成凝胶状的水化物，如水化硅酸钙、水化铝酸钙或氢氧化钙，包围土壤颗粒，在这些水化物中有的自行继续硬化形成骨架，有的与土颗粒作用生成络合物，最终相互连接形成稳定的空间网状结构，从而增强土粒间的粘结强度和稳定性[4]。

（2）固化剂的组分与土壤颗粒的火山灰反应。固化剂与土壤混合后，反应生成钙矾石针状结晶体（3CaO ·Al2O3·3CaSO4·32H2O），将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来。这种水化反应生成的结晶体使材料的体积增加，它有效地填充土团粒间的孔隙，使固化土变得致密起来[5]。

1.2主要性能

（1）浆液基本无析水性，且稳定性和流动性好。在水料比小于2∶1范围内皆可满足析水率小于5%的要求，且有良好的流动性和可灌性。因特种粘土固化浆液中无多余的水分，灌浆后无多余水分的逸出而未留下被充填的空隙。

（2）初凝时间及胶凝时间可控制。通过调整浆液的水料比及特种粘土固化剂的掺量可调节特种粘土固化浆液的初始粘度及胶凝时间在几十秒到几小时。

（3）扩散半径可控制。通过控制特种粘土固化浆液的初凝时间及胶凝时间，可以充分保证浆液在注浆管内的输送与地层中的扩散，从而达到设计扩散半径。因扩散半径可控，从而减少了浆液流失、缩短了灌浆时间。粘土固化浆液的最小扩散半径大于0.6 m。

（4）防渗效果好。特种粘土固化浆液结石体渗透系数较小，可达10-7cm/s，并且具有明显的胶凝体积膨胀性，在水中具有很好的抗软化性能。

（5）经济效益好。特种粘土固化浆液的主要材料是十分低廉的粘土，且可就地取材。同高压旋喷相比，可节约30%以上的工程成本，和纯水泥灌浆相比可节省10%以上的工程成本，同冲抓回填相比，它可一次性解决坝体坝基的防渗加固问题，从而提高了防渗性能、节约了工程成本。

2　注浆材料及设计参数

2.1注浆材料

（1）粘土固化剂。质量控制标准：灰白色，粉沫状固体，比表面积≥500 m2/kg，细度0.08 mm筛余≤8%，密度（2.8～3.15）g/cm3。含水率≤2%，无毒、无气味、非易燃、满足环保要求。储运条件：确保干燥，严格防潮，内置防潮薄膜编织袋储运，储存期不超过3个月。不得使用过期、受潮结块的产品。

（2）水泥。采用32.5以上普通硅酸盐水泥，不得使用过期、受潮结块的产品。

（3）粘土。可以采用商业粘土，也可以现场就地采取自然土，要求土干净、含砂量小、黏粒（即粒径小于0.005mm）含量应不低于25%，塑性指数不小于15。

（4）水。造浆用水采用无明显化学污染的灌溉水或饮用水。

（5）外加剂。掺入外加剂、粉煤灰、粉细砂、瓜片状碎石、中粗砂等形成特定功能的粘土固化剂。

2.2固化剂灌浆技术主要设计参数

（1）粘土固化剂浆液配比。粘土固化剂防渗灌浆一般采用钻孔灌浆方式，其布孔、钻孔方法、设计吸浆量、灌注压力同传统的水泥浆液灌浆和水泥粘土浆液完全相同，所不同的只是灌浆材料的配比不同。由粘土固化剂配置而成的特种粘土固化浆液中的灌浆材料包括粘土、水泥、粘土固化剂和水组成，其中粘土、水泥、粘土固化剂采用重量配比：

粘土80%～90%、水泥20%～15%，粘土固化剂为水泥用量的15%～20%，水料比为2∶1～0.8∶1。

（2）坝基灌浆设计。灌浆排数依据坝基透水性及需要形成的帷幕厚度来确定，可以采用单排孔、双排孔等，排数不同其灌浆孔距不同，孔距范围一般为2 m。基岩灌注压力：起始压力0.2 MPa，由上至下，每增加5 m，灌注压力增加0.05 MPa。

（3）坝体灌浆设计。灌浆排数根据坝体、孔隙率、坝体土料性质及透水性确定，单排孔孔距一般采用1 m、1.2 m、l.5 m，双排孔孔距一般采用1.2 m、排距0.6m，单位灌浆量根据坝体孔隙率大小按粘土固化浆液的重量配比设计。土层灌浆压力：（0.10～0.20）MPa。

3　实施技术方案和施工方案

3.1技术方案

依据设计要求并参照DL/T 5148-2012《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》和DL/T 5238-2010《土坝灌浆技术规范》规定，同时结合具体工程水文地质和粘土固化浆液的特性，特制定如下技术方案：

（1）孔位确定及分配孔序。由专业测量人员按设计要求进行现场孔位放样并作明显标记。钻灌依设计要求按分排、分序、分单元进行。

（2）浆液水料比确定。一般采用2∶1、1.5∶1、1.2∶1、1∶1四档，如附表所示。特殊情况依据技术人员要求可以对水料比进行微调。

附表　浆液水料比及适用对象

（3）灌注方式确定。按设计要求进行，土层基岩自下而上分段灌注。

（4）压力控制。按设计要求，采用循环式和纯压式相结合的综合灌浆法。

（5）钻灌事故处理。钻孔出现垮孔、孔壁不均匀等现象，必须进行浆液护壁处理。灌浆时出现冒浆、坝体两侧漏浆等现象时，必须停灌，待渗漏处理初凝后续灌。3.2施工工艺

为了确保工程质量，必须严格按照如下施工工艺和技术规程进行施工。

3.2.1制浆工艺流程

（1）在灌浆现场开挖一个粘土粗浆池。

（2）用粉碎机将粘土和适量的水打造粘土粗浆（浆糊状）入池。

（3）粗浆在池中析出多余水以满足水料比不大于0.8:l的粗浆。

（4）将（300～400）L粘土粗浆泵送到第一个高速搅拌桶中高速搅拌（1～2）min，用测量设备测定粘土粗浆中的含水量和含土量，然后按照灌浆段以及灌浆要求制定的水料比向粘土粗浆中补加水，搅拌（1～2）min，粘土原浆便打造成功。

（5）根据粗浆中粘土含量，按已设计确定好的粘土固化浆液配比，计算出水泥用量和粘土固化剂用量，然后将水泥和粘土固化剂干拌均匀后一次性加入第一个正在搅拌的搅拌桶中，充分搅拌（7～10）min，粘土固化浆液便配制完成。

（6）将粘土固化浆液过筛导入第二个高速搅拌桶中继续高速搅拌待灌。

3.2.2灌浆工艺

（1）设备准备及布置后扫孔复灌。同一段灌注中如出现无压力，无回浆，吃浆量大的孔采取分时间隙灌注，并改用1∶1的浓浆，间隔时间首先是2h，如果仍然无压力，无回浆，吃浆量大，延长间隔时间到24h；各灌浆段灌注结束，在压力正常且坝面未出现裂缝的情况下一般不等浆液初凝后就可实施下一段的灌注。

（2）灌浆压力（回浆压力表值）。土体灌浆压力控制为（0.1～0.15）MPa；基岩的灌浆压力（0.2～0.51）MPa。

（3）封口方法。对孔口的密封是一个难题，因为多数坝顶就是简易公路，且铺有几十公分厚的碎石层，浆液极易从土层渗出到碎石层，为此，开挖至粘土层30 cm以上深处，用纤维袋包裹套管扎紧，并用粘土夯实，防止因孔壁不规则造成浆液沿套管外壁冒出，制作压浆板，阻止浆液从碎石层冒出。

（4）浆液浓度变换原则。施工中，根据灌注的实际情况需要适时改变浆液的浓度，浆液浓度的变换原则：在灌注基岩时，开灌采用水料比2∶1的浆液，然后改为水料比1.5∶1续灌，根据吸浆情况改为水料比1∶1灌完；土体统一采用水料比2∶1或水料比1.5∶1的浆液。

（5）灌浆结束封孔。当灌注达到设计压力后，续灌（10～20）min左右。对于坝体而言，若坝面同时出现细长裂缝，可以结束灌浆；对于存在较大溶洞等渗流通道的坝基基岩灌浆，吸浆量超过设计量，仍无压力的，暂时终止灌浆，等待初凝后，分时灌注，间隔时间（2～24）h。

4　质量控制

（1）建立工程质量管理制度。严把材料关，不合格材料坚决不允许进场；严把技术关，严格按照技术方案和施工方案施工，加强监督检查，每道工序坚持先验收后施工，防止偷工减料和弄虚作假等危害工程质量的行为发生。

（2）建立完善的监测制度。工程质量通过压水试验和注水试验检测。一般地，土层注水试验需要工程完工后7 d，压水试验需要工程完工后28 d进行。

5　总结

（1）由于粘土固化剂彻底解决了水泥与粘土的不相容问题，同周围土体具有很好的亲和力，同周围附着物具有很强的附着力，形成的结石体不会产生新的裂隙，能有效堵住渗流通道，大幅度降低渗透系数，而且防渗性能长期稳定可靠，是当今我国最先进的防渗加固处理方法之一。

（2）分析了粘土固化剂浆液的主要性能、基本设计参数，并提炼出了具体的技术方案和施工方案，不但可以显著提高病险水库、堤坝的防渗性能，而且还可节约工程成本、缩短施工工期，实现低碳环保。

（3）控制灌浆施工质量是确保防渗效果的重要保障，严格按照施工工艺进行施工，不断加强施工管理，并结合监测等技术手段来控制灌浆质量。

[1]张景秀.坝基防渗及灌浆技术 [M].北京:中国水利水电出版社，2002.

[2]杨志霞，陈小山.特种粘土固化浆液在军山水库除险加固中的应用[J].江西水利科技，2013，39（4）:308-311.

[3]田信德，袁红根.粘土固化剂浆液灌浆技术在大坝防渗加固中的应用[J].江西水利科技，2014，40（1）:14-17.

[4]李兵.土壤固化剂的作用机理及应用现状[J].福建建材，2013，（1）：14-16.

[5]DL/T 5238-2010.土坝灌浆技术规范[S].北京:中国电力出版社，2010.

范方亮（1981-），男，大学本科，工程师，从事水利工程设计、建设与管理工作。

（2016-02-22）