粘土固化劑漿液防滲灌漿技術(shù)施工工藝和質(zhì)量控制

范方亮

（會(huì)同縣水利局　懷化市　418300）

粘土固化劑漿液防滲灌漿技術(shù)施工工藝和質(zhì)量控制

范方亮

（會(huì)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(jìn)行防滲灌漿具有防滲性能優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)效益明顯的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)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(jī)理和主要性能，從注漿材料、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工方案、管理體制、質(zhì)量檢測(cè)多個(gè)角度總結(jié)論述，為工程提供參考。

粘土固化劑漿液防滲灌漿質(zhì)量控制

灌漿技術(shù)是大壩壩體壩基防滲中常用的技術(shù)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(yōu)于傳統(tǒng)水泥漿液和水泥粘土漿液的多項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)。

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(qiáng)的附著力，形成的結(jié)石體不會(huì)產(chǎn)生新的裂隙，能有效堵住滲流通道，大幅度降低滲透系數(shù)，而且防滲性能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，是目前我國最先進(jìn)的防滲加固處理方法。

粘土固化劑可廣泛適應(yīng)于包括砂卵石層、碎石層、地下水侵蝕層等各種地質(zhì)條件下土質(zhì)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(jìn)行防滲加固處理，施工工藝簡(jiǎn)單，不但可以顯著提高病險(xiǎn)水庫、堤壩的防滲性能，而且還可節(jié)約工程成本、縮短施工工期，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保。目前已廣泛應(yīng)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(gè)省、區(qū)、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(jī)理和主要性能

1.1作用機(jī)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(jīng)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(yīng)。固化劑中的凝膠材料在水作用下產(chǎn)生各種化學(xué)反應(yīng)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(xù)硬化形成骨架，有的與土顆粒作用生成絡(luò)合物，最終相互連接形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)土粒間的粘結(jié)強(qiáng)度和穩(wěn)定性[4]。

（2）固化劑的組分與土壤顆粒的火山灰反應(yīng)。固化劑與土壤混合后，反應(yīng)生成鈣礬石針狀結(jié)晶體（3CaO ·Al2O3·3CaSO4·32H2O），將土壤中大量的自由水以結(jié)晶水的形式固定下來。這種水化反應(yīng)生成的結(jié)晶體使材料的體積增加，它有效地填充土團(tuán)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(wěn)定性和流動(dòng)性好。在水料比小于2∶1范圍內(nèi)皆可滿足析水率小于5%的要求，且有良好的流動(dòng)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(shí)間及膠凝時(shí)間可控制。通過調(diào)整漿液的水料比及特種粘土固化劑的摻量可調(diào)節(jié)特種粘土固化漿液的初始粘度及膠凝時(shí)間在幾十秒到幾小時(shí)。

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

（4）防滲效果好。特種粘土固化漿液結(jié)石體滲透系數(shù)較小，可達(dá)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(jīng)濟(jì)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(jié)約30%以上的工程成本，和純水泥灌漿相比可節(jié)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(jié)約了工程成本。

2　注漿材料及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1注漿材料

（1）粘土固化劑。質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)：灰白色，粉沫狀固體，比表面積≥500 m2/kg，細(xì)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(huán)保要求。儲(chǔ)運(yùn)條件：確保干燥，嚴(yán)格防潮，內(nèi)置防潮薄膜編織袋儲(chǔ)運(yùn)，儲(chǔ)存期不超過3個(gè)月。不得使用過期、受潮結(jié)塊的產(chǎn)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(jié)塊的產(chǎn)品。

（3）粘土?？梢圆捎蒙虡I(yè)粘土，也可以現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)不低于25%，塑性指數(shù)不小于15。

（4）水。造漿用水采用無明顯化學(xué)污染的灌溉水或飲用水。

（5）外加劑。摻入外加劑、粉煤灰、粉細(xì)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(shù)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

（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(shè)計(jì)吸漿量、灌注壓力同傳統(tǒng)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(shè)計(jì)。灌漿排數(shù)依據(jù)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(shù)不同其灌漿孔距不同，孔距范圍一般為2 m?；鶐r灌注壓力：起始?jí)毫?.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(shè)計(jì)。灌漿排數(shù)根據(jù)壩體、孔隙率、壩體土料性質(zhì)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(jù)壩體孔隙率大小按粘土固化漿液的重量配比設(shè)計(jì)。土層灌漿壓力：（0.10～0.20）MPa。

3　實(shí)施技術(shù)方案和施工方案

3.1技術(shù)方案

依據(jù)設(shè)計(jì)要求并參照DL/T 5148-2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5238-2010《土壩灌漿技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，同時(shí)結(jié)合具體工程水文地質(zhì)和粘土固化漿液的特性，特制定如下技術(shù)方案：

（1）孔位確定及分配孔序。由專業(yè)測(cè)量人員按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)孔位放樣并作明顯標(biāo)記。鉆灌依設(shè)計(jì)要求按分排、分序、分單元進(jìn)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(jù)技術(shù)人員要求可以對(duì)水料比進(jìn)行微調(diào)。

附表　漿液水料比及適用對(duì)象

（3）灌注方式確定。按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，土層基巖自下而上分段灌注。

（4）壓力控制。按設(shè)計(jì)要求，采用循環(huán)式和純壓式相結(jié)合的綜合灌漿法。

（5）鉆灌事故處理。鉆孔出現(xiàn)垮孔、孔壁不均勻等現(xiàn)象，必須進(jìn)行漿液護(hù)壁處理。灌漿時(shí)出現(xiàn)冒漿、壩體兩側(cè)漏漿等現(xiàn)象時(shí)，必須停灌，待滲漏處理初凝后續(xù)灌。3.2施工工藝

為了確保工程質(zhì)量，必須嚴(yán)格按照如下施工工藝和技術(shù)規(guī)程進(jìn)行施工。

3.2.1制漿工藝流程

（1）在灌漿現(xiàn)場(chǎng)開挖一個(gè)粘土粗漿池。

（2）用粉碎機(jī)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(gè)高速攪拌桶中高速攪拌（1～2）min，用測(cè)量設(shè)備測(cè)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(bǔ)加水，攪拌（1～2）min，粘土原漿便打造成功。

（5）根據(jù)粗漿中粘土含量，按已設(shè)計(jì)確定好的粘土固化漿液配比，計(jì)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(gè)正在攪拌的攪拌桶中，充分?jǐn)嚢瑁?～10）min，粘土固化漿液便配制完成。

（6）將粘土固化漿液過篩導(dǎo)入第二個(gè)高速攪拌桶中繼續(xù)高速攪拌待灌。

3.2.2灌漿工藝

（1）設(shè)備準(zhǔn)備及布置后掃孔復(fù)灌。同一段灌注中如出現(xiàn)無壓力，無回漿，吃漿量大的孔采取分時(shí)間隙灌注，并改用1∶1的濃漿，間隔時(shí)間首先是2h，如果仍然無壓力，無回漿，吃漿量大，延長(zhǎng)間隔時(shí)間到24h；各灌漿段灌注結(jié)束，在壓力正常且壩面未出現(xiàn)裂縫的情況下一般不等漿液初凝后就可實(shí)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(duì)孔口的密封是一個(gè)難題，因?yàn)槎鄶?shù)壩頂就是簡(jiǎn)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(shí)，防止因孔壁不規(guī)則造成漿液沿套管外壁冒出，制作壓漿板，阻止?jié){液從碎石層冒出。

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

（5）灌漿結(jié)束封孔。當(dāng)灌注達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，續(xù)灌（10～20）min左右。對(duì)于壩體而言，若壩面同時(shí)出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)裂縫，可以結(jié)束灌漿；對(duì)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(shè)計(jì)量，仍無壓力的，暫時(shí)終止灌漿，等待初凝后，分時(shí)灌注，間隔時(shí)間（2～24）h。

4　質(zhì)量控制

（1）建立工程質(zhì)量管理制度。嚴(yán)把材料關(guān)，不合格材料堅(jiān)決不允許進(jìn)場(chǎng)；嚴(yán)把技術(shù)關(guān)，嚴(yán)格按照技術(shù)方案和施工方案施工，加強(qiáng)監(jiān)督檢查，每道工序堅(jiān)持先驗(yàn)收后施工，防止偷工減料和弄虛作假等危害工程質(zhì)量的行為發(fā)生。

（2）建立完善的監(jiān)測(cè)制度。工程質(zhì)量通過壓水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)檢測(cè)。一般地，土層注水試驗(yàn)需要工程完工后7 d，壓水試驗(yàn)需要工程完工后28 d進(jìn)行。

5　總結(jié)

（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(qiáng)的附著力，形成的結(jié)石體不會(huì)產(chǎn)生新的裂隙，能有效堵住滲流通道，大幅度降低滲透系數(shù)，而且防滲性能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，是當(dāng)今我國最先進(jìn)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(shè)計(jì)參數(shù)，并提煉出了具體的技術(shù)方案和施工方案，不但可以顯著提高病險(xiǎn)水庫、堤壩的防滲性能，而且還可節(jié)約工程成本、縮短施工工期，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保。

（3）控制灌漿施工質(zhì)量是確保防滲效果的重要保障，嚴(yán)格按照施工工藝進(jìn)行施工，不斷加強(qiáng)施工管理，并結(jié)合監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段來控制灌漿質(zhì)量。

[1]張景秀.壩基防滲及灌漿技術(shù) [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(xiǎn)加固中的應(yīng)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(shù)在大壩防滲加固中的應(yīng)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(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].福建建材，2013，（1）：14-16.

[5]DL/T 5238-2010.土壩灌漿技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國電力出版社，2010.

范方亮（1981-），男，大學(xué)本科，工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)、建設(shè)與管理工作。

（2016-02-22）