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1、第一章前言湖南省是全国水库最多的省份，现有各类水库13326 座，其中小型水库 13029 座。这些小型水库大多数建于上世纪5070 年代，且以土石坝为主，大部分堤坝存在坝体、坝基渗漏。土石坝大坝基本存在坝基渗漏、绕坝渗漏、接触冲刷破坏、散浸、沼泽化、流土、管涌等严重问题，危及大坝安全。传统的水库堤坝防渗处理主要采用套井冲抓回填、高压喷射灌浆、 土工膜防渗及水泥浆液帷幕灌浆技术。 套井冲抓回填受坝体高度、水位及天气因素影响； 高压喷射灌浆成本高， 受施工场地和电力约束；土工膜防渗， 施工要求高。 当前同一病险水库的除险加固常常是上述多种施工方法并存，不但施工程序复杂，而且施工工期较长、工程投资
2、较大、防渗效果难以保障。因此，在病险水库除险加固任务繁重，资金偏紧的情况下， 迫切需要一种施工简便、 防渗效果好又能降低工程成本的全新的防渗方法。 粘土固化剂及其灌浆技术， 就是在充分分析了传统灌浆材料和灌浆技术的基础上发明的一种简便、高效、经济的防渗处理方法。它通过简单的钻孔灌浆技术，一次性解决坝体、坝基的防渗加固问题，不但施工简便、工期可控、低碳环保，而且防渗性能显著提高，工程造价大幅降低。粘土固化剂属于新一代灌浆材料，2004 年通过了水利部的科技成果鉴定， 2005 年获得国家发明专利，同年还获得了广西壮族自治区科技进步一等奖。 由该灌浆材料与粘土、 水泥配制的特种粘土固化浆液具有优于
3、现行普通水泥浆液、水泥粘土浆液的多项良好技术性能，如无析水性，初始粘度、稳定性好，胶凝时间等均可控，结石体早期强度上升较快且可控，在流动性、可泵性、固化性、抗地下水稀释性、吸水性、胶凝体积膨胀性、可重复灌注性、封堵性，以及结石体抗地下水和酸碱侵蚀性、 抗震性等方面皆有极明显的优势。渗透系数达到 10-610-9cm/s 量级。粘土固化浆液无毒、无臭、易清洗，对人体无害，因而，浆液工程应用无环境土壤和地表水、地下水的水质污染。粘土固化剂彻底解决了水泥与粘土不相容的技术难题。它的应用，不但提高了灌浆防渗加固的技术性能指标，而且在基本不改变施工方式的同时，还能大大降低水泥用量，即节约了资源，又保护了
4、环境，还能有效降低工程成本。该发明专用技术现已转化成了成熟的高科技产品，并形成了完整的粘土固化浆液病险水库堤坝除险加固防渗灌浆成套技术。从 2002年发明以来已广泛应用于广西、江西、山东、黑龙江、四川、安徽等多个省市的防渗加固工程， 典型应用案例包括粗砂、 卵石层江堤防渗加固工程、岩溶坝基防渗加固工程、坝基坝体强透水层防渗工程。长沙京网电力科技有限公司作为湖南省的推广应用总代理，于2010 年3月在双峰县峡山塘水库完成了湖南省水利厅下达的粘土固化剂防渗加固试点工作，并取得了圆满成功。2010 年 12 月，湖南省水利厅下发了关于进一步推扩粘土固化剂在我省病险水库除险加固过程中试用的函（湘水函
5、2010183号） 。粘土固化剂防渗加固应用技术规范是对SL62-94水工建筑物水泥灌浆施工技术规范和DL/T5238-2010土坝灌浆技术规范规定的补充，并根据湘水科教20105 号文件文件精神制定的，目的是保证施工精确到位， 满足防渗工程技术要求以及带来良好的经济效益和社会效益。由粘土固化剂配置而成的特种粘土固化粘液一般采用钻孔灌浆方式对坝体、 坝基进行充填式防渗灌浆， 其设计方法和施工方法同传统的水泥浆液和粘土水泥浆液灌浆方法基本相同。对于不适宜于采用钻孔灌注的，可以采用高压旋喷进行灌注。采用高压旋喷进行灌注，其设计方法是：粘土固化剂按水泥用量的1520% 与水泥干拌均匀后直接按高压旋喷
6、方式进行灌注。由粘土固化剂配置而成的特种粘土固化浆液可广泛应用于包括砂卵石层、碎石层、地下水侵蚀层等各种地层条件下的坝基、坝体的防渗加固工程，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。第二章注浆材料与注浆设备2.1 注浆材料2.1.1 特种粘土固化剂特种粘土固化浆液的关键成分，由多种天然矿物材料经高温活化处理与研磨、 拌合混配而成。 质量控制标准： 灰白色，粉沫状固体，比表面积500m2/kg ，细度0.08mm 筛余 8% ，密度2.8g/cm33.15g/cm3，含水率 2% ，无毒、无气味、非易燃、满足环保要求。储运条件：确保干燥条件，严
7、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。2.1.2 特种粘土固化浆液由特种粘土固化剂、水泥、粘土、水配制而成。帷幕注浆，浆液材料配比一般方案：粘土8090% ，水泥 1020% ，特种结构剂为水泥掺量 1020% （如：若水泥用量为100kg，则相应掺入 1020kg特种结构剂），水料比 0.8:1 2:1 ，均为重量百分比（ wt% ） 。若要求进一步提高浆液的可注性， 可以适当增加粘土固化剂的掺入量；若要求进一步提高浆液结石体的强度，可以适当增加水泥、 粘土固化剂的掺入量；若要求进一步提高浆液结石体的抗渗性，可以适当增加粘土固化剂的掺入量；当然
8、，水泥、粘土固化剂掺入量增加也有利于同时提高浆液结石体的强度、抗渗性。2.1.3 水泥采用 32.5或 42.5普通硅酸盐水泥， 必须妥善保存、 严格防潮且储存期不超过 3 个月，不得使用过期、受潮结块的产品。2.1.4 粘土既可以采用商业粘土， 也可以现场就地采取自然粘土、红粘土、膨润土、黄土、粉质粘土等，要求土干净、含砂量小、黏粘（即粒径小于 0.055mm）含量应超过25%和塑性指数不小于15；若就地取用自然粘土，施工之前需做详细的粘土料场工程地质勘察工作，对不同埋深的粘土取样进行颗分、 粘土矿物成分与粘粒含量分析、塑性指数检测、 现场小额浆试验等，据此论证场地粘土是否满足工程设计要求。
9、特别说明：由于粘土国固化剂的高效作用，浆液的固化封堵与加固对粘土质量要求并不很高， 若设计允许， 在现场采区典型粘土有困难情况下，甚至可以采用含有一定有机质、盐碱成分的耕土、淤泥、海土等造浆，也能够达到很好的防渗加固效果。2.1.5 水造浆用水采用无明显化学污染的灌溉水或饮用水。2.1.6 若采取向浆液中掺入其它各种外加剂、粉煤灰、粉细砂、瓜片状碎石、中粗砂等的措施， 施工之前，必须进行室内浆液配比试验与现场小额浆液配比试验， 以寻求最佳的浆液材料配比与水料比，使得浆液的粘度（初始粘度）与重度（比重）满足注浆泵的泵送要求，浆液的胶凝时间、流动性（流变参数） 、稳定性和结石体的抗渗性、抗压强度、
10、弹性模量满足工程防渗加固的设计要求。2.2 注浆设备2.2.1 粘土打浆机将粘土打碎成粗浆放入泥浆池。2.2.2 高速搅拌机采用搅拌转速应不小于400r/min 的高速搅拌机打造浆液。作用为将粗浆已与干拌好了的水泥、粘土固化剂， 与符合水料比的水一起高速搅拌。2.2.3 干拌桶（盆）用于水泥和粘土固化剂干拌。2.2.4 测量机具包括电子秤、量杯等。2.2.5 其它设备与传统灌浆设备相同包括泥浆泵、钻机等传统灌浆必备设备。第三章粘土固化浆液性能及设计参数3.1 粘土固化浆液性能3.1.1 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
11、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留下未被充填的空隙。 因此，特种粘土固化浆液将地层空隙全部充满的可能性大。3.1.2 初凝时间及胶凝时间在几十秒到几小时可控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。3.1.3 扩散半径可控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0.6m。3.1.4 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
12、胶凝体积膨胀性，在水中具有很好的抗软化性能。3.1.5 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，不但节约了大量的材料成本，而且还减少了大量的运输成本。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。3.1.6 采用特种粘土固化浆液灌浆不会造成环境土壤及地下水、地表水的任何水质污染。3.2 固化剂灌浆技术主要设计参数粘土固化浆液仅仅是取代了传统的水泥浆液和水泥粘土浆液、粘土浆液，因此， 用粘土固化剂进行防渗加固，其设计方法与传统的灌浆方法基本相同。 粘土固化浆液一般先对坝体和坝基进行钻孔，然后对坝体和坝基采用充填式灌浆。粘土固化浆
13、液配比采用重量配比： 粘土 8090% 、 水泥 1020% ，粘土固化剂为水泥用量的1520% 。3.2.1 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、双排孔或三排孔等，排数不同其灌浆孔距不同，孔距范围一般为 2m。 100m单位长度灌浆量用80%粘土、 20%水泥取代 100%的水泥，并增加水泥用量 15%的粘土固化剂。 基岩灌注压力： 起始压力 0.2MPa，由上至下，每增加5m，灌注压力增加 0.05MPa。3.2.2 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，一般采用单排孔，或双排孔，单排孔孔距一般采用1m，双排孔孔距一般采用
14、 1.2m、排距 0.6m，100m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：0.100.2MPa 。3.2.3 工程概算（详见附表14）该概算中的工长、高级工、中级工、初级工每工时单价按湖南省水利厅 2008年 16 号文件执行，分别为9.87 元、6.32元、7.22元、5.6 元。第四章实施技术方案和施工方案4.1 技术方案依据设计要求并参照SL62-94水工建筑物水泥灌浆施工技术规范和 DL/T5238-2010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：4.1.1 孔位确定由专业测量人员按设计要求进行现场孔位放
15、样并作明显标记。4.1.2 分配孔序、单元、孔号钻灌依设计要求按分排、分序、单元进行。4.1.3 浆液材料配比确定粘土 8085% ，水泥 2015% ，固化剂为水泥掺量的1520% ，粘土为就地采挖的粘土（要求做土工试验），水泥为 32.5 或 42.5 级普通硅酸盐水泥， 粘土固化剂为专利产品。 特殊情况依据技术人员要求可以对配比进行微调。4.1.4 浆液水料比确定一般采用 2:1、1.5:1、1.2:1、1:1 四档，2:1 用于基岩开灌， 1.5:1用于基岩续灌和坝身灌注，1.2:1 用于间隔灌注， 1:1 用于封孔。特殊情况依据技术人员要求可以对水料比进行微调。4.1.5 钻孔方式确
16、定按设计方案确定。4.1.6 灌注方式确定按设计要求进行，土层自上而下或自下而上分段灌注，基岩自下而上分段灌浆。4.1.7 压力控制按设计要求，并采用循环式和纯压式相结合的综合灌浆法。4.1.8 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，待渗漏处初凝后续灌。4.2 施工方案依据技术方案、现场实际情况、设计方案，特制定如下施工方案：4.2.1 工艺流程平整材料和制浆场地测量放样钻机就位钻探施工清孔安装灌浆管打制粘土原浆配制浆液灌浆停灌卸灌浆管封孔。4.2.2 施工及测量设备名称型号规格数量备注钻机2 台以工程量大小及进度为准粉碎机11kw 1 台同上泥浆泵1 台同上高速搅拌桶600L，5kw 2 台同上抽浆泵1 台同上水泵2 台同上辅助工具1 批灌浆工作管2 套同上水管、浆管1 批测量用具电子秤、压力表、流量计、量杯、秒表、浮标、m 尺4.2.3 人员配置岗位人数姓名职责项目经理1 负责施工方案的实施技术监理1 负责技术方案
