粘土固化剂防渗灌浆技术应用手册

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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，危和大坝安全。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、土工膜防渗和水泥浆液帷幕灌浆技术。 套井冲抓回填受坝体高度、 水位和天气因素影响； 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

2、较长、工程投 资较大、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。 粘土固化剂和其灌浆技术， 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、

3、 水泥配制的特种粘土固化 浆液具有优于现行普通水泥浆液、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，以和结石 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10-6 10-9 cm/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

4、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

5、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 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和带来良好的经济 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

6、。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500mVkg，细度 0.08mm筛余w 8% 密

7、度 2.8g/cm 3 3.15g/cm3，含水率w 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 10 20%，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0.8:12:1，均为重量百分比（wt咧。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

8、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，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

9、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。 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

10、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、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

11、备设备。第三章 粘土固化浆液性能和设计参数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 初凝时间和胶凝时间在几十秒到几小时可控 通过调整浆液的水料比和特种粘土固化剂的掺量可调节特种粘 土固化、浆液的初始粘度和胶凝时间。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和胶凝时间，可以充分 保证浆液在注浆管内的输送与地层中的扩散

12、，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和地下水、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

13、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和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

14、,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、坝体土料性质和透水性确定,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

15、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

16、.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