1、粘土固化剂灌浆技术在病险水库堤坝除险加固中的应用邹双七（417000） 张柳春（410011）娄底市水利水电勘测设计院 长沙京网电力科技有限公司提 要 粘土固化剂是一种新的灌浆材料，粘土固化剂灌浆技术是一种施工简单方便，既能显著提高防渗性能又能大幅降低工程造价，且低碳环保的防渗灌浆新技术，可广泛应用于各种地质条件下水库堤坝的除险加固防渗处理。关键词 防渗 粘土固化剂 粘土固化浆液 灌浆 除险加固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
2、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，就是在充分分析传统灌浆材料和传统灌浆技术的基础上发明的一
3、种简便、高效、经济的防渗处理方法。它通过简单的传统钻孔灌浆技术，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。1 粘土固化剂化学机理及其粘土固化浆液主要性能1.1 粘土固化剂简介粘土固化剂又名特种结构剂，是新一代灌浆材料，为灰白色固体粉末、无味、无毒、非易燃易暴品，细度 80m 的筛余量8% 、比表面积500m 2/kg,密度 2.803.15g/cm 3， 。 “特种粘土固化浆液研制及其工程应用成套技术 ”，2004 年通过了水利部的科技成果鉴定，2005 年获得了国家发明专利，同年还获得了广西壮族自治区科技进步一等奖。1.2
4、粘土固化剂化学机理粘土固化剂溶于水后，立即生成大量的铝酸根、硅酸根、硫酸根，三者与水泥水化反应的生成物 Ca(HO)2、水化铝酸三钙反应，生成均质绒毛状水化铝酸三钙、无定型水化硅酸二钙、具有较大膨胀性的硫铝酸钙。反应消耗了浆液中大量的拌合水，有利于加速水泥的水化反应，生成具有一定强度的结晶水化物即成为结石体，充填在空隙中的胶凝体会有效地堵塞渗流通道、降低其渗透系数。铝酸根、硅酸根与粘土中的碱金属发生作用，首先生成明矾石。明矾石在Ca(HO)2、CaSO4 的激发下缓慢膨胀且生成胶凝钙矾石和具有一定强度的无定型胶凝体，从而改善水泥集料界面的微区结构、孔结构、应力状态等，由此提高结石体的密实度和抗
5、压强度及抗渗能力。粘土固化剂溶于水而产生的铝酸根、硅酸根、硫酸根，作为早期形成的水化铝酸三钙、水化硅酸二钙、水化硫铝酸钙，即后续反应晶体的生长核，可加快浆液中的各种水化反应，生成更多的具有一定强度的水化结晶体和胶凝体，使胶凝速度加快、时间缩短，使结石体强度快速增长、大幅度降低渗透系数。用粘土固化剂配制的特种粘土固化浆液与加固体的空隙具有很好的胶结作用和化学机理，因此，形成的结石体具有明显的膨胀性和耐久性。1.3 粘土固化浆液主要性能粘土固化剂是粘土固化浆液的关键材料，特种粘土固化浆液主要由 8090%的粘土、2010%的水泥以及极少用量的粘土固化剂（即水泥用量的 1520%）组成。粘土固化剂彻
6、底解决了水泥与粘土的不相容问题。表 1 列出了粘土固化浆液与同类浆液的技术性能比较。从表 1 可知，粘土固化浆液是一种非常理想的浆液。表 1 粘土固化浆液与同类浆液的技术性能比较表 技术性能 粘土固化浆液 普通水泥浆液 水泥粘土浆液析水性 无 强 微弱或弱稳定性 好 差 较好吸水性 明显 无 微弱流动性与可泵性 好 较好 好抗地下水稀释性 很强 差 较弱可重复灌注性 好 差 较好胶凝时间可控性 可控 不可控 可控性小浆液性能初始粘度可控性 可控 可控 可控膨胀性与收缩性 明显微膨胀 收缩性大 微收缩抗冻性 好 较好 未见检测资料抗震性 很好 差 较差早期强度可控性 可控且增长快 不可控且增长慢
7、 可控性差抗地下水和酸碱侵蚀性 强 差 较强标准养护 28 天抗压强度 可达 67Mpa 10Mpa 56Mpa结石体整体堵水性 10-6-10-9cm/s结石体性能灌浆防渗加固可靠性 可靠性好 可靠性差 可靠性一般胶凝化学产物 大量胶体成分和结晶水化物粘土固化浆液可适应于各种地质条件下水库堤坝的防渗除险加固处理。1.4 粘土固化剂灌浆技术经济指标基岩灌注时，和纯水泥浆液相比，至少可节约工程成本 10%以上。首先，粘土固化剂灌浆技术的灌浆材料是 80%的粘土、20%的水泥，粘土固化剂为水泥用量的 15%。按水泥 400 元/t、固化剂 7.5 元/kg、粘土 15 元/t 计算，可节约灌浆材料
8、成本 20%以上。其次，由于粘土固化浆液基本无析水性、胶凝时间可控、形成的结石体具有微膨胀性等特点，因此在进行基岩灌注时，可以有效控制浆液的扩散距离，减少浆液流失，提高灌注效率。采用粘土固化浆液进行基岩帷幕灌浆时，和传统的纯水泥灌浆相比，可节省机械台时和人工工时 15%以上。对于坝体而言，传统的防渗加固一般采用冲抓回填或高压旋喷或土工膜技术。冲抓回填受坝体高度、水位和天气限制，且防渗效果相对较差；高压旋喷虽然防渗效果相对较好，但工程造价高，而且还受场地和电力限制；土工膜技术施工工艺要求高。采用粘土固化剂进行坝体防渗加固，同冲抓回填相比，可显著提高防渗性能；尤其与高压旋喷相比，经济效益十分显著，
9、可节约 30%以上的工程成本；与土工膜施工工艺相比，前者采用传统的钻孔灌浆工艺，简单易行。2 粘土固化剂灌浆技术2.1 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%。其中水泥为普通硅酸盐水泥。2.1.1、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
10、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。灌浆压力：基岩起始压力 0.2Mpa，每下降 5m 增加 0.05Mpa。2.1.2、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 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。灌浆压力：坝体一般为 0.10.15Mpa。2.2 固化剂灌浆技术施工方法同传统的水泥浆液、水泥粘土浆液灌浆方法基本相同。2.2.1、灌浆材料粘土
11、：粘粒不小于 25%、塑性指数不小于 15 的所有自然土均可。水泥：32.5以上普通硅酸盐水泥。水：无明显化学污染的灌溉水。粘土固化剂为专利产品。2.2.2、主要施工设备粘土打浆机、两个不小于 400r/min 的高速搅拌桶、泥浆泵、钻机等。2.2.3、制浆方法粘土打碎入泥浆池送第一高速搅拌桶搅拌 12min测试粘土量及水料比按配比干拌好水泥粘土固化剂将水泥粘土固化剂一次性放入第一高速搅拌桶高速搅拌 7min放入第二高速搅拌桶继续搅拌 7min 待灌。2.2.4、灌浆方法基岩灌注时，同水泥浆液开罐采用 5:1 的水料比不同，粘土固化浆液开灌水料比为 2:1。由于粘土固化浆液具有胶凝时间可控的特
12、点，在灌注过程中对于吸浆量特别大的坝基、坝体，可以通过调节浆液水料比、间歇灌注等方式，有效控制浆液扩散半径，减少浆液流失，同时也节省了施工时间。终灌时，利用粘土固化浆液基本无析水性等特点，当灌注达到设计压力后，吸浆量小于4L/min 或 1L/min 时，续灌 20min 或 10min 左右，从而再次节省了施工时间。3 结论粘土固化剂可广泛应用于各种地质条件下土质水库堤坝坝基及坝体的防渗加固处理。从 2002 年发明以来，已在广西、江西、黑龙江、安徽、四川、重庆、湖南等多个省市进行了广泛应用，经济效益和社会效益十分显著。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
13、坝体强透水层防渗工程。为了充分发挥这种新材料新技术在我省病险水库除险加固过程中的作用，湖南省水利厅下达了湘水科教【2009】5 号文件，首先在娄底市双峰县峡山塘水库 1#副坝的坝基、坝体进行了粘土固化剂防渗加固试点工作，验证了粘土固化剂在除险加固中具有优越的防渗性能和显著的经济效益。2010 年 12 月，湖南省水利厅下发了湘水函【2010】183 号文， 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 。为了进一步验证该技术的优越性能，我们又选择了传统防渗加固技术难以实施和渗漏严重的新化县南家冲水库予以实施粘土固化剂灌浆技术。粘土固化剂灌浆施工完成后，水库漏水现象彻底根除，经过质量检测，其防渗技术指标完全达到设计要求。因此，采用粘土固化剂进行防渗加固，不但能显著提高病险水库及堤坝的防渗性能，延长了大坝的使用周期，而且低碳环保，施工简单方便。在相同防渗要求下，能大幅降低工程造价。它的广泛应用，必将为我省病险水库除险加固工作带来显著的经济效益和社会效益。参考文献：1 凌贤长 杜绍安 蔡德新， 特种粘土固化浆液研制及其工程应用成套技术 水利部（2004年水利科技成果公报）2 刘文水 王新刚 冯春喜 刘洪波， 灌浆材料与施工工艺 ，中国建材工业出版社，2008 3江西省水利科学研究院， 特种粘土固化浆液推广应用报告 ，2008
