粘土固化剂防渗灌浆技术应用手册

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、工程投资较大、防渗效果难以

2、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现行普通水泥浆液、水泥粘土浆液的多项

3、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，又保护了环境，还能有效降低工程成本。该发明专用技术

4、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2010183号）。粘土固化剂防渗加固应用技术规范是对sl

5、62-94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

6、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.

7、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0.8:12:1，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，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

8、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。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

9、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、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40

10、0r/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

11、 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

12、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

13、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

14、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），

15、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

16、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11kw1台同上泥浆泵1台同上高速搅拌桶600l，5kw2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

17、实施技术监理1负责技术方案的实施现场技术2负责工人的操作技术指导班长3本班的管理工人15操作厨师14.2.4 工程质量管理制度4.2.5 安全文明生产制度4.2.5.1 文明施工制度1、现场应设置醒目的安全警示标志。2、现场材料归类插牌堆放。3、施工区与办公生活区分隔。4、办公生活区保持清洁卫生。5、施工尽量做到不扰民。6、食堂应符合卫生要求。4.2.5.2 安全生产制度1、非施工人员不得擅自进入施工现场。2、必须带安全帽进入现场。3、做好机电设备的安全防护装置。4、须由专业人员操作机电设备。5、设置安全防护、安全警示标志，并不得擅自拆除和移位。6、严禁酒后上班。7、严禁现场打闹、玩笑。8、严

18、禁上、下班聚赌。第五章 施工工艺及技术规程为了确保工程质量，必须严格按照如下施工工艺和技术规程进行施工。5.1 制浆采用天然粘土造浆的制浆工艺流程：机械粉碎粘土，制成粘土粗浆入池并沉淀2小时以上将粘土粗浆泵送到第一高速搅浆桶搅拌12min测定粘土粗浆的密度和含水量，并按最终制成浆液的设计水料比向粘土粗浆中补加水，高速搅拌粘土粗浆12min根据设计材料配比向粘土原浆中一次性足量加入水泥和固化剂的均匀混合体，并高速搅拌710min，粘土固化浆液即制成将粘土固化浆液过筛导入另一个高速搅拌桶中继续搅拌710min待灌1）在灌浆实施现场开挖一个2m3粘土粗浆池。2）用粉碎机（11kw）将粘土和适量的水打

19、造粘土粗浆入池。3）粗浆在池中析出多余水以满足水料比不大于0.8:1的粗浆。4）将粘土粗浆泵送到第一个高速搅拌桶中高速搅拌12min，用量杯取一杯已搅拌均匀的粘土粗浆，测定粘土粗浆的含水量和含土量，然后按照灌浆段以及灌浆要求制定的水料比并向粘土粗浆中补加水，搅拌12min，粘土原浆便打造成功。5）将已干拌均匀的水泥和固化剂加入正在搅拌的原浆中，充分搅拌710min，粘土固化浆液就配制完成。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710min，待灌。5.2 钻孔工艺依据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。5.3 灌浆工艺5

20、.3.1 设备准备及布置5.3.2 灌注工艺规程为了确保灌注质量，根据设计要求，在灌浆中必须严格执行如下技术措施和操作规程：对于基岩，岩心完整的可以分段灌注，但接触段必须将栓塞栓在接触带以上的套管里。对于基岩，岩心不完整的通孔一次灌注，将栓塞栓在接触带以上的套管里。对于土体，采取自上而下分段灌浆，第一段带兼有压浆的作用，套管5001000mm深，将栓塞栓在套管内进行灌浆。土体下段的钻孔必须在前段灌注后2h以后进行。灌浆时加灌浆尾管，以将浆液送至灌浆段尾50cm处。灌浆压力通常依设计，在特殊情况下在未达到压力下停灌确定是否间隙灌注或终止灌注。采用循环式和纯压式相结合的综合灌浆方式，确保浆液能达到

21、细小缝隙和有效扩散距离。孔口由专人查看压力表和回浆阀，确保回浆压力达到设计值。孔口开挖至土层以下30cm处，并用封口袋扎紧筑实，然后用粘土夯紧，制成孔口压浆板。对于孔壁不规则的孔，先初灌一次，达到泥壁护壁，待24h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1.2:1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。各灌注段灌注结束，在压力正常且坝面未裂缝的情况下一般不等浆液初凝后就实施下一段的灌注。对坝面裂缝的孔严格在24h后再实施下一段灌注。灌浆压力（回浆压力表值）设计无要求的：1）土体灌浆压力控制为0.10.2mpa

22、。2）基岩的灌浆压力0.20.5mpa。灌浆工作管示意图。5.3.3 封口方法对孔口的密封一直是一个难题，因为多数坝顶就是简易公路，铺有10cm厚的碎石层，浆液极易从土层渗出到碎石层，为此，采取了如下两种方法：第一，开挖至粘土层30cm以上深处，用纤维袋包裹套管砸紧，并用粘土夯实的，防止因孔壁不规则造成浆液沿套管外壁冒出；第二，通过1序孔灌注土层至坝面裂缝，制作压浆板，阻止浆液从碎石层冒出。5.3.4 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：1）在灌注基岩时，首次采用2:1的浆液，然后改为1.5:1续灌，根据吸浆情况改为1.2:1灌完。2）土体统一

23、采用2:1或1.5:1的浆液。5.3.5 灌浆结束封孔灌浆结束条件：1）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。对于坝体而言，若坝面同时出现细长裂缝，可以结束灌浆。2）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2h24h。封孔方法：1）采用浓浆（水料比小于1:1）。2）采用“全孔灌浆封孔法”。5.3.6 灌浆班报1）由现场监理签字确认，对异常孔要申报以确定方案。2）灌注量超设计值的，要由业主、监理签字确认。3）采用标准班报表

24、记录。第六章 质量保证措施6.1 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。强化“质量为本”意识，让人人重视质量，使人人成为质量监督员，对施工质量实行“一票否决”制度。6.2 建立了三级质量监管体制班长现场技术技术监理班长是第一质量保证责任人，确保本班的钻孔质量、灌注质量。现场技术负责随时处理出现的技术问题。技术监理负责监督技术措施的落实。6.3 主动请求工程监理单位全程监督检查6.4 项目经理、技术监理24h不间断跟踪指导，及时处理施工工程中出现

25、的问题。6.5 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天，压水试验需要工程完工后15天进行。附表1：帷幕灌浆钻干孔（土层）编码：70055 套管固壁 定额单位：100m编号名称及规格单位数量单价（元）合价（元）一直接工程费9562.431直接费8732.811.1人工费4290.23工长工时359.87345.45高级工工时359.32326.20中级工工时497.22353.78初级工工时5835.63264.801.2材料费1287.07合金钻头个2.550.00125.00合金片kg0.4250.00100.00岩心管、沉淀管、灌浆管m880.00640

26、.00钻杆m280.00160.00钻杆接头个1.960.00114.00水m300.500.00粘土m307.000.00其他或零星材料费元1139.0013.00%148.071.3机械使用费3155.51干钻机台时7540.073005.25灌浆泵中低压泥浆台时0.00泥浆搅拌机台时0.00其它机械费元3005.25150.261.4嵌套项2其他直接费元8732.81218.323现场施工管理费8732.81611.30二间接费9562.43669.37三企业利润元10231.80716.23四税金元10948.03352.53合计100m单价元11300.55注：该概算中的工长、高级工

27、、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、9.32元、7.22元、5.6元。附表2：帷幕灌浆钻孔（基岩）编码：70002 岩石级别：- 定额单位：100m编号名称及规格单位数量单价（元）合价（元）一直接工程费12005.361直接费10963.801.1人工费2484.28工长工时189.87177.66高级工工时379.32344.84中级工工时1297.22931.38初级工工时1845.61030.401.2材料费4061.80金刚石钻头个3450.001350.00扩孔器个2.1600.001260.00岩心管、沉淀管、灌浆管m380.0024

28、0.00钻杆m2.680.00208.00钻杆接头个2.960.00174.00水m36000.50300.00其他或零星材料费元3532.0015.00%529.801.3机械使用费4417.72地质钻机150型台时10540.074207.35灌浆泵中低压泥浆台时00.000.00泥浆搅拌机台时00.000.00其它机械费元4207.355.00%210.371.4嵌套项2其他直接费元10963.802.50%274.093现场施工管理费10963.807.00%767.47二间接费12005.367.00%840.38三企业利润元12845.737.00%899.20四税金元13744.

29、933.22%422.59合计100m单价元14187.52注：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、9.32元、7.22元、5.6元。附表3：坝体灌浆编码：参照70060和试点工程数据 定额单位：100m编号名称及规格单位数量单价（元）合价（元）一直接工程费14629.081直接费13359.891.1人工费6199.91工长工时439.87424.41高级工工时699.32643.08中级工工时2617.221884.42初级工工时5805.63248.001.2材料费4234.8142.5水泥t1.94400.00776.00粘土t7.6818.00138.24固化剂（水泥用量的15%）kg385.127.502888.40水m3250.5012.50其他或零星材料费元3815.1411.00%419.671.3机械使用费2925.17灌浆泵中低压泥浆台时3234.551105.60泥浆搅拌机台时3115.94494.14粘土粉碎机40型台时3020.00600.00地质钻机15