自凝灰浆防渗墙关键技术研究及应用

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摘要：自凝灰浆防渗墙技术近年在我国水利水电工程、深基坑防水工程、桥梁工程中得到了较大应用，通过对该技术的发展及应用、主要施工材料选择、配合比的确定、成墙施工、试验检测等的论述，详细研究、探讨了自凝灰浆防渗墙相关关键技术。

Abstract： Self-hardening slurry cutoff wall technology has been widely used in water resources and hydropower engineering， deep foundation pit waterproof engineering and bridge engineering in recent years in China. Through discussion of the development and application of the technology， main construction material selection， determination of mixture ratio， wall construction， test， etc， this paper studies the self-hardening slurry cutoff wall technology in detail.

关键词：自凝灰浆；发展及特点；关键技术；检测

Key words： self-hardening slurry；development and characteristics；key technology；detection

中图分类号：TV543 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）12-0163-03

0 引言

自凝灰浆防渗墙应用的工程领域较为广泛，但在不同的地质情况及设计指标下，其实际施工采用的配合比差异性很大，尤其对于最终施工配合比的确定，需要根据多次试配后的试验结果才能确定。墙体的成墙施工方法较为常规，但自凝灰浆原浆配合比所决定的初凝时间对成墙效率、质量又会产生较大影响。施工过程中的原浆质量的检测、控制在相关规范中均有明确要求，而其关键的物理性能指标抗压强度、允许渗透比降、渗透率、弹性模量等的试验、检测方式都较为特殊。作者结合自身实际施工经验，希望通过对自凝灰浆防渗墙的发展、原材料组成及特性、不同工程对施工配合比的确定、施工核心技术的应用、关键指标的试验检测方法的详细研究及总结，能为后续该工法的应用提供详尽配合比选择原则、施工重难点把控、具体物理性能试验检测方法，对该工法的应用能起到较大的推广及指导作用。

1 自凝灰浆防渗墙技术的发展及特点

1.1 自凝灰浆防渗墙技术的发展及应用

自凝灰浆防渗墙技术起源于上世纪六十年代，最早是由法国软土防渗公司开发应用，由于其具有施工工艺简单、成墙时间短，透水层中固结效果好，整体防渗性能好等特点，被应用于基坑止水防渗、病险水库处理、地基防渗等工程领域。阿根廷亚西雷塔坝、西班牙阿尔翁坝、澳大利亚巴克围堰、新加坡上派公司土堤、日本常神地下水库、德国布洛姆巴赫特堤、土耳其塔塔里坝等工程均采用该技术，其中最著名的自凝灰浆防渗墙是阿根廷亚西雷塔土坝防渗墙，其轴线长度47.7km，截水面积90万m2，是单项工程防渗墙工程量世界之最。

上世纪九十年代，我国在大亚湾核电站基坑工程中采用自凝灰浆防渗墙成墙面积达16000m2，该工程由法国地基公司施工，取得了成功。本世纪初，我国在三峡三期围堰采用该技术成墙面积约20000m2。随着该技术在国内应用的发展与成熟，大跨度悬索桥施工中也应用自凝灰浆防渗墙结合地连墙基础，作为超大深基坑基础维护结构。2007年建成通车的武汉阳逻长江大桥，其南锚碇工程自凝灰浆防渗墙设计轴线292.2m，最大深度达52m，厚度0.8m，成墙面积15176m2。2014年建成通车的武汉鹦鹉洲长江大桥，其南锚碇工程自凝灰浆防渗墙设计轴线276.32m，最大深度达25m，厚度0.8m，成墙面积6900m2。

1.2 自凝灰浆防渗墙技术特点

自凝灰浆是由水泥、膨润土、缓凝剂、分散剂与水配制而成的浆液，在用抓斗、反铲开挖槽孔过程中，将这种浆液注入槽孔中，起固壁作用。在挖槽的过程中，地层中的土砂不断混入浆液中，灰浆可自行凝结成阻水的柔性防渗墙体。其主要物理性能指标为抗压强度R28、弹性模量E28、渗透系数k、允许渗透坡降J。

自凝灰浆的配比各个工程相差甚远，如水泥用量最低可为100kg/m3（大亚湾核电站），也有高达330kg/m3（阿尔翁坝）。第十四届国际大坝会议推荐的配比为：水：水泥：膨润土=1000kg：80～350kg：30～50kg[1]，另有外加剂若干，给出的是一个非常宽泛的指标。

自凝凝灰浆凝结体的物理力学指标由于配比的不同，各工程相距甚远，如抗压强度R28=0.1～1MPa，弹性模量E28=40～300MPa，渗透系数k

2 施工关键技术

2.1 原材料选择

自凝灰浆是由水泥、膨润土、缓凝剂、分散剂与水五种主要材料组成，主要材料为水、水泥、膨润土，但外加剂的添加对施工性能及成墙后墙体性能均有一定的影响。

2.1.1 水泥

据国外资料，拌制自凝灰浆矿渣水泥优于硅酸盐水泥，一是浆液初凝时间较长，二是灰浆凝结体的后期强度较高。一般选用矿渣硅酸盐水泥P.S.B 32.5用于工程施工。

2.1.2 膨润土

产品符合石油天然气钻井液用膨润土二级膨润土标准（标准编号SY/T 5060-93）。

2.1.3 分散剂

纯碱。产品符合GB 1886-92标准。

2.1.4 缓凝剂

食糖。产品符合GB 317-1998一级白砂糖标准。

自凝灰浆是一种特殊的材料，其初凝时间不能用水泥砂浆或混凝土的检测方法来测试，国外一般采用测试浆液的粘度来确定，即马氏漏斗粘度为50～60秒即视浆液进入了初凝状态。根据防渗墙地层的特点和成槽施工效率来确定，一般情况下，灰浆原浆的初凝时间应大于24h，但不宜大于36h，这样才能保证在施工过程掺入土砂的灰浆不致过早凝固，也能防止浆液较长时间不凝固或早期强度太低。施工所用浆液缓凝剂的加量基本按初凝时间不小于24h来进行控制。

2.2 配合比确定

自凝灰浆配合比根据不同设计物理性能、地质情况、施工方法，采用不同的配合比，当物理性能要求相同而地质情况、施工方法不同时，其配合比也不尽相同。一般情况下，水泥用量越大，抗压强度和弹性模量越大，而渗透系数则越小。不同的地质条件中，混入浆体中原状砂土含量、性能不同，也会造成墙体强度、弹性模量的不同。缓凝剂的用量对浆体材料的初凝时间、早期强度影响较大，其用量通常根据初凝时间确定，而初凝时间主要受控于成槽时间，即成槽时间越长则需要的初凝时间越长。

由于不同工程的不同物理性能要求、地质情况、施工方法等因素，自凝灰浆配合比一般通过多次试配及试验段施工来确定。国内最近采用自凝灰浆防渗墙技术工程的施工配合比如下：

①三峡三期围堰工程。

物理性能要求：R28>0.5MPa；E28=120～240MPa；k40。

②武汉阳逻长江大桥南锚碇工程[2]。

物理性能要求：R28>0.2～0.3MPa；E28

③武汉鹦鹉洲长江大桥南锚碇工程

物理性能要求：R28>0.2～0.3MPa；E28>50MPa；k

2.3 浆体制备

根据施工总体布置，施工区建造澎润土泥浆集中制浆站，制成的膨润土泥浆通过泥浆管路输送至自凝灰浆制浆站，再由自凝灰浆站把制好的原浆输送到槽孔口。自凝灰浆制浆站包括：膨润土及水泥存台、膨化池、搅拌机、储浆池。

自凝灰浆的制备通常采用“两步法”制取，“两步法”的优点是灰浆泌水率低。以鹦鹉洲长江大桥为例：

第一步：先用水、膨润土、分散剂制取膨润土泥浆，用高速搅拌机搅拌，制成后放入膨化池膨化24小时后待用。新制膨润土泥浆配合比为：

第二步：膨润土泥浆用管道输至自凝灰浆制浆站的高速搅拌机中，加入缓凝剂和水泥，搅拌2min，即可使用。新制自凝灰浆原浆配合比为：

2.4 成槽施工

2.4.1 成槽工法

自凝灰浆防渗墙成槽过程即为在用成槽设备开挖槽孔过程中，不断置换注入这种浆液充填新开挖的槽孔，并起固壁作用，在槽孔开挖完成后，混有地层中土砂颗粒的灰浆自行凝结成止水防渗的墙体的过程。

成槽设备一般采用旋挖钻、液压抓斗、冲击锤等设备。覆盖层、强风化岩层中成槽一般采用直接抓取法，具有一定强度岩层中成槽首先采用液压抓斗或旋挖钻抓取覆盖层，然后采用冲击锤冲砸岩石后，用抓斗捞取岩渣和岩块。成槽过程中不断补充自凝灰浆原浆，槽段开挖完成即成墙施工完成。

目前国内成槽施工最多采用液压抓斗分槽段法或连续法施工。

分槽段施工根据墙体总长度，划分为Ⅰ期槽和Ⅱ期槽，其中Ⅰ期槽长度等于抓斗开口宽度2.8m，Ⅱ期槽长度与一期槽搭接40cm（单侧20cm）。施工顺序：先开挖相邻一期槽，待一期槽内自凝灰浆达到3～5天龄期后开挖其间二期槽，施工沿一个方向连续进行，开挖顺序为：①③⑤②⑦④（如图1）[3]。

连续法施工俗称“赶羊法”，开挖从一个方向向另一个方向不间断开挖，开挖过程中向槽孔内补充浆体，搭接长度同分槽段法。该方法的优点是即可以减少自凝灰浆损耗，功效也能得到一定提高，缺点为成槽过程中要尽量保持不间断施工，浆体储备量要求大、出渣量大，对设备性能要求高，施工组织难度较大。

2.4.2 成槽过程中需注意事项

槽段开挖时间必须小于浆体材料的初凝时间，单个槽段成槽过程需连续。长时间中断成槽施工可造成浆液初凝，必须中断此槽段施工，待其终凝后用抓斗二次成槽。

根据相关的技术要求，结合以往的施工经验，成槽时的槽段内浆液面应高出地下水位1.5m左右才能有效控制地下水头。如局部高差不足时，可采取增大浆液比重的措施，或者采取降水的措施。

由于水下置换地层比较疏松，加之无固结时间，成槽过程中易发生渗漏现象，为防止严重漏浆或塌孔，抓斗施工时采用了先压后抓的方法施工，并采取抓斗慢下慢上，减少压力波动的技术措施。

成槽后，要及时检查槽位、槽深、槽宽及槽壁垂直度等是否符合要求。

2.5 墙体养护

自凝灰浆是一种强度较低，受力后能够产生较大变形而不出现裂缝的塑性材料，这种墙体具有较好的防渗性能，但自凝灰浆固结体的强度与固结体中所含的水分密切相关，在凝结过程中失去水分其强度将明显降低。为保证自凝灰浆防渗墙体的强度和防渗性能，在自凝灰浆终凝后，墙体顶部采用土体进行覆盖，覆盖厚度一般为2.0m。

3 自凝灰浆防渗墙的检测

3.1 自凝灰浆帷幕施工质量的检测

3.1.1 自凝灰浆原浆质量

在槽孔口取样，每槽二组，测定其密度及马氏粘度。其标准为：密度≥1.17g/cm3，马氏粘度≤40s。

3.1.2 取样检测

成槽结束后，用取样器从槽孔内上、中、下三部位各取灰浆，然后将所取灰浆混合后装模成型并进行养护。试件成型数量：依据《水利水电工程混凝土防渗墙施工规范》（DL/T 5199-2004）要求，抗压强度：每槽段一组；渗透系数、允许渗透比降：每三个槽段一组；弹性模量：每十个槽段一组。所取试样按龄期28d进行试验。

3.1.3 物理性能试验方法

①抗压强度试验。

因抗压强度指标R28，一般采用微型压力机，如无微型压力机则采用路面材料强度仪进行抗压试验。成型试件为70.7×70.7×70.7mm，测力环为7.5kN。根据测力环标定数据及量程计算出线性回归方程式，将极限破坏荷载所对应的测力环读数代入算出极限破坏荷载值，计算出抗压强度值。

②渗透系数、允许渗透比降试验。

试验方法按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）中T 0130-2007 变水头渗透试验。试件制备在自凝灰浆浆液处于初、终凝之间接近终凝，环刀内壁涂一层凡士林，刀口向下放在自凝灰浆面上，然后将环刀垂直下压，至灰浆伸出环刀上部为止，取出环刀，将环刀上下口面抹平，进行标养至28d，按照变水头渗透试验方法进行试验。变水头渗透试验装置的水头最高高度不得低于100cm，允许渗透比降值为水头高度除以环刀试件高度（4cm）。

③弹性模量试验。

试验方法按照《公路土工试验规程》 （JTG E40-2007）中T 0136-1993 强度仪法试验。

3.2 自凝灰浆墙体质量检测

在墙体龄期达到28d时，沿轴线长度布置1个检查孔，进行分段综合注水试验。

检测孔钻孔孔径75～91mm，钻孔采用干钻法施工，施工时应注意控制钻孔垂直度，以利检查孔达到预定的深度。当钻孔深度超过30m以后，如钻孔偏出墙体外，检查结束。钻孔注水试验分段进行，每段长度为10m，注水水龙头采用孔口静水压力，每分钟测度一次注水流量，连续4分钟结束，以最终值计算透水率值。

4 结束语

自凝灰浆防渗墙技术在我国的应用并不十分广泛，但其简单的施工方法、可靠的整体性及防渗性能、良好的工程造价，使其具备推广应用的条件。2011年，由作者负责的武汉鹦鹉洲长江大桥南锚碇工程采用了自凝灰浆防渗墙技术，作为锚碇基础的防水结构。项目联合长江水利委员会、华中科技大学、葛洲坝基础公司等单位，通过对该技术的深入研究，在9组配合比对比试配、检测后，选定最终施工配合比。同时在成墙过程中，以36h作为原浆初凝控制时间，采用连续挖槽工艺，仅仅使用40d完成了6900m2的成墙施工。防渗墙物理性能检测结合材料本身物理性能，突破性的依靠常规土工试验为基础，顺利完成各项试验检测工作，为项目减少试验、检测费用达100万。本文作者结合自身施工经验，详细研究分析了相关关键技术，为今后该技术的发展积累一定经验。

参考文献：

[1]李雪梅，涂兴怀.材料与配合比对自凝灰浆性能的影响[J].科协论坛（下半月），2013（1）：26-27.

[2]阮文军，黄晓平.特大深基坑自凝灰浆挡水帷幕技术[J].长春工程学院学报（自然科学版），2004（02）：5-8.

[3]邓百印，卜云峰.武汉阳逻长江大桥南锚碇工程挡水帷幕自凝灰浆防渗墙施工[J].资源环境与工程，2007（01）：26-29.