泥浆固壁技术在双塔水库防渗墙施工中的应用

杨富元,李 伟,高大起

(1.甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃 玉门 735211；2.中国水电基础局有限公司，天津 武清 301700)

双塔水库位于甘肃省瓜州县城东49km处，始建于1958年，1960年2月建成蓄水，是一座以灌溉为主兼顾防洪、水产养殖、旅游开发、生态输水等综合效益的大(2)型水库，是河西走廊西端生态屏障建设重要的水源地。建库初期，由于当时的经济技术条件制约，双塔水库建成后存在一些工程质量缺陷。2015年12月，甘肃省疏勒河流域水资源管理局决定对双塔水库进行第4次除险加固，工程最主要的建设内容为对主坝、副坝进行防渗墙施工，建立水库完备的防渗体系。在该工程防渗墙建设过程中，广泛应用了泥浆固壁施工方法，保证了工程质量和进度。本文从泥浆制备到工程应用及废浆处理角度，总结工程实践经验，希望对以后的同类工程建设有较好的借鉴作用。

1 泥浆在防渗墙施工中的作用

1.1 泥浆的定义

泥浆是把黏土或膨润土按一定比例加水，并掺入要求比例的外加剂搅拌后形成的具有良好流变性能、物理性能及稳定性能的悬浮液。由于具有密度大于水及防渗作用的特性，施工中可利用该液体侧向压力作为临时性固定土壁、防止坍塌的特殊液体工具，广泛应用于开挖或开槽后需要在泥浆中作业的工序。

1.2 固壁泥浆应具备的性质

(1)物理稳定性要求。泥浆在制备好后，静置一段时间，期间泥浆的粘土颗粒不会发生分层析水和沉淀，这是对固壁泥浆的最基本要求。

(2)化学稳定性要求。在泥浆的使用过程中，泥浆中的阴、阳离子会使泥浆性质发生变化，从悬浮状态变化为凝集状态，泥浆也会变为絮状而丧失原本的固壁作用。在实际应用中，泥浆防止化学变化能力越强，其化学稳定性越高，可以重复利用的次数也越多，施工成本也越低。

(3)适宜的密度。泥浆由于含有悬浮于液体中的不沉降颗粒，造成泥浆的密度要大于水的密度，正是基于这个原因固壁泥浆在工程中得到广泛应用。虽然密度大有利于壁体稳定，但泥浆密度过大不仅不利于泥浆的输送，而且不利于泥浆中混凝土浇筑，因此，泥浆的密度应根据现场实际情况、地质条件及施工阶段确定，不可过小，也不宜过大。根据以往经验，易塌地层及松散孔壁宜用密度大一点的泥浆；反之宜使用密度较小的泥浆。

(4)合适的粘度。粘度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。粘度随泥浆密度变大而变大，粘度对液体的作用与密度相似，也能起到固壁的辅助作用。泥浆的粘度大，其固壁、堵漏、携带钻渣的能力也就越强；但泥浆粘度过大则要求泥浆泵的输送能力相应提高，同时泥浆粘度过大，造成混凝土浇筑中的置换难度加大不利于混凝土浇筑。

1.3 防渗墙施工中泥浆的作用

现阶段防渗墙施工以泥浆护壁挖槽法为主要的施工方法，而泥浆良好的性能控制及正确的使用则是防渗墙施工成败的关键。泥浆在防渗墙施工中的作用主要体现在以下方面：

(1)防止孔壁坍塌。根据水力学知识，液体侧压力随深度加深而变大，利用这一原理，开槽过程中，在孔内注浆后，泥浆的浆液压力可抵抗槽壁侧面的土压力和水压力，还可阻止地下水渗入槽内；同时，泥浆在孔壁表面形成的泥皮又可防止液体向内渗入，这种双重作用可大大减少孔壁的坍塌。

(2)防止渗漏。在防渗墙施工中，槽孔内泥浆在压力作用下注入地层可堵塞渗漏通道，防止泥浆漏失，保证施工的顺利进行；经过混凝土置换后附着在孔壁的泥浆，在受压脱水后有很好的抗渗性能，提高了墙体的整体防渗效果。

(3)悬浮及携带钻碴。泥浆在防渗墙成槽施工中，若采用抽砂筒出碴的冲击钻进工艺，泥浆有悬浮钻碴的作用；若采用循环出碴的钻进方式，泥浆有携带钻碴和清洗孔底的作用。

(4)冷却钻具，防止钻头过早磨损。防渗墙施工过程中，泥浆还可起到冷却与润滑功能，降低成槽机械因施工而产生的温升和摩耗，提高设备寿命。

2 防渗墙施工现场泥浆制备及应用

双塔水库除险加固工程防渗墙施工所用的泥浆为膨润土泥浆，经现场制作膨化后直接输送至施工槽段内。

2.1 泥浆材料的选用

膨润土作为一种矿物原料，具有高度的吸水膨胀性，膨胀后的土颗粒在水中具有良好的分散性，能形成稳定悬浮液。制浆用水是泥浆的分散相，其中的杂质和pH值对泥浆的性能有较大影响，若水中含有大量盐类物质事先应先进行化验，本工程制浆用水采用的是双塔水库库区的水，各项指标均符合规范要求。

为使泥浆满足不同性质的土壤及施工条件下的固壁要求，拌制过程中往往会掺加外加剂来改善泥浆性能，常用的外加剂有以下几种选择。

(1)分散剂。泥浆中加入的分散剂一般为纯碱或烧碱，起到提高粘土颗粒吸附水分子的能力，保持泥浆稳定性的作用，本工程使用的分散剂为纯碱。

(2)增粘剂。泥浆中加入的常用增粘剂主要有Na-CMC、共聚型聚丙烯酸盐(PAC141)、生物聚合物(XC)等，起到增加泥浆的粘度作用，提高对钻碴的悬浮能力和固壁效果，本工程使用的增粘剂为Na-CMC。

(3)加重剂。泥浆中常用的加重剂为一般重晶石粉，由于膨润土泥浆的比重较小，掺入加重剂，可以增加泥浆的比重，还能增大泥浆的粘度及凝胶强度。

(4)防漏材料。泥浆制备中有时也会加入适量的防漏材料，如锯末、稻草末、有机纤维素聚合物等，起到进入渗漏通道，达到减少渗漏量的效果。

2.2 泥浆制作应注意的问题

由于双塔水库地质条件较为复杂，且建库初期施工工艺水平不高，本次坝体防渗墙施工成槽过程中出现孔壁坍塌等问题的可能性非常大，为此，施工前做了专题研究，决定从泥浆检验及工序衔接等方面加强控制，提高泥浆的固壁效果。

(1)施工中要根据使用状态及时进行泥浆指标的检验。如检验新拌制的泥浆能否满足成槽要求；检验泥浆池的泥浆能否满足槽壁稳定要求；检验沟槽内的泥浆质量，是否会形成泥皮薄弱且抗渗性能差等问题；检验循环使用的泥浆质量恶化程度等等，保证泥浆始终处于优良的工作状态。

(2)成本控制。本工程泥浆制作需要的原材料主要有膨润土、增粘剂CMC及分散剂纯碱。膨润土较便宜最廉价，而其余两种较昂贵。在保证质量的情况前提下降低成本，合格的泥浆控制指标较多，如粘度、ph值、含沙量、比重等，需要经过多次试配，找到能满足施工需要且材料耗用最经济的拌制比例。

(3)泥浆制作与工程整体的衔接。这点在防渗墙施工中是相当重要。根据泥浆制作工艺要求，新配备的泥浆需要静置一天充分发酵后才可投入使用，而旧泥浆也需要在成槽之前进行回收和利用。当工期紧张，泥浆用量大时，浆液站与施工现场的沟通及计划格外重要，在泥浆回笼完成的时候马上开始拌制新浆或进行泥浆处理以保证工程使用。

(4)泥浆制备数量的确定。根据中国水电基础局多年的施工经验，一般情况下在施工中拌制理论方量的1.4～1.5倍比较合适，能满足施工需要且浪费较少。

2.3 搅拌设备

本工程采用的是常用的机械泥浆搅拌器，为NJ11/7.5型钻井浆液搅拌器。

2.4 泥浆制作配合比

本工程泥浆搅拌采用优质钠基膨润土，根据地层情况和现场施工条件，经过试验进行配合比确定。见表1。

表1 膨润土新制泥浆配合比(配制1m3泥浆)

2.5 泥浆存储

新制泥浆存储在砌筑的泥浆池内，泥浆池分为膨化池、储浆池和回浆池三个，泥浆池大小根据施工强度来确定。新制泥浆经过24h膨化后方可使用。

2.6 泥浆运输

经膨化后的泥浆可通过现场铺设的泥浆管路直接输送到施工槽段。浇筑或经过处理的泥浆可通过回浆管路输送回回浆池，重复利用。

2.7 泥浆的指标

泥浆的控制指标一般有静切力、触变性、失水量、稳定性、泥浆的黏度、相对密度、含砂量、泥皮厚度和pH值。按照SL 174- 2014《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》，双塔水库除险加固工程塑性混凝土防渗墙的泥浆质量控制指标为泥浆密度控制在1.10～1.20g/cm3，黏度18～25s，含砂量<5%。造孔全过程中孔内泥浆面始终保持在距导向墙顶面30～50cm范围内，以防出现塌孔等质量问题。

2.8 施工各阶段泥浆性能测定。

施工期间，为提高泥浆的质量及固壁效果，应在成槽后，测定槽底以上0.2～1.0m处泥浆的相对密度、含砂率和黏度；施工过程中，应经常测定和调节泥浆性能，使其适应不同地层的钻进要求。对于覆盖层(即人工填土部分)泥浆黏度要适当大些，失水量和泥皮厚度要小一些；对于黏土层，泥浆黏度可小一些，浓度也可稀一些。当黏度过高时，可用分散剂加水稀释，但应禁止直接向槽内加清水，而应将水加进池内，经充分搅拌后再用；对于砂层，泥浆黏度应大些，深度也可大些，失水量和泥皮厚度要小一些，在地下水特别丰富的地层中要采用高黏度高浓度泥浆；对于渗透性极高的地层，泥浆可能漏失，可用高黏度泥浆，或在泥浆中添加堵漏材料，如锯末和其他纤维物质，也可以直接往槽内投黏土球。清槽后，槽底以上0.2～1.0m处的泥浆相对密度应小于1.2，含砂量不大于8%，黏度不大于28s。

3 泥浆循环使用处理

3.1 泥浆循环使用的客观因素

(1)成本因素。双塔水库除险加固工程防渗墙施工中泥浆的使用量较大，如果将各项控制指标仍符合施工要求的泥浆当做废浆处理是一种很大的浪费，我们在施工中将泥浆循环使用，节约施工成本，且并不影响施工质量；

(2)环保要求。由于文明施工的要求，加之双塔水库处于国家级自然环境保护区内，环保要求较高，开展泥浆净化处理，提高泥浆循环利用率是环境保护的硬性要求。

3.2 处理方法

处理指标不合格的泥浆主要采用泥浆净化机(振动筛)分离技术和根据实验加入一定比例的材料(土料、外加剂)再搅拌两者相结合的方法进行，本项目采用ZX- 200型泥浆净化装置，最大泥浆处理量达到200m3/h(250m3/h)；净化除砂效率可达90%以上(-0.074mm粒级)。

处理方法是将泥浆由砂石泵或气举抽吸出来通过总进浆管输送到泥浆净化装置，经过泥浆净化机的粗筛、细筛两道筛网筛分，泥浆中含有的大量砂和其他杂质被分离出来，泥浆得到净化。经泥浆净化机处理后的泥浆，各项指标均达到可循环利用泥浆指标要求的，可直接使用；指标不满足要求的泥浆，需经过重新加入膨润土或外加剂拌制，经膨化达到可循环利用泥浆标准后再使用。配合比经试验后确定。泥浆净化处理流程如图1所示。

图1 泥浆净化处理流程图

4 废弃泥浆处理

4.1 废弃泥浆产生及主要来源

在防渗墙施工过程中废泥浆的来源主要有以下几种。

(1)循环使用的泥浆性能不断恶化，无净化处理价值时，需要废弃。

(2)浇筑混凝土时离混凝土面2～3m受水泥污染严重的泥浆。

(3)沉淀池下部污泥。

(4)工程结束后的多余泥浆。

4.2 废弃泥浆处理方法

常用的处理方法有：传统沉淀法、化学固化处理法、土地耕作处理法等。

(1)传统沉淀法。传统沉淀法是将废弃泥浆集中在沉淀池内自然沉淀，沉淀后清水直接排放，沉淀物晾晒干燥后运至弃渣场，传统沉淀法成本低，但耗费时间较长。

(2)化学固化处理法。将废弃泥浆中加入一定的物质，使其成为稳定的固体，然后填埋或者做其它用处。这种方法能很大程度上处理废弃泥浆中的一些污染物，能有效防止对环境的污染，用单纯的化学处理，成本很高。

(3)土地耕作处理法。将泥浆运送到土地进行耕作，把废泥浆与土地耕作在一起，土地继续耕种，该法可使废物中的有害成分获得最大程度的稀释，处理成本较低。本工程采用的是传统沉淀法。

5 结语

防渗墙在工程界的应用越来越广泛，从单纯的水利工程已发展到了房建、交通、市政等领域，泥浆固壁技术的应用也日益成熟。本文结合双塔水库除险加固工程防渗墙的施工，从泥浆的制备和性能、泥浆的循环使用、废弃泥浆的处理等方面对泥浆技术进行了阐述，解决了泥浆性能差、泥浆循环使用次数低和大量泥浆排放造成环境污染等问题，对类似工程防渗墙施工及中泥浆使用和处理具有借鉴和参考意义。