酸性水玻璃与湿磨细水泥复合灌浆在城市垃圾填埋场防渗工程中的应用

陈 昊1，2，3，罗 洁1，2，3，陈 彤1，2，3

(1.长江科学院岩基研究所，湖北武汉，430010; 2.水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉，430010;3.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010)

作者简介: 陈昊(1972—)，男，广西平南人，高级工程师，主要从事灌浆材料、基础处理研究。

【摘 要】 现代城市垃圾填埋场渗滤液防渗工程的设计标准非常高，要求防渗层渗透系数K＜1×10－7cm/s。实践表明单纯采用普通水泥灌浆不能达到工程设计要求。我们在山东威海艾山垃圾填埋场帷幕灌浆防渗工程中，通过采用湿磨细水泥灌浆和酸性水玻璃化学灌浆相结合的方法，取得了成功，解决了山谷型城市垃圾填埋场防渗帷幕灌浆施工的难题，为其他类似工程提供了可借鉴经验。

【关键词】 湿磨细水泥; 酸性水玻璃; 水泥化学复合灌浆; 垃圾填埋场; 防渗帷幕

1 前言

进入21世纪，环保新技术的研究成为当今科学研究的重要前沿课题。随着环境保护意识的日益提高，为进一步保护地下水和土壤环境，根据《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》制定的最新《生活垃圾填埋污染控制标准》(GB16889—2008)，对城市生活垃圾填埋场的防渗标准提出了更高的要求，规定垃圾填埋场防渗层渗透系数K＜1×10－7cm/s［1］。目前国内城市垃圾填埋场所产生的垃圾渗滤液中主要污染物是有机污染物、氨氮、磷、重金属等物质，渗滤液p H一般在6.5～7.8［2］，对防渗材料具有较强的化学侵蚀性。在城市山谷型垃圾填埋场防渗体系中，往往都同时设计有灌浆防渗帷幕，其防渗工程设计的高标准，对以水工建筑防渗手段之一的现代灌浆技术提出了更高的要求。本文重点介绍了湿磨细水泥灌浆和酸性水玻璃化学复合灌浆技术在山东威海城市垃圾填埋场防渗工程中的应用，可供类似的工程借鉴。

2 工程概况

山东威海市艾山垃圾填埋场位于威海市以西17km处，面积32.4万m2。长江科学院长江工程技术公司承担了该工程中混凝土截污坝和防渗帷幕灌浆等主体工程的施工，工程包括: 混凝土截污坝、防渗墙、帷幕和固结灌浆等分项工程，如图1所示。截污坝帷幕灌浆沿趾水板、截渗墙及其两岸山肩的帷幕延伸轴线布设。帷幕轴线总长430m，设计防渗帷幕渗透系数K＜5.52×10－7cm/s。

坝区出露地层为第四系残坡积物、坡洪积物和早元古界荆山群岩石。岩性主要为黑云母片岩、片麻岩和混合岩等。黑云母片岩和片麻岩风化程度高，裂隙发育，透水性强。在上部风化层黑云母片岩中，有溶蚀现象，岩石强度低，岩层厚度较大，约30m，以下层位岩石较完整，裂隙不发育。局部岩石异常破碎，岩石渗透性强。底部为片麻状细粒二长花岗岩，透水性极弱，渗透系数K＜5.52×10－7cm/s。防渗帷幕灌浆工程特点为: 帷幕防渗标准相当高，且帷幕主要建在强风化、软弱的黑云母片岩层中，能否将该地层灌好是帷幕灌浆施工的关键。

图1 截污坝防渗帷幕示意图

3 水泥化学复合灌浆

3．1 灌浆方案设计

工程前期进行了典型区域普通水泥灌浆现场试验，试验压水结果表明，对于该地质条件的高标准防渗工程单纯采用水泥灌浆不能满足设计要求。结合工程特点和施工环境等因素，决定采用水泥化学复合灌浆技术。在使用化学水泥复合灌浆时，一方面通过使用颗粒细度很小的湿磨细水泥灌浆材料来充填较大的岩石裂隙，以达到封闭化学灌浆处理区域，为后续化学灌浆提供较好的工程地质施工条件，同时也可以有效地减少化学灌浆材料的消耗。另一方面化学灌浆作为水泥灌浆的补充，进一步填充岩土中宽度在0.1mm以下的极微细裂隙，使灌浆施工处理地层的防渗系数最终达到工程设计标准。

工程原设计帷幕灌浆方案为: 截污坝坝基采用双排普通水泥灌浆，排距1.0m，孔距1.5m; 坝肩和山肩采用单排水泥灌浆，孔距1.5m。帷幕灌浆起始高程为42m，帷幕深入微风化花岗岩层2.5m。后根据帷幕设计标准和场区地质情况，现场帷幕灌浆试验分2组进行，分别为: ①按原设计仅进行双排普通水泥灌浆; ②采用双排湿磨水泥灌浆中间加单排酸性水玻璃化学复合灌浆。其中湿磨细水泥灌浆孔距1.5m，排距取孔距的0.7倍即1m; 化学灌浆孔距分别试验3.0m、1.5m、0.75m。

现场灌浆试验结果表明，采用双排水泥灌浆后，在强、中风化地层帷幕渗透系数K仅达到1×10－6cm/s，不能满足设计要求; 在弱风化岩层帷幕渗透系数K部分达到5.52×10－7 cm/s，也不能全部达到设计标准; 在微风化花岗岩层帷幕渗透系数K小于5.52×10－7cm/s。而在进行化学复合灌浆以后，所有地层的灌浆帷幕渗透系数K均小于5.52×10－7cm/s，完全达到设计标准。

根据现场灌浆试验，帷幕灌浆施工方案变更为: 全部采用双排湿磨水泥灌浆加单排化学复合灌浆，共3排，排距0.5m，水泥灌浆孔距1.5m，化学灌浆孔距为0.75m。湿磨细水泥化学复合灌浆孔位布置如图2所示。

图2 湿磨细水泥化学复合灌浆孔位示意图

3．2 灌浆材料

3.2.1 湿磨细水泥灌浆材料

湿磨细水泥灌浆材料采用由42.5普通硅酸盐水泥经长江科学院研制的GSW超细水泥湿磨机研磨后制成。要求磨细后水泥颗粒细度最大粒径Dmax＜40μm，颗粒平均粒径D50＜10 μm。湿磨细水泥材料的配制是将普通水泥浆经高速搅拌机搅拌制得的W/C=0.6 1水泥浆经过由水泥湿磨机磨细制得，制浆工艺如图3所示。

图3 湿磨细水泥制备及灌浆工艺流程图

3.2.2 化学灌浆材料

针对威海垃圾填埋场的地质条件和垃圾渗滤液的化学侵蚀性，通过大量室内材料试验，最终选取HS酸性水玻璃作为该工程的主要化学灌浆材料。在制备HS水玻璃过程中，关键是始终控制浆液p H在1～2，这样所制备的浆液化学性能更稳定，可以在未加入胶凝剂之前存放较长时间也不会胶凝，同时能充分满足化学灌浆施工中大量制备的需要。

HS酸性水玻璃浆液的胶凝时间通过改变胶凝剂的用量进行调节。该浆液起始粘度一般为1.5～3m Pa·s，粘度仅在接近胶凝时间时才会显著增加，这使其具有良好的可灌性。浆液凝胶体渗透系数K在1×10－7～1×10－8cm/s，不同配合比固砂体7d抗压强度为0.5～2MPa。材料具有无毒、可灌性、防渗性能好和经济优势明显等特点。我们经过一系列浆液性能改性试验，提高了凝胶体的抗渗和抗压强度性能，同时改善了脱水收缩性以及抗垃圾渗滤液侵蚀性，使浆液性能易控制，并能够在工程现场进行大规模生产，满足了工程中化学灌浆的要求。

3．3 湿磨细水泥化学复合灌浆工艺

3.3.1 湿磨细水泥灌浆

湿磨细水泥灌浆采用小孔径φ75钻孔，自上而下分段阻塞，孔内循环法。在各序孔灌浆前洗孔、简易压水试验和灌浆结束标准均根据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL62—94)要求进行。结合湿磨细水泥灌浆工程经验，湿磨细水泥灌浆时浆液变换仅采用3∶1、1∶1、0.6∶1三个水灰比级，减少了灌浆浆液比级，大幅提高了灌浆效率。设计开灌灌浆压力0.4MPa，灌浆压力1MPa。

3.3.2 化学灌浆

HS酸性水玻璃化学灌浆采用纯压式，单液法。自上而下分段灌浆。在灌浆前进行压水试验，灌浆压力第一段0.25MPa，最大不超过1MPa。结束标准: 在设计压力下，当基本不吸浆时(吸浆量＜0.03Lu)或达到胶凝时间时结束。对大漏量孔段采用定量间歇灌浆，直到达到结束标准。

3．4 灌浆施工

截污坝坝基帷幕灌浆沿整个截水板布设，每一坝段设为一施工单元。坝肩混凝土防渗墙基础部位砼浇筑成长8～15m、宽3m的阶梯形施工平台供帷幕灌浆使用，每一平台为一施工单元，共32个灌浆单元。帷幕灌浆工程总计完成钻孔1368个，总进尺37207.06m，其中湿磨细水泥灌浆14267.63m，累计注入水泥942.18t，平均单耗66.04kg/m; HS酸性水玻璃化学灌浆共16119.30m，累计注入HS水玻璃灌浆材料646.39m3，平均单耗40.1L/m。湿磨细水泥和化学灌浆材料均由长江水利委员会长江科学院提供。湿磨细水泥与酸性水玻璃化学复合灌浆结束后，经常规压水检查，所有地层的渗透系数K均小于5.52×10－7cm/s，完全达到设计标准。

4 结语

山东威海市垃圾填埋场是我国首个按建设部《城市生活垃圾卫生填埋技术标准》规范防渗要求设计的城市垃圾填埋场防渗工程。工程实践表明，不论是在强风化黑云母片岩地层还是其他渗透性较强地层，防渗帷幕仅采用双排普通水泥灌浆不能满足工程设计要求。通过采用湿磨细水泥灌浆结合改性酸性水玻璃化学灌浆，取得了良好的灌浆效果，经检查验收，灌浆帷幕平均渗透系数K＜4.88×10－7cm/s，全部达到设计要求。

参考文献

［1］城市生活垃圾卫生填埋技术标准(GB16889—2008)［S］.

［2］沈耀良，王宝贞. 垃圾填埋场渗滤液的水质特征及其变化规律分析［J］. 污染防治技术，1999，12(1):10－14.

［3］刘宏远，等. 生活垃圾填埋场渗滤液水质变化研究［J］. 浙江林业科技，2004，1(24): 7－11.

［4］喻晓等. 垃圾渗滤液污染特性及其处理技术研究和应用趋势［J］. 环境科学与技术，2002，5(25):43－45.

［5］蒋海涛，等. 城市垃圾填埋场渗滤液的水质特性［J］. 环境保护科学，2002，(28): 11－13.

［6］陈昊. 细水泥灌浆材料改性研究［J］.长江科学院院报，1998，15(2): 22－25.

［7］王迎宾，董文凯.酸性水玻璃浆材的研究及应用［J］.长江科学院院报，2000，6: 32－34.

［8］许婵娟，樊晓苓.p H值对酸性水玻璃灌浆材料凝胶时间的影响［J］.化学建材，2009，5: 22－24.

［9］陈昊，董建军，谭日升. 湿磨细水泥—化学复合灌浆在三峡工程基础处理中的应用研究［J］.长江科学院院报，2006，23: 64－67.

［10］熊进，祝红，董建军. 长江三峡工程灌浆技术研究［M］. 北京: 中国水利水电出版社，2003.