大埋深長距離管道封堵解決方案及探討

吳啟民，張卓敏，劉德明，王麗娟

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

大埋深長距離管道封堵解決方案及探討

吳啟民，張卓敏，劉德明，王麗娟

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

三峽電站施工期排水管封堵工程存在埋深大、距離長、可操作空間狹小等特點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)灌注材料在管道下游出口相對(duì)暢通，且在有一定壓差的情況下，克服管道阻力、填充密實(shí)，暫無類似工程項(xiàng)目可以借鑒。由于封堵施工的不可逆性，一旦不能一次性封堵到位，將給大壩的安全運(yùn)行留下重大隱患。針對(duì)項(xiàng)目特殊情況，對(duì)封堵材料需具備的特性進(jìn)行研究，通過材料研發(fā)、現(xiàn)場模型模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證材料及工藝的可靠性，最終順利實(shí)施了單點(diǎn)長距離回填灌注封堵。

遠(yuǎn)距離回填灌漿；觸變性；裂縫填充；管道填充；斷層填充

1 工程概況

1.1 工程施工難點(diǎn)

三峽電站施工期排水管封堵工程位于大壩右岸23號(hào)機(jī)組下方，最高點(diǎn)在大壩44廊道內(nèi)，位于高程48平臺(tái)以下，低于下游水位20 m左右，可操作空間狹小。待回填的排水管是工程建設(shè)期的臨時(shí)排水排渣管道，管徑500 mm，為朝向下游-3°角“Z”字形長下橫線結(jié)構(gòu)，總灌注距離長達(dá)68 m，上部平臺(tái)長度8 m，跌落部位落差8 m，下橫線長度58 m，朝下游小緩坡走勢(shì)。距下游出口10 m處有橫縫止水結(jié)構(gòu)，一旦排水管道發(fā)生銹蝕穿孔或其它破碎，下游江水將會(huì)沿著施工分縫倒灌入壩體，對(duì)發(fā)電廠房、水輪機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。下游出口處在施工期采取臨時(shí)堵頭進(jìn)行過封堵，外部有混凝土箱梁阻擋，無法獲知尾水（“Z”字末端）滲漏情況。通過圖紙資料分析，可供操作及施工的地點(diǎn)僅有狹窄的廊道及“Z”字上部平臺(tái)的局部空間。經(jīng)48高程平臺(tái)物探探明，管道下埋深度為3 m左右，由于發(fā)電設(shè)備的阻擋，可以用于鑿孔的位置僅有2 m左右。采用插管至跌落部位底部灌漿設(shè)計(jì)，灌注的材料需要滿管推進(jìn)，且滿管段必須跨過下游出口10 m的橫縫位置，灌漿才能達(dá)到預(yù)期的回填目的。

1.2 材料要求與選擇

封堵材料的適用性與灌注工藝需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證及施工工藝摸索。針對(duì)工程難點(diǎn)的特殊性，基于以下幾個(gè)條件，提出了對(duì)材料的具體性能要求：

（1）管道中的水無法排空，因此材料必須為水下不分散類，或有水情況下并不影響材料的力學(xué)性能；

（2）在尾水暢通，而可供選擇的填充材料比重普遍大于1.0的情況下，如何實(shí)現(xiàn)灌注材料的堆積，不會(huì)在自重的作用下從下游出水口流失，涉及到調(diào)整材料的水下觸變特性，是需要試驗(yàn)驗(yàn)證的問題[1]；

（3）固化時(shí)間不能過短，若在排水管道未填充滿之前發(fā)生凝固，將導(dǎo)致整個(gè)封堵項(xiàng)目的失??；

（4）灌漿壓力不能過大，否則在液壓的作用下可能產(chǎn)生二次破壞，壩體有可能產(chǎn)生新的滲漏通道，要求灌注材料要具備良好的可泵送性。

基于以上條件，進(jìn)行了灌注材料的市場調(diào)研，通過電函詢問、文獻(xiàn)查找及技術(shù)交流，在國內(nèi)外灌漿行業(yè)中，未能找到完全適合這種工況的產(chǎn)品。水泥基類回填灌注材料[2]，比如水下不分散混凝土及各種混凝土不分散添加劑類，灌注工藝要求都比較苛刻，且沒有回填水平距離大于50 m的報(bào)道；此外，較大的比重勢(shì)必導(dǎo)致管道阻力過大，灌注壓力及可操作時(shí)間也難以滿足，即使能夠滿足水下不分散及灌漿壓力的要求，也難以實(shí)現(xiàn)尾水處灌注材料的有效堆積。而有機(jī)類材料能實(shí)現(xiàn)良好的水下不分散效果，但品種繁雜、價(jià)格昂貴，國內(nèi)相對(duì)較早從事水下材料研究的企業(yè)華東勘測設(shè)計(jì)研究院科研所，其產(chǎn)品門類齊全，水下應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富，近期剛實(shí)施了幾項(xiàng)相對(duì)接近本工程的施工案例。為了更好地滿足本項(xiàng)目的要求，需對(duì)水下環(huán)氧灌注料進(jìn)行一些必要的特性調(diào)整，再通過材料的模擬施工驗(yàn)證。

2 材料特性分析

為了盡量滿足水下管道灌漿封堵的順利實(shí)施，在理論分析各種影響灌注進(jìn)程的因素后，制定了不同指標(biāo)對(duì)管道流體流動(dòng)性利弊進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

表1 管道流體利弊分析Table 1 Analysis of the advantages and disadvantages of pipeline fluid

緩坡朝下的走勢(shì)決定了材料不能在自重的作用下自由流淌至最低處，否則灌注進(jìn)的材料會(huì)不停地從最低端流出，導(dǎo)致無效的回填和材料浪費(fèi)。分析了三種情形的末端流動(dòng)形態(tài)，如圖1所示，末端流態(tài)1是希望得到的效果，末端流態(tài)2在停止進(jìn)漿的情況下，也可能會(huì)無限流淌至底部，末端流態(tài)3更是會(huì)大部分從尾水部位流走，不符合要求。

根據(jù)理論分析及管道內(nèi)流體的受力情況發(fā)現(xiàn)，灌漿阻力由以下幾個(gè)方面產(chǎn)生：一方面來自水壓力的作用，另一方面由管壁靜態(tài)與材料流態(tài)之間的粘滯阻力產(chǎn)生，會(huì)形成一定的穩(wěn)流層，粘度越大穩(wěn)流層越厚，灌漿所需的壓力也會(huì)越大，此外還有材料自身的比重也是灌漿阻力大小的一個(gè)影響因素。管道內(nèi)截面流速如圖2所示。

圖1 三種末端流動(dòng)形態(tài)對(duì)比圖Fig.1 Comparison of three terminal flow patterns

圖2 管道截面流速圖Fig.2 Flow velocity on pipe section

從截面流速分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，材料并非滿管有序地先后推進(jìn)，而是在管道中慢慢被拉薄，前期灌注的材料會(huì)和后期灌注的材料產(chǎn)生有限的混合，這也可以說明為什么通常在材料固化時(shí)間為30 min的灌漿過程中，灌漿時(shí)間往往能夠達(dá)到1 h，甚至更長時(shí)間而不會(huì)導(dǎo)致堵管。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用漸進(jìn)式的研究步驟，分室內(nèi)材料試驗(yàn)、回路模擬數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)、模型模擬灌漿試驗(yàn)開展。

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

根據(jù)水下灌注材料利弊分析表的特性要求，有針對(duì)性地開展材料性能調(diào)整研究，選擇的基礎(chǔ)材料為HK-963水下環(huán)氧粘合劑。因HK-963水下環(huán)氧粘合劑在國內(nèi)外水下修補(bǔ)項(xiàng)目中應(yīng)用較成熟，且價(jià)格適中，只需對(duì)物理特性（如比重、黏度、觸變性、可操作時(shí)間等）進(jìn)行調(diào)整，即可滿足要求，以下將新材料命名為“HK-963-J2水下環(huán)氧灌注料”。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

在HK-963水下環(huán)氧粘合劑的基礎(chǔ)上，研發(fā)人員開展了創(chuàng)新性的研究，結(jié)合了在其它行業(yè)中應(yīng)用較成熟的功能材料技術(shù)，成功研制了HK-963-J2水下環(huán)氧灌注料，兩者的性能對(duì)比見表2。HK-963-J2水下環(huán)氧灌注料的主要特性表現(xiàn)為在外力狀態(tài)下流動(dòng)性良好，一旦在水下外力消失時(shí)就能保持形狀，不受重力影響流平，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下空腔的填堵，見圖3。

表2 HK-963-J2水下環(huán)氧灌注料與963水下環(huán)氧粘合劑性能對(duì)比Table 2 Performance comparisons between HK-963-J2 under?water epoxy resin and 963 underwater epoxy adhesive

圖3 在水下易保持形態(tài)Fig.3 Shape preserving under water

3.2 模型灌注試驗(yàn)

在滿足材料特性要求的情況下，為了確保實(shí)際回填的效果，進(jìn)行了材料適用性驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)分兩個(gè)漸進(jìn)的步驟進(jìn)行，首先對(duì)材料可灌注時(shí)間及粘度增加后對(duì)灌注流動(dòng)性的影響進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用循環(huán)回路灌漿，在不同時(shí)間點(diǎn)采集材料性能數(shù)據(jù)指標(biāo)及對(duì)應(yīng)的流動(dòng)狀態(tài)；其次進(jìn)行等比例模型模擬灌注試驗(yàn)，但管徑由500 mm縮小至200 mm。試驗(yàn)過程中模擬灌漿意外中斷，采集灌漿壓力變化及各種邊界條件的數(shù)據(jù)。

3.2.1 管道回路循環(huán)模擬

循環(huán)管路總長7.12 m，內(nèi)徑15.5 cm，與水平面的傾角為3°，在管路中間設(shè)置一段有機(jī)玻璃管以便觀察材料在管路中的流動(dòng)情況，管路部分如圖4所示。灌漿前，先在管路中注滿水。初始階段，材料粘度較低，通過有機(jī)玻璃管觀察材料液面，當(dāng)材料流淌至末端時(shí)將擋水板拆除，水迅速被排空，此時(shí)由于水的平衡壓力消失，材料流速明顯加快，表現(xiàn)為透明管段灌注材料液面下降，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)。由于材料粘度較低，材料沿管路較快流出管外，從水完全泄去后1 h內(nèi)，材料在管路中的積聚不明顯。

圖4 循環(huán)回路管線布置圖Fig.4 Layout of circulation pipeline

待循環(huán)灌注2 h后，由于材料反應(yīng)放熱，料溫有一定幅度上升，同時(shí)粘度也逐漸變大，材料開始在管路中有一定堆積，灌注材料在有機(jī)玻璃管段的液面位置也開始顯著上升。在試驗(yàn)的不同時(shí)段間隔中添加不同顏色的無機(jī)顏料粉，進(jìn)行染色處理，待固化后觀察漿液在管路中的流態(tài)及色差分布。

待灌注材料凝固后，對(duì)模型進(jìn)行破壞檢查，顏料添加順序及截面顏色表明，管道中的流動(dòng)及堆積符合預(yù)期，隨著粘度增加，材料距離管壁越近，流動(dòng)性越差，甚至停滯不流動(dòng)，最終材料在管道中軸線偏上部分流過，并逐漸固化。

3.2.2 比例模型灌注模擬

為了使灌注過程與實(shí)際施工更接近，需從管路形態(tài)、環(huán)境溫度、施工條件等方面，進(jìn)行同等條件模擬，從過程中總結(jié)出施工操作流程、與各崗位人員的協(xié)調(diào)配合以及整個(gè)施工隊(duì)伍人員配備等參數(shù)，并通過模型模擬試驗(yàn)檢驗(yàn)HK-963-J2水下環(huán)氧灌注料在長距離管道內(nèi)的充填速度、流動(dòng)特性，測算出灌漿壓力和灌漿流量的對(duì)比數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論閉漿時(shí)間和實(shí)際所需的閉漿時(shí)間。此外，通過試驗(yàn)明確和補(bǔ)充化學(xué)灌漿材料在充滿管道、持續(xù)堆積推進(jìn)的過程中產(chǎn)生的流體阻力情況，進(jìn)一步檢驗(yàn)灌漿過程中灌漿設(shè)備的控制、間歇及中斷灌漿對(duì)化學(xué)材料流動(dòng)性的影響，是否會(huì)導(dǎo)致填充不飽滿情況發(fā)生。

模型模擬灌漿施工選擇在氣溫相似的后半夜進(jìn)行，持續(xù)灌注了3 h，材料在管路中的堆積形態(tài)良好，由最初前端斜坡長度4 m左右，逐漸縮小為不到0.4 m，此時(shí)漿液滿管長度已經(jīng)達(dá)到30 m左右。在這個(gè)階段人為設(shè)置灌漿中斷操作，檢驗(yàn)灌注材料在管路中的流動(dòng)形態(tài)變化。結(jié)果表明前端斜坡由0.4 m逐漸擴(kuò)大為1.5 m時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)間歇停止灌漿5 min左右，而后繼續(xù)開啟灌漿設(shè)備進(jìn)行灌漿，灌注料的前端斜坡又恢復(fù)為0.4 m左右（見圖5）。持續(xù)滿管推進(jìn)，隨著管路填充距離的加長，各觀測儀表的壓力也緩慢增加，但都在合理范圍，最大壓力為0.4 MPa，為較安全的壓力范圍，表明材料在水中阻力較小。最終完成了全長68 m左右的模型管道封堵施工。

在灌注材料固化后，對(duì)管路進(jìn)行分段拆解，檢查材料灌注的密實(shí)性，結(jié)果表明材料填充密實(shí)，粘結(jié)性能優(yōu)良，未出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象。

圖5 末端斜坡流態(tài)Fig.5 Terminal slope flow regime

4 現(xiàn)場灌漿施工

在模擬施工模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行施工準(zhǔn)備及各崗位人員的配備安排。由于排水管道埋深深，距離遠(yuǎn)（距離壩頂近100 m，幾乎貫穿壩體的2/3），除44廊道平臺(tái)灌漿管口附近為可操作空間外，其余皆為隱蔽工程，只能依據(jù)灌注體積推算出排水管路的回填情況，如能順利灌注進(jìn)預(yù)估的灌注材料方量，即可表明回填可靠。

灌漿前的準(zhǔn)備工作主要有水下視頻檢查、水沖洗及壓水模擬操作幾個(gè)步驟，水下視頻檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)排水管管壁有相當(dāng)多絮狀物，管道下側(cè)有一定的淤積，但大多以松動(dòng)物為主。因此采用插管灌水反復(fù)沖洗的方法，盡量把管道內(nèi)物體沖出管外，再用無級(jí)調(diào)速灌漿設(shè)備灌水試驗(yàn)，查看不同灌水流速情況下壓力表的變化，以此判斷尾水裂隙大小。一切準(zhǔn)備妥當(dāng)后，在監(jiān)理、業(yè)主代表、施工單位及材料廠家共同見證下，進(jìn)行灌漿作業(yè)。

灌漿總共持續(xù)進(jìn)行了9 h多，在灌注進(jìn)行至2 h左右，突發(fā)孔口速凝水泥局部開裂、滲水狀況，此刻消耗灌注材料4 t多。立即減小灌漿速度，降低管道內(nèi)的壓力，并組織人員進(jìn)行了封堵處置，而后繼續(xù)恢復(fù)灌漿速度，最終順利完成預(yù)估回填灌注方量。

5 結(jié)語

針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)，巧妙地通過降低比重來達(dá)到減小管道灌漿阻力的目的，通過加大材料的觸變性，使材料在水中更易定型，不會(huì)無限流淌至不該填充的部位，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)有限范圍的回填灌漿。此項(xiàng)工程遵循了科學(xué)的流程、循序漸進(jìn)的合理安排，最終順利解決了管道突水隱患，對(duì)其它類似水下裂縫回填灌漿、水下空腔回填灌漿及水下接縫回填灌漿等修補(bǔ)難題，有較好的借鑒和參考意義。

[1]謝承斌,盧海川,李洋,等.水泥漿觸變性評(píng)價(jià)方法的探索[J].鉆井液與完井液,2015,32(6):57-60.

[2]步玉環(huán),尤軍,姜林林,等.觸變性水泥漿體系研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].石油鉆探技術(shù),2009,37(4):110-114.

Discussion on plugging for deep-buried and long pipeline

WU Qi-min,ZHANG Zhuo-min, LIU De-ming and WANG Li-juan

PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

In plugging of construction drainage pipe of Three Gorges hydropower station,it is character?ized by large buried depth,long distance and small space for operation.In this project,it is necessary to keep relatively smooth of grouting material in pipe outlet,and to fill well under certain pressure differ?ence.Due to the irreversibility of plugging,failing to full closure at one time would leave a major hidden danger to dam's safe operation.According to the actual situation of the project,the required characteris?tics of grouting material are studied.The reliability of material and construction technology are verified by material development and field model simulation test.On this basis,single-point and long-distance backfill plugging is successfully carried out.

remote backfill grouting;thixotropy;crack filling;pipe filling;fault filling

TV543

：B

：1671-1092（2017）04-0019-05

2016-12-30

吳啟民（1978-），男，浙江蒼南人，高級(jí)工程師，長期從事化學(xué)灌漿材料、彈性涂料及抗沖磨材料研究工作。

作者郵箱：wu_qm@ecidi.com