大埋深长距离管道封堵解决方案及探讨

吴启民，张卓敏，刘德明，王丽娟

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

大埋深长距离管道封堵解决方案及探讨

吴启民，张卓敏，刘德明，王丽娟

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

三峡电站施工期排水管封堵工程存在埋深大、距离长、可操作空间狭小等特点。如何实现灌注材料在管道下游出口相对畅通，且在有一定压差的情况下，克服管道阻力、填充密实，暂无类似工程项目可以借鉴。由于封堵施工的不可逆性，一旦不能一次性封堵到位，将给大坝的安全运行留下重大隐患。针对项目特殊情况，对封堵材料需具备的特性进行研究，通过材料研发、现场模型模拟试验来验证材料及工艺的可靠性，最终顺利实施了单点长距离回填灌注封堵。

远距离回填灌浆；触变性；裂缝填充；管道填充；断层填充

1 工程概况

1.1 工程施工难点

三峡电站施工期排水管封堵工程位于大坝右岸23号机组下方，最高点在大坝44廊道内，位于高程48平台以下，低于下游水位20 m左右，可操作空间狭小。待回填的排水管是工程建设期的临时排水排渣管道，管径500 mm，为朝向下游-3°角“Z”字形长下横线结构，总灌注距离长达68 m，上部平台长度8 m，跌落部位落差8 m，下横线长度58 m，朝下游小缓坡走势。距下游出口10 m处有横缝止水结构，一旦排水管道发生锈蚀穿孔或其它破碎，下游江水将会沿着施工分缝倒灌入坝体，对发电厂房、水轮机组的安全运行产生威胁。下游出口处在施工期采取临时堵头进行过封堵，外部有混凝土箱梁阻挡，无法获知尾水（“Z”字末端）渗漏情况。通过图纸资料分析，可供操作及施工的地点仅有狭窄的廊道及“Z”字上部平台的局部空间。经48高程平台物探探明，管道下埋深度为3 m左右，由于发电设备的阻挡，可以用于凿孔的位置仅有2 m左右。采用插管至跌落部位底部灌浆设计，灌注的材料需要满管推进，且满管段必须跨过下游出口10 m的横缝位置，灌浆才能达到预期的回填目的。

1.2 材料要求与选择

封堵材料的适用性与灌注工艺需要通过试验验证及施工工艺摸索。针对工程难点的特殊性，基于以下几个条件，提出了对材料的具体性能要求：

（1）管道中的水无法排空，因此材料必须为水下不分散类，或有水情况下并不影响材料的力学性能；

（2）在尾水畅通，而可供选择的填充材料比重普遍大于1.0的情况下，如何实现灌注材料的堆积，不会在自重的作用下从下游出水口流失，涉及到调整材料的水下触变特性，是需要试验验证的问题[1]；

（3）固化时间不能过短，若在排水管道未填充满之前发生凝固，将导致整个封堵项目的失败；

（4）灌浆压力不能过大，否则在液压的作用下可能产生二次破坏，坝体有可能产生新的渗漏通道，要求灌注材料要具备良好的可泵送性。

基于以上条件，进行了灌注材料的市场调研，通过电函询问、文献查找及技术交流，在国内外灌浆行业中，未能找到完全适合这种工况的产品。水泥基类回填灌注材料[2]，比如水下不分散混凝土及各种混凝土不分散添加剂类，灌注工艺要求都比较苛刻，且没有回填水平距离大于50 m的报道；此外，较大的比重势必导致管道阻力过大，灌注压力及可操作时间也难以满足，即使能够满足水下不分散及灌浆压力的要求，也难以实现尾水处灌注材料的有效堆积。而有机类材料能实现良好的水下不分散效果，但品种繁杂、价格昂贵，国内相对较早从事水下材料研究的企业华东勘测设计研究院科研所，其产品门类齐全，水下应用经验丰富，近期刚实施了几项相对接近本工程的施工案例。为了更好地满足本项目的要求，需对水下环氧灌注料进行一些必要的特性调整，再通过材料的模拟施工验证。

2 材料特性分析

为了尽量满足水下管道灌浆封堵的顺利实施，在理论分析各种影响灌注进程的因素后，制定了不同指标对管道流体流动性利弊进行对比分析，如表1所示。

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

缓坡朝下的走势决定了材料不能在自重的作用下自由流淌至最低处，否则灌注进的材料会不停地从最低端流出，导致无效的回填和材料浪费。分析了三种情形的末端流动形态，如图1所示，末端流态1是希望得到的效果，末端流态2在停止进浆的情况下，也可能会无限流淌至底部，末端流态3更是会大部分从尾水部位流走，不符合要求。

根据理论分析及管道内流体的受力情况发现，灌浆阻力由以下几个方面产生：一方面来自水压力的作用，另一方面由管壁静态与材料流态之间的粘滞阻力产生，会形成一定的稳流层，粘度越大稳流层越厚，灌浆所需的压力也会越大，此外还有材料自身的比重也是灌浆阻力大小的一个影响因素。管道内截面流速如图2所示。

图1 三种末端流动形态对比图Fig.1 Comparison of three terminal flow patterns

图2 管道截面流速图Fig.2 Flow velocity on pipe section

从截面流速分析结果可以发现，材料并非满管有序地先后推进，而是在管道中慢慢被拉薄，前期灌注的材料会和后期灌注的材料产生有限的混合，这也可以说明为什么通常在材料固化时间为30 min的灌浆过程中，灌浆时间往往能够达到1 h，甚至更长时间而不会导致堵管。

3 试验验证

采用渐进式的研究步骤，分室内材料试验、回路模拟数据采集试验、模型模拟灌浆试验开展。

3.1 室内试验

3.1.1 试验目的

根据水下灌注材料利弊分析表的特性要求，有针对性地开展材料性能调整研究，选择的基础材料为HK-963水下环氧粘合剂。因HK-963水下环氧粘合剂在国内外水下修补项目中应用较成熟，且价格适中，只需对物理特性（如比重、黏度、触变性、可操作时间等）进行调整，即可满足要求，以下将新材料命名为“HK-963-J2水下环氧灌注料”。

3.1.2 试验结果

在HK-963水下环氧粘合剂的基础上，研发人员开展了创新性的研究，结合了在其它行业中应用较成熟的功能材料技术，成功研制了HK-963-J2水下环氧灌注料，两者的性能对比见表2。HK-963-J2水下环氧灌注料的主要特性表现为在外力状态下流动性良好，一旦在水下外力消失时就能保持形状，不受重力影响流平，实现对水下空腔的填堵，见图3。

表2 HK-963-J2水下环氧灌注料与963水下环氧粘合剂性能对比Table 2 Performance comparisons between HK-963-J2 under⁃water epoxy resin and 963 underwater epoxy adhesive

图3 在水下易保持形态Fig.3 Shape preserving under water

3.2 模型灌注试验

在满足材料特性要求的情况下，为了确保实际回填的效果，进行了材料适用性验证试验。试验分两个渐进的步骤进行，首先对材料可灌注时间及粘度增加后对灌注流动性的影响进行数据分析，采用循环回路灌浆，在不同时间点采集材料性能数据指标及对应的流动状态；其次进行等比例模型模拟灌注试验，但管径由500 mm缩小至200 mm。试验过程中模拟灌浆意外中断，采集灌浆压力变化及各种边界条件的数据。

3.2.1 管道回路循环模拟

循环管路总长7.12 m，内径15.5 cm，与水平面的倾角为3°，在管路中间设置一段有机玻璃管以便观察材料在管路中的流动情况，管路部分如图4所示。灌浆前，先在管路中注满水。初始阶段，材料粘度较低，通过有机玻璃管观察材料液面，当材料流淌至末端时将挡水板拆除，水迅速被排空，此时由于水的平衡压力消失，材料流速明显加快，表现为透明管段灌注材料液面下降，最终达到一个相对平衡状态。由于材料粘度较低，材料沿管路较快流出管外，从水完全泄去后1 h内，材料在管路中的积聚不明显。

图4 循环回路管线布置图Fig.4 Layout of circulation pipeline

待循环灌注2 h后，由于材料反应放热，料温有一定幅度上升，同时粘度也逐渐变大，材料开始在管路中有一定堆积，灌注材料在有机玻璃管段的液面位置也开始显著上升。在试验的不同时段间隔中添加不同颜色的无机颜料粉，进行染色处理，待固化后观察浆液在管路中的流态及色差分布。

待灌注材料凝固后，对模型进行破坏检查，颜料添加顺序及截面颜色表明，管道中的流动及堆积符合预期，随着粘度增加，材料距离管壁越近，流动性越差，甚至停滞不流动，最终材料在管道中轴线偏上部分流过，并逐渐固化。

3.2.2 比例模型灌注模拟

为了使灌注过程与实际施工更接近，需从管路形态、环境温度、施工条件等方面，进行同等条件模拟，从过程中总结出施工操作流程、与各岗位人员的协调配合以及整个施工队伍人员配备等参数，并通过模型模拟试验检验HK-963-J2水下环氧灌注料在长距离管道内的充填速度、流动特性，测算出灌浆压力和灌浆流量的对比数据，验证理论闭浆时间和实际所需的闭浆时间。此外，通过试验明确和补充化学灌浆材料在充满管道、持续堆积推进的过程中产生的流体阻力情况，进一步检验灌浆过程中灌浆设备的控制、间歇及中断灌浆对化学材料流动性的影响，是否会导致填充不饱满情况发生。

模型模拟灌浆施工选择在气温相似的后半夜进行，持续灌注了3 h，材料在管路中的堆积形态良好，由最初前端斜坡长度4 m左右，逐渐缩小为不到0.4 m，此时浆液满管长度已经达到30 m左右。在这个阶段人为设置灌浆中断操作，检验灌注材料在管路中的流动形态变化。结果表明前端斜坡由0.4 m逐渐扩大为1.5 m时趋于稳定，此时间歇停止灌浆5 min左右，而后继续开启灌浆设备进行灌浆，灌注料的前端斜坡又恢复为0.4 m左右（见图5）。持续满管推进，随着管路填充距离的加长，各观测仪表的压力也缓慢增加，但都在合理范围，最大压力为0.4 MPa，为较安全的压力范围，表明材料在水中阻力较小。最终完成了全长68 m左右的模型管道封堵施工。

在灌注材料固化后，对管路进行分段拆解，检查材料灌注的密实性，结果表明材料填充密实，粘结性能优良，未出现明显的收缩现象。

图5 末端斜坡流态Fig.5 Terminal slope flow regime

4 现场灌浆施工

在模拟施工模型试验的基础上，进行施工准备及各岗位人员的配备安排。由于排水管道埋深深，距离远（距离坝顶近100 m，几乎贯穿坝体的2/3），除44廊道平台灌浆管口附近为可操作空间外，其余皆为隐蔽工程，只能依据灌注体积推算出排水管路的回填情况，如能顺利灌注进预估的灌注材料方量，即可表明回填可靠。

灌浆前的准备工作主要有水下视频检查、水冲洗及压水模拟操作几个步骤，水下视频检查结果发现排水管管壁有相当多絮状物，管道下侧有一定的淤积，但大多以松动物为主。因此采用插管灌水反复冲洗的方法，尽量把管道内物体冲出管外，再用无级调速灌浆设备灌水试验，查看不同灌水流速情况下压力表的变化，以此判断尾水裂隙大小。一切准备妥当后，在监理、业主代表、施工单位及材料厂家共同见证下，进行灌浆作业。

灌浆总共持续进行了9 h多，在灌注进行至2 h左右，突发孔口速凝水泥局部开裂、渗水状况，此刻消耗灌注材料4 t多。立即减小灌浆速度，降低管道内的压力，并组织人员进行了封堵处置，而后继续恢复灌浆速度，最终顺利完成预估回填灌注方量。

5 结语

针对项目特点，巧妙地通过降低比重来达到减小管道灌浆阻力的目的，通过加大材料的触变性，使材料在水中更易定型，不会无限流淌至不该填充的部位，从而实现定点有限范围的回填灌浆。此项工程遵循了科学的流程、循序渐进的合理安排，最终顺利解决了管道突水隐患，对其它类似水下裂缝回填灌浆、水下空腔回填灌浆及水下接缝回填灌浆等修补难题，有较好的借鉴和参考意义。

[1]谢承斌,卢海川,李洋,等.水泥浆触变性评价方法的探索[J].钻井液与完井液,2015,32(6):57-60.

[2]步玉环,尤军,姜林林,等.触变性水泥浆体系研究与应用进展[J].石油钻探技术,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

吴启民（1978-），男，浙江苍南人，高级工程师，长期从事化学灌浆材料、弹性涂料及抗冲磨材料研究工作。

作者邮箱：wu_qm@ecidi.com