自密实混凝土在穿堤管道堵复工程中的应用
2018-09-10贾士强贾丽
贾士强 贾丽
摘要：对违规穿越东平湖围坝的天然气管道，为防止渗水作用形成的流土和管涌影响堤防稳定，结合管道穿越形式和区域地质条件，提出采用泵送法输送混凝土封堵管道，在管道入口处由一节定做的变截面钢锥管与天然气管道连接，将天然气管道直接作为混凝土泵送管道，对其输送混凝土进行封堵并进行入口段防渗、出口段反滤、管周土体高喷截渗处理的堵复和加固方案，确保管道不危及堤防安全。同时对方案实施中自密实混凝土的配制与混凝土地泵选型进行分析和计算。该方案投资少，施工影响小，具有较高的社会、经济、生态效益。
关键词：管道堵复;泵送法;自密实混凝土;混凝土配制;地泵选型
中图分类号：TV871.2 文献标志码：A
水政执法人员巡查过程中发现，在东平湖围坝桩号40+050处，某天然气管道工程以定向钻穿越东平湖围坝的方式，违规布置了一根天然气输送管道。该管道的穿越堤防位置、范围不符合“有堤防河段新建管道工程原则上宜采取跨越堤防方式，管线工程确需采取穿越堤防方式的，须经充分论证，并采取相应的补救措施，保证管线本身出现任何安全故障时不得危及堤防安全”的规定。
本文以该管道穿越形式及区域地质资料为基础，就管道堵复方案进行分析研究，提出针对穿越堤防管道的加固方案，确保管道不危及堤防安全。
1 工程概况及处理必要性
该天然气管道为L360M直缝高频电阻焊管（D273mm×8.8mm。管道工程等级为河流中型穿越，穿越处管道地区等级为二级，定向钻曲率半径为1500D，人土角为11°，出土角为8°。管线设计压力为6.3MPa。管线总长565m，总体为U形。天然气管线顶部埋深为19.70m，入土点位于东平湖新湖区内，距围坝坝脚约135m，穿越围坝处桩号40+050，出土点距京杭运河西堤堤脚约75m。
天然气管道穿越堤防埋置地下，将会逐渐发生锈蚀渗漏或部分接口破坏，一旦启用新湖分洪或蓄水，一是水流会在管道内形成流路，渗水会带走河床和围坝基础下的土颗粒;二是由于定向钻施工过程中改变了原土层的结构特性，管道与土结合处易形成渗水通道，在高水压的作用下，将会沿管壁渗流或在长期渗水作用下形成流土或管涌。根据区域地质条件分析，场区地下水及湖水在浸水条件和干湿交替条件下，对钢结构具有微腐蚀性。以上现象将影响围坝稳定，给东平湖蓄滞洪水带来安全隐患，应予以消除。
东平湖滞洪区设计运用水位43.72m（1985国家高程基准，下同），相应滞洪量为33.54亿m3。东平湖围坝为I级堤防，如果管道处围坝决堤，遇东平湖新湖分洪运用，洪水将漫淹梁山县、郓城县的大部分，水顺京杭运河以西和洙赵新河以北人南阳湖，淹及嘉祥县和巨野县的一部分，共淹66个乡（镇），受淹面积3 319km2，受淹人口205.06万人，淹没耕地14.6万km2，不计林、牧、副、渔业及交通设施，一次决溢经济总损失约为43亿元。因此，从蓄滞洪区安全运用方面考虑，该管道存在的问题必须通过工程措施予以消除，以保证东平湖蓄滞洪区正常运用。
2 天然气管道封堵方案
2.1 封堵方案设计
针对该工程管道长、埋置深，且管道在地面以下呈U形布置的特点，如将管道全部挖出，对现有堤防工程的破坏很严重，放坡开挖挖地、压地多，移民赔偿工作难做，开挖管道投资高，环境破坏大，并严重影响梁济运河河道过流。为保证穿堤管道不危及堤防安全，结合管道长度长、管径较粗的实际情况，本次设计采用高压地泵输送混凝土封堵管道的方案。由于天然气管道长且为U形，混凝土泵送管道无法进入待封堵管道施工，因此拟将天然气管道直接用作混凝土泵送管道，人口处由一节定做的变截面钢锥管与天然气管道连接。地泵出口压力不小于混凝土最大泵送阻力。考虑工程的特殊性，如骨料太大容易在长距离泵送过程中将管道堵死，泵送混凝土采用具有良好填充性和间隙通过性的自密实微膨胀混凝土。针对整个管道的封堵加固，提出经济、合理、可行的实施方案：自密实微膨胀混凝土堵复管道、人口防渗、出口反滤、管周土体截渗处理的补救方案，见图1。
2.2 自密实混凝土配制与混凝土地泵选型
2.2.1 自密实混凝土配合比技术指标
自密实微膨胀混凝土的配制是管道堵复技术的核心。一般通过复合掺人活性矿物掺料和化学外加剂来降低水灰比，提高混凝土的流动性，并达到缓凝、保塑的施工要求。活性矿物掺料除了取代一部分水泥、减少收缩的作用外，还可以取代一部分细骨料，通过发挥其微集料效应，更好地填充混凝土内部的孔隙，起到改善混凝土的和易性和可泵性、提高混凝土的密实度和耐久性、减少泵送时混凝土对管壁的摩擦阻力的作用;因高强自密实混凝土所用胶凝材料总量在500～550kg/m3之间，砂率较大，粗骨料用量和粒径均较小，容易产生较强的收缩，引起内应力裂缝，从而导致混凝土强度和耐久性降低，需要通过加入膨胀剂来保证混凝土的无收缩或微膨胀。
天然气管道封堵采用高压地泵管道灌注，要求混凝土具有良好的工作性能，能够无需振捣自动填充，快速施工。要求混凝土坍落度为200mm±20mm，经时损失≤20mm/h，扩展度为600mm，无抗冻要求，混凝土强度等级为C30。
（1）原材料：①水泥型号为P·O 32.5，优先使用不含矿物掺合料的硅酸盐水泥;②砂为中砂，含泥量不得大于3%;③碎石规格及比例為细石子（粒径5～16mm）：粗石子（粒径5～25mm）=40：60;④粉煤灰为I级粉煤灰;⑤外加剂为聚羧酸高效减水剂;⑥膨胀剂为UEA膨胀剂。
（2）配合比设计如下。
①混凝土配合强度及配合比计算。根据设计要求以及《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011），要求该混凝土符合《自密实混凝土应用技术规程》（CECS 203-2006）中三级自密实要求。
水泥强度等级：
fce=γGfce.g=1.12×32.5=36.4MPa
胶凝材料28d胶砂抗压强度值：
fb=γfγsfce=0.85×1.0×36.4=30.94MPa
混凝土配合强度：
fcu.0≥fcu.k+1.645o-=30+1.654×5.0=38.27MPa
计算得自密实混凝土水胶比：
W/B=αafb=（fcu.0+αaαbfb）=0.46×30.94/（38.23+
0.46×0.07×30.94）=0.36
②水泥、掺合料、外加剂及用水量的确定。混凝土设计使用年限为100a，电通量指标小于1000C，环境作用等级为T1、H1。根据规程和设计要求，为满足其工作性要求，自密实混凝土胶凝材料总量不应小于500kg/m3，水胶比应小于0.35。为提高混凝土的耐久性，满足混凝土封堵管道要求，在混凝土中掺人粉煤灰、膨胀剂和减水剂，经试验确定用水量为164.4kg/m3。考虑掺有膨胀剂强度会降低，选取水胶比为0.30，此时有掺合料胶凝材料总量为548kg/m3，膨胀剂8%掺量等量取代水泥掺量为43.8kg/m3，粉煤灰20%掺量等量取代水泥掺量为109.6kg/m3[1]。
表1为C30自密实微膨胀混凝土参数和配合比。
2.2.2 混凝土输送地泵参数与选型
（1）混凝土泵的工作压力计算。混凝土泵送时总的压力损失为
P=P1+P2+P3式中：P1为混凝土在泵管内流动中的沿程压力损失，包括混凝土的黏性所产生的阻力以及混凝土流动中产生的摩擦阻力;P2为混凝土管中的弯管、锥管所产生的局部压力损失以及属于泵体的换算压力损失;尸。为混凝土垂直泵送时克服混凝土重力所需要的压力[2]。
根据《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T 10-2011），混凝土泵的额定工作压力应大于P。
每1m长水平管的压力损失
考虑锥管、弯管、倾斜上下管的水平换算，计算得管道的水平换算距离L为1215m，则
P1=ΔPH×L=0.00444×1215=5.39MPa
以每个弯管、锥管的换算压力损失为0.1MPa计，属于泵体的Y形管、分配阀换算压力损失约为0.08MPa，则
P20.1x3+0.08x2=0.46MPa
P3=ρgh=2350×9.8×（36.12-19.72）=0.38MPa
总压力损失P=5.39+0.46+0.38=6.23MPa。因此，混凝土泵的额定工作出口工作压力应大于6.23MPa，以此选配混凝土地泵型号。
（2）混凝土泵的数量及选型。混凝土输送泵由泵体和输送管组成，通过采用外部动力驱动泵送系统，通过液压系统利用压力将混凝土沿管道连续输送。本次封堵天然气管道对混凝土泵各系统的要求有[3]：①液压系统泵送油路采用开式回路，液压泵采用变量柱塞泵，额定压力高;分配回路采用恒压变量控制系统，液控换向。②泵送系统采用耐磨性能好的大直径混凝土缸。③搅拌系统采用定量齿轮泵系统，摆线马达通轴驱动搅拌叶片;料斗搅拌机构采用浮动密封，确保混凝土连续、高效泵送。④分配阀型式为S管阀，要求阀组质量稳定可靠。⑤具有冷却系统，确保设备即使在极端天气下也可正常工作。⑥油电两用的外部驱动确保适应野外供电不便的环境。
拟采用JBS40-10-45带搅拌滚筒中高压混凝土泵。最大理论混凝土输送量为40m3/h，输送泵缸径D=0.18m，混凝土缸内活塞冲程L=1.1m，混凝土缸数量为2。作业效率η为0.6，管配条件系数α为0.85，混凝土出口压力为10MPa，额定出料容量为0.45m3，额定功率为45kW。封堵管道的混凝土灌注量qn为9.0m3/h。
混凝土泵车需要台数N=qn/（qmaxη）=9.0/（40×0.6）=0.38，因此需要一台混凝土地泵车。
根据《大体积混凝土施工规范》（GB504%-2009），每台混凝土泵的实际平均输出量为Q=Qmax·α·η=40×0.85×0.6=20.4m3/h。封堵整个管道所需混凝土约为28.5m3，因此该混凝土地泵正常运转后约需1.5h可完成管道的封堵工作，实现快速施工要求。
2.3 天然气管道入口段防渗
为防止管道锈蚀破损及管道与土层连接处管道定向钻穿越施工造成的土层松动，或者新湖分洪蓄水运用后在长时间渗水作用下对围坝产生渗透破坏，需对管道人口段进行防滲处理，以防止土颗粒在长期渗透作用下被大量带出造成管涌破坏。
天然气管道封堵以后，管道人口处开挖基坑至黏土层顶高程以下1m，基坑内的管道一并拆除。基坑宽度为4m，顺管线长20m，深4.5m，边坡坡比1：20然后回填防水材料，由于当地黏土稀缺，因此采用当地土质较好的壤土加水泥，按水泥：壤土（质量比）为14：100制成水泥土，回填至地面高程以下1.0m处，水泥土上覆盖1.0m壤土，以便土地复耕。
2.4 天然气管道出口段反滤
为防止新湖长期渗水带走大量地下土颗粒，需对管道出口段进行反滤处理。考虑在管道封堵以后，管道出口处开挖基坑至地面以下3m，基坑宽度为4m，顺管线长15m，深3m，边坡坡比1：2。做3层反滤：自上而下分别为碎石厚0.5m、粗砂厚0.5m、中细砂厚0.5m。反滤层上覆壤土1.5m，以便土地复耕。
2.5 天然气管道管周围土体截渗加固
为了防止因管道施工扰动土体、固结后形成空洞影响围坝的安全，应对管周进行截渗处理。截渗墙工艺具有施工方便、工效高、可有效消除堤身堤基渗水等优点，尤其是可以解决堤基强透水层漏水问题。在堤身和堤基透水覆盖层中设置不透水截渗墙到相对不透水层，截断渗流途径，减小渗透流速、渗透坡降和出逸比降，从而防止堤坝发生管涌、流土、滑坡等渗透破坏，同时可减少工程永久占地及移民搬迁，是常用的堤坝加固措施。
考虑对施工造成的管道外壁土体松动及空隙进行加固，加固位置分别在：①紧挨人口防渗处（靠近围坝侧）顺管长8m;②从围坝临湖坝脚位置处向临湖侧顺管道方向加固30m，向背湖侧顺管方向加固至背湖坝脚外2m处，长度35m。加固长度共73m，高度为天然气管道中心线上、下各2m，宽度为天然气管道中心线左、右各2m。
目前，截渗墙加固施工工艺有多种，如混凝土截渗墙（开槽法）、水泥土搅拌桩截渗墙、振冲板墙截渗墙、高压定向喷射灌浆和垂直铺塑等。工程区地层大多为软塑、可塑状态，含水量高且成墙位置在堤防多个不同部位，地质结构变化较大，除高压旋喷灌浆工艺外，其他截渗墙工艺对管道周围扰动土的加固作用不明显，加固效果较差，因此采用高压旋喷截渗墙。
管道周围土体灌浆加固后，需对加固体上部未灌浆的钻孔进行封孔处理，防止形成新的渗流通道。经过对回填灌浆、黏土球封孔等措施进行经济技术比较后，确定采用既经济又便于实施的黏土球封孔。要求黏土球直径为2.0～2.5cm，风干后使用。黏土的黏粒含量大于30%，塑性指数大于17。采用黏土球封填时，按2.5倍孔内取出土体的质量向孔中投入黏土球，每次實际压实封孔的孔段长度控制为0.3m，工程钻孔孔径为130mm，孔体积为3.98×10-3m3，理论封填量为13.93kg。
3 结语
（1）东平湖围坝天然气管道堵复补救工程采用泵送自密实微膨胀混凝土，与传统开挖基坑再拆除管道相比，减少了基坑开挖土方及开挖土堆放临时占地费用，避免了施工期间对运河河道过流的影响，具有明显的社会效益、经济效益、防洪效益和生态环境效益。
（2）对确需穿越堤防的管线的补救措施，或违规穿越堤防的管线消除安全隐患工程措施，可利用自密实混凝土管道堵复技术，在较小投资的情况下消除堤防的安全隐患，而且不影响河道行洪和防洪。
（3）随着我国经济发展和沿河城市发展战略规划的逐步实施，近年来穿越河道输油、输气管道数量逐渐增多，管道的使用年限为 30～50a，远小于大堤的使用年限，待管道报废后，对爬越堤防及穿越主河槽的管道，可利用该方案将管道堵复和加固，以较小的投资消除隐患。该堵复技术在涉河项目中具有借鉴意义和推广应用价值。
参考文献：
[1]彭新颜.自密实微膨胀混凝土配合比设计和施工要点[J].科技致富向导，2010（14）：201-202.
[2]郑捷.混凝土泵送压力的几种计算方法[C]//中国硅酸盐学会.2009年全国商品混凝土技术与管理交流大会论文集.北京：中国硅酸盐学会，2009：244-246.
[3]李宝国.混凝土输送泵的选择[J].山西水利科技，2011（4）：46-47.
