張盛行，湯 雷，賈 宇， 2，王玉磊， 2

(1. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源和水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029； 2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

滲漏是堤壩的高發(fā)病害，也是引起潰堤、垮壩的重大隱患[1-3]。對我國1 146起潰壩事故的統(tǒng)計表明，由滲漏引起的有675起，約占58.9%[4]。汛期由滲漏引起潰壩的演變過程通常是潤濕→散浸→滲漏、流土→塌陷或坍塌→潰決[5-7]。其中，開始階段的潤濕、散浸在極端天氣下肉眼難以察覺。滲漏病害往往被看作潰壩的先兆險情，而且在汛期等極端條件下，從發(fā)現(xiàn)滲漏險情到潰壩往往歷時較短[8-10]。因此，快速、高效地封堵滲漏通道是應(yīng)急搶險工作中切斷潰壩災(zāi)害鏈的關(guān)鍵舉措?？赏ㄟ^應(yīng)急封堵手段，保證堤壩在汛期等極端天氣這一相對較短時間內(nèi)的安全運營，待控制險情后，再采用適當(dāng)?shù)姆罎B加固手段進(jìn)行修復(fù)。但常見的堵漏技術(shù)對堤壩水下滲漏應(yīng)急搶險修復(fù)均存在局限性[11-15]，迫切需要一種快速、高效的滲漏封堵方法應(yīng)急修復(fù)堤壩早期滲漏。南京水利科學(xué)研究院提出了一種應(yīng)急封堵水下滲漏通道的方法[16]。該方法利用水下封堵裝置，于滲漏入口處將相變材料加熱熔化為液態(tài)，在滲漏入口處流場吸力的作用下，液態(tài)相變材料被吸入滲漏通道，脫離熱源的液態(tài)相變材料由于熱量散失，在滲漏通道中逐漸凝固，進(jìn)而堵塞滲漏通道，達(dá)到應(yīng)急封堵水下滲漏通道的目的。

基于該應(yīng)急封堵方法，開展了室內(nèi)水下封堵試驗，以電磁感應(yīng)加熱[17]為基礎(chǔ)研制出高效水下加熱裝置[18]，實現(xiàn)了相變封堵材料水下快速定向加熱，并于江蘇省防汛防旱搶險中心開展現(xiàn)場滲漏應(yīng)急封堵試驗：(1) 通過使用導(dǎo)管在迎水坡設(shè)置滲漏進(jìn)水口、背水坡設(shè)置出水口模擬堤壩滲漏病害；(2) 在迎水坡滲漏進(jìn)水口處施放封堵設(shè)備，并實時監(jiān)測滲漏出水口的滲漏流量；(3) 啟動水下加熱裝置，使其熔化相變材料，加熱約3 min后，下游滲漏出水點無水流流出；(4) 挖出模擬滲漏通道，觀測材料在滲漏通道中的封堵效果:在封堵段內(nèi)充滿大量封堵材料，起到了堵塞滲漏通道、修復(fù)滲水病害的作用。

通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗，驗證了該方法應(yīng)急封堵滲漏通道的可行性，而且具有封堵滲漏快速、高效，設(shè)備易于攜帶、操作簡便等優(yōu)點。但是，該方法對封堵所用的相變材料要求較高，選擇適宜的相變材料是實現(xiàn)滲漏封堵成功的關(guān)鍵，相變材料凝固后封堵狀態(tài)是衡量封堵可靠性的重要指標(biāo)，也是確定該項技術(shù)適用范圍和使用工藝的重要因素。為此，本文使用電磁式水下加熱設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)水下封堵試驗，通過分析石蠟相變材料封堵滲漏通道的狀態(tài)及規(guī)律，對材料擴(kuò)散后的封堵狀態(tài)進(jìn)行了闡述和定量評價，為材料的進(jìn)一步選擇及研究提供思路，以完善該方法封堵理論和指導(dǎo)工程實踐。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

圖1 壩面滲漏模型

采用室內(nèi)壩面滲漏模型(圖1)，模型高40 cm，底部尺寸40 cm×30 cm，頂部尺寸40 cm×70 cm，壩面坡度為1∶1，滲漏孔外接導(dǎo)管模擬滲漏通道。通過調(diào)節(jié)模型內(nèi)水頭高度模擬水壓力。

加熱設(shè)備選用研制的電磁式水下加熱裝置，設(shè)備分為感應(yīng)加熱控制器和水下加熱板兩部分。其中，電磁加熱控制器可以將普通交流電整流為高頻高壓電流；水下加熱板內(nèi)含電磁線圈，通電后可產(chǎn)生高速變化的交變磁場；相變封堵材料內(nèi)部含有鐵片，由于磁通量的快速變化導(dǎo)致鐵片上產(chǎn)生無數(shù)電流渦流，從而使鐵片自身發(fā)熱，進(jìn)而熔化相變材料。為適應(yīng)試驗要求，感應(yīng)加熱控制器選用江信電磁生產(chǎn)的單相3 kW/220 V變頻電磁加熱控制器；水下加熱板尺寸設(shè)計為230 mm×230 mm，材料裝填尺寸為160 mm×160 mm×30 mm，內(nèi)置鐵片尺寸為150 mm×150 mm×1 mm。試驗用水選用潔凈自來水。

1.2 相變材料

試驗選用石蠟作為相變材料進(jìn)行封堵試驗，原因主要有以下幾點：(1) 石蠟常被用作混凝土滲透性試驗中的密封材料[19-20]，其抗?jié)B性能較好，能達(dá)到止水效果；(2) 密度與水相差不大，水下熔化后有利于減少材料散失，而且熔點適宜，利于水下熔化；(3) 石蠟性質(zhì)單一穩(wěn)定[21]，具有相變材料的代表性特征，選為試驗材料，可為以后的封堵材料配置及特性分析提供參考。試驗中石蠟選用大慶昆侖58#全精煉石蠟，其相關(guān)物理參數(shù)如表1。石蠟力學(xué)性能的相關(guān)研究較少，經(jīng)查閱文獻(xiàn)[22-23]，總結(jié)石蠟相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)如表1。

表1 58#石蠟相關(guān)物理和力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗步驟

(1) 材料裝填。將預(yù)制的相變封堵材料提前放置于水下加熱板的材料裝填區(qū)，并對水下加熱板安裝收放索。

(2) 滲漏模型蓄水。用止水夾夾緊滲漏通道模擬導(dǎo)管，蓄水至預(yù)定水位。

(3) 施放水下加熱板。利用收放索將水下加熱板下滑至壩面滲漏入口處。由于水下加熱板上的柔性護(hù)邊有透水作用，滲漏點處存在較大的吸力，這為相變材料被吸入滲漏通道提供了前提。

(4) 滲漏流量控制及測定。利用滲漏通道模擬導(dǎo)管上的止水夾控制滲漏流量，并調(diào)整模型進(jìn)水量，使進(jìn)水量與出水量動態(tài)平衡，保持水位穩(wěn)定，測讀此時的水溫。試驗中滲漏入水口的水頭均設(shè)置為0.2 m，水溫為(15±2)℃。

(5) 封堵。接通電源，啟動感應(yīng)加熱控制器。使用攝像機(jī)拍攝相變材料熔化擴(kuò)散情況，并記錄封堵用時。

(6) 封堵效果分析。封堵完成后，關(guān)閉電源，收回水下加熱板。剖開滲漏通道，量測封堵長度、有效封堵材料的質(zhì)量，觀測封堵形態(tài)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 石蠟材料封堵效果

封堵過程中，石蠟材料熔化為液態(tài)后與周圍水體結(jié)合良好，在滲漏入口吸力作用下，易流入滲漏通道；在材料熔化過程中，會出現(xiàn)石蠟“爆發(fā)式”流出現(xiàn)象(圖2)，此時大量液態(tài)石蠟涌入滲漏通道，隨著材料溫度降低，液態(tài)石蠟逐漸凝為固態(tài)，在滲漏通道中淤積堵塞，從而起到封堵滲漏通道的作用。經(jīng)多次試驗驗證，石蠟?zāi)軌蚍€(wěn)定地實現(xiàn)水下滲漏通道的封堵(圖3)，且用時較短，3 min內(nèi)均完成封堵，出水口無水流或僅有少量水流出。由于相變材料石蠟的物理性質(zhì)，從液態(tài)到凝固態(tài)有一定的時間差，能夠以液態(tài)形式流動較長的距離，在此過程由于熱量散失，逐漸凝固，因而封堵長度較長，并且隨水頭、滲漏量等因素變化而呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。在滲漏通道中凝固后的石蠟部分段較為密實，部分段稀松，且存在較為明顯的孔洞。但整體上來看，封堵段內(nèi)的石蠟材料呈現(xiàn)連續(xù)不間斷且充盈于滲漏通道的狀態(tài)。

圖2 石蠟熔化形態(tài)

圖3 石蠟封堵形態(tài)

2.2 石蠟材料封堵規(guī)律

為更好描述封堵后的狀態(tài)，封堵結(jié)束后，將相變封堵材料連續(xù)充盈于滲漏通道中的長度稱為封堵長度；將封堵長度內(nèi)相變封堵材料的總質(zhì)量稱為有效封堵材料量。在控制其他條件不變情況下，改變初始滲漏水流速進(jìn)行水下滲漏封堵室內(nèi)試驗，試驗后量測封堵于滲漏通道中石蠟的長度和質(zhì)量，得出關(guān)系曲線如圖4。可以看出，使用石蠟材料進(jìn)行堵漏試驗，封堵長度和有效封堵材料量隨初始滲漏流速的增大逐漸增加;且封堵長度與初始滲漏流速的線性關(guān)系較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.999 4，擬合得出線性方程如式(1)。

L=0.607 2v0+24.799v0≥0.2 m/s

(1)

式中：L為封堵長度；v0為初始滲漏流速。

同樣，在控制初始滲漏流量及其他條件不變情況下，只改變滲漏通道孔徑進(jìn)行水下滲漏封堵室內(nèi)試驗，試驗后量測封堵于滲漏通道中石蠟的長度，給出關(guān)系曲線如圖5。不難看出，使用石蠟材料進(jìn)行水下滲漏封堵，在滲漏流量不變情況下，封堵長度隨滲漏孔徑的增大而減小。究其原因，滲漏流量不變，滲漏孔徑增大，則流速隨滲漏孔徑的增大而減小，且封堵長度與滲漏流速線性相關(guān)，因而石蠟封堵滲漏通道的長度隨滲漏孔徑增大呈降低趨勢。

綜上，在試驗條件下，初始流速對封堵長度及有效封堵材料量影響較大，相同滲漏流量下漏洞越大則滲漏流速越小，石蠟在有限凝固時間內(nèi)封堵長度將縮短。

圖4 封堵長度、有效封堵材料量與初始滲漏流速關(guān)系

圖5 封堵長度與滲漏孔徑的關(guān)系

2.3 石蠟在滲漏通道中凝固的形態(tài)

在封堵長度內(nèi)封堵材料并非均勻分布，通過對比堵漏材料在滲漏通道中的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)封堵材料在滲漏通道中存在分段非均勻現(xiàn)象。

堵漏完成后，剖開模擬滲漏通道，并按封堵的相對位置收集滲漏通道中的石蠟，凝固形態(tài)如圖6所示。經(jīng)多次試驗，發(fā)現(xiàn)石蠟在滲漏通道中凝固形態(tài)沿封堵長度可劃分為具有明顯特征的3段。第1段為碎裂密實段，距離滲漏入口處最近，此段凝結(jié)有較為密實的塊狀石蠟，其截面完全充填滲漏通道，長度大多在1～5 cm，其間摻雜少量破碎的顆粒狀石蠟，多分布于塊狀石蠟碎裂處；第2段為松散破碎段，位于封堵段中部，全部為破碎的顆粒狀石蠟，多黏附于管壁，無完全充填滲漏通道的塊狀石蠟；第3段為斷裂密實段，距離滲漏入口最遠(yuǎn)，此段所占滲漏長度比例最大，凝結(jié)有密實的塊狀石蠟，截面完全填充滲漏通道；與第1段相比，石蠟長度較長，破碎的顆粒狀石蠟較少,此段也存在較多的殼狀、粘附于管壁上的石蠟體。其中，第3段斷裂密實段受滲漏通道孔徑影響較大：孔徑增大為20 mm時，滲漏通道中具有明顯第3段斷裂密實特征的石蠟封堵材料已觀測不到，僅存在具有第1段和第2段特征的石蠟封堵材料；孔徑增大后，沿封堵長度散布的顆粒狀石蠟明顯減少，塊狀密實石蠟明顯變大，長度明顯增長，多為3～5 cm。

圖6 石蠟在滲漏通道中的凝固形態(tài)

2.4 石蠟封堵線密度分析

石蠟材料封堵在滲漏通道中的形態(tài)非常不均勻，為細(xì)致探究石蠟在沿封堵長度的分布情況，引入封堵線密度概念，將沿封堵長度的單位長度封堵質(zhì)量稱為封堵線密度。在滲漏通道中的材料為塊結(jié)狀分布，封堵密度較為離散，難以準(zhǔn)確測量出各點密度，因此通過分段量測封堵通道中的石蠟，計算出相應(yīng)封堵密度，利用卷積平滑處理其分布曲線，以定性描述石蠟封堵材料在滲漏通道中凝固后的分布情況。

圖7 封堵線密度變化曲線

從圖7中可以看出，在連續(xù)不間斷的封堵段內(nèi)，第1段碎裂密實段封堵密度較大，第3段斷裂密實段封堵密度略小于第1段，第2段封堵密度最小。結(jié)合圖6，第1段在較為密實的石蠟塊間存在有破碎的石蠟顆粒，第3段幾乎無破碎的石蠟顆粒，多為密實的石蠟塊和殼狀石蠟，第2段全部為松散破碎的石蠟顆粒，因而造成了封堵密度的差異。因此在封堵長度內(nèi)，石蠟的封堵線密度大致呈現(xiàn)首尾較為密實，中間段較為稀松的狀態(tài)。對同一孔徑的滲漏通道，盡管封堵長度和封堵質(zhì)量隨滲漏流量增加而增加，但具有明顯特征三段的封堵線密度均隨著滲漏流量的增加而減小。

2.5 殘余材料分析

試驗完成后，收回水下加熱板，室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗中空腔體殘留石蠟的材料形態(tài)具有相似性(圖8)：殘余材料總是在空腔體的底部，而且是一塊完整的石蠟材料；兩側(cè)及底部同裝置四周布置的柔性裝置結(jié)合緊密，無熔化和流出痕跡；殘留材料縱向剖面呈“楔形”狀：從上向下逐漸變厚，且變化較為均勻。

封堵前，相變材料裝填均為水平設(shè)置，即裝填后相變材料表面、材料內(nèi)部鐵片及電磁線圈均保持平行(圖9)。封堵完成后，即使再加熱較長時間，殘余在空腔體內(nèi)的材料也不會發(fā)生相變。究其原因，水下加熱板處于富水環(huán)境中，由于熔化為液態(tài)的相變材料涌出加熱區(qū)域后，水介質(zhì)很快充盈于加熱鐵片四周，并不斷流動，從而切斷了熱源同殘余材料的傳熱路徑，造成材料剩余。在控制材料裝填尺寸及質(zhì)量相同的情況下，多次試驗后殘余材料形態(tài)均一致，且殘留質(zhì)量波動幅度不大，均在150 g左右，質(zhì)量變幅小于20%。說明此裝置水下熔化相變材料的傳熱過程及液態(tài)石蠟的擴(kuò)散機(jī)制較為穩(wěn)定。

圖8 殘留材料形態(tài)

圖9 水下加熱板剖面示意

3 結(jié) 語

基于一種堤壩水下滲漏通道應(yīng)急封堵新技術(shù)，借助自主研制的電磁式水下加熱設(shè)備，選用石蠟相變材料進(jìn)行滲漏通道封堵試驗，均達(dá)到了快速封堵滲漏通道的效果，分析了封堵后的狀態(tài)，得到如下結(jié)論：

(1) 石蠟材料經(jīng)水下相變封堵滲漏通道后，在滲漏通道中的封堵長度與有效封堵材料量均隨初始滲漏流速的增加而增加，隨滲漏孔徑的增大而減小，且封堵長度與初始滲漏流速有較強(qiáng)的線性關(guān)系。

(2) 石蠟在滲漏通道的封堵形態(tài)隨封堵長度有很大不同，可將其劃分為具有明顯特征的3段，即碎裂密實段、松散破碎段和斷裂密實段,并進(jìn)行相應(yīng)的描述和分析。

(3) 通過量測封堵段內(nèi)材料封堵線密度，定性描述了石蠟封堵材料在滲漏通道中凝固后的分布情況，對同一孔徑的滲漏通道，封堵線密度均隨滲漏流量的增加而減小。

(4) 封堵完成后，多次試驗的殘余材料均存在于空腔體下半部分，縱向剖面呈“楔形”狀，且質(zhì)量變幅小于20%?！八氯刍嘧儾牧蠎?yīng)急封堵滲漏通道”已經(jīng)過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場封堵試驗驗證了該方法的可行性，但針對水下加熱設(shè)備、相變封堵材料及封堵工藝仍有待進(jìn)一步完善,主要對石蠟材料水下相變后封堵滲漏通道的狀態(tài)進(jìn)行了探討，以對材料選擇、研究及工藝的改進(jìn)提供參考。