2羅 明 鍇

(1.南京水利科學研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所，江蘇 南京 210029； 2 河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098； 3 南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 210016)

滲漏是影響堤壩安全運行的的首要病害，若處理不及時，將帶來嚴重的隱患。對我國1 146起潰壩事故統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，由滲漏引起的有675起，約占58.9%[1-2]。尤其是我國早期修建的許多土石壩，限于當時的設計施工水平，在投入運營后均出現(xiàn)了不同程度的滲漏現(xiàn)象。當遭遇強降雨天氣或洪水時，滲漏病害更成為引發(fā)潰壩等危險的先兆險情。因此，堤壩的滲漏問題必須及時采取有效的措施進行處理，特別是在極端條件下堤壩的滲漏險情，應急封堵滲漏通道是切斷潰壩、垮壩災害鏈的關鍵舉措。然而，針對極端條件下中小型堤壩滲漏的應急搶險工作，當前的堵漏技術均存在不同程度的弊端和局限性，成為造成堤壩滲漏應急搶險工作的“瓶頸”[3-5]。例如應用較為普遍的帷幕灌漿方法，需提前打孔來灌注漿液，這不僅耗費了時間，還可能加重滲漏的險情[6-7]；應用土工布覆蓋法修補滲漏通道時，一般從堤壩頂部向下順坡面鋪設土工布，直到土工布覆蓋到滲水處，從而實現(xiàn)對裂縫的封閉封堵，但土工布在鋪設的過程中對壩面平整度要求較高，而且鋪設時容易被水流干擾，造成不平整，從而不能封閉漏水通道[8-9]；采用水下不分散混凝土修補水下滲漏通道時，需要將在水下也不分散的混凝土澆筑到滲漏位置，待混凝土凝固硬化實現(xiàn)對滲漏的封閉和修復，但水下澆筑混凝土時，難以確?；炷猎诹芽p位置持續(xù)凝固直到硬化，經(jīng)常被裂縫處的水流沖走，尤其是裂縫位于堤壩坡面的中上部時，采用水下不分散混凝土法修補尤為困難[10-11]。因此，針對堤壩水下滲漏通道，研究應急封堵新技術、新材料和新理論，具有十分重要的工程意義。

1 技術方案

堤壩滲漏問題主要是由孔洞、裂隙形成的集中滲漏通道造成的[12]。對極端條件下堤壩滲漏的搶險修復，快速、高效是封堵滲漏通道的首要要求。先保證堤壩在汛期這一相對較短時間內(nèi)安全運營，待控制險情后，可再采用適當?shù)姆罎B加固手段進行修復，以此來保證堤壩長期安全。基于該理念，課題組開展了“堤壩滲漏通道應急水下封堵關鍵技術”研究，提出了一種新的應急封堵水下滲漏通道方法。該方法通過水下熔化相變封堵材料，使其在滲漏流場吸力的作用下，以液體形態(tài)被吸入滲漏通道，脫離熱源后，相變封堵材料因熱量散失發(fā)生凝固，在滲漏通道淤積、堵塞，達到應急封堵滲漏通道的目的。作為應急封堵堤壩滲漏通道新方法的初步探索，本文僅對混凝土界面的水下滲漏通道展開了封堵試驗，以此來驗證該方法用于應急封堵堤壩滲漏的可行性。

1.1 水下加熱設備

基于上述水下滲漏通道應急封堵方法，自主研發(fā)了用于水下熔化相變材料的加熱設備，可以將固態(tài)相變材料快速、定向熔化成液態(tài)。先后比較了電阻絲加熱和電磁感應加熱兩種方式，其中，電阻絲加熱較為均勻，但溫升較慢，用時較長；感應加熱溫升較快，用時較短[13]。本文中試驗所用設備使用電磁感應的方式進行加熱。

加熱設備主要包括感應加熱控制器和水下加熱板兩部分，如圖1～2所示。其中，電磁加熱控制器控制設備的開啟，可以將普通交流電整流為高頻高壓電流，經(jīng)防水電線通入水下加熱封堵裝置；通入電流后，水下加熱板通電的電磁線圈將產(chǎn)生高速變化的交變磁場；置于相變封堵材料內(nèi)部的鐵片由于磁通量的快速變化產(chǎn)生無數(shù)電流渦流，從而使自身發(fā)熱，進而熔化相變材料。設備使用時，電磁加熱控制器置于堤壩上干燥處，將水下加熱封堵裝置鋪設相變封堵材料的一面貼合壩面，由收放索緩緩下放到滲漏點處，然后啟動加熱裝置，進行滲漏通道的封堵。封堵完成后，通過收放索回收水下加熱封堵裝置。

1.2 封堵材料

1.2.1相變過程

基于此水下滲漏通道應急封堵方法，相變封堵材料在堵漏過程中需經(jīng)過兩次固液相轉(zhuǎn)換，過程可劃分為關鍵的3步。

(1) 相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)。在水下加熱設備加熱下，置于水下加熱板中的固態(tài)相變封堵材料在動水環(huán)境中吸熱轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。此時需要保證水下加熱設備能夠高效、穩(wěn)定地將熱量傳遞給相變材料，使材料液化，但不發(fā)生氣化。

(2) 液態(tài)的相變封堵材料在滲漏流場作用下被吸入滲漏通道中，此時需要保證材料所受的滲漏入口處的吸力大于材料所受的重力和浮力的合力，因此需要對滲漏通道入口處的吸力進行調(diào)控，并對材料的密度提出一定的要求。

圖1 水下加熱裝置Fig.1 Underwater heating device

圖2 水下加熱封堵裝置剖面Fig.2 Section of underwater heating and plugging device

(3) 材料在滲漏通道中由液相轉(zhuǎn)化為固相。隨著熱量散失，液態(tài)相變封堵材料在滲漏通道中凝固，進而堵塞滲漏通道。因此，需保證材料的凝固點高于水溫，即在常溫下為穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)。

1.2.2基本要求

應急水下封堵滲漏通道對所使用的相變封堵材料應有以下幾點要求。

(1) 比重與水接近。相變材料的熔化和封堵滲漏通道的過程均處于水下環(huán)境中，比重過大(過小)會造成材料的下沉(上浮)，導致材料散失，從而降低封堵成功率。

(2) 熔點略高于常溫。基于實際工程要求，在常溫狀態(tài)下，相變材料必須為固態(tài)，然而在動水這一熱量散失較為迅速的環(huán)境中還要保證將其迅速熔化為液態(tài)，這就要求所用材料的熔點不能過高。因此，熔點是選擇封堵材料所考慮的重要因素。

(3) 抗?jié)B性。為有效封堵滲漏，要求材料有較好的抗?jié)B性能。

(4) 環(huán)保。由于該材料使用處于自然水域中，從生態(tài)角度出發(fā)，所使用的材料必須是無毒、無污染的材料。

1.2.3材料比選

基于上述要求，使用該方法封堵滲漏通道時，熔點和密度是選擇封堵材料的首要考慮條件。經(jīng)調(diào)研分析[14]，石蠟常被用作混凝土滲透性實驗中的密封材料，其抗?jié)B性能較好，密度與水相差不大，而且石蠟的熔點較低，適用于水下熔化，較為符合要求，因此被初步選做該封堵方法的試驗材料。石蠟熔點為47℃～64℃,相對密度為0.880～0.915。

當前，石蠟材料并無直接用于封堵滲漏通道的先例。國內(nèi)外針對石蠟、松香進行的物理力學性能研究也并不多見。Xiong等[15]通過單軸抗壓強度試驗研究了石蠟的物理力學性能，得出了石蠟的抗壓強度為658.4 kPa，彈性模量為55.7 MPa，并指出其應力應變曲線類似于鋼材。J.Morgan等[16]對蠟材進行了物理機械性能測試，指出其壓縮屈服應力和彈性模量均與溫度關系緊密，并通過直接剪切試驗測定了剪切屈服值約為0.9 MN/m2。石蠟的抗壓強度約為0.6～0.7 MPa，若能充分發(fā)揮材料強度，則能夠?qū)崿F(xiàn)對十幾米至幾十米水深的滲漏通道進行應急封堵，但材料強度的發(fā)揮不僅與本身的強度有關，同周圍介質(zhì)的相互作用也是其性能發(fā)揮的決定性因素。因此，開展耐水壓性能測試是論證此類材料是否能夠用于水下滲漏通道應急搶險的首要工作。

1.2.4材料抗水壓性能測試

為測試石蠟的抗水壓性能，通過氣壓加載水壓制作了相變封堵材料抗水壓性能測試裝置。該裝置主要包括水頭加載系統(tǒng)和滲漏通道模擬管件兩部分(見圖3)。通過氣壓作用于壓力桶桶內(nèi)水體，模擬不同水深處的水壓狀況。模擬滲漏通道是通過在PPR水管中灌注水泥砂漿，然后在水泥砂漿中部做出圓形通道，以此來模擬真實的滲漏通道環(huán)境。采用分級加壓、穩(wěn)定持壓的方式對滲漏通道內(nèi)的封堵材料進行測試，主要步驟如下所述。

(1) 將固態(tài)石蠟熔化，在不同孔徑滲漏通道中灌注不同長度的石蠟，待其凝結(jié)固化后，標定其堵塞長度，然后安裝在測試裝置的指定位置。

(2) 向壓力桶中注入清水，然后鎖緊壓力蓋并連接氣泵。

(3) 按每級0.05 MPa進行加壓，每加載一級持荷30 min，直至材料封堵失效，記錄失效時的水壓為該長度封堵材料的沖破水壓。

通過測試材料不同封堵長度的抗水壓能力，測定材料沖破時與水壓之間的關系如圖4所示，可以看出，石蠟的抗水壓能力隨封堵長度的增加而增大；當封堵長度大于15 cm時，可承受超過50 m水頭的壓力。而在封堵試驗中，材料封堵長度可達1 m以上，這就保證了對于小型滲漏通道，使用該材料可實現(xiàn)大水深下的穩(wěn)定封堵滲漏。因此，本文在后續(xù)試驗中，初步使用石蠟作為相變封堵材料。

圖3 相變封堵材料抗水壓性能測試裝置Fig.3 Test equipment for water pressure resistance of phase change plugging material

圖4 石蠟長度與沖破水壓的關系Fig.4 Relationship between length of paraffin wax and breaking water pressure

2 室內(nèi)試驗

2.1 試驗概況

使用有機玻璃板制作壩面滲漏模型，高40 cm，底部尺寸40 cm×30 cm，頂部尺寸為40 cm×70 cm，壩面坡度為1∶1。壩面設3個滲漏孔，孔徑為1.5 cm ，外接導管模擬滲漏通道。通過調(diào)節(jié)模型內(nèi)的水面高度模擬滲漏點不同水壓力(見圖5)。使用前述加熱設備進行堵漏試驗，關鍵參數(shù)為：電磁加熱控制器選用單向3 kW感應加熱控制器(見圖6)；水下加熱板內(nèi)置的電磁感應線圈為KT2116E電熱盤，材料裝填尺寸為18 cm×18 cm×3 cm(見圖7)。

2.2 試驗過程

試驗的主要步驟如下所述。

(1) 將預制的相變封堵材料放置于封堵裝置的材料裝填區(qū)。

(2) 對壩面滲漏模型進行蓄水，待達到預定水頭，控制進水量與滲漏量達到動態(tài)平衡，以保持水頭穩(wěn)定。

本次試驗水頭高度為0.2 m，滲漏通道出水流量控制為0.12 L/s，水溫為20.8℃。

圖5 室內(nèi)試驗模型Fig.5 Laboratory test model

圖6 感應加熱控制器Fig.6 Induction heating controller

圖7 水下加熱板Fig.7 Underwater heating plate

(3) 將水下加熱封堵裝置施放于模型壩面滲漏口處。由于水下加熱封堵裝置的柔性護邊有透水作用，且與壩面貼合部位存在空隙，此時滲漏點處存在較大的流場“吸力”作用，這為相變材料被吸入滲漏通道提供了前提。

(4) 利用攝像機拍攝相變材料熔化擴散情況，并記錄封堵用時。

(5) 啟動封堵裝置，加熱相變封堵材料，使其熔化為液態(tài)，從而在滲漏流場的作用下被吸入滲漏通道中。相變封堵材料熔化過程如圖8所示。

大量試驗均取得了相似的試驗結(jié)果。加熱15 s時，觀察到石蠟表層上緣恰有石蠟轉(zhuǎn)化成液態(tài)，說明內(nèi)部已有大量石蠟轉(zhuǎn)化成液態(tài)，并開始向石蠟表面?zhèn)鳠帷＜訜?0 s，石蠟表層從上緣開始逐漸向下蔓延式熔化，由于制作時石蠟表面和加熱片均為平行設置，但此時表面熔化卻存在很大異步性，說明該封堵材料在水下熔化時并不是均勻傳熱，內(nèi)部石蠟熔化后發(fā)生了涌動。加熱60 s，石蠟表層繼續(xù)向下熔化，熔化邊界接觸滲漏通道入水口，觀察到石蠟呈絮狀源源不斷流入滲漏通道。此時滲漏通道中水流流速減緩，說明已有石蠟在滲漏通道中凝固并積聚，起到一定的堵塞作用。加熱120 s，石蠟表層變化不大，液態(tài)石蠟仍和水流一同流入滲漏通道，流速減緩較為迅速，石蠟進入滲漏通道數(shù)量變少。說明此時已有大量石蠟在滲漏通道中凝固，堵塞作用增大，使?jié)B漏通道吸力變小，流量降低。加熱200 s，此階段觀察到液態(tài)石蠟大多在滲漏通道入水口處積聚，滲漏出口已無水流流出；相變材料容納腔體表層石蠟下部仍未熔化，上緣有水涌動。說明滲漏通道入水口吸力逐漸喪失，滲漏通道封堵已完成；相變材料腔體內(nèi)部已被水貫通，傳熱機制失效。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 相變材料熔化過程研究

觀察多次試驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)相變封堵材料熔化現(xiàn)象呈現(xiàn)一致性，對其進行總結(jié)分析進而得出了相變封堵材料熔化過程和規(guī)律：封堵完成后，相變封堵材料表面總是僅有上部熔化，即使封堵完成后繼續(xù)加熱一段時間，下部封堵材料表面也不會熔化(見圖9)，且殘留在空腔體中的封堵材料側(cè)剖面呈上部較薄，向下逐漸變厚的形狀(見圖10)。

根據(jù)此結(jié)果，對熔化過程進行了分析，將熔化過程劃分為4個階段。

(1) 初始階段。接通電源后，水下加熱板內(nèi)的電磁線圈產(chǎn)生高速變化的磁場，置于相變材料內(nèi)部的鐵片由于電磁感應迅速生熱。此階段鐵片溫升均勻，鐵片周圍相變材料均勻熔化，如圖11(a)所示。

(2) 漸變階段。熔化為液態(tài)的石蠟向外部固態(tài)石蠟傳導熱量，內(nèi)部的石蠟逐漸蔓延式熔化。隨著底部石蠟熔化至海綿處，兩側(cè)石蠟向海綿孔隙擴散，底部液態(tài)石蠟與水接觸。由于浮力作用，石蠟上浮，下部形成充水區(qū)，下部鐵片與石蠟熱傳導失效，如圖11(b)所示。

(3) 擴展階段。上部石蠟熔化，部分石蠟透入上部海綿孔隙，由于脫離了熱源石蠟逐漸凝固，堵塞海綿孔隙，隨著底部石蠟繼續(xù)上涌，液態(tài)石蠟在海綿空腔體上部積聚，此階段會有少量石蠟從上部噴出，如圖11(c)所示。

(4) 破壁階段。隨著內(nèi)部液態(tài)石蠟在海綿空腔體上部積聚，上部石蠟外側(cè)面熔化，在浮力與吸力作用下浮出水面或進入滲漏通道，水介質(zhì)充盈于鐵片與石蠟之間，如圖11(d)所示。

圖9 封堵完成后空腔體中封堵材料的形態(tài)Fig.9 The shape of the sealing material in the cavity after the completion of sealing

圖10 殘余相變材料剖面Fig.10 Profile section of residual phase change material

3.2 液態(tài)相變材料擴散及封堵機制

在相變材料表面未發(fā)生“破壁”時，與加熱片接觸的相變材料逐漸熔化，并在重力和浮力作用下向海綿上部及兩側(cè)孔隙中擴散。當表面相變材料發(fā)生“破壁”時，相變材料受到流場吸力作用，隨水流一同被“吸入”滲漏通道。

圖11 相變材料熔化過程Fig.11 Phase change material melting process

在滲漏通道中的相變封堵材料，由于脫離了熱源，熱量逐漸散失，進而逐漸凝固。起初凝固的相變材料呈絮狀，隨著轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的封堵材料越來越多，逐漸在滲漏通道中淤積，從而堵塞滲漏通道，達到封堵的效果。

3.3 封堵材料用量

如圖12所示，通過控制變量法對孔徑為8，14，20 mm的滲漏通道分別進行了2次水下封堵試驗。試驗所用水下加熱板中相變材料體積均設置為18 cm×18 cm×3 cm，質(zhì)量約為0.86 kg。試驗均取得了較好的封堵效果，封堵用時均為3 min左右。收集水下加熱盤內(nèi)殘余材料并稱重，發(fā)現(xiàn)殘留質(zhì)量波動幅度不大,殘留質(zhì)量多在150 g左右，且同多次試驗后殘余材料的平均質(zhì)量相比，質(zhì)量波動的百分比小于20%。由于殘留材料可以重復使用，故將材料總量扣除殘余材料量作為封堵材料用量，如圖13所示。

圖12 不同孔徑滲漏通道封堵試驗Fig.12 Sealing test for leakage passage with different sizes orifice

從圖13中可以看出，改變孔徑大小，對封堵材料用量沒有較大的影響。究其原因，是因該組試驗所用的封堵材料量尚未達到當前條件下(水溫、滲漏孔徑)所需封堵量的極限值。當封堵材料以液態(tài)形式進入滲漏通道中時，由于脫離熱源，逐漸凝為固態(tài)，從而堵塞滲漏通道。然而，由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)需要一定的時間，且這個轉(zhuǎn)換過程所需時間同周圍水溫關系很大[17]：水溫越低，同液態(tài)相變材料溫差越大，傳熱速度就越快，相變材料凝固時間就越短；反之亦然。封堵過程中，當滲漏通道中封堵材料逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，將對滲漏引起的流場力產(chǎn)生較大的削弱，使?jié)B漏入口處“吸力”變小，這將對滲漏通道入水口與出水口產(chǎn)生不同的影響：對于滲漏入口出水點，滲漏通道中封堵材料的凝固將會使其滲漏減小，達到滲漏修復的目的；對于滲漏入水點，吸力的減小將會降低后續(xù)相變材料進入滲漏通道中的量，造成相變材料的散失。當封堵材料用量過小時，盡管有效封堵材料能夠全部進入滲漏通道中，但不能完全封堵滲漏；當封堵材料用量過多時，能夠完全封堵滲漏通道，但會造成材料的浪費，延長封堵時間。因此，材料用量將會有兩個極限值：滿足恰能滲漏封堵的用量最小值及恰能不引起滲漏封堵材料浪費的用量最大值。然而，由于水頭、流量、溫度、材料性質(zhì)及設備功率等變量都會對上述兩個極限點造成影響，因此，當前尚未對上述極限值做出定量的分析。

圖13 封堵材料用量Fig.13 Amount of sealing material

4 現(xiàn)場封堵試驗

為驗證此應急封堵方法在真實環(huán)境下的應用效果，于江蘇省紅山窯防汛訓練基地開展現(xiàn)場滲漏應急封堵試驗，壩面迎水面坡度1∶1，壩高8.1 m(見圖14)。通過制作混凝土面板模擬實際工程中的混凝土面板壩，在混凝土面板上開孔并接上管道模擬滲漏通道(見圖15)。

將混凝土面板沿壩坡放入上游水中，并固定位置；將模擬滲漏通道出水點置于背水坡面，并實時監(jiān)控出水量。然后將水下封堵裝置放置于滲漏通道入水點處，啟動電磁感應控制器，開始封堵。

2 min后，下游滲漏出水點無水流流出，表明已完成滲漏通道封堵。挖出模擬滲漏通道，量取封堵長度約5 m，在該長度段內(nèi)，充滿大量封堵材料，部分呈絮狀充盈與管道內(nèi)；部分較為密實，起到堵塞滲漏通道的作用(見圖16～17)。水下封堵裝置內(nèi)材料表面仍僅有上部熔化，這與室內(nèi)試驗結(jié)果一致，表明該材料水下熔化過程具有普遍性。

圖14 試驗場地Fig.14 Test site

圖15 面板滲漏通道Fig.15 Panel leakage channel

圖16 封堵長度Fig.16 Sealing length

現(xiàn)場試驗表明，本文所述的應急封堵方法可實現(xiàn)對混凝土面板上的小型滲漏快速封堵，儀器輕便易操作。對比當前其他堵漏方法，具有無需人工潛水作業(yè)、所需材料用量少、無需大面積修復、只需點對點封堵的特點，具有較高的經(jīng)濟效益。但也存在很多問題亟待解決，如材料強度較低，只能適用于應急搶險修復，待汛期退后，還需進一步進行防滲加固；對滲漏通道入口處需要做到較為準確的定位，這對滲漏探測技術有較高的要求等。

圖17 封堵形態(tài)Fig.17 Sealing form

5 總結(jié)與討論

本文介紹了一種水下熔化相變材料應急封堵滲漏通道的方法，并介紹了相適用的水下加熱設備。通過室內(nèi)試驗闡明了當前使用的相變封堵材料熔化過程，并總結(jié)了封堵材料擴散規(guī)律和封堵機理，得到如下結(jié)論。

(1) 通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，證實該方法可以實現(xiàn)對混凝土界面中小型滲漏通道快速有效封堵。而且該方法具有封堵滲漏通道快速高效、設備易于攜帶、操作簡單方便等優(yōu)點。

(2) 結(jié)合試驗過程現(xiàn)象，描述了水下熔化時相變封堵材料狀態(tài)隨加熱時間的變化。通過多次試驗現(xiàn)象的相似性，分析了當前使用相變封堵在水下的熔化過程，將該熔化過程過程分為具有典型特征的4個階段，即初始階段、漸變、擴展階段和破壁階段。

(3) 研究了相變封堵材料水下熔化后的擴散規(guī)律和封堵機制，將相變材料的擴散分為“破壁”前和“破壁”后兩個階段，并分析了封堵材料用量。

(4) 本文僅對提出的該方法進行了初步探索，論證了該方法的可行性。在土石堤壩適用性、設備的優(yōu)化、封堵材料改進、外界因素對封堵效果的影響等方面仍需進一步研究。