堤坝水下渗漏通道应急封堵方法试验研究

2罗 明 锴

(1.南京水利科学研究院 材料结构研究所，江苏 南京 210029； 2 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098； 3 南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 210016)

渗漏是影响堤坝安全运行的的首要病害，若处理不及时，将带来严重的隐患。对我国1 146起溃坝事故统计后发现，由渗漏引起的有675起，约占58.9%[1-2]。尤其是我国早期修建的许多土石坝，限于当时的设计施工水平，在投入运营后均出现了不同程度的渗漏现象。当遭遇强降雨天气或洪水时，渗漏病害更成为引发溃坝等危险的先兆险情。因此，堤坝的渗漏问题必须及时采取有效的措施进行处理，特别是在极端条件下堤坝的渗漏险情，应急封堵渗漏通道是切断溃坝、垮坝灾害链的关键举措。然而，针对极端条件下中小型堤坝渗漏的应急抢险工作，当前的堵漏技术均存在不同程度的弊端和局限性，成为造成堤坝渗漏应急抢险工作的“瓶颈”[3-5]。例如应用较为普遍的帷幕灌浆方法，需提前打孔来灌注浆液，这不仅耗费了时间，还可能加重渗漏的险情[6-7]；应用土工布覆盖法修补渗漏通道时，一般从堤坝顶部向下顺坡面铺设土工布，直到土工布覆盖到渗水处，从而实现对裂缝的封闭封堵，但土工布在铺设的过程中对坝面平整度要求较高，而且铺设时容易被水流干扰，造成不平整，从而不能封闭漏水通道[8-9]；采用水下不分散混凝土修补水下渗漏通道时，需要将在水下也不分散的混凝土浇筑到渗漏位置，待混凝土凝固硬化实现对渗漏的封闭和修复，但水下浇筑混凝土时，难以确保混凝土在裂缝位置持续凝固直到硬化，经常被裂缝处的水流冲走，尤其是裂缝位于堤坝坡面的中上部时，采用水下不分散混凝土法修补尤为困难[10-11]。因此，针对堤坝水下渗漏通道，研究应急封堵新技术、新材料和新理论，具有十分重要的工程意义。

1 技术方案

堤坝渗漏问题主要是由孔洞、裂隙形成的集中渗漏通道造成的[12]。对极端条件下堤坝渗漏的抢险修复，快速、高效是封堵渗漏通道的首要要求。先保证堤坝在汛期这一相对较短时间内安全运营，待控制险情后，可再采用适当的防渗加固手段进行修复，以此来保证堤坝长期安全。基于该理念，课题组开展了“堤坝渗漏通道应急水下封堵关键技术”研究，提出了一种新的应急封堵水下渗漏通道方法。该方法通过水下熔化相变封堵材料，使其在渗漏流场吸力的作用下，以液体形态被吸入渗漏通道，脱离热源后，相变封堵材料因热量散失发生凝固，在渗漏通道淤积、堵塞，达到应急封堵渗漏通道的目的。作为应急封堵堤坝渗漏通道新方法的初步探索，本文仅对混凝土界面的水下渗漏通道展开了封堵试验，以此来验证该方法用于应急封堵堤坝渗漏的可行性。

1.1 水下加热设备

基于上述水下渗漏通道应急封堵方法，自主研发了用于水下熔化相变材料的加热设备，可以将固态相变材料快速、定向熔化成液态。先后比较了电阻丝加热和电磁感应加热两种方式，其中，电阻丝加热较为均匀，但温升较慢，用时较长；感应加热温升较快，用时较短[13]。本文中试验所用设备使用电磁感应的方式进行加热。

加热设备主要包括感应加热控制器和水下加热板两部分，如图1～2所示。其中，电磁加热控制器控制设备的开启，可以将普通交流电整流为高频高压电流，经防水电线通入水下加热封堵装置；通入电流后，水下加热板通电的电磁线圈将产生高速变化的交变磁场；置于相变封堵材料内部的铁片由于磁通量的快速变化产生无数电流涡流，从而使自身发热，进而熔化相变材料。设备使用时，电磁加热控制器置于堤坝上干燥处，将水下加热封堵装置铺设相变封堵材料的一面贴合坝面，由收放索缓缓下放到渗漏点处，然后启动加热装置，进行渗漏通道的封堵。封堵完成后，通过收放索回收水下加热封堵装置。

1.2 封堵材料

1.2.1相变过程

基于此水下渗漏通道应急封堵方法，相变封堵材料在堵漏过程中需经过两次固液相转换，过程可划分为关键的3步。

(1) 相变材料由固态转为液态。在水下加热设备加热下，置于水下加热板中的固态相变封堵材料在动水环境中吸热转变为液态。此时需要保证水下加热设备能够高效、稳定地将热量传递给相变材料，使材料液化，但不发生气化。

(2) 液态的相变封堵材料在渗漏流场作用下被吸入渗漏通道中，此时需要保证材料所受的渗漏入口处的吸力大于材料所受的重力和浮力的合力，因此需要对渗漏通道入口处的吸力进行调控，并对材料的密度提出一定的要求。

图1 水下加热装置Fig.1 Underwater heating device

图2 水下加热封堵装置剖面Fig.2 Section of underwater heating and plugging device

(3) 材料在渗漏通道中由液相转化为固相。随着热量散失，液态相变封堵材料在渗漏通道中凝固，进而堵塞渗漏通道。因此，需保证材料的凝固点高于水温，即在常温下为稳定的固态物质。

1.2.2基本要求

应急水下封堵渗漏通道对所使用的相变封堵材料应有以下几点要求。

(1) 比重与水接近。相变材料的熔化和封堵渗漏通道的过程均处于水下环境中，比重过大(过小)会造成材料的下沉(上浮)，导致材料散失，从而降低封堵成功率。

(2) 熔点略高于常温。基于实际工程要求，在常温状态下，相变材料必须为固态，然而在动水这一热量散失较为迅速的环境中还要保证将其迅速熔化为液态，这就要求所用材料的熔点不能过高。因此，熔点是选择封堵材料所考虑的重要因素。

(3) 抗渗性。为有效封堵渗漏，要求材料有较好的抗渗性能。

(4) 环保。由于该材料使用处于自然水域中，从生态角度出发，所使用的材料必须是无毒、无污染的材料。

1.2.3材料比选

基于上述要求，使用该方法封堵渗漏通道时，熔点和密度是选择封堵材料的首要考虑条件。经调研分析[14]，石蜡常被用作混凝土渗透性实验中的密封材料，其抗渗性能较好，密度与水相差不大，而且石蜡的熔点较低，适用于水下熔化，较为符合要求，因此被初步选做该封堵方法的试验材料。石蜡熔点为47℃～64℃,相对密度为0.880～0.915。

当前，石蜡材料并无直接用于封堵渗漏通道的先例。国内外针对石蜡、松香进行的物理力学性能研究也并不多见。Xiong等[15]通过单轴抗压强度试验研究了石蜡的物理力学性能，得出了石蜡的抗压强度为658.4 kPa，弹性模量为55.7 MPa，并指出其应力应变曲线类似于钢材。J.Morgan等[16]对蜡材进行了物理机械性能测试，指出其压缩屈服应力和弹性模量均与温度关系紧密，并通过直接剪切试验测定了剪切屈服值约为0.9 MN/m2。石蜡的抗压强度约为0.6～0.7 MPa，若能充分发挥材料强度，则能够实现对十几米至几十米水深的渗漏通道进行应急封堵，但材料强度的发挥不仅与本身的强度有关，同周围介质的相互作用也是其性能发挥的决定性因素。因此，开展耐水压性能测试是论证此类材料是否能够用于水下渗漏通道应急抢险的首要工作。

1.2.4材料抗水压性能测试

为测试石蜡的抗水压性能，通过气压加载水压制作了相变封堵材料抗水压性能测试装置。该装置主要包括水头加载系统和渗漏通道模拟管件两部分(见图3)。通过气压作用于压力桶桶内水体，模拟不同水深处的水压状况。模拟渗漏通道是通过在PPR水管中灌注水泥砂浆，然后在水泥砂浆中部做出圆形通道，以此来模拟真实的渗漏通道环境。采用分级加压、稳定持压的方式对渗漏通道内的封堵材料进行测试，主要步骤如下所述。

(1) 将固态石蜡熔化，在不同孔径渗漏通道中灌注不同长度的石蜡，待其凝结固化后，标定其堵塞长度，然后安装在测试装置的指定位置。

(2) 向压力桶中注入清水，然后锁紧压力盖并连接气泵。

(3) 按每级0.05 MPa进行加压，每加载一级持荷30 min，直至材料封堵失效，记录失效时的水压为该长度封堵材料的冲破水压。

通过测试材料不同封堵长度的抗水压能力，测定材料冲破时与水压之间的关系如图4所示，可以看出，石蜡的抗水压能力随封堵长度的增加而增大；当封堵长度大于15 cm时，可承受超过50 m水头的压力。而在封堵试验中，材料封堵长度可达1 m以上，这就保证了对于小型渗漏通道，使用该材料可实现大水深下的稳定封堵渗漏。因此，本文在后续试验中，初步使用石蜡作为相变封堵材料。

图3 相变封堵材料抗水压性能测试装置Fig.3 Test equipment for water pressure resistance of phase change plugging material

图4 石蜡长度与冲破水压的关系Fig.4 Relationship between length of paraffin wax and breaking water pressure

2 室内试验

2.1 试验概况

使用有机玻璃板制作坝面渗漏模型，高40 cm，底部尺寸40 cm×30 cm，顶部尺寸为40 cm×70 cm，坝面坡度为1∶1。坝面设3个渗漏孔，孔径为1.5 cm ，外接导管模拟渗漏通道。通过调节模型内的水面高度模拟渗漏点不同水压力(见图5)。使用前述加热设备进行堵漏试验，关键参数为：电磁加热控制器选用单向3 kW感应加热控制器(见图6)；水下加热板内置的电磁感应线圈为KT2116E电热盘，材料装填尺寸为18 cm×18 cm×3 cm(见图7)。

2.2 试验过程

试验的主要步骤如下所述。

(1) 将预制的相变封堵材料放置于封堵装置的材料装填区。

(2) 对坝面渗漏模型进行蓄水，待达到预定水头，控制进水量与渗漏量达到动态平衡，以保持水头稳定。

本次试验水头高度为0.2 m，渗漏通道出水流量控制为0.12 L/s，水温为20.8℃。

图5 室内试验模型Fig.5 Laboratory test model

图6 感应加热控制器Fig.6 Induction heating controller

图7 水下加热板Fig.7 Underwater heating plate

(3) 将水下加热封堵装置施放于模型坝面渗漏口处。由于水下加热封堵装置的柔性护边有透水作用，且与坝面贴合部位存在空隙，此时渗漏点处存在较大的流场“吸力”作用，这为相变材料被吸入渗漏通道提供了前提。

(4) 利用摄像机拍摄相变材料熔化扩散情况，并记录封堵用时。

(5) 启动封堵装置，加热相变封堵材料，使其熔化为液态，从而在渗漏流场的作用下被吸入渗漏通道中。相变封堵材料熔化过程如图8所示。

大量试验均取得了相似的试验结果。加热15 s时，观察到石蜡表层上缘恰有石蜡转化成液态，说明内部已有大量石蜡转化成液态，并开始向石蜡表面传热。加热30 s，石蜡表层从上缘开始逐渐向下蔓延式熔化，由于制作时石蜡表面和加热片均为平行设置，但此时表面熔化却存在很大异步性，说明该封堵材料在水下熔化时并不是均匀传热，内部石蜡熔化后发生了涌动。加热60 s，石蜡表层继续向下熔化，熔化边界接触渗漏通道入水口，观察到石蜡呈絮状源源不断流入渗漏通道。此时渗漏通道中水流流速减缓，说明已有石蜡在渗漏通道中凝固并积聚，起到一定的堵塞作用。加热120 s，石蜡表层变化不大，液态石蜡仍和水流一同流入渗漏通道，流速减缓较为迅速，石蜡进入渗漏通道数量变少。说明此时已有大量石蜡在渗漏通道中凝固，堵塞作用增大，使渗漏通道吸力变小，流量降低。加热200 s，此阶段观察到液态石蜡大多在渗漏通道入水口处积聚，渗漏出口已无水流流出；相变材料容纳腔体表层石蜡下部仍未熔化，上缘有水涌动。说明渗漏通道入水口吸力逐渐丧失，渗漏通道封堵已完成；相变材料腔体内部已被水贯通，传热机制失效。

3 试验结果分析

3.1 相变材料熔化过程研究

观察多次试验现象，发现相变封堵材料熔化现象呈现一致性，对其进行总结分析进而得出了相变封堵材料熔化过程和规律：封堵完成后，相变封堵材料表面总是仅有上部熔化，即使封堵完成后继续加热一段时间，下部封堵材料表面也不会熔化(见图9)，且残留在空腔体中的封堵材料侧剖面呈上部较薄，向下逐渐变厚的形状(见图10)。

根据此结果，对熔化过程进行了分析，将熔化过程划分为4个阶段。

(1) 初始阶段。接通电源后，水下加热板内的电磁线圈产生高速变化的磁场，置于相变材料内部的铁片由于电磁感应迅速生热。此阶段铁片温升均匀，铁片周围相变材料均匀熔化，如图11(a)所示。

(2) 渐变阶段。熔化为液态的石蜡向外部固态石蜡传导热量，内部的石蜡逐渐蔓延式熔化。随着底部石蜡熔化至海绵处，两侧石蜡向海绵孔隙扩散，底部液态石蜡与水接触。由于浮力作用，石蜡上浮，下部形成充水区，下部铁片与石蜡热传导失效，如图11(b)所示。

(3) 扩展阶段。上部石蜡熔化，部分石蜡透入上部海绵孔隙，由于脱离了热源石蜡逐渐凝固，堵塞海绵孔隙，随着底部石蜡继续上涌，液态石蜡在海绵空腔体上部积聚，此阶段会有少量石蜡从上部喷出，如图11(c)所示。

(4) 破壁阶段。随着内部液态石蜡在海绵空腔体上部积聚，上部石蜡外侧面熔化，在浮力与吸力作用下浮出水面或进入渗漏通道，水介质充盈于铁片与石蜡之间，如图11(d)所示。

图9 封堵完成后空腔体中封堵材料的形态Fig.9 The shape of the sealing material in the cavity after the completion of sealing

图10 残余相变材料剖面Fig.10 Profile section of residual phase change material

3.2 液态相变材料扩散及封堵机制

在相变材料表面未发生“破壁”时，与加热片接触的相变材料逐渐熔化，并在重力和浮力作用下向海绵上部及两侧孔隙中扩散。当表面相变材料发生“破壁”时，相变材料受到流场吸力作用，随水流一同被“吸入”渗漏通道。

图11 相变材料熔化过程Fig.11 Phase change material melting process

在渗漏通道中的相变封堵材料，由于脱离了热源，热量逐渐散失，进而逐渐凝固。起初凝固的相变材料呈絮状，随着转变为固态的封堵材料越来越多，逐渐在渗漏通道中淤积，从而堵塞渗漏通道，达到封堵的效果。

3.3 封堵材料用量

如图12所示，通过控制变量法对孔径为8，14，20 mm的渗漏通道分别进行了2次水下封堵试验。试验所用水下加热板中相变材料体积均设置为18 cm×18 cm×3 cm，质量约为0.86 kg。试验均取得了较好的封堵效果，封堵用时均为3 min左右。收集水下加热盘内残余材料并称重，发现残留质量波动幅度不大,残留质量多在150 g左右，且同多次试验后残余材料的平均质量相比，质量波动的百分比小于20%。由于残留材料可以重复使用，故将材料总量扣除残余材料量作为封堵材料用量，如图13所示。

图12 不同孔径渗漏通道封堵试验Fig.12 Sealing test for leakage passage with different sizes orifice

从图13中可以看出，改变孔径大小，对封堵材料用量没有较大的影响。究其原因，是因该组试验所用的封堵材料量尚未达到当前条件下(水温、渗漏孔径)所需封堵量的极限值。当封堵材料以液态形式进入渗漏通道中时，由于脱离热源，逐渐凝为固态，从而堵塞渗漏通道。然而，由液态转为固态需要一定的时间，且这个转换过程所需时间同周围水温关系很大[17]：水温越低，同液态相变材料温差越大，传热速度就越快，相变材料凝固时间就越短；反之亦然。封堵过程中，当渗漏通道中封堵材料逐步转变为固态，将对渗漏引起的流场力产生较大的削弱，使渗漏入口处“吸力”变小，这将对渗漏通道入水口与出水口产生不同的影响：对于渗漏入口出水点，渗漏通道中封堵材料的凝固将会使其渗漏减小，达到渗漏修复的目的；对于渗漏入水点，吸力的减小将会降低后续相变材料进入渗漏通道中的量，造成相变材料的散失。当封堵材料用量过小时，尽管有效封堵材料能够全部进入渗漏通道中，但不能完全封堵渗漏；当封堵材料用量过多时，能够完全封堵渗漏通道，但会造成材料的浪费，延长封堵时间。因此，材料用量将会有两个极限值：满足恰能渗漏封堵的用量最小值及恰能不引起渗漏封堵材料浪费的用量最大值。然而，由于水头、流量、温度、材料性质及设备功率等变量都会对上述两个极限点造成影响，因此，当前尚未对上述极限值做出定量的分析。

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

4 现场封堵试验

为验证此应急封堵方法在真实环境下的应用效果，于江苏省红山窑防汛训练基地开展现场渗漏应急封堵试验，坝面迎水面坡度1∶1，坝高8.1 m(见图14)。通过制作混凝土面板模拟实际工程中的混凝土面板坝，在混凝土面板上开孔并接上管道模拟渗漏通道(见图15)。

将混凝土面板沿坝坡放入上游水中，并固定位置；将模拟渗漏通道出水点置于背水坡面，并实时监控出水量。然后将水下封堵装置放置于渗漏通道入水点处，启动电磁感应控制器，开始封堵。

2 min后，下游渗漏出水点无水流流出，表明已完成渗漏通道封堵。挖出模拟渗漏通道，量取封堵长度约5 m，在该长度段内，充满大量封堵材料，部分呈絮状充盈与管道内；部分较为密实，起到堵塞渗漏通道的作用(见图16～17)。水下封堵装置内材料表面仍仅有上部熔化，这与室内试验结果一致，表明该材料水下熔化过程具有普遍性。

图14 试验场地Fig.14 Test site

图15 面板渗漏通道Fig.15 Panel leakage channel

图16 封堵长度Fig.16 Sealing length

现场试验表明，本文所述的应急封堵方法可实现对混凝土面板上的小型渗漏快速封堵，仪器轻便易操作。对比当前其他堵漏方法，具有无需人工潜水作业、所需材料用量少、无需大面积修复、只需点对点封堵的特点，具有较高的经济效益。但也存在很多问题亟待解决，如材料强度较低，只能适用于应急抢险修复，待汛期退后，还需进一步进行防渗加固；对渗漏通道入口处需要做到较为准确的定位，这对渗漏探测技术有较高的要求等。

图17 封堵形态Fig.17 Sealing form

5 总结与讨论

本文介绍了一种水下熔化相变材料应急封堵渗漏通道的方法，并介绍了相适用的水下加热设备。通过室内试验阐明了当前使用的相变封堵材料熔化过程，并总结了封堵材料扩散规律和封堵机理，得到如下结论。

(1) 通过室内试验和现场试验，证实该方法可以实现对混凝土界面中小型渗漏通道快速有效封堵。而且该方法具有封堵渗漏通道快速高效、设备易于携带、操作简单方便等优点。

(2) 结合试验过程现象，描述了水下熔化时相变封堵材料状态随加热时间的变化。通过多次试验现象的相似性，分析了当前使用相变封堵在水下的熔化过程，将该熔化过程过程分为具有典型特征的4个阶段，即初始阶段、渐变、扩展阶段和破壁阶段。

(3) 研究了相变封堵材料水下熔化后的扩散规律和封堵机制，将相变材料的扩散分为“破壁”前和“破壁”后两个阶段，并分析了封堵材料用量。

(4) 本文仅对提出的该方法进行了初步探索，论证了该方法的可行性。在土石堤坝适用性、设备的优化、封堵材料改进、外界因素对封堵效果的影响等方面仍需进一步研究。