全先成,冯 超

(北京发研工程技术有限公司,北京 100102)

随着我国水力发电行业的不断发展,水电站中排水管道堵塞的问题日趋严重.特别是在大型水电站,排水管道数量多、管道长、管道走向复杂、对管道排水能力要求高,排水管道一旦发生堵塞或部分堵塞,将对电站的施工建设、正常运行造成极大的安全隐患.由于深井泵房内的排水管道负责强排大坝建设过程中的施工用水、消力池渗水、混凝土冷却水等,随着时间的推移,管道内必然会沉积附着一定量的水泥浆,堵塞管道或影响排水流量.由于大多数管道较长且结构复杂,管壁沉积着混凝土、水泥浆等混合物,利用普通管道清洗施工工艺无法满足要求,北京发研工程技术有限公司联合美国NLB公司和日本第一钻切工业株式会社共同改进研发了专用的高压软管及高压鼠头,后经多次专家论证,模拟试验,成功制定出了一套切实可行的施工工艺.这里通过一个工程实例介绍高压水射流技术在排水管道疏通清洗领域的应用.

1 工程概况

向家坝水电站是金沙江下游梯级开发中最末的一个梯级,位于云南省水富县 (右岸)和四川省宜宾县 (左岸).水电站正常蓄水位380 m,年平均发电量307.47亿kW.h.工程计划2008年截流,2012年首批机组发电,2015年建设完工.

大坝左岸深井泵房内的4条排水管道负责清排大坝注浆过程中的施工用水、消力池渗水、混凝土冷却水等,由于清排的水中含有混凝土、水泥浆等混合物,长期抽排管道内壁会附着一定量的沉积物.2012年9月,临近大坝蓄水、首批机组发电,排水管道部分阻塞,无法达到设计排水要求,给大坝蓄水造成了安全隐患.为满足深井泵房的排水要求,给大坝蓄水、首批机组发电提供必要条件,根据现场勘查情况,确定需对左岸深井泵房内的4条排水管道中的3条 (2、3、4号管道)进行疏通清洗.每条管道长175 m,其中水平段长137 m,垂直段高38 m,期间有4个直角转弯,钢管内径为250 mm.由于大坝主体已浇筑完成,本工程需要在不破坏坝体结构和排水管道的情况下完成疏通清洗施工.

2 高压水射流技术原理

由高压泵加压,产生100~280 MPa的高压水射流,射入混凝土表面.高压水在混凝土孔隙中产生一个超压,当其压力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土发生破碎.如图1所示.

混凝土为非均质的多孔隙材料,钢材则为均质材料.从宏观上看,混凝土是由相互胶结的各种不同形状、不同大小的颗粒堆聚而成,深入观其内部结构,它是具有三相 (固相、液相和气相)的多微孔结构.

混凝土的多微孔结构,喷出的高压水可以击破混凝土表面,水在混凝土内部形成超过混凝土弯拉强度的张力,破碎掉混凝土.但是钢材是均质、固体材料,作为液体材料的水,无法突破钢管表面,所以高压水射流不会损伤到排水管道的钢管内壁.

3 主要施工方法

3.1 主要工艺流程

采用高压水射流技术破碎排水管道内沉积的混凝土杂质,清洗疏通排水管道,使大坝左岸深井泵房内排水满足设计要求.主要工艺流程如图2所示.

图1 高压水射流去除水泥混凝土原理

图2 主要工艺流程

3.2 施工准备

设备进场后,将泵房内的相关设备转移.由于清洗管道的泥浆会流入泵房内,施工前需做好相应的防护准备.为保证高压水射流的破除能力,考虑施工现场泵房和高压泵的位置,根据业主提供的资料,经多方研究,决定从左岸厂房上游的坝顶钻37 m长的φ78 mm孔洞到泵房顶部,高压软管从坝顶顺至深井泵房,管道从泵房开始,逐渐往里向上清洗.破碎的混凝土混合物从深井泵房内的管道口流出,继而流回沉淀池.

3.3 连接相关操作系统

用不同型号的高压软管依连接自旋转装置、高压鼠头等,再将两个高压泵并联后,用高保护性的高压软管通过左岸坝顶的φ78 mm孔与自动旋转装置连接,即可以开始进行施工作业,如图3所示.

3.4 设备参数的选择

根据相关经验及验证试验统计的数据,随着输送压力不断增大,水流流速、鼠头转速、清洗深度也随之增加.随着清洗深度变化,操作人员需不断调节设备参数 (见表1).

图3 设备连接示意

表1 设备参数汇总

3.5 管道疏通清洗

根据管道走向及现场情况,清洗疏通工作由深井泵房一端进行,具体施工顺序见图4.

图4 清洗管道施工顺序(单位:m)

高压鼠头喷射出的高压水射流,作用于作业面,破碎掉沉积的混凝土.高压鼠头有5个蓝宝石喷嘴,其中一个在前端,主要负责破除堵塞的混凝土;其他4个在周围向后45°方向,主要负责清除管道壁上附着的混凝土,并且给鼠头一个向前的动力.排水管道有4个直角转弯段,为增加鼠头的弯道通过性,其长度不能过大.随着高压鼠头的推进,高压软管与排水管道内壁的摩擦随之增大,软管自重也会随之增大,仅靠鼠头自身的推进力无法达到设计的清洗深度.利用软管旋转器使前端的软管产生自传,驱动器使软管产生向前推进,从而保证了管道的清洗深度.

175 m长的排水管道共有4个直角转弯,为减少喷头推进过程中的阻力,选用不同型号的高压软管依次连接.前端选用无橡胶保护层的软管,这种软管采用11层高强合金网片组合而成,质量轻,外径小,柔韧性好,有很强的弯道通过性.后面选用有橡胶保护层的软管,这种软管在11层高强合金网片外包裹了一层橡胶保护层,质量较轻,外径适中,柔韧良好,有较好的弯道通过性.

3.6 渣土清运

施工过程中,需要及时清理高压射流破除出来的混凝土或水泥碎粒.在破除的过程中,其中一部分碎渣被高压射流喷出的水流带出排水管,当鼠头到达清洗深度或判断管道内碎渣较多时,应适当减小压力,高压软管在自旋转装置反作用下强制后移,进一步清洗管壁并把剩余的杂物带至管外,达到彻底清洗管道的目的.反复清洗,直至满足设计流量要求.

3.7 特殊情况处理

本工程无相关案例参考,无法保证高压鼠头能够从深井泵房向里向上清洗至175 m,并疏通管道.若出现清洗长度达不到175 m,且排水管道检测结果不满足设计要求的情况,则在排水口一端反方向疏通清洗,直至完成整条管道的清洗工作.

管道排水口的位置正好处于泄洪闸的上口,为保证施工人员的安全,需在泄洪闸关闭的情况下再进行操作平台的搭设,搭设的操作平台要安全牢靠,具有足够的刚度.施工人员在高空作业需系好安全带.吊车司机要具有上岗证,吊环、钢丝绳均要满足施工安全规范要求.

高压水射流具有很大的冲击伤害力,能够压缩、剪切、撕裂肌体,30 MPa左右的水射流可以击穿人体.因此,在使用高压水射流进行管道清洗时,作业区封闭施工,严禁其他人员进入,清洗系统配备2组操作人员同时作业,并佩戴专用防护用具,一组作业,一组观察,一旦出现紧急情况,立即卸压并采取其他保护措施.

4 结 语

通过对清洗后的排水管道进行排水检测,表明清洗效果良好,管道内堵塞的混凝 土混合物和管道内壁附着的沉积物等均能够被清除干净.通过向家坝工程深井泵房排水管道清洗进一步说明,高压水射流清洗技术能够较好地满足长管道、弯曲管道等复杂结构管道疏通清洗要求.高压水射流清洗工艺采用水介质,清洗后的水和结垢经处理后可以回收利用,降低了环境污染,将在今后的复杂管道清洗中可广泛推广和应用.

[1] 沈忠厚.水射流理论与技术[M].北京:中国石油大学出版社,1997.

[2] 杨林,唐川林,张凤华.高压水射流技术的发展及应用[J].洗净技术,2004(1):14-19.

[3] 刘玉洲,陆庭侃.管道自进式高压水射流清洗技术应用[J].煤矿机械,2004(12):101-102.

[4]TANG Chuanlin,ZHANG Fenghua.The study on the Breaker of Self-Excited Os-cillation pulsed Jet to Scour the hard Clay and rocky Beds under Water[C].2001 WJTA American Waterjet Conference,Minnesota,USA.

[5] 曹吴翔.建筑混凝土体水铣技术及其应用[J].建设机械与管理,2001(7):24-25.