高壓水射流技術(shù)在向家壩深井泵房排水管道清洗中的應(yīng)用

全先成,馮 超

(北京發(fā)研工程技術(shù)有限公司,北京 100102)

隨著我國(guó)水力發(fā)電行業(yè)的不斷發(fā)展,水電站中排水管道堵塞的問(wèn)題日趨嚴(yán)重.特別是在大型水電站,排水管道數(shù)量多、管道長(zhǎng)、管道走向復(fù)雜、對(duì)管道排水能力要求高,排水管道一旦發(fā)生堵塞或部分堵塞,將對(duì)電站的施工建設(shè)、正常運(yùn)行造成極大的安全隱患.由于深井泵房?jī)?nèi)的排水管道負(fù)責(zé)強(qiáng)排大壩建設(shè)過(guò)程中的施工用水、消力池滲水、混凝土冷卻水等,隨著時(shí)間的推移,管道內(nèi)必然會(huì)沉積附著一定量的水泥漿,堵塞管道或影響排水流量.由于大多數(shù)管道較長(zhǎng)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,管壁沉積著混凝土、水泥漿等混合物,利用普通管道清洗施工工藝無(wú)法滿足要求,北京發(fā)研工程技術(shù)有限公司聯(lián)合美國(guó)NLB公司和日本第一鉆切工業(yè)株式會(huì)社共同改進(jìn)研發(fā)了專用的高壓軟管及高壓鼠頭,后經(jīng)多次專家論證,模擬試驗(yàn),成功制定出了一套切實(shí)可行的施工工藝.這里通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例介紹高壓水射流技術(shù)在排水管道疏通清洗領(lǐng)域的應(yīng)用.

1 工程概況

向家壩水電站是金沙江下游梯級(jí)開(kāi)發(fā)中最末的一個(gè)梯級(jí),位于云南省水富縣 (右岸)和四川省宜賓縣 (左岸).水電站正常蓄水位380 m,年平均發(fā)電量307.47億kW.h.工程計(jì)劃2008年截流,2012年首批機(jī)組發(fā)電,2015年建設(shè)完工.

大壩左岸深井泵房?jī)?nèi)的4條排水管道負(fù)責(zé)清排大壩注漿過(guò)程中的施工用水、消力池滲水、混凝土冷卻水等,由于清排的水中含有混凝土、水泥漿等混合物,長(zhǎng)期抽排管道內(nèi)壁會(huì)附著一定量的沉積物.2012年9月,臨近大壩蓄水、首批機(jī)組發(fā)電,排水管道部分阻塞,無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)排水要求,給大壩蓄水造成了安全隱患.為滿足深井泵房的排水要求,給大壩蓄水、首批機(jī)組發(fā)電提供必要條件,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況,確定需對(duì)左岸深井泵房?jī)?nèi)的4條排水管道中的3條 (2、3、4號(hào)管道)進(jìn)行疏通清洗.每條管道長(zhǎng)175 m,其中水平段長(zhǎng)137 m,垂直段高38 m,期間有4個(gè)直角轉(zhuǎn)彎,鋼管內(nèi)徑為250 mm.由于大壩主體已澆筑完成,本工程需要在不破壞壩體結(jié)構(gòu)和排水管道的情況下完成疏通清洗施工.

2 高壓水射流技術(shù)原理

由高壓泵加壓,產(chǎn)生100~280 MPa的高壓水射流,射入混凝土表面.高壓水在混凝土孔隙中產(chǎn)生一個(gè)超壓,當(dāng)其壓力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土發(fā)生破碎.如圖1所示.

混凝土為非均質(zhì)的多孔隙材料,鋼材則為均質(zhì)材料.從宏觀上看,混凝土是由相互膠結(jié)的各種不同形狀、不同大小的顆粒堆聚而成,深入觀其內(nèi)部結(jié)構(gòu),它是具有三相 (固相、液相和氣相)的多微孔結(jié)構(gòu).

混凝土的多微孔結(jié)構(gòu),噴出的高壓水可以擊破混凝土表面,水在混凝土內(nèi)部形成超過(guò)混凝土彎拉強(qiáng)度的張力,破碎掉混凝土.但是鋼材是均質(zhì)、固體材料,作為液體材料的水,無(wú)法突破鋼管表面,所以高壓水射流不會(huì)損傷到排水管道的鋼管內(nèi)壁.

3 主要施工方法

3.1 主要工藝流程

采用高壓水射流技術(shù)破碎排水管道內(nèi)沉積的混凝土雜質(zhì),清洗疏通排水管道,使大壩左岸深井泵房?jī)?nèi)排水滿足設(shè)計(jì)要求.主要工藝流程如圖2所示.

圖1 高壓水射流去除水泥混凝土原理

圖2 主要工藝流程

3.2 施工準(zhǔn)備

設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后,將泵房?jī)?nèi)的相關(guān)設(shè)備轉(zhuǎn)移.由于清洗管道的泥漿會(huì)流入泵房?jī)?nèi),施工前需做好相應(yīng)的防護(hù)準(zhǔn)備.為保證高壓水射流的破除能力,考慮施工現(xiàn)場(chǎng)泵房和高壓泵的位置,根據(jù)業(yè)主提供的資料,經(jīng)多方研究,決定從左岸廠房上游的壩頂鉆37 m長(zhǎng)的φ78 mm孔洞到泵房頂部,高壓軟管從壩頂順至深井泵房,管道從泵房開(kāi)始,逐漸往里向上清洗.破碎的混凝土混合物從深井泵房?jī)?nèi)的管道口流出,繼而流回沉淀池.

3.3 連接相關(guān)操作系統(tǒng)

用不同型號(hào)的高壓軟管依連接自旋轉(zhuǎn)裝置、高壓鼠頭等,再將兩個(gè)高壓泵并聯(lián)后,用高保護(hù)性的高壓軟管通過(guò)左岸壩頂?shù)摩?8 mm孔與自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置連接,即可以開(kāi)始進(jìn)行施工作業(yè),如圖3所示.

3.4 設(shè)備參數(shù)的選擇

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及驗(yàn)證試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),隨著輸送壓力不斷增大,水流流速、鼠頭轉(zhuǎn)速、清洗深度也隨之增加.隨著清洗深度變化,操作人員需不斷調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù) (見(jiàn)表1).

圖3 設(shè)備連接示意

表1 設(shè)備參數(shù)匯總

3.5 管道疏通清洗

根據(jù)管道走向及現(xiàn)場(chǎng)情況,清洗疏通工作由深井泵房一端進(jìn)行,具體施工順序見(jiàn)圖4.

圖4 清洗管道施工順序(單位:m)

高壓鼠頭噴射出的高壓水射流,作用于作業(yè)面,破碎掉沉積的混凝土.高壓鼠頭有5個(gè)藍(lán)寶石噴嘴,其中一個(gè)在前端,主要負(fù)責(zé)破除堵塞的混凝土;其他4個(gè)在周圍向后45°方向,主要負(fù)責(zé)清除管道壁上附著的混凝土,并且給鼠頭一個(gè)向前的動(dòng)力.排水管道有4個(gè)直角轉(zhuǎn)彎段,為增加鼠頭的彎道通過(guò)性,其長(zhǎng)度不能過(guò)大.隨著高壓鼠頭的推進(jìn),高壓軟管與排水管道內(nèi)壁的摩擦隨之增大,軟管自重也會(huì)隨之增大,僅靠鼠頭自身的推進(jìn)力無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的清洗深度.利用軟管旋轉(zhuǎn)器使前端的軟管產(chǎn)生自傳,驅(qū)動(dòng)器使軟管產(chǎn)生向前推進(jìn),從而保證了管道的清洗深度.

175 m長(zhǎng)的排水管道共有4個(gè)直角轉(zhuǎn)彎,為減少噴頭推進(jìn)過(guò)程中的阻力,選用不同型號(hào)的高壓軟管依次連接.前端選用無(wú)橡膠保護(hù)層的軟管,這種軟管采用11層高強(qiáng)合金網(wǎng)片組合而成,質(zhì)量輕,外徑小,柔韌性好,有很強(qiáng)的彎道通過(guò)性.后面選用有橡膠保護(hù)層的軟管,這種軟管在11層高強(qiáng)合金網(wǎng)片外包裹了一層橡膠保護(hù)層,質(zhì)量較輕,外徑適中,柔韌良好,有較好的彎道通過(guò)性.

3.6 渣土清運(yùn)

施工過(guò)程中,需要及時(shí)清理高壓射流破除出來(lái)的混凝土或水泥碎粒.在破除的過(guò)程中,其中一部分碎渣被高壓射流噴出的水流帶出排水管,當(dāng)鼠頭到達(dá)清洗深度或判斷管道內(nèi)碎渣較多時(shí),應(yīng)適當(dāng)減小壓力,高壓軟管在自旋轉(zhuǎn)裝置反作用下強(qiáng)制后移,進(jìn)一步清洗管壁并把剩余的雜物帶至管外,達(dá)到徹底清洗管道的目的.反復(fù)清洗,直至滿足設(shè)計(jì)流量要求.

3.7 特殊情況處理

本工程無(wú)相關(guān)案例參考,無(wú)法保證高壓鼠頭能夠從深井泵房向里向上清洗至175 m,并疏通管道.若出現(xiàn)清洗長(zhǎng)度達(dá)不到175 m,且排水管道檢測(cè)結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求的情況,則在排水口一端反方向疏通清洗,直至完成整條管道的清洗工作.

管道排水口的位置正好處于泄洪閘的上口,為保證施工人員的安全,需在泄洪閘關(guān)閉的情況下再進(jìn)行操作平臺(tái)的搭設(shè),搭設(shè)的操作平臺(tái)要安全牢靠,具有足夠的剛度.施工人員在高空作業(yè)需系好安全帶.吊車司機(jī)要具有上崗證,吊環(huán)、鋼絲繩均要滿足施工安全規(guī)范要求.

高壓水射流具有很大的沖擊傷害力,能夠壓縮、剪切、撕裂肌體,30 MPa左右的水射流可以擊穿人體.因此,在使用高壓水射流進(jìn)行管道清洗時(shí),作業(yè)區(qū)封閉施工,嚴(yán)禁其他人員進(jìn)入,清洗系統(tǒng)配備2組操作人員同時(shí)作業(yè),并佩戴專用防護(hù)用具,一組作業(yè),一組觀察,一旦出現(xiàn)緊急情況,立即卸壓并采取其他保護(hù)措施.

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)清洗后的排水管道進(jìn)行排水檢測(cè),表明清洗效果良好,管道內(nèi)堵塞的混凝 土混合物和管道內(nèi)壁附著的沉積物等均能夠被清除干凈.通過(guò)向家壩工程深井泵房排水管道清洗進(jìn)一步說(shuō)明,高壓水射流清洗技術(shù)能夠較好地滿足長(zhǎng)管道、彎曲管道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道疏通清洗要求.高壓水射流清洗工藝采用水介質(zhì),清洗后的水和結(jié)垢經(jīng)處理后可以回收利用,降低了環(huán)境污染,將在今后的復(fù)雜管道清洗中可廣泛推廣和應(yīng)用.

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