渗漏是堤坝的高发病害，也是引起溃堤、垮坝的重大隐患^[1-3]。对我国1 146起溃坝事故的统计表明，由渗漏引起的有675起，约占58.9%^[4]。汛期由渗漏引起溃坝的演变过程通常是润湿→散浸→渗漏、流土→塌陷或坍塌→溃决^[5-7]。其中，开始阶段的润湿、散浸在极端天气下肉眼难以察觉。渗漏病害往往被看作溃坝的先兆险情，而且在汛期等极端条件下，从发现渗漏险情到溃坝往往历时较短^[8-10]。因此，快速、高效地封堵渗漏通道是应急抢险工作中切断溃坝灾害链的关键举措。可通过应急封堵手段，保证堤坝在汛期等极端天气这一相对较短时间内的安全运营，待控制险情后，再采用适当的防渗加固手段进行修复。但常见的堵漏技术对堤坝水下渗漏应急抢险修复均存在局限性^[11-15]，迫切需要一种快速、高效的渗漏封堵方法应急修复堤坝早期渗漏。南京水利科学研究院提出了一种应急封堵水下渗漏通道的方法^[16]。该方法利用水下封堵装置，于渗漏入口处将相变材料加热熔化为液态，在渗漏入口处流场吸力的作用下，液态相变材料被吸入渗漏通道，脱离热源的液态相变材料由于热量散失，在渗漏通道中逐渐凝固，进而堵塞渗漏通道，达到应急封堵水下渗漏通道的目的。

基于该应急封堵方法，开展了室内水下封堵试验，以电磁感应加热^[17]为基础研制出高效水下加热装置^[18]，实现了相变封堵材料水下快速定向加热，并于江苏省防汛防旱抢险中心开展现场渗漏应急封堵试验：(1)通过使用导管在迎水坡设置渗漏进水口、背水坡设置出水口模拟堤坝渗漏病害；(2)在迎水坡渗漏进水口处施放封堵设备，并实时监测渗漏出水口的渗漏流量；(3)启动水下加热装置，使其熔化相变材料，加热约3 min后，下游渗漏出水点无水流流出；(4)挖出模拟渗漏通道，观测材料在渗漏通道中的封堵效果:在封堵段内充满大量封堵材料，起到了堵塞渗漏通道、修复渗水病害的作用。

通过室内试验及现场试验，验证了该方法应急封堵渗漏通道的可行性，而且具有封堵渗漏快速、高效，设备易于携带、操作简便等优点。但是，该方法对封堵所用的相变材料要求较高，选择适宜的相变材料是实现渗漏封堵成功的关键，相变材料凝固后封堵状态是衡量封堵可靠性的重要指标，也是确定该项技术适用范围和使用工艺的重要因素。为此，本文使用电磁式水下加热设备进行室内水下封堵试验，通过分析石蜡相变材料封堵渗漏通道的状态及规律，对材料扩散后的封堵状态进行了阐述和定量评价，为材料的进一步选择及研究提供思路，以完善该方法封堵理论和指导工程实践。

1 试验方法 1.1 试验装置

采用室内坝面渗漏模型(图 1)，模型高40 cm，底部尺寸40 cm×30 cm，顶部尺寸40 cm×70 cm，坝面坡度为1:1，渗漏孔外接导管模拟渗漏通道。通过调节模型内水头高度模拟水压力。

加热设备选用研制的电磁式水下加热装置，设备分为感应加热控制器和水下加热板两部分。其中，电磁加热控制器可以将普通交流电整流为高频高压电流；水下加热板内含电磁线圈，通电后可产生高速变化的交变磁场；相变封堵材料内部含有铁片，由于磁通量的快速变化导致铁片上产生无数电流涡流，从而使铁片自身发热，进而熔化相变材料。为适应试验要求，感应加热控制器选用江信电磁生产的单相3 kW/220 V变频电磁加热控制器；水下加热板尺寸设计为230 mm×230 mm，材料装填尺寸为160 mm×160 mm×30 mm，内置铁片尺寸为150 mm×150 mm×1 mm。试验用水选用洁净自来水。

1.2 相变材料

试验选用石蜡作为相变材料进行封堵试验，原因主要有以下几点：(1)石蜡常被用作混凝土渗透性试验中的密封材料^[19-20]，其抗渗性能较好，能达到止水效果；(2)密度与水相差不大，水下熔化后有利于减少材料散失，而且熔点适宜，利于水下熔化；(3)石蜡性质单一稳定^[21]，具有相变材料的代表性特征，选为试验材料，可为以后的封堵材料配置及特性分析提供参考。试验中石蜡选用大庆昆仑58^#全精炼石蜡，其相关物理参数如表 1。石蜡力学性能的相关研究较少，经查阅文献[22-23]，总结石蜡相关力学性能参数如表 1。

1.3 试验步骤

(1) 材料装填。将预制的相变封堵材料提前放置于水下加热板的材料装填区，并对水下加热板安装收放索。

(2) 渗漏模型蓄水。用止水夹夹紧渗漏通道模拟导管，蓄水至预定水位。

(3) 施放水下加热板。利用收放索将水下加热板下滑至坝面渗漏入口处。由于水下加热板上的柔性护边有透水作用，渗漏点处存在较大的吸力，这为相变材料被吸入渗漏通道提供了前提。

(4) 渗漏流量控制及测定。利用渗漏通道模拟导管上的止水夹控制渗漏流量，并调整模型进水量，使进水量与出水量动态平衡，保持水位稳定，测读此时的水温。试验中渗漏入水口的水头均设置为0.2 m，水温为(15±2)℃。

(5) 封堵。接通电源，启动感应加热控制器。使用摄像机拍摄相变材料熔化扩散情况，并记录封堵用时。

(6) 封堵效果分析。封堵完成后，关闭电源，收回水下加热板。剖开渗漏通道，量测封堵长度、有效封堵材料的质量，观测封堵形态。

2 试验结果与分析 2.1 石蜡材料封堵效果

封堵过程中，石蜡材料熔化为液态后与周围水体结合良好，在渗漏入口吸力作用下，易流入渗漏通道；在材料熔化过程中，会出现石蜡“爆发式”流出现象(图 2)，此时大量液态石蜡涌入渗漏通道，随着材料温度降低，液态石蜡逐渐凝为固态，在渗漏通道中淤积堵塞，从而起到封堵渗漏通道的作用。经多次试验验证，石蜡能够稳定地实现水下渗漏通道的封堵(图 3)，且用时较短，3 min内均完成封堵，出水口无水流或仅有少量水流出。由于相变材料石蜡的物理性质，从液态到凝固态有一定的时间差，能够以液态形式流动较长的距离，在此过程由于热量散失，逐渐凝固，因而封堵长度较长，并且随水头、渗漏量等因素变化而呈现出一定规律性。在渗漏通道中凝固后的石蜡部分段较为密实，部分段稀松，且存在较为明显的孔洞。但整体上来看，封堵段内的石蜡材料呈现连续不间断且充盈于渗漏通道的状态。

2.2 石蜡材料封堵规律

为更好描述封堵后的状态，封堵结束后，将相变封堵材料连续充盈于渗漏通道中的长度称为封堵长度；将封堵长度内相变封堵材料的总质量称为有效封堵材料量。在控制其他条件不变情况下，改变初始渗漏水流速进行水下渗漏封堵室内试验，试验后量测封堵于渗漏通道中石蜡的长度和质量，得出关系曲线如图 4。可以看出，使用石蜡材料进行堵漏试验，封堵长度和有效封堵材料量随初始渗漏流速的增大逐渐增加; 且封堵长度与初始渗漏流速的线性关系较强，相关系数为0.999 4，拟合得出线性方程如式(1)。

$ L = 0.607{\rm{ }}2{v_0} + 24.799\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{v_0} \ge 0.2{\rm{ m}}/{\rm{s}} $

(1)

式中：L为封堵长度；v₀为初始渗漏流速。

同样，在控制初始渗漏流量及其他条件不变情况下，只改变渗漏通道孔径进行水下渗漏封堵室内试验，试验后量测封堵于渗漏通道中石蜡的长度，给出关系曲线如图 5。不难看出，使用石蜡材料进行水下渗漏封堵，在渗漏流量不变情况下，封堵长度随渗漏孔径的增大而减小。究其原因，渗漏流量不变，渗漏孔径增大，则流速随渗漏孔径的增大而减小，且封堵长度与渗漏流速线性相关，因而石蜡封堵渗漏通道的长度随渗漏孔径增大呈降低趋势。

综上，在试验条件下，初始流速对封堵长度及有效封堵材料量影响较大，相同渗漏流量下漏洞越大则渗漏流速越小，石蜡在有限凝固时间内封堵长度将缩短。

2.3 石蜡在渗漏通道中凝固的形态

在封堵长度内封堵材料并非均匀分布，通过对比堵漏材料在渗漏通道中的形态，发现封堵材料在渗漏通道中存在分段非均匀现象。

堵漏完成后，剖开模拟渗漏通道，并按封堵的相对位置收集渗漏通道中的石蜡，凝固形态如图 6所示。经多次试验，发现石蜡在渗漏通道中凝固形态沿封堵长度可划分为具有明显特征的3段。第1段为碎裂密实段，距离渗漏入口处最近，此段凝结有较为密实的块状石蜡，其截面完全充填渗漏通道，长度大多在1~5 cm，其间掺杂少量破碎的颗粒状石蜡，多分布于块状石蜡碎裂处；第2段为松散破碎段，位于封堵段中部，全部为破碎的颗粒状石蜡，多黏附于管壁，无完全充填渗漏通道的块状石蜡；第3段为断裂密实段，距离渗漏入口最远，此段所占渗漏长度比例最大，凝结有密实的块状石蜡，截面完全填充渗漏通道；与第1段相比，石蜡长度较长，破碎的颗粒状石蜡较少, 此段也存在较多的壳状、粘附于管壁上的石蜡体。其中，第3段断裂密实段受渗漏通道孔径影响较大：孔径增大为20 mm时，渗漏通道中具有明显第3段断裂密实特征的石蜡封堵材料已观测不到，仅存在具有第1段和第2段特征的石蜡封堵材料；孔径增大后，沿封堵长度散布的颗粒状石蜡明显减少，块状密实石蜡明显变大，长度明显增长，多为3~5 cm。

2.4 石蜡封堵线密度分析

石蜡材料封堵在渗漏通道中的形态非常不均匀，为细致探究石蜡在沿封堵长度的分布情况，引入封堵线密度概念，将沿封堵长度的单位长度封堵质量称为封堵线密度。在渗漏通道中的材料为块结状分布，封堵密度较为离散，难以准确测量出各点密度，因此通过分段量测封堵通道中的石蜡，计算出相应封堵密度，利用卷积平滑处理其分布曲线，以定性描述石蜡封堵材料在渗漏通道中凝固后的分布情况。

从图 7中可以看出，在连续不间断的封堵段内，第1段碎裂密实段封堵密度较大，第3段断裂密实段封堵密度略小于第1段，第2段封堵密度最小。结合图 6，第1段在较为密实的石蜡块间存在有破碎的石蜡颗粒，第3段几乎无破碎的石蜡颗粒，多为密实的石蜡块和壳状石蜡，第2段全部为松散破碎的石蜡颗粒，因而造成了封堵密度的差异。因此在封堵长度内，石蜡的封堵线密度大致呈现首尾较为密实，中间段较为稀松的状态。对同一孔径的渗漏通道，尽管封堵长度和封堵质量随渗漏流量增加而增加，但具有明显特征三段的封堵线密度均随着渗漏流量的增加而减小。

2.5 残余材料分析

试验完成后，收回水下加热板，室内试验和现场试验中空腔体残留石蜡的材料形态具有相似性(图 8)：残余材料总是在空腔体的底部，而且是一块完整的石蜡材料；两侧及底部同装置四周布置的柔性装置结合紧密，无熔化和流出痕迹；残留材料纵向剖面呈“楔形”状：从上向下逐渐变厚，且变化较为均匀。

封堵前，相变材料装填均为水平设置，即装填后相变材料表面、材料内部铁片及电磁线圈均保持平行(图 9)。封堵完成后，即使再加热较长时间，残余在空腔体内的材料也不会发生相变。究其原因，水下加热板处于富水环境中，由于熔化为液态的相变材料涌出加热区域后，水介质很快充盈于加热铁片四周，并不断流动，从而切断了热源同残余材料的传热路径，造成材料剩余。在控制材料装填尺寸及质量相同的情况下，多次试验后残余材料形态均一致，且残留质量波动幅度不大，均在150 g左右，质量变幅小于20%。说明此装置水下熔化相变材料的传热过程及液态石蜡的扩散机制较为稳定。

3 结语

基于一种堤坝水下渗漏通道应急封堵新技术，借助自主研制的电磁式水下加热设备，选用石蜡相变材料进行渗漏通道封堵试验，均达到了快速封堵渗漏通道的效果，分析了封堵后的状态，得到如下结论：

(1) 石蜡材料经水下相变封堵渗漏通道后，在渗漏通道中的封堵长度与有效封堵材料量均随初始渗漏流速的增加而增加，随渗漏孔径的增大而减小，且封堵长度与初始渗漏流速有较强的线性关系。

(2) 石蜡在渗漏通道的封堵形态随封堵长度有很大不同，可将其划分为具有明显特征的3段，即碎裂密实段、松散破碎段和断裂密实段, 并进行相应的描述和分析。

(3) 通过量测封堵段内材料封堵线密度，定性描述了石蜡封堵材料在渗漏通道中凝固后的分布情况，对同一孔径的渗漏通道，封堵线密度均随渗漏流量的增加而减小。

(4) 封堵完成后，多次试验的残余材料均存在于空腔体下半部分，纵向剖面呈“楔形”状，且质量变幅小于20%。“水下熔化相变材料应急封堵渗漏通道”已经过室内试验和现场封堵试验验证了该方法的可行性，但针对水下加热设备、相变封堵材料及封堵工艺仍有待进一步完善, 主要对石蜡材料水下相变后封堵渗漏通道的状态进行了探讨，以对材料选择、研究及工艺的改进提供参考。