多功能竖直套管防漏技术及力学分析.pdf

第2 1卷第2 期2023年6 月doi:10.13960/j.issn.1672-2558.2023.02.015南京工程学院学报（自然科学版）Jourmal of Nanjing Institute of Technology(Natural Science Edition)Vol.21,No.2Jun.,2023投稿网址:http:/多功能竖直套管防漏技术及力学分析罗冲，明爱民，陈东胜，张烽3（1.江苏华磊建设集团有限公司，江苏淮安2 2 3 0 2 1；2淮安市博彦土木工程科学研究院有限公司，江苏淮安2 2 3 0 0 3；3.南京工程学院机械工程学院，江苏南京2 1116 7)摘要：针对现有技术不能同步实时渗漏检测、防渗效果不能得到长久保障等问题，设计一种多道灌注及实时检漏的多功能竖直套管，适用于民用建筑穿楼板预留孔洞的给排水等管道的安装，可提高竖直管道预留孔洞的封堵质量，具有抗渗透性、实时检漏、安装便捷、功能性强等优点.利用SolidWorks软件对竖直管道进行三维建模，借助AnsysWorkbench软件，采用有限元方法对竖直管道进行静力学分析、模态分析和动力学分析，结果表明该竖直管道支承方式合理且具有较好的隔振效果.关键词：防水技术；竖直套管；多道灌注；实时检漏中图分类号：TU55Multi-Perfusion and Leakage Detection Technologyof Multi-Functional Vertical Casing PipesLUO Chong,MING Aimin,CHEN Sheng,ZHANG Feng(1.Jiangsu Hualei Construction Group Co.,Ltd.,Huai an 223021,China;2.Boyan Civil Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Huai an 223003,China;3.School of Mechanical Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)Abstract:This paper briefly introduces the construction technology of poly-functional vertical casing with multi-channelgrouting and real-time leak detection.This process is applicable to the installation of water supply and drainage pipesthrough the reserved holes in the floor slab of civil buildings.It improves the sealing quality of the reserved holes in thevertical pipes,solves the problems that the existing technology cannot timely and synchronously detect the leakage,andthe anti-seepage effect cannot be guaranteed for a long time.It has many advantages,such as strong impermeability,real-time leakage detection,convenient installation,and strong functionality.In parallel,a three-dimensional model of thevertical pipeline is created using the SolidWorks program.The vertical pipelines static,modal,and dynamic analyses areperformed using the finite element method with the aid of the Ansys Workbench software.The outcomes demonstrate thereasonable support mode and effective vibration isolation of the vertical pipeline.Key words:waterproof technology vertical casing;multi-perfusion;real-time leak detection收稿日期：2 0 2 2-11-2 2；修回日期：2 0 2 2-12-14作者简介：罗冲,工程师,研究方向为防水密封设计.E-mail:7550295 通讯作者：张烽，博士，讲师，研究方向为过程机械设计和先进金属材料.E-mail:1031474738 引文格式：罗冲，明爱民，陈胜，等.多功能竖直套管防漏技术及力学分析J.南京工程学院学报（自然科学版）,2 0 2 3,2 1（2）：7 8-8 4.第2 1卷第2 期民用住宅楼的水暖管道穿楼板处易出现漏、渗水现象,严重影响建筑的使用功能.在建筑管道工程施工中,楼板预留孔洞是一道重要工序,预留孔洞的封堵质量是建筑工程质量通病防治的难点之罗冲，等：多功能竖直套管防漏技术及力学分析一79一.传统的施工方法不仅浪费人力物力，而且给封(a)封底卡环堵质量和使用体验带来不利影响.高效防水套管的设计同时考虑了防水性能、安装质量、经济效益等影响因素1-4;延长防水套管的渗流路径、使用柔性密封填料等可以有效改善套管的防水效果5-6 1；施工完成的防水套管需要按照标准进行渗漏检测7 工程上采用专用模具、使用密封胶和其他封堵材料、配备专业技术人员进行施工作业等，这些方法均未涉及施工过程中楼板与套管之间、管道周围等渗漏程度的实时检测与控制,不能在浇筑浆料的过程中及时根据渗漏情况采取相应的措施.若施工后发生渗漏，重新施工时同样无法实时检测与控制，缺乏可靠性.本文采用变截面式竖直穿楼板管道用套管，可有效解决现有技术不能实时检漏、出现渗漏时难以处理以及防水效果不能得到长久保障等问题.该技术在淮安能源总部经济产业园项目中应用表明效果良好.1结构设计及工艺原理1.1结构设计本文对竖直穿楼板管道用防水密封组件及其渗漏检测进行研究，设计多功能竖直套管，模型如图1所示，防水密封关键零部件的示意图如图2所示.图1多功能竖直套管模型图图3 为竖直穿楼板管道用防水密封组件的结构示意图8 .防水密封组件通过堵洞板由第一、二、三灌注管对竖直管道和楼板预留孔洞之间进行（b）多功能启闭控制组件(c)灌浆漏斗（d）无底盛水桶图2 多功能竖直穿楼板管道用防水密封关键零部件示意图279675244232259149201.第一道灌注管；2.第二道灌注管；3.第三道灌注管；4.灌浆漏斗；5.灌浆柱；6.竖直管道；7.防护桶；8.楼板；9.连接管；10.连接板;11下灌注腔；12 上灌注腔；13：搁板；14.连接件；18.攻丝套管；19.通孔螺栓；2 0.封堵螺栓；15，堵洞板；21.导流槽；2 2.无纺布；2 3.连接片；2 4环状凹槽；2 5，连接螺；16.下漏斗；17.上漏斗；2 6.限位块；2 7.限位圈图3 竖直穿楼板管道用防水密封组件结构示意图密封和渗漏检测.施工时先安装好竖直管道和防水密封组件；然后使用灌浆漏斗向灌注腔内灌注浆料,待浆料固结后,向第二灌注管、第一灌注管以及第三灌注管内灌水；观察堵洞板下方是否有漏水，若未发现渗漏,则向第二灌注管内灌注浆料,在第二灌注管与楼板的相接处灌注灌浆柱;若发现渗漏,则排出防水密封组件中的水体,用柱塞对第三13265226A318B19201580灌注管进行封堵,之后向连接管以及上灌注腔内灌注浆料,待浆料固结后,取出柱塞,向第二灌注管和第三灌注管内灌水，观察堵洞组件下方是否有漏水,若未发现渗漏,则向第二灌注管内灌注浆料,在第二灌注管与楼板的相接处灌注灌浆柱;若发现渗漏,则排出防水密封组件中的水体,向第三灌注管以及第二灌注管内灌注浆料,待浆料固结后，在第二灌注管与楼板的相接处灌注灌浆柱，即完成竖直管道与防水密封组件的施工。1.2工艺原理1.2.1多道灌注工艺原理套管在采用防水翼环增加渗透路径长度的同时，还采用折线突变截面形式进一步增加渗透路径,从而大幅提高了套管外壁抗渗效果.由达西定律可知,水在单位时间内渗流量与渗流路径长度呈反比,即在其他条件不变的前提下，渗流路径越长，其渗流速度越小.当产生渗透时，浆体与管道、浆体与套管之间缝隙中液流为均匀流，由于液流内部层间与浆体和管壁之间产生的切应力即沿程阻力做功为水头损失的产生因素，因此，每道灌注厚度增加就是逐次增加渗透路径长度,从而增加渗流的沿程水头损失，提升本道灌注抗渗效果；当渗流能量损耗到不足以使各流层之间沿程阻力继续做功，水体向下渗透力与沿程阻力达到平衡，此时渗流停止.由于所使用浆料的高流动性与高膨胀率，新老浆料交接面不考虑孔隙渗流，相当于逐次提升累计灌注厚度及相应的抗渗效果，最终达到套管内完全密封的防水抗渗效果，最后一次覆盖套管内外的总体渗漏试验后,将挡水环内再用浆料灌注成圆形止水台，可以对套管内外构成整体封闭性的抗渗漏覆盖，进一步提高抗渗漏效果.1.2.2实时检漏工艺原理每道灌注凝固后的实时检漏先用多功能启闭控制组件的封堵螺栓裹好生料带插入通孔螺栓拧紧,确保竖斜连通的排水短管不漏水；拆下封底卡环擦干,去掉原无纺布，将卡环导流槽面向上重新装好；打开套管顶部的环状覆盖板，用量杯注入定南京工程学院学报（自然科学版）量水后，重新将套管上口与管道之间用环状覆盖板利用套管自带的4根长螺栓拧紧并用透明胶密封以免风吹日晒蒸发或垃圾杂物落人，如果有渗漏，水经封底卡环的导流槽有组织流至对拼缝隙及管道与卡环缝隙处，重新填隙的干燥无纺布便会变潮湿；持续观察2 h,如有水滴漏便说明本道灌注不抗渗漏，否则再定时、间隔观察2 4h,拧下封堵螺栓将水排回量杯，以填隙无纺布有无潮湿为主、量杯内水的损耗量观察为辅,判断抗渗效果.2多道灌注和渗漏检测施工流程及要点多功能竖直套管多道灌注和实时检漏流程如图4所示，主要施工与渗漏检测工艺要点为：1）施工前根据楼板厚度和竖直管道尺寸，确定套管的高度和直径，由工厂加工预制满足产品质量的多功能竖直套管；2）套管安装时需保证混凝土浇筑时不会进人套管内，并由紧固安装保证套管的垂直度，浇筑各层套管外楼板混凝土时，凝固后及时拆除模板底部紧固预埋套管的4根通孔螺栓，以保证不影响混凝土强度按照规范进行拆模施工；3）为防止浆料渗漏，可在封底卡环与立管夹缝处以及两片堵洞环板对拼缝隙处塞入无纺布；4）灌注的浆料以水泥为主，加入水泥基渗透结晶型防水剂及其他外加剂改善流动性，保证不收缩微膨胀、抗渗等，若冬季施工，可加人早强型防冻剂,现场手动搅拌浆料时间不宜低于5 min,在套管内放置灌浆漏斗，保护非本次灌注部位不被污染，且漏斗内表面的液面限位标志环可控制灌注浆量；5）试水试验时需等待浆料完全固结后再拆卸覆盖板、清理套管及其周围杂物，屋面以下室内楼层套管的整体性试水检漏时，可在套管周围用两块矩形不锈钢铁皮卷成不同直径的两个环，在两个环之间用与灌注相同的浆料浇筑挡水环,屋顶的整体性试水检漏抗渗要求高，需设置大直径、大容量无底盛水桶做7 d的试水检漏试验2023年6 月第2 1卷第2 期安装各层套逐层灌注浆待固结第一次试水施工准备管立管和料至第一灌封底卡环注腔逐层灌注浆料至第二灌注腔待固结第二次试水试验图4多道灌注和渗漏检测施工流程图3室穿楼板管道黏结力力学模型图5 为穿楼板管道黏结力力学分析模型.假设穿楼板管道上的应力与四周的黏结应力在同一截面上均匀分布,其黏结应力由两部分组成：1）桨液中水泥凝胶体与穿楼板钢管表面的化学胶结力和界面间的摩擦力;2）穿楼板管道所受荷载是冲击波超压引起的动荷载.圆台段灌浆柱穿楼板管道圆柱段图5 穿楼板管道黏结力力学分析模型根据标准人民防空地下室设计规范9 ，冲击波在穿楼板管与灌浆柱结合处作用的压力（N)计算公式为：S=sK,K,APmA式中：s为荷载分项系数，s=1.0;A为穿楼板管截面积,A=d/4（m）,其中d为穿楼板管外径(m);K,为冲击波超压反射系数;K,为动力系数，罗冲，等：多功能竖直套管防漏技术及力学分析试验排水是是否渗漏否排水整体灌注整体试水整体封堵试验P穿墙楼板管道壁面(1)81按不同的防护工程抗力等级取值,考虑最大受力取Ka=1.33;P m 为地面冲击波峰值超压.穿楼板管与灌浆柱间的黏结力(N)计算公式为：R=TW(2)式中：T为穿楼板管与灌浆柱间的平均黏结强度，灌浆柱由普通水泥砂浆灌注,取=0.4（M P a）;W为钢管与填料的黏结面积,W=dl（m）,其中,d为穿楼板管外径，l为灌浆柱试件长度，本次试验取 l=0.2 m.根据混凝土结构设计规范10 中极限状态设计出力学分析表达式为：YoSR式中:%为结构构件的重要性系数,=1.0;R为穿楼板管与灌浆柱间的黏结力.表1为不同管径穿楼板管处压力值与黏结力对比.由表1可见,穿楼板管与灌浆柱间的黏结力比冲击波在管道穿墙构造处作用的压力大得多,表明该构造在防护工程低抗力等级冲击波超压作用下安全,穿墙管与灌浆柱间的黏结力可以抵抗冲击波压力荷载的作用，保证构造部位不发生强度破坏；冲击波在管道穿墙结构处作用的压力比穿楼板管道与灌浆柱之间的黏结力小得多,表明穿楼板管道与灌浆柱间的黏合力可以抵挡冲击波的压力载荷，而不发生强度破坏.这种构造在防护工程防护等级低的超压作用下是安全的.表1穿楼板管处压力值与黏结力对比N穿楼板管道是否满管径4级抗力5级抗力与灌浆柱间足抗载的压力的压力DN503384.4DN15024 066.44穿楼板管道有限元分析为了验证本文多功能竖直套管防水性能,运用Solidworks软件对本文防水管道和传统防水管道建立三维模型,如图6 所示.将建好的三维模型导人Ansys Workbench软件，在模型相对应的位置施加固定约束、固连接触等，进行静力学分析、模态分析及(3)的黏结力要求1 034.115 7007353.747 100满足满足82动力学分析8 .静力学分析主要关注模型在外部荷载作用下的应力和形变情况；模态分析重点分析模型的固有频率,分析地震波等是否会引发防水管道产生共振；动力学分析防水管道在外部激励作用下的振幅情况，检验防水管道在抗震、抗变形方面情况.（a）本文防水管道图6 防水管道三维模型D：静态结构D：静态结构力固定支撑时间：15厨简：152022/12/1317:072022/12/1317:08边2 40 0 0 N固定支撑务量：0,2 4.0 0 0 N南京工程学院学报（自然科学版）4.1青静力学分析参考4级抗力压力值，设穿墙处防水管道上端的压力值为2 40 0 0 N，管道底部设有固定支撑，两种防水管道的静态变形及应力水平如图7 所示.由图7(a)可见,本文防水管道在给定条件下的最大变形量为19.6 44m,最大形变位于外墙翼板和套管本体上，最大应力为9 1.3 5 8 MPa，位于管件上;由图7(b)可见,传统防水管道在给定条件下的最大变形量为2 8.15 9 m,最大形变主要集中在外墙翼板上，最大应力为3 0 6.3 7 MPa，位于管件上，对比静力学分析结果可知，在穿墙管处压力值（b）传统防水管道相同的情况下，本文防水管道静力学变形及应力水平优于传统防水管道.D：静态结构力时间：1.52022/12/1317:1024000N分量：0,2 40 0 0 N2023年6 月D：静态结构固定支撑时间：152022/12/13.17:10口固定支撑D：静态结构总变形蒸型：总变形书：mm时间：12022/12/1317:080.019644最大0.0174610.0152790.0130960.0109130.0087310.0065480.0043650.002183最小4.2模态分析参考4级抗力压力值，设穿墙处防水管道的压力值为2 40 0 0 N，分析两种防水管套三维模型的模态振型与前几阶固有频率.由图8（a)可见，本文防水管道在给定外部载荷作用下的前6 阶固有频率分别为3 4.2 2 6、34.226、13 9.3 5,2 15.0 5、2 15.0 6、40 6.7 4H z,其中,前两阶的模态振型以防水管道的铅锤方向上的扭D静态结构等效应力型：等效(Von-Mises)应力童蓓：hbar时间：12022/12/1317:090.91358最大0.812070.710560.609050.507540.406030.304.530.203020.101519.9205e-9最小(a）本文防水管道图7 两种防水管道静力学分析的变形及应力云图D：静态结构总变形总变形单蓓：mm时间12022/12/13.17:11,0.028159最大0.0211190.014.0800.0007040最小曲变形为主,防水管道的支撑刚度能力有所提高，这可以远离多种低频激励的频段,不受地震波的影响(15 Hz以内);由图8(b)可见,传统防水管道在给定外部载荷作用下的前6 阶固有频率分别为31.13、3 1.14、15 2.9、2 13.3 8、2 13.43、3 9 9.3 1 H z,其中,第一阶模态的振型以套管组件的铅锤方向上的弯曲变形为主,第二阶模态的振型则以套管的扭转变形为主.D静态结构等效应力菱型：等效(Von-Mises)应力蓓：hbar时间：12022/12/1317:113.0637最大2.72332.04251.702 11.36161.02120.68080.34042.367e-8最小（b）传统防水管道第2 1卷第2 期D：模态实型总变形预率：3 4.2 2 6 Hz单位mm2022/11/1810:234.9173最天43714138243278327392.18561.63921.09280.3464最小罗冲，等：多功能竖直套管防漏技术及力学分析D:模态签变形4类型：总变形频率：2 15.0 5 Hz单位；mm2022/11/1810:2319.4750最大8423369563163.26394.211：15 832.10561.05280最小(a）本文防水管道图8两种防水管道模态振型及固有频率F：瞬态结构E瞬态结构力固定支撑时间：1.5时简152022/12/1317:352022/12/1317:361力:3 3 3 46 N固定支撑分量：0,-3 3 3 46 N83B：模态B：模态总变形变形类型：总变形类型：总变形顺素：3 1.13 2 Hz颜率：2 13.3 8 Hz单位mm单位：mm2022/12/1317:142022/12/1317:144.8133最大9.1612最大4.27848.14333.74367.12543.20886.10752.67405.08962.139 24.07161.60443.05371.06962.03580.54681.01790最小0最小（b）传统防水管道E瞬态结构总变形蒸：总变形：m m时间：12022/12/1317:360.027419最大0.0243720.021 3260.018 2790.015 2330.0121860.00913960.0060930.0030465最小0.027.419u/T0.03200.01600.008000C:瞬态结构力时间：1.52022/12/13 17:16力：3 3 3 46 N分量：0,0,-3 3 3 46 N0.1250.250C瞬态结构固定支撑时间：1.52022/12/13.17:17固定支撑0.375（a）本文防水管道支承0.500时间/s0.6250.750C:瞬态结构总变形类型：总变形喜：mm时间！2022/12/1317:170.039827最大0.0213690.0152340.0091000.002.965最小0.8751.0000.039 8270.040u/0.0300.0200.010000.125图9低频地震波冲击下的动态响应0.2500.375（b）传统防水管道支承0.500时间/s0.6250.7500.8751.00084对比模态分析结果可知,在穿墙管处压力值相同的情况下，本文防水管套支承下的组件前三阶固有频率高于传统防水套管组件，有效地远离了低频地震波的激励频段.4.3动力学分析假设竖直管道受到15 Hz的低频地震波冲击，两种防水管套在冲击下的动态响应如图9 所示.由图9 可见，在给定的外部激励作用下，本文防水管道的振动位移在0 2 7.419 m,传统防水管道的振动位移在0 3 9.8 2 7 m，比较而言，本文防水管道的动态响应水平及形变量明显较低，传统防水套管的振幅较高,且最小变形量也显著升高.5结语本文对竖直穿楼板管道用防水套管及相应的多道灌注技术与同步实时渗漏检测方法进行研究，设计一种防水密封组件及其多道灌注和同步实时渗漏检测技术，解决了现有技术不能及时同步实时渗漏检测、防渗效果不能得到长久保障的问题，提高了竖直管道预留孔洞的封堵质量.因其可实现多道灌注、多次试水同步检验本次灌注的封堵防渗漏效果,在实际应用中提高了穿楼板套管封堵密封成功率,减少甚至避免了浇筑完成的套管因一次性封堵质量较差产生的返工维修费用和时间成本,具有南京工程学院学报（自然科学版）一定的经济效益，参考文献：1贾从军,刘源，刘峰，等.在墙板上后补防水套管施工技术J.施工技术,2 0 16,45（增2):8 47-8 49.2 翟银华.新型PVC防水套管预埋施工方法J.建筑工人，2015,36(8):20-22.,3 王辉,陈刚，吕风柱.施工现场穿墙套管安装质量的控制要点探究J.南方农机,2 0 17,48（18）：147.4梁二龙.给排水工程中防水套管的质量控制J.住宅与房地产,2 0 19(2 7):10 7.5 孟召虎，杨逍，陈增兵，等.钢筋混凝土检查井免防水套管施工技术J.施工技术,2 0 19,48(2 4)：10 4-10 6.6 游靓，游兴荣.一种穿楼板管道周边防渗结构与防渗方法：CN201410502606P.2015.7王晨炜，陈胜，张烽，等.新型防水密封组件多道灌注和渗漏检测技术C/施工技术（中英文）编辑部,2 0 2 1：49 7-49 9.8史静波，朱国忠，罗冲，等.竖直穿楼板管道用防水密封组件及其渗漏检测与施工方法：CN112681535BP .2 0 2 2=02-01.9中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.人民防空地下室设计规范：GB500382005S.北京：中国设计出版社,2 0 0 5.10 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范（2 0 15 年版）：GB500102010S.北京：中国建设工业出版社,2 0 15.2023年6 月