引水灌溉工程沉砂池GRC斜板施工控制探討

劉 翔

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518003)

0 引 言

引水灌溉工程的實(shí)施對(duì)于灌區(qū)農(nóng)田水利事業(yè)的發(fā)展具有積極意義，但是河水中包含大量泥沙，特別是汛期來臨后河水渾濁度明顯上升，泥沙的存在會(huì)加大引水灌溉設(shè)備運(yùn)行的阻力，甚至造成管道堵塞、設(shè)備零部件的損壞。為此，必須在引水灌溉工程中設(shè)置沉砂池等建筑，將河水進(jìn)行相應(yīng)的除砂處理后用于灌溉，減輕引水系統(tǒng)運(yùn)行壓力，保證系統(tǒng)順利運(yùn)行。斜板是沉淀池中不可或缺的裝置，在沉降區(qū)域設(shè)置密集斜板，河水中懸浮雜質(zhì)及泥沙沉淀于斜板中，初步凈化后的河水則沿斜板上升流動(dòng)；分離出的泥沙等雜物則在重力作用下沿斜板下滑至池底，集中排出[1]。根據(jù)類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，加裝斜板的沉砂池沉淀效率可提升50%～60%。斜板也是沉砂池中損耗較大的部件之一，為提升斜板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、保證運(yùn)行效率，可以考慮采用玻璃纖維增強(qiáng)混凝土GRC斜板。

1 項(xiàng)目概況

某引水灌溉工程規(guī)劃年供水量為5.85×108m3，從取水口開始到出水池段長度約為3.2km，包括取水口、無壓引水隧洞、沉砂池、放空洞、泵站、進(jìn)水池、泄水洞、壓力管道及出水池等建筑物。其中，沉砂池長×寬為180.5m×38m，設(shè)計(jì)水位828.84m，頂面及底板高程為832.8m和820.9m，為平流斜板式沉砂池設(shè)計(jì)，共分為三室六箱。沉砂池GRC斜板材料以低堿度水泥砂漿為基材，摻加耐堿玻璃纖維。河水經(jīng)過取水口后進(jìn)入1#引水隧洞，經(jīng)分砂閘分流后進(jìn)入沉沙系統(tǒng)，通過斜板段后從下至上流動(dòng)，并以紊流形式流經(jīng)斜板并均勻分流，轉(zhuǎn)變?yōu)槠搅骱罅鬟M(jìn)縱向集水槽，匯流至總集水槽后流入2#引水隧洞。整個(gè)取水過程中沉砂池GRC斜板主要起到降低流速、均衡流態(tài)及池廂沉沙等作用，故對(duì)GRC斜板質(zhì)量、力學(xué)性能及運(yùn)行的穩(wěn)定性有較高要求。

2 GRC斜板噴射成型工藝試驗(yàn)

玻璃纖維增強(qiáng)混凝土(Glass-Fiber Reinforced Concrete，GRC)價(jià)格低、自重輕，有較好的阻燃性，強(qiáng)度和韌性高，作為纖維復(fù)合材料，成型壓力等工藝對(duì)其性能有顯著影響。玻璃纖維的摻加提高了水泥基材的強(qiáng)度和韌性，

2.1 基本工藝

結(jié)合材料推薦配合比及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定出的噴射工藝流程為：噴射成型→預(yù)混成型→鋪網(wǎng)抹漿成型，噴射成型階段砂灰質(zhì)量比為0.35～0.38、玻璃纖維按砂漿質(zhì)量的4%～5%計(jì)、高效減水劑按照水泥質(zhì)量的0.3%～0.75%計(jì)；預(yù)混成型階段砂灰質(zhì)量比為0.35～0.4、玻纖按砂漿質(zhì)量的2%～3.5%計(jì)、高效減水劑按照水泥質(zhì)量的0.3%～0.75%計(jì)；鋪網(wǎng)抹漿成型階段砂灰質(zhì)量比為0.35～0.4、不添加玻纖、高效減水劑按照水泥質(zhì)量的0.3%～0.75%計(jì)，10mm厚的網(wǎng)格布設(shè)置2層。

沉砂池GRC斜板成型過程中所需要的機(jī)具主要有攪拌機(jī)、砂漿輸送泵、噴槍；成型時(shí)先通過噴槍將玻璃纖維無捻粗紗切割成短纖維，再將玻纖與水泥砂漿一起噴射至模具，反復(fù)噴射以達(dá)到相應(yīng)厚度和質(zhì)量要求。通過多次試驗(yàn)，得出以下較為合理的工藝和相關(guān)參數(shù)值：按設(shè)計(jì)比將砂、水泥及硅灰等材料投入攪拌機(jī)，持續(xù)攪拌15s；將稱量好并混合均勻的水和外加劑投入攪拌機(jī)繼續(xù)攪拌90s，制成砂漿；加入聚合物乳液后繼續(xù)拌和60s。在噴槍出口氣壓為0.2～0.5MPa的情況下分3～4次噴射完成，且每次噴射完后均需滾壓1次。

2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度

根據(jù)對(duì)不同混凝土強(qiáng)度復(fù)合試件的試驗(yàn)，沉砂池GRC斜板中間混凝土抗壓強(qiáng)度為14MPa、32MPa及45MPa時(shí)，所對(duì)應(yīng)的界面黏結(jié)強(qiáng)度依次為0.58MPa、1.16MPa和1.37MPa；表明復(fù)合試件界面黏結(jié)強(qiáng)度隨中間混凝土強(qiáng)度的增大而增大。通過分析原因可知，隨著斜板中間混凝土強(qiáng)度的提高，水泥凝膠體黏結(jié)力提升，GRC斜板和中間混凝土間的咬合力、摩阻力迅速提升，試件界面黏結(jié)強(qiáng)度也提高；但是超出一定限值后增速減緩[2]。具體見圖1。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)模板和混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的影響

2.3 GRC模板厚度

GRC模板厚度影響GRC斜板與混凝土結(jié)構(gòu)的黏結(jié)強(qiáng)度，兩者的關(guān)系具體見圖2，根據(jù)圖中測(cè)試結(jié)果，當(dāng)GRC模板厚度分別為10mm、20mm和30mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的試件界面黏結(jié)強(qiáng)度依次為0.68MPa、1.14MPa和1.24MPa；隨著模板厚度的增大，試件界面黏結(jié)強(qiáng)度先快速增大，超出一定的臨界點(diǎn)(GRC模板厚度20mm)后增速減緩，主要原因在于當(dāng)模板厚度增大至一定限度后抗彎剛度減小，受到荷載作用后容易發(fā)生變形，模板和混凝土之間的咬合力、摩阻力隨之降低[3]。出于施工質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性、施工快捷性等方面的考慮，該建設(shè)項(xiàng)目將沉砂池GRC模板厚度控制在20mm。

圖2 GRC模板厚度對(duì)模板和混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，利用現(xiàn)有攪拌設(shè)備、泵送及噴射設(shè)備，完全能滿足沉砂池GRC斜板噴射成型工藝要求，最終確定的水泥和砂的摻加比為2∶1，水灰比0.32～0.36，玻纖短切絲摻量為4%～5%，GRC模板厚度為20mm。

2.4 纖維摻量及滾壓成型壓力

根據(jù)不同纖維摻量下GRC斜板抗彎強(qiáng)度和滾壓成型壓力的關(guān)系曲線(圖3)，隨著成型壓力的增大，GRC斜板抗彎強(qiáng)度隨之提高，但提高的幅度主要受到玻璃纖維摻量的影響；當(dāng)玻纖摻量為1.5%時(shí)，滾壓成型壓力為12MPa的GRC斜板抗彎強(qiáng)度比成型壓力0MPa的GRC斜板抗彎強(qiáng)度提升72.5%；當(dāng)玻纖摻量為3.5%時(shí)，滾壓成型壓力為12MPa的GRC斜板抗彎強(qiáng)度比成型壓力0MPa的GRC斜板抗彎強(qiáng)度提升17.6%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，GRC斜板抗彎強(qiáng)度隨著玻纖摻量的增大而降低，而滾壓成型壓力的提高對(duì)GRC斜板抗彎強(qiáng)度的效果并不明顯。

圖3 滾壓成型壓力與GRC斜板抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

與此同時(shí)，隨著成型壓力的增大，不同玻璃纖維摻量的GRC斜板斷裂能呈下降趨勢(shì)。GRC斜板的斷裂能主要來自玻璃纖維的拔出能，在成型壓力相同時(shí)，玻璃纖維摻量越大，GRC斜板斷裂能也越大。在壓力成型作用下，水泥漿體擠玻璃纖維束中，使玻纖更加分散，雖然能提升強(qiáng)度，但是受到水泥基體包裹的玻纖拔出難度增大，斷裂能也隨之下降[4]。見圖4。

圖4 滾壓成型壓力與GRC斜板斷裂能的關(guān)系

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)將該引水工程沉砂池GRC斜板中玻纖摻量控制在1.5%，滾壓成型壓力取2～3MPa。

3 施工過程控制

3.1 原材料

沉砂池GRC斜板施工所用原材料主要有水泥、砂、外加劑、丙烯酸聚合物及玻璃纖維。①水泥：采用抗壓強(qiáng)度≥42.5、初凝時(shí)間不早于20min、終凝時(shí)間≥180min的高貝利特硫酸鹽水泥，按照《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法GB/T15231-2008》所規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行水泥性能檢驗(yàn)，物理力學(xué)性能詳見表1。施工現(xiàn)場(chǎng)水泥材料應(yīng)存放在陰涼、干燥的環(huán)境下，避免直接與陽光、空氣和水接觸，存放時(shí)間不得超出3個(gè)月。②砂：選用干凈清潔、質(zhì)地堅(jiān)硬、含泥量≤1%、表面光滑的圓形砂料，粒徑0.15mm以下的細(xì)顆粒占比應(yīng)≤10%；③外加劑：通過摻加相應(yīng)比例的減水劑、塑化劑等外加劑，以提升沉砂池GRC斜板力學(xué)性能。外加劑摻加后，在原水灰比下料漿內(nèi)聚力、早期強(qiáng)度、滲透性等工作性能將明顯改善，攪拌時(shí)間縮短，凝結(jié)時(shí)間延長?？紤]到該建設(shè)項(xiàng)目沉砂池制品中有鋼質(zhì)預(yù)埋件，故禁止使用氯化鈣基外加劑。④丙烯酸聚合物：添加丙烯酸聚合物后，養(yǎng)護(hù)初期會(huì)在基材中形成聚合物膜，可明顯提高沉砂池GRC斜板的抗?jié)B性能，減少斜板表面裂隙和水分蒸發(fā)，為水泥充分水化提供充足的水分[5]。⑤玻璃纖維：選用耐堿玻纖專用粗紗，不加捻而直接將玻纖平行分股后通過噴槍切割成設(shè)計(jì)長度，與水泥等基材一同噴入模具。玻纖氧化鋯含量≥16%，拉伸強(qiáng)度1.0～1.8GN/m2，含水率≤0.2%，硬挺度≥140mm，可燃物含量≥1.2%，耐堿玻纖短切紗性能滿足《耐堿玻璃纖維無捻粗紗JC/572-2012》。

表1 硫酸鹽水泥物理力學(xué)性能

3.2 GRC斜板制作

3.2.1 模具制作

采用竹膠板和矩形鋼管組合的GRC斜板模具。具體而言，將長×寬為4cm×4cm的矩形鋼管焊接成1.5cm×1.5cm的矩形骨架，平鋪在平整場(chǎng)地后檢查平整度和焊接質(zhì)量；再使用竹膠板拼裝成長×寬為1.5m×1.5m的矩形槽，竹膠板底部連接矩形骨架。安裝期間通過水平靠尺檢查竹膠板平整度，誤差不得超出3mm。

3.2.2 斜板噴射

考慮到GRC斜板面層厚度薄，為避免玻纖材料外露，應(yīng)先在模板表面噴涂一層2mm厚的無玻纖薄漿；再按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行GRC斜板分層噴射。噴射時(shí)按S形進(jìn)行，相鄰噴射帶應(yīng)搭接噴帶寬度的40%～50%；噴漿機(jī)槍口必須與模板面垂直，距離模板表面30-50cm，先噴邊角和低端，再噴大面和高端。每層噴漿結(jié)束后立即通過滾筒壓實(shí)，對(duì)于面積較小的區(qū)域，應(yīng)改用毛刷或角鐵工具壓實(shí)。最后還應(yīng)通過人工方式抹面壓光處理，將GRC斜板平整度控制在±1mm。

3.2.3 養(yǎng)護(hù)

完成一個(gè)施工單元后通過塑料布覆蓋，避免水分過快散失，待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆模。拆模時(shí)必須由2個(gè)人同時(shí)起板，放置于陰涼通風(fēng)處灑水養(yǎng)護(hù)，達(dá)到終凝狀態(tài)后按照生產(chǎn)時(shí)間分區(qū)碼放，為避免壓壞變形，碼放高度應(yīng)不超出2.0m，碼放層數(shù)不能超出4層，并覆蓋防護(hù)。

3.2.4 質(zhì)量檢驗(yàn)

按照生產(chǎn)批次進(jìn)行沉砂池GRC斜板質(zhì)量檢驗(yàn)，每個(gè)批次內(nèi)抽檢2件，該建設(shè)項(xiàng)目每個(gè)批量生產(chǎn)300件GRC斜板制品，不足300件的視為1個(gè)批量。待沉砂池GRC斜板養(yǎng)護(hù)完成后按批次抽檢，檢測(cè)結(jié)果詳見表2。

表2 沉砂池GRC斜板質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

3.3 GRC斜板安裝

待GRC斜板實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后進(jìn)行吊裝。吊裝施工前全面清理工字鋼和橫梁，并通過耐久、實(shí)用的材料進(jìn)行角度固定，確保斜板支撐角度為60°。GRC斜板質(zhì)量檢查合格后以10塊為1組置于吊裝容器中，通過塔吊吊運(yùn)至沉砂池廂內(nèi)部。將斜板設(shè)置在1-6#沉砂池廂縱向集水槽中部，各池廂設(shè)計(jì)凈寬3.02m，在GRC斜板安裝時(shí)必須在中間預(yù)留2cm寬度的施工縫，GRC斜板厚20mm，長×寬為1.5m×1.5m。安裝時(shí)將GRC斜板按60°傾角放置在HW300mm×300mm鋼梁上，相鄰GRC斜板間距10cm，中間增設(shè)3.5cm厚、長×寬為1.5m×0.1m的支撐肋條隔斷；通過φ8mm圓鋼連接支撐肋條和GRC斜板。該建設(shè)項(xiàng)目沉砂池共制安7702塊GRC斜板，分成26個(gè)檢驗(yàn)批次，經(jīng)檢驗(yàn)，GRC斜板預(yù)制質(zhì)量均達(dá)到一等品要求(表2)，安裝誤差均不超出±5mm，完全滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

綜上所述，GRC斜板強(qiáng)度高、韌性好、抗沖刷磨損效果好，物理力學(xué)性能十分理想。該引水灌溉工程自2019年初建成運(yùn)行以來已逾3個(gè)年份，每年定期檢測(cè)結(jié)果顯示，工程運(yùn)行過程中始終未出現(xiàn)泥沙淤積堵塞、設(shè)備異響、出水口水流紊亂等情況，出水量及池底集中排出的泥沙量穩(wěn)定，這在很大程度上都得益于沉砂池中GRC斜板的應(yīng)用。工程應(yīng)用結(jié)果也表明，GRC材料具有較好的工程力學(xué)性能，可在水利、建筑、土木等工程中推廣應(yīng)用。