噴灌技術(shù)在山東臨沂小埠東橡膠壩混凝土養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

高 瑞,王 偉,李相鵬

（1.山東省臨沂市濱河景區(qū)小埠東橡膠壩管理所，山東 臨沂 276000；2.山東省臨沂市園林局，山東 臨沂 276000 3.山東省臨沂市園林局，山東 臨沂 276000）

0 引言

混凝土澆筑振搗后，由于水泥水化作用，逐漸凝結(jié)硬化。 但是，水泥的水化作用需要適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸取?為了保證混凝土有適宜的硬化條件，使其強(qiáng)度不斷增長，必須對混凝土進(jìn)行充分養(yǎng)護(hù)[1]。 所謂充分養(yǎng)護(hù)，主要是要保證混凝土在整個(gè)規(guī)定的養(yǎng)護(hù)期間都不失水。 若養(yǎng)護(hù)不能按規(guī)范要求適時(shí)進(jìn)行，將影響混凝土早期強(qiáng)度的增長。 更重要的是，由于混凝土表面水分急劇蒸發(fā)失散，會(huì)造成混凝土表面干縮、龜裂、起毛，嚴(yán)重影響混凝土整體質(zhì)量，以及其他性能的發(fā)揮。 目前，大部分施工單位都是在混凝土澆筑初凝12 h 后開始進(jìn)行人工灑水養(yǎng)護(hù)。該方法在養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)人為因素較多，不僅養(yǎng)護(hù)效果不好，也浪費(fèi)了大量的人力資源。

噴灌技術(shù)是一種先進(jìn)的灌溉方式[2]，最初產(chǎn)生于19 世紀(jì)末，主要應(yīng)用在公園、城市廣場以及農(nóng)作物上。 該技術(shù)是把由水泵加壓或自然落差形成的有壓水通過壓力管道輸送，再經(jīng)噴頭噴射到空中，形成細(xì)小水滴，均勻地灑落，達(dá)到灌溉的目的。 其明顯的優(yōu)點(diǎn)是灌水均勻，節(jié)省人力，對地形的適應(yīng)性強(qiáng)。 山東臨沂濱河景區(qū)小埠東橡膠壩管理所通過積極探索，在小埠東橡膠壩加固工程施工中，采用噴灌方法，對大體積混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，取得了較好的效果。

1 工程概況

沂河是山東省臨沂市的最大過境河流，被列入世界吉尼斯紀(jì)錄的世界最長橡膠壩——小埠東橡膠壩的加固工程就位于沂河干流上。 該工程對橡膠壩的消能設(shè)施進(jìn)行了加固，工程總長1 247.4 m，南北水平寬20 m，基礎(chǔ)底板平均厚度為0.8 m，混凝土最大厚度為1.0 m，混凝土強(qiáng)度等級為C25，混凝土總量約為28 000 m3，屬大體積混凝土。

2 噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)選型及布置

實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)橄鹉z壩一級消力池以下加固的斜坡段，共分8 個(gè)連續(xù)單元，每個(gè)單元70 m，東西合計(jì)長L=560 m，南北水平寬20 m。 根據(jù)工程現(xiàn)場條件，采用移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)。 這種噴灌系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備、水泵、管道和噴頭等都是可以移動(dòng)的，投資較省，機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)。 噴頭選用目前國內(nèi)常用的PY1噴頭，其布置方式為東西向一字橫向布置，如圖1 所示。

圖1 噴灌系統(tǒng)布置圖Fig.1 Sprinkling irrigation system arrangement

2.2 噴頭的選擇

選擇的噴頭型號為PY120，其基本參數(shù)如表1 所示[3]。 由于地理?xiàng)l件特殊，噴頭按允許最大射程呈東西一字橫向布置。噴頭數(shù)量按公式n噴頭=（支管長度/噴頭間距）+1 確定，即，n噴頭=L/(2R×0.9)+1=14.2 個(gè)，取15 個(gè)。 式中，0.9 為移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)噴頭射程折減系數(shù)，故在一條支管上設(shè)置噴頭個(gè)數(shù)15 個(gè)。

表1 PY1 噴頭基本參數(shù)Table 1 PY1 nozzle basic parameters

2.3 支管設(shè)計(jì)

為使噴灑均勻，要求支管上各噴頭的流量、壓力基本一致。 因此，規(guī)范規(guī)定，同一支管上的任意兩個(gè)噴頭之間的壓力差應(yīng)在噴頭設(shè)計(jì)工作壓力的20%以內(nèi)。 若噴頭設(shè)計(jì)工作壓力為Hp，支管上最大最小噴頭工作壓力分別為Hmax、Hmin。 考慮地形高差△Z的影響，則支管的管徑的選擇控制條件為

式中：Hw為同一支管上任意兩噴頭間支管段水頭損失，m；△Z 為同一支管上兩噴頭進(jìn)水口高程差（順坡鋪設(shè)支管時(shí)△Z 為負(fù)值，逆坡鋪設(shè)支管時(shí)△Z 為正值），m。

設(shè)計(jì)時(shí)，一般先假定管徑，然后計(jì)算管路沿程損失，再按上述公式校核，最后選定管徑。 計(jì)算出管徑之后，還需根據(jù)現(xiàn)有管道規(guī)格確定實(shí)際管徑。 沿程水頭損失的計(jì)算公式為

式中：Hf支為支管的沿程水頭損失，m；f、m、b分別為摩阻系數(shù)、流量指數(shù)和管徑指數(shù)，皆與管材有關(guān)；F 為多孔系數(shù)；Q 為支管流量，m3/h；L 為管長，m；d 為管徑，mm。

各種管材的f、m 及b 值按表2 確定。

表2 各種管材的f、m、b 取值表Table 2 f,m,b value of all kinds of pipes

在噴灌系統(tǒng)中，沿支管安裝許多噴頭，支管的流量自上而下逐漸減少。 因此，對沿程水頭損失應(yīng)該分段計(jì)算，但為簡化計(jì)算，常根據(jù)進(jìn)口最大流量計(jì)算沿程水頭損失，然后乘以多孔系數(shù)F 進(jìn)行修正。

本次設(shè)計(jì)，采用硬塑料管，管長L=280 m，△Z=0，F(xiàn) 取0.399，所以，使Hf支+△Z≤0.2Hp，反算出管道的理論內(nèi)徑, Hf支=

故d≥71.7mm

選擇Φ75、內(nèi)徑71mm、能承受0.8 MPa 壓力的塑料管。

2.4 干管管徑的確定

可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即Q<120m3/h 時(shí)，D=13；Q≧120m3/h 時(shí)，D=11.5。 本次干管流量Q=5.64×15=41.23m3/h，干管內(nèi)徑選用D=13=83.47m3/h。 故，選擇Φ90 的塑料管。

2.5 管網(wǎng)水力計(jì)算

管道水力計(jì)算主要是計(jì)算管道沿程水頭損失，以及彎頭、三通、閘閥、變徑管等處局部水頭損失。局部水頭損失可按沿程水頭損失的5%～10%估計(jì)。

（1）支管沿程水頭損失。 支管為兩條，分別長度均為L=280m

（2）主干管沿程水頭損失

2.6 水泵動(dòng)力選配

設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=hp+△+∑hf+∑hj+H首，則H=40+2+19.67+1.97+1=64.64m，設(shè)計(jì)流量Q=41.23m3/h。 查水泵產(chǎn)品目錄，選擇DG46-30×3 型水泵，配套電機(jī)功率為22KW。 噴灌動(dòng)力多采用電動(dòng)機(jī)，只有在電源供應(yīng)不足的地區(qū)，才考慮柴油機(jī)。

2.7 水錘防護(hù)

在有壓管道中，由于管內(nèi)流速突然變化而引起管道中水流壓力急劇上升或下降的現(xiàn)象，即為水錘。發(fā)生水錘時(shí)，管道可能因內(nèi)水壓力超過管材公稱壓力或者管內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓而損壞管道。 為避免或減小水錘危害，在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取以下措施：（1）在操作運(yùn)行中，應(yīng)緩慢啟閉閥門，以延長閥門啟閉時(shí)間，從而避免產(chǎn)生直接水錘，并降低間接水錘壓力。 （2）在設(shè)計(jì)中，可間隔一段距離，設(shè)置安全閥或進(jìn)排氣閥，以縮短管道長度，并消減水錘壓力。

3 養(yǎng)護(hù)效果與經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 養(yǎng)護(hù)效果

試驗(yàn)證明，通過噴灌灑水方法養(yǎng)護(hù)，試件失水率小，混凝土中水泥水化充分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度高，且能減緩水化熱的散失，強(qiáng)度增長快。 而通過人工灑水方法養(yǎng)護(hù)，雖然也能取得類似的效果，但由于人為因素較多（如灑水不如噴灌方式均勻、養(yǎng)護(hù)次數(shù)和澆水量不足等），易造成混凝土表面干濕交替，出現(xiàn)干縮裂紋、松散、起皮及剝落等質(zhì)量缺陷，混凝土的強(qiáng)度及耐久性無法保證，甚至影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，較少使用壽命。

3.2 經(jīng)濟(jì)分析

采用人工灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)，在一般氣溫條件下，混凝土成型3d 內(nèi)，白天每隔2～3h 澆水一次，夜間不少于2 次。 以后隨氣溫不同，原則上不得低于以下次數(shù)：正午氣溫達(dá)10℃時(shí)，2 次/日； 正午氣溫達(dá)20℃時(shí)，4次/日；正午氣溫達(dá)30℃時(shí)，6 次/日；正午氣溫達(dá)40℃時(shí)，8 次/日。 因養(yǎng)護(hù)面積大，為保證養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，需最少投入3 名工人、3 臺(tái)水泵機(jī)組。 而使用噴灌方法，僅需要一套機(jī)組，并且，在系統(tǒng)安裝完畢之后，僅需1 人在現(xiàn)場看護(hù)即可。 按1 個(gè)養(yǎng)護(hù)周期28 d 計(jì)算，噴灌方法可節(jié)約部分設(shè)備投入，同時(shí)節(jié)省人力成本支出，其經(jīng)濟(jì)性是相當(dāng)可觀的。

4 結(jié)語

在混凝土養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)，通過使用噴灌系統(tǒng)，可以大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，同時(shí)，噴灌系統(tǒng)噴灑比較均勻，可提高混凝土的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。該項(xiàng)技術(shù)可同時(shí)推廣到混凝土預(yù)制廠、新建混凝土道路路面等的養(yǎng)護(hù)工作中。

[1] 仲璇.對商品混凝土養(yǎng)護(hù)的幾點(diǎn)看法[J].今日科苑，2009（02）：169-169.

[2] 李遠(yuǎn)華.節(jié)水灌溉理論與技術(shù)[M].武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，2003：1-20.

[3] GB50288-99，灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，1999：50-70.