輸水建筑物淡水殼菜防治中試設(shè)計及效果分析

鄭航桅，潘志權(quán)，楊永民，肖 云，陳小丹，趙可昕

(1.廣東省粵海供水有限公司，廣東 深圳 518021；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學院，廣東 廣州 510225；3.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；4. 華南理工大學，廣東 廣州 510640)

1 概述

生物侵蝕是導致混凝土面的是致其性能劣化的一個重要因素，生物侵蝕是指由污損生物(包括動物、植物和微生物)生命活動引起或促進的材料性能的劣化和破壞[1-3]。目前，全球已知的污損生物達4 000余種，我國已記錄的附著型污損生物約600種[4-6]，主要包括：水虱、水螅、外肛動物、苔蟲、龍介蟲、海鞘、藤壺、淡水殼菜以及藻類等。據(jù)統(tǒng)計[7-9]，20世紀70年代德國建筑材料的破壞10%～20%來源于生物侵蝕；美國約80萬km的排污管道遭受不同程度的微生物侵蝕需修復或更換，我國近5 a每年由生物侵蝕導致的經(jīng)濟損失至少在8 000億元。鑒于其危害嚴重性，國外早在20世紀40年代就展開了微生物侵蝕機理的研究，而國內(nèi)對于這一問題的認識較晚，目前還處于研究初期，該方面的文獻報道較少。

淡水殼菜大量生長并附著于輸水建筑物混凝土過水面，對輸水工程過水混凝土面的生物侵蝕作用是淡水殼菜、泥沙、藻類、細菌真菌等構(gòu)成的微生態(tài)體系的復合作用所致[10-11]。淡水殼菜的蛋白足絲通過氫鍵或配位鍵與底材連接，從而形成4～8 N的抗拔力，足絲侵入混凝土表層內(nèi)部，其分泌物代謝有機酸腐蝕水泥砂漿，加速混凝土內(nèi)壁碳化和粉化[10-12]，使碎石粗骨料露出、脫落，讓鋼筋保護層厚度逐漸變小，從而降低水工建筑物的使用年限，危害性極大。此外，淡水殼菜通常在管壁、縫隙等處多個體稠密群聚簇生，使得有效管徑縮減，糙率增大，輸水能力大大降低，進而增大輸水建筑物的輸水能耗，增大工程運行成本，同時嚴重影響供水調(diào)度，限制優(yōu)化調(diào)度空間，是輸水工程的重大難題。

淡水殼菜防治有物理防治法、化學防治法、生物防治法等，根據(jù)某大流量輸水工程所受污損淡水殼菜侵蝕的實際情況，選擇了工程應用性強的物理防治法中的高性能涂料防護進行重點深化研究，分別對4種防護涂料進行了現(xiàn)場試驗，選取防護效果最好的涂料開展中試，為該工程淡水殼菜侵蝕的大規(guī)模防治提供依據(jù)，也為其他工程的正確防護提供參考。

2 工程概況

某供水工程自建成以來，一直受淡水殼菜滋生問題的困擾，尤其是在取水口近的配套輸水建筑內(nèi)壁淡水殼菜等污損生物附著最為嚴重，附著厚度達3～5 cm左右，盡管每年運行管理單位對管涵內(nèi)壁的淡水殼菜進行人工清除(個別涵管每年清理2次)，但通水后淡水殼菜仍周期性地繼續(xù)生長。

本項目以該工程取水口的泵站反虹涵為中試段，反虹涵長為217.993 m(水平為217.402 m)，結(jié)構(gòu)形式為雙孔，涵管單孔斷面為4.0 m×4.2 m(b×h)，進出口設(shè)檢修閘，兩閘室均長為11 m，進口底高程為 0.70 m，出口底高程為0.00 m，穿越河床的水平段長為87.052 m，底部高程為-5.50 m，進口閘斜段坡度為1:8.15 m，長度為47.770 m(水平為47.410 m)；出口閘斜段坡度為1:11.43，長度為61.171 m(水平為60.940 m)，項目區(qū)位示意見圖1。

圖1 項目區(qū)位示意

該泵站反虹涵在伴有淤泥沉積的附著區(qū)，淡水殼菜較易鏟除，附著強度較差；而在泥沙沉積少的區(qū)域，淡水殼菜成團直接嵌入式附著于混凝土表面時，附著強度顯著增大，難以鏟除。經(jīng)高壓水槍清洗后，混凝土基面露出，可明顯觀察到表面呈現(xiàn)凹凸不平、骨料外露的現(xiàn)狀(見圖2a和b)。

a

b

3 防護現(xiàn)場試驗及結(jié)果分析

雖然針對生物腐蝕，國內(nèi)外的防治技術(shù)主要有物理方法、化學方法、生物方法。然而從輸水建筑的規(guī)模、結(jié)構(gòu)、功能角度出發(fā)，物理法中防護涂料保護法應用最為廣泛。本項目主要使用了SBS、ZH2000B、GX-BIOX和G-II的4種防護涂料。

防護現(xiàn)場試驗通過定性統(tǒng)計分析涂覆有不同涂料的樣板表面附著的淡水殼菜的面積比例，現(xiàn)場試驗照片如圖3所示，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計結(jié)果分析可知，GX-BIOX涂料表面淡水殼菜完全沒有附著，ZH2000B、G-II和SBX涂料表面淡水殼菜的附著量多，附著面積比例均超過30%，空白板表面淡水殼菜的附著量超多，附著面積比例均超過40%。GX-BIOX涂料的防生物附著腐蝕效果明顯優(yōu)于其他3種涂料，防生物附著效果分別為：GX-BIOX最佳，其次為ZH2000B，G-II和SBX涂料防護性較差。

a 原砼內(nèi)壁

d G-II

表1不同涂層表面淡水殼菜附著量定性分析統(tǒng)計

4 防治措施中試設(shè)計

基于前期研究成果，選擇試驗塊防護效果優(yōu)越的GX-BIOX 涂料進行中試研究。

反虹涵斷面周長為15.463 m，斷面需涂覆的長度為12.063 m，涵洞過水面面積為16.48 m2，根據(jù)設(shè)計內(nèi)容，工程量統(tǒng)計如下：

① 排空反虹涵積水：217.993×16.48×2=7 185 m3；

② 人工清除干凈混凝土面的淡水殼菜(單涵)：217.993×15.463=3 371m2；

③ 清淤量(單涵)：3371×0.04=135 m3；

④ 涂料涂覆面積：217.993×12.063=2 630m2；

⑤ 布置22組1.1 kW鼓風機(每組3臺，一共66臺)，1臺30 kW抽風機。

泵站反虹涵外表面防護涂層工程設(shè)計典型斷面如圖3所示，采用GX-BIOX 涂料，涂層的組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 右涵涂覆斷面示意(單位：mm)

圖5 防護涂層大樣示意

涂覆工序設(shè)計如下：① 排空反虹涵積水，人工清除干凈混凝土面的淡水殼菜。② 修復反虹涵的缺陷，對反虹涵混凝土面做基面處理。檢查混凝土表面有無病害或缺陷，有無有機物、污垢、粉化物等其他粘結(jié)物等，對存在的部位進行認真清理，用鋼絲刷、鑿子或高壓水槍打毛混凝土基面。涂裝前的基面應達到的基本要求為：基面堅實牢固、平整、干燥、潔凈、無污染物。涂裝工程的基底不應有裂縫、起殼、空鼓等缺陷；沒有明顯的突起。③ 檢測基面：噴涂施工前必須嚴格檢測基面的濕度與PH值，基面含水率不得超過10%，pH值不能超過10；④底漆涂刷遍數(shù)1次，膩子涂刷遍數(shù)1次，中漆刷遍數(shù)1次(標準膜厚50 μm)，面漆涂刷遍數(shù)1次(標準膜厚150 μm)。涂料須輥涂均勻，不得有漏涂現(xiàn)象。

需要指出，進行防護涂料施工前，原則上先基面砼缺陷修復，其中裂縫和結(jié)構(gòu)縫滲水必須全部徹底處理完成，否則將影響涂料的施工質(zhì)量和耐久性。

受限空間作業(yè)是中試施工的重難點：涵管施工空間有限，大部分施工期間兩端閘門處于關(guān)閉狀態(tài)，涵管內(nèi)通風、采光條件差，照明系統(tǒng)需24 h工作。因此，針對受限空間作業(yè)主要危險源，設(shè)計安全措施見表2。

表2 工程中試時受限空間作業(yè)主要危險源及安全措施

5 中試效果分析

泵站反虹涵工程于2020年12月進行中試，施工周期歷時7 d，施工前淡水殼菜清理見圖6，施工過程和施工后的效果見圖7，施工后的效果見圖8，通水運行1 a后的防護效果見圖9。

如圖6～9所見，施工后的反虹涵內(nèi)壁光滑，表面反光。通水運行1 a后，沒有淡水殼菜附著，局部有淤泥污染，防護效果非常好。

6 結(jié)語

1)根據(jù)輸水工程所受污損淡水殼菜侵蝕的實際情況，選擇了4種防護涂料進行了現(xiàn)場試驗，GX-BIOX涂料的防生物附著腐蝕效果顯著，持續(xù)防護時間長，明顯優(yōu)于其他3種涂料，其次為ZH2000B，G-II和SBX涂料防護性較差。

2)選擇了工程的某段泵站出水池反虹涵進行了中試設(shè)計，提出了涂層的組成結(jié)構(gòu)、涂覆工序以及混凝土面的不同的缺陷的修補方法。

3)施工后的反虹涵內(nèi)壁光滑，表面反光。通水運行1 a后，沒有明顯的淡水殼菜附著，局部有淤泥污染，防護效果好。