引水灌溉工程沉砂池GRC斜板施工控制探讨

刘 翔

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518003)

0 引 言

引水灌溉工程的实施对于灌区农田水利事业的发展具有积极意义，但是河水中包含大量泥沙，特别是汛期来临后河水浑浊度明显上升，泥沙的存在会加大引水灌溉设备运行的阻力，甚至造成管道堵塞、设备零部件的损坏。为此，必须在引水灌溉工程中设置沉砂池等建筑，将河水进行相应的除砂处理后用于灌溉，减轻引水系统运行压力，保证系统顺利运行。斜板是沉淀池中不可或缺的装置，在沉降区域设置密集斜板，河水中悬浮杂质及泥沙沉淀于斜板中，初步净化后的河水则沿斜板上升流动；分离出的泥沙等杂物则在重力作用下沿斜板下滑至池底，集中排出[1]。根据类似工程实践经验，加装斜板的沉砂池沉淀效率可提升50%～60%。斜板也是沉砂池中损耗较大的部件之一，为提升斜板结构的稳定性、保证运行效率，可以考虑采用玻璃纤维增强混凝土GRC斜板。

1 项目概况

某引水灌溉工程规划年供水量为5.85×108m3，从取水口开始到出水池段长度约为3.2km，包括取水口、无压引水隧洞、沉砂池、放空洞、泵站、进水池、泄水洞、压力管道及出水池等建筑物。其中，沉砂池长×宽为180.5m×38m，设计水位828.84m，顶面及底板高程为832.8m和820.9m，为平流斜板式沉砂池设计，共分为三室六箱。沉砂池GRC斜板材料以低碱度水泥砂浆为基材，掺加耐碱玻璃纤维。河水经过取水口后进入1#引水隧洞，经分砂闸分流后进入沉沙系统，通过斜板段后从下至上流动，并以紊流形式流经斜板并均匀分流，转变为平流后流进纵向集水槽，汇流至总集水槽后流入2#引水隧洞。整个取水过程中沉砂池GRC斜板主要起到降低流速、均衡流态及池厢沉沙等作用，故对GRC斜板质量、力学性能及运行的稳定性有较高要求。

2 GRC斜板喷射成型工艺试验

玻璃纤维增强混凝土(Glass-Fiber Reinforced Concrete，GRC)价格低、自重轻，有较好的阻燃性，强度和韧性高，作为纤维复合材料，成型压力等工艺对其性能有显著影响。玻璃纤维的掺加提高了水泥基材的强度和韧性，

2.1 基本工艺

结合材料推荐配合比及现场试验，最终确定出的喷射工艺流程为：喷射成型→预混成型→铺网抹浆成型，喷射成型阶段砂灰质量比为0.35～0.38、玻璃纤维按砂浆质量的4%～5%计、高效减水剂按照水泥质量的0.3%～0.75%计；预混成型阶段砂灰质量比为0.35～0.4、玻纤按砂浆质量的2%～3.5%计、高效减水剂按照水泥质量的0.3%～0.75%计；铺网抹浆成型阶段砂灰质量比为0.35～0.4、不添加玻纤、高效减水剂按照水泥质量的0.3%～0.75%计，10mm厚的网格布设置2层。

沉砂池GRC斜板成型过程中所需要的机具主要有搅拌机、砂浆输送泵、喷枪；成型时先通过喷枪将玻璃纤维无捻粗纱切割成短纤维，再将玻纤与水泥砂浆一起喷射至模具，反复喷射以达到相应厚度和质量要求。通过多次试验，得出以下较为合理的工艺和相关参数值：按设计比将砂、水泥及硅灰等材料投入搅拌机，持续搅拌15s；将称量好并混合均匀的水和外加剂投入搅拌机继续搅拌90s，制成砂浆；加入聚合物乳液后继续拌和60s。在喷枪出口气压为0.2～0.5MPa的情况下分3～4次喷射完成，且每次喷射完后均需滚压1次。

2.2 混凝土抗压强度

根据对不同混凝土强度复合试件的试验，沉砂池GRC斜板中间混凝土抗压强度为14MPa、32MPa及45MPa时，所对应的界面黏结强度依次为0.58MPa、1.16MPa和1.37MPa；表明复合试件界面黏结强度随中间混凝土强度的增大而增大。通过分析原因可知，随着斜板中间混凝土强度的提高，水泥凝胶体黏结力提升，GRC斜板和中间混凝土间的咬合力、摩阻力迅速提升，试件界面黏结强度也提高；但是超出一定限值后增速减缓[2]。具体见图1。

图1 混凝土抗压强度对模板和混凝土黏结强度的影响

2.3 GRC模板厚度

GRC模板厚度影响GRC斜板与混凝土结构的黏结强度，两者的关系具体见图2，根据图中测试结果，当GRC模板厚度分别为10mm、20mm和30mm时，对应的试件界面黏结强度依次为0.68MPa、1.14MPa和1.24MPa；随着模板厚度的增大，试件界面黏结强度先快速增大，超出一定的临界点(GRC模板厚度20mm)后增速减缓，主要原因在于当模板厚度增大至一定限度后抗弯刚度减小，受到荷载作用后容易发生变形，模板和混凝土之间的咬合力、摩阻力随之降低[3]。出于施工质量、经济性、施工快捷性等方面的考虑，该建设项目将沉砂池GRC模板厚度控制在20mm。

图2 GRC模板厚度对模板和混凝土黏结强度的影响

试验结果表明，利用现有搅拌设备、泵送及喷射设备，完全能满足沉砂池GRC斜板喷射成型工艺要求，最终确定的水泥和砂的掺加比为2∶1，水灰比0.32～0.36，玻纤短切丝掺量为4%～5%，GRC模板厚度为20mm。

2.4 纤维掺量及滚压成型压力

根据不同纤维掺量下GRC斜板抗弯强度和滚压成型压力的关系曲线(图3)，随着成型压力的增大，GRC斜板抗弯强度随之提高，但提高的幅度主要受到玻璃纤维掺量的影响；当玻纤掺量为1.5%时，滚压成型压力为12MPa的GRC斜板抗弯强度比成型压力0MPa的GRC斜板抗弯强度提升72.5%；当玻纤掺量为3.5%时，滚压成型压力为12MPa的GRC斜板抗弯强度比成型压力0MPa的GRC斜板抗弯强度提升17.6%。根据试验结果，GRC斜板抗弯强度随着玻纤掺量的增大而降低，而滚压成型压力的提高对GRC斜板抗弯强度的效果并不明显。

图3 滚压成型压力与GRC斜板抗弯强度的关系

与此同时，随着成型压力的增大，不同玻璃纤维掺量的GRC斜板断裂能呈下降趋势。GRC斜板的断裂能主要来自玻璃纤维的拔出能，在成型压力相同时，玻璃纤维掺量越大，GRC斜板断裂能也越大。在压力成型作用下，水泥浆体挤玻璃纤维束中，使玻纤更加分散，虽然能提升强度，但是受到水泥基体包裹的玻纤拔出难度增大，断裂能也随之下降[4]。见图4。

图4 滚压成型压力与GRC斜板断裂能的关系

综合以上试验结果，应将该引水工程沉砂池GRC斜板中玻纤掺量控制在1.5%，滚压成型压力取2～3MPa。

3 施工过程控制

3.1 原材料

沉砂池GRC斜板施工所用原材料主要有水泥、砂、外加剂、丙烯酸聚合物及玻璃纤维。①水泥：采用抗压强度≥42.5、初凝时间不早于20min、终凝时间≥180min的高贝利特硫酸盐水泥，按照《玻璃纤维增强水泥性能试验方法GB/T15231-2008》所规定的试验方法进行水泥性能检验，物理力学性能详见表1。施工现场水泥材料应存放在阴凉、干燥的环境下，避免直接与阳光、空气和水接触，存放时间不得超出3个月。②砂：选用干净清洁、质地坚硬、含泥量≤1%、表面光滑的圆形砂料，粒径0.15mm以下的细颗粒占比应≤10%；③外加剂：通过掺加相应比例的减水剂、塑化剂等外加剂，以提升沉砂池GRC斜板力学性能。外加剂掺加后，在原水灰比下料浆内聚力、早期强度、渗透性等工作性能将明显改善，搅拌时间缩短，凝结时间延长。考虑到该建设项目沉砂池制品中有钢质预埋件，故禁止使用氯化钙基外加剂。④丙烯酸聚合物：添加丙烯酸聚合物后，养护初期会在基材中形成聚合物膜，可明显提高沉砂池GRC斜板的抗渗性能，减少斜板表面裂隙和水分蒸发，为水泥充分水化提供充足的水分[5]。⑤玻璃纤维：选用耐碱玻纤专用粗纱，不加捻而直接将玻纤平行分股后通过喷枪切割成设计长度，与水泥等基材一同喷入模具。玻纤氧化锆含量≥16%，拉伸强度1.0～1.8GN/m2，含水率≤0.2%，硬挺度≥140mm，可燃物含量≥1.2%，耐碱玻纤短切纱性能满足《耐碱玻璃纤维无捻粗纱JC/572-2012》。

表1 硫酸盐水泥物理力学性能

3.2 GRC斜板制作

3.2.1 模具制作

采用竹胶板和矩形钢管组合的GRC斜板模具。具体而言，将长×宽为4cm×4cm的矩形钢管焊接成1.5cm×1.5cm的矩形骨架，平铺在平整场地后检查平整度和焊接质量；再使用竹胶板拼装成长×宽为1.5m×1.5m的矩形槽，竹胶板底部连接矩形骨架。安装期间通过水平靠尺检查竹胶板平整度，误差不得超出3mm。

3.2.2 斜板喷射

考虑到GRC斜板面层厚度薄，为避免玻纤材料外露，应先在模板表面喷涂一层2mm厚的无玻纤薄浆；再按照设计要求进行GRC斜板分层喷射。喷射时按S形进行，相邻喷射带应搭接喷带宽度的40%～50%；喷浆机枪口必须与模板面垂直，距离模板表面30-50cm，先喷边角和低端，再喷大面和高端。每层喷浆结束后立即通过滚筒压实，对于面积较小的区域，应改用毛刷或角铁工具压实。最后还应通过人工方式抹面压光处理，将GRC斜板平整度控制在±1mm。

3.2.3 养护

完成一个施工单元后通过塑料布覆盖，避免水分过快散失，待达到设计强度后拆模。拆模时必须由2个人同时起板，放置于阴凉通风处洒水养护，达到终凝状态后按照生产时间分区码放，为避免压坏变形，码放高度应不超出2.0m，码放层数不能超出4层，并覆盖防护。

3.2.4 质量检验

按照生产批次进行沉砂池GRC斜板质量检验，每个批次内抽检2件，该建设项目每个批量生产300件GRC斜板制品，不足300件的视为1个批量。待沉砂池GRC斜板养护完成后按批次抽检，检测结果详见表2。

表2 沉砂池GRC斜板质量检验结果

3.3 GRC斜板安装

待GRC斜板实际强度达到设计强度的75%后进行吊装。吊装施工前全面清理工字钢和横梁，并通过耐久、实用的材料进行角度固定，确保斜板支撑角度为60°。GRC斜板质量检查合格后以10块为1组置于吊装容器中，通过塔吊吊运至沉砂池厢内部。将斜板设置在1-6#沉砂池厢纵向集水槽中部，各池厢设计净宽3.02m，在GRC斜板安装时必须在中间预留2cm宽度的施工缝，GRC斜板厚20mm，长×宽为1.5m×1.5m。安装时将GRC斜板按60°倾角放置在HW300mm×300mm钢梁上，相邻GRC斜板间距10cm，中间增设3.5cm厚、长×宽为1.5m×0.1m的支撑肋条隔断；通过φ8mm圆钢连接支撑肋条和GRC斜板。该建设项目沉砂池共制安7702块GRC斜板，分成26个检验批次，经检验，GRC斜板预制质量均达到一等品要求(表2)，安装误差均不超出±5mm，完全满足设计及规范要求。

4 结 论

综上所述，GRC斜板强度高、韧性好、抗冲刷磨损效果好，物理力学性能十分理想。该引水灌溉工程自2019年初建成运行以来已逾3个年份，每年定期检测结果显示，工程运行过程中始终未出现泥沙淤积堵塞、设备异响、出水口水流紊乱等情况，出水量及池底集中排出的泥沙量稳定，这在很大程度上都得益于沉砂池中GRC斜板的应用。工程应用结果也表明，GRC材料具有较好的工程力学性能，可在水利、建筑、土木等工程中推广应用。