喷灌技术在山东临沂小埠东橡胶坝混凝土养护中的应用

高 瑞,王 伟,李相鹏

（1.山东省临沂市滨河景区小埠东橡胶坝管理所，山东 临沂 276000；2.山东省临沂市园林局，山东 临沂 276000 3.山东省临沂市园林局，山东 临沂 276000）

0 引言

混凝土浇筑振捣后，由于水泥水化作用，逐渐凝结硬化。 但是，水泥的水化作用需要适当的温度和湿度。 为了保证混凝土有适宜的硬化条件，使其强度不断增长，必须对混凝土进行充分养护[1]。 所谓充分养护，主要是要保证混凝土在整个规定的养护期间都不失水。 若养护不能按规范要求适时进行，将影响混凝土早期强度的增长。 更重要的是，由于混凝土表面水分急剧蒸发失散，会造成混凝土表面干缩、龟裂、起毛，严重影响混凝土整体质量，以及其他性能的发挥。 目前，大部分施工单位都是在混凝土浇筑初凝12 h 后开始进行人工洒水养护。该方法在养护周期内人为因素较多，不仅养护效果不好，也浪费了大量的人力资源。

喷灌技术是一种先进的灌溉方式[2]，最初产生于19 世纪末，主要应用在公园、城市广场以及农作物上。 该技术是把由水泵加压或自然落差形成的有压水通过压力管道输送，再经喷头喷射到空中，形成细小水滴，均匀地洒落，达到灌溉的目的。 其明显的优点是灌水均匀，节省人力，对地形的适应性强。 山东临沂滨河景区小埠东橡胶坝管理所通过积极探索，在小埠东橡胶坝加固工程施工中，采用喷灌方法，对大体积混凝土进行养护，取得了较好的效果。

1 工程概况

沂河是山东省临沂市的最大过境河流，被列入世界吉尼斯纪录的世界最长橡胶坝——小埠东橡胶坝的加固工程就位于沂河干流上。 该工程对橡胶坝的消能设施进行了加固，工程总长1 247.4 m，南北水平宽20 m，基础底板平均厚度为0.8 m，混凝土最大厚度为1.0 m，混凝土强度等级为C25，混凝土总量约为28 000 m3，属大体积混凝土。

2 喷灌系统设计

2.1 系统选型及布置

实验区域为橡胶坝一级消力池以下加固的斜坡段，共分8 个连续单元，每个单元70 m，东西合计长L=560 m，南北水平宽20 m。 根据工程现场条件，采用移动式喷灌系统。 这种喷灌系统的动力设备、水泵、管道和喷头等都是可以移动的，投资较省，机动性较强。 喷头选用目前国内常用的PY1喷头，其布置方式为东西向一字横向布置，如图1 所示。

图1 喷灌系统布置图Fig.1 Sprinkling irrigation system arrangement

2.2 喷头的选择

选择的喷头型号为PY120，其基本参数如表1 所示[3]。 由于地理条件特殊，喷头按允许最大射程呈东西一字横向布置。喷头数量按公式n喷头=（支管长度/喷头间距）+1 确定，即，n喷头=L/(2R×0.9)+1=14.2 个，取15 个。 式中，0.9 为移动式喷灌系统喷头射程折减系数，故在一条支管上设置喷头个数15 个。

表1 PY1 喷头基本参数Table 1 PY1 nozzle basic parameters

2.3 支管设计

为使喷洒均匀，要求支管上各喷头的流量、压力基本一致。 因此，规范规定，同一支管上的任意两个喷头之间的压力差应在喷头设计工作压力的20%以内。 若喷头设计工作压力为Hp，支管上最大最小喷头工作压力分别为Hmax、Hmin。 考虑地形高差△Z的影响，则支管的管径的选择控制条件为

式中：Hw为同一支管上任意两喷头间支管段水头损失，m；△Z 为同一支管上两喷头进水口高程差（顺坡铺设支管时△Z 为负值，逆坡铺设支管时△Z 为正值），m。

设计时，一般先假定管径，然后计算管路沿程损失，再按上述公式校核，最后选定管径。 计算出管径之后，还需根据现有管道规格确定实际管径。 沿程水头损失的计算公式为

式中：Hf支为支管的沿程水头损失，m；f、m、b分别为摩阻系数、流量指数和管径指数，皆与管材有关；F 为多孔系数；Q 为支管流量，m3/h；L 为管长，m；d 为管径，mm。

各种管材的f、m 及b 值按表2 确定。

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

在喷灌系统中，沿支管安装许多喷头，支管的流量自上而下逐渐减少。 因此，对沿程水头损失应该分段计算，但为简化计算，常根据进口最大流量计算沿程水头损失，然后乘以多孔系数F 进行修正。

本次设计，采用硬塑料管，管长L=280 m，△Z=0，F 取0.399，所以，使Hf支+△Z≤0.2Hp，反算出管道的理论内径, Hf支=

故d≥71.7mm

选择Φ75、内径71mm、能承受0.8 MPa 压力的塑料管。

2.4 干管管径的确定

可按经验公式计算，即Q<120m3/h 时，D=13；Q≧120m3/h 时，D=11.5。 本次干管流量Q=5.64×15=41.23m3/h，干管内径选用D=13=83.47m3/h。 故，选择Φ90 的塑料管。

2.5 管网水力计算

管道水力计算主要是计算管道沿程水头损失，以及弯头、三通、闸阀、变径管等处局部水头损失。局部水头损失可按沿程水头损失的5%～10%估计。

（1）支管沿程水头损失。 支管为两条，分别长度均为L=280m

（2）主干管沿程水头损失

2.6 水泵动力选配

设计扬程H=hp+△+∑hf+∑hj+H首，则H=40+2+19.67+1.97+1=64.64m，设计流量Q=41.23m3/h。 查水泵产品目录，选择DG46-30×3 型水泵，配套电机功率为22KW。 喷灌动力多采用电动机，只有在电源供应不足的地区，才考虑柴油机。

2.7 水锤防护

在有压管道中，由于管内流速突然变化而引起管道中水流压力急剧上升或下降的现象，即为水锤。发生水锤时，管道可能因内水压力超过管材公称压力或者管内出现负压而损坏管道。 为避免或减小水锤危害，在设计中应采取以下措施：（1）在操作运行中，应缓慢启闭阀门，以延长阀门启闭时间，从而避免产生直接水锤，并降低间接水锤压力。 （2）在设计中，可间隔一段距离，设置安全阀或进排气阀，以缩短管道长度，并消减水锤压力。

3 养护效果与经济性分析

3.1 养护效果

试验证明，通过喷灌洒水方法养护，试件失水率小，混凝土中水泥水化充分，内部结构致密，强度高，且能减缓水化热的散失，强度增长快。 而通过人工洒水方法养护，虽然也能取得类似的效果，但由于人为因素较多（如洒水不如喷灌方式均匀、养护次数和浇水量不足等），易造成混凝土表面干湿交替，出现干缩裂纹、松散、起皮及剥落等质量缺陷，混凝土的强度及耐久性无法保证，甚至影响结构稳定安全，较少使用寿命。

3.2 经济分析

采用人工洒水养护时，在一般气温条件下，混凝土成型3d 内，白天每隔2～3h 浇水一次，夜间不少于2 次。 以后随气温不同，原则上不得低于以下次数：正午气温达10℃时，2 次/日； 正午气温达20℃时，4次/日；正午气温达30℃时，6 次/日；正午气温达40℃时，8 次/日。 因养护面积大，为保证养护质量，需最少投入3 名工人、3 台水泵机组。 而使用喷灌方法，仅需要一套机组，并且，在系统安装完毕之后，仅需1 人在现场看护即可。 按1 个养护周期28 d 计算，喷灌方法可节约部分设备投入，同时节省人力成本支出，其经济性是相当可观的。

4 结语

在混凝土养护周期内，通过使用喷灌系统，可以大大减轻工人的劳动强度，提高工作效率，同时，喷灌系统喷洒比较均匀，可提高混凝土的养护质量。该项技术可同时推广到混凝土预制厂、新建混凝土道路路面等的养护工作中。

[1] 仲璇.对商品混凝土养护的几点看法[J].今日科苑，2009（02）：169-169.

[2] 李远华.节水灌溉理论与技术[M].武汉：武汉水利电力大学出版社，2003：1-20.

[3] GB50288-99，灌溉与排水工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，1999：50-70.