输水建筑物淡水壳菜防治中试设计及效果分析

郑航桅，潘志权，杨永民，肖 云，陈小丹，赵可昕

(1.广东省粤海供水有限公司，广东 深圳 518021；2.仲恺农业工程学院，广东 广州 510225；3.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；4. 华南理工大学，广东 广州 510640)

1 概述

生物侵蚀是导致混凝土面的是致其性能劣化的一个重要因素，生物侵蚀是指由污损生物(包括动物、植物和微生物)生命活动引起或促进的材料性能的劣化和破坏[1-3]。目前，全球已知的污损生物达4 000余种，我国已记录的附着型污损生物约600种[4-6]，主要包括：水虱、水螅、外肛动物、苔虫、龙介虫、海鞘、藤壶、淡水壳菜以及藻类等。据统计[7-9]，20世纪70年代德国建筑材料的破坏10%～20%来源于生物侵蚀；美国约80万km的排污管道遭受不同程度的微生物侵蚀需修复或更换，我国近5 a每年由生物侵蚀导致的经济损失至少在8 000亿元。鉴于其危害严重性，国外早在20世纪40年代就展开了微生物侵蚀机理的研究，而国内对于这一问题的认识较晚，目前还处于研究初期，该方面的文献报道较少。

淡水壳菜大量生长并附着于输水建筑物混凝土过水面，对输水工程过水混凝土面的生物侵蚀作用是淡水壳菜、泥沙、藻类、细菌真菌等构成的微生态体系的复合作用所致[10-11]。淡水壳菜的蛋白足丝通过氢键或配位键与底材连接，从而形成4～8 N的抗拔力，足丝侵入混凝土表层内部，其分泌物代谢有机酸腐蚀水泥砂浆，加速混凝土内壁碳化和粉化[10-12]，使碎石粗骨料露出、脱落，让钢筋保护层厚度逐渐变小，从而降低水工建筑物的使用年限，危害性极大。此外，淡水壳菜通常在管壁、缝隙等处多个体稠密群聚簇生，使得有效管径缩减，糙率增大，输水能力大大降低，进而增大输水建筑物的输水能耗，增大工程运行成本，同时严重影响供水调度，限制优化调度空间，是输水工程的重大难题。

淡水壳菜防治有物理防治法、化学防治法、生物防治法等，根据某大流量输水工程所受污损淡水壳菜侵蚀的实际情况，选择了工程应用性强的物理防治法中的高性能涂料防护进行重点深化研究，分别对4种防护涂料进行了现场试验，选取防护效果最好的涂料开展中试，为该工程淡水壳菜侵蚀的大规模防治提供依据，也为其他工程的正确防护提供参考。

2 工程概况

某供水工程自建成以来，一直受淡水壳菜滋生问题的困扰，尤其是在取水口近的配套输水建筑内壁淡水壳菜等污损生物附着最为严重，附着厚度达3～5 cm左右，尽管每年运行管理单位对管涵内壁的淡水壳菜进行人工清除(个别涵管每年清理2次)，但通水后淡水壳菜仍周期性地继续生长。

本项目以该工程取水口的泵站反虹涵为中试段，反虹涵长为217.993 m(水平为217.402 m)，结构形式为双孔，涵管单孔断面为4.0 m×4.2 m(b×h)，进出口设检修闸，两闸室均长为11 m，进口底高程为 0.70 m，出口底高程为0.00 m，穿越河床的水平段长为87.052 m，底部高程为-5.50 m，进口闸斜段坡度为1:8.15 m，长度为47.770 m(水平为47.410 m)；出口闸斜段坡度为1:11.43，长度为61.171 m(水平为60.940 m)，项目区位示意见图1。

图1 项目区位示意

该泵站反虹涵在伴有淤泥沉积的附着区，淡水壳菜较易铲除，附着强度较差；而在泥沙沉积少的区域，淡水壳菜成团直接嵌入式附着于混凝土表面时，附着强度显著增大，难以铲除。经高压水枪清洗后，混凝土基面露出，可明显观察到表面呈现凹凸不平、骨料外露的现状(见图2a和b)。

a

b

3 防护现场试验及结果分析

虽然针对生物腐蚀，国内外的防治技术主要有物理方法、化学方法、生物方法。然而从输水建筑的规模、结构、功能角度出发，物理法中防护涂料保护法应用最为广泛。本项目主要使用了SBS、ZH2000B、GX-BIOX和G-II的4种防护涂料。

防护现场试验通过定性统计分析涂覆有不同涂料的样板表面附着的淡水壳菜的面积比例，现场试验照片如图3所示，统计结果如表1所示。

根据现场统计结果分析可知，GX-BIOX涂料表面淡水壳菜完全没有附着，ZH2000B、G-II和SBX涂料表面淡水壳菜的附着量多，附着面积比例均超过30%，空白板表面淡水壳菜的附着量超多，附着面积比例均超过40%。GX-BIOX涂料的防生物附着腐蚀效果明显优于其他3种涂料，防生物附着效果分别为：GX-BIOX最佳，其次为ZH2000B，G-II和SBX涂料防护性较差。

a 原砼内壁

d G-II

表1不同涂层表面淡水壳菜附着量定性分析统计

4 防治措施中试设计

基于前期研究成果，选择试验块防护效果优越的GX-BIOX 涂料进行中试研究。

反虹涵断面周长为15.463 m，断面需涂覆的长度为12.063 m，涵洞过水面面积为16.48 m2，根据设计内容，工程量统计如下：

① 排空反虹涵积水：217.993×16.48×2=7 185 m3；

② 人工清除干净混凝土面的淡水壳菜(单涵)：217.993×15.463=3 371m2；

③ 清淤量(单涵)：3371×0.04=135 m3；

④ 涂料涂覆面积：217.993×12.063=2 630m2；

⑤ 布置22组1.1 kW鼓风机(每组3台，一共66台)，1台30 kW抽风机。

泵站反虹涵外表面防护涂层工程设计典型断面如图3所示，采用GX-BIOX 涂料，涂层的组成结构如图4所示。

图4 右涵涂覆断面示意(单位：mm)

图5 防护涂层大样示意

涂覆工序设计如下：① 排空反虹涵积水，人工清除干净混凝土面的淡水壳菜。② 修复反虹涵的缺陷，对反虹涵混凝土面做基面处理。检查混凝土表面有无病害或缺陷，有无有机物、污垢、粉化物等其他粘结物等，对存在的部位进行认真清理，用钢丝刷、凿子或高压水枪打毛混凝土基面。涂装前的基面应达到的基本要求为：基面坚实牢固、平整、干燥、洁净、无污染物。涂装工程的基底不应有裂缝、起壳、空鼓等缺陷；没有明显的突起。③ 检测基面：喷涂施工前必须严格检测基面的湿度与PH值，基面含水率不得超过10%，pH值不能超过10；④底漆涂刷遍数1次，腻子涂刷遍数1次，中漆刷遍数1次(标准膜厚50 μm)，面漆涂刷遍数1次(标准膜厚150 μm)。涂料须辊涂均匀，不得有漏涂现象。

需要指出，进行防护涂料施工前，原则上先基面砼缺陷修复，其中裂缝和结构缝渗水必须全部彻底处理完成，否则将影响涂料的施工质量和耐久性。

受限空间作业是中试施工的重难点：涵管施工空间有限，大部分施工期间两端闸门处于关闭状态，涵管内通风、采光条件差，照明系统需24 h工作。因此，针对受限空间作业主要危险源，设计安全措施见表2。

表2 工程中试时受限空间作业主要危险源及安全措施

5 中试效果分析

泵站反虹涵工程于2020年12月进行中试，施工周期历时7 d，施工前淡水壳菜清理见图6，施工过程和施工后的效果见图7，施工后的效果见图8，通水运行1 a后的防护效果见图9。

如图6～9所见，施工后的反虹涵内壁光滑，表面反光。通水运行1 a后，没有淡水壳菜附着，局部有淤泥污染，防护效果非常好。

6 结语

1)根据输水工程所受污损淡水壳菜侵蚀的实际情况，选择了4种防护涂料进行了现场试验，GX-BIOX涂料的防生物附着腐蚀效果显著，持续防护时间长，明显优于其他3种涂料，其次为ZH2000B，G-II和SBX涂料防护性较差。

2)选择了工程的某段泵站出水池反虹涵进行了中试设计，提出了涂层的组成结构、涂覆工序以及混凝土面的不同的缺陷的修补方法。

3)施工后的反虹涵内壁光滑，表面反光。通水运行1 a后，没有明显的淡水壳菜附着，局部有淤泥污染，防护效果好。