羅 暢 吳學(xué)謙 常耀孔

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100)

隨著水利大壩工程施工技術(shù)的不斷提高，碾壓混凝土越來越多地被應(yīng)用到工程中。在碾壓混凝土的施工階段，確保壩體按照設(shè)計(jì)要求高質(zhì)量施工，是大壩長久安全運(yùn)行的基本保證[1]。因此，在碾壓混凝土的施工過程中，研究大體積混凝土溫度控制和防裂措施具有十分重要的實(shí)踐意義。

碾壓混凝土拱壩在施工中通常采用通倉澆筑，壩塊長、基礎(chǔ)約束和新老混凝土約束強(qiáng)，應(yīng)力控制困難，極易產(chǎn)生裂縫，施工期溫控防裂難度更大[2]。在目前的水利工程施工中，通水冷卻是進(jìn)行混凝土施工溫度控制和防止裂縫產(chǎn)生的重要措施，通過控制冷卻水管中冷卻水的流動(dòng)，將混凝土的熱量轉(zhuǎn)移走，可以有效降低由于混凝土水化熱而帶來的溫度應(yīng)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)防開裂的目的[3]。

通水冷卻的效果會(huì)受到冷卻水管布置方式、冷卻水溫、通水冷卻分期、冷卻時(shí)間間隔等多種因素影響[4]，因此，選擇合適的通水冷卻施工工藝，將有效保障通水冷卻施工的有效性，本文對(duì)引漢濟(jì)渭工程三河口水利樞紐通水冷卻施工工藝進(jìn)行相關(guān)分析研究，并通過對(duì)引漢濟(jì)渭工程大壩混凝土智能溫控監(jiān)控管理系統(tǒng)中壩體通水冷卻保溫子系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證了通水冷卻施工效果。

1 工程概況

三河口水利樞紐地處陜西省佛坪縣大河壩鄉(xiāng)上游約3.8km處的子午河峽谷下游段，作為引漢濟(jì)渭工程的兩個(gè)水源之一[5]，三河口水利樞紐水庫總庫容為7.1億m3，調(diào)節(jié)庫容6.5億m3。三河口水利樞紐拱壩壩頂高程為646m，壩頂上游弧長472.153m，分10個(gè)壩段施工。其中攔河大壩為1級(jí)建筑物，抽水電站建筑物級(jí)別為2級(jí)，泄水消能防沖建筑物級(jí)別為2級(jí)，樞紐其他次要建筑物級(jí)別均為3級(jí)，臨時(shí)建筑物級(jí)別為4級(jí)。工程大壩主體、消力塘及導(dǎo)流洞封堵等大體積混凝土總量約為109.8萬m3，其中碾壓混凝土約為90.68萬m3。建設(shè)過程中溫控難度大，要求高。

大壩地屬子午河流域，屬于北亞熱帶濕潤、半濕潤氣候區(qū)，四季分明，夏無酷熱，冬無嚴(yán)寒，春季升溫迅速、間有“倒春寒”現(xiàn)象，秋涼濕潤多連陰雨[6]。多年平均氣溫12.3℃，極端最高氣溫37.4℃，最低氣溫-16.4℃；多年平均降水量903mm，多年平均蒸發(fā)量1209mm，多年平均風(fēng)速1.2m/s，風(fēng)向多SSW，多年平均年最大風(fēng)速9.1 m/s，最大風(fēng)速12.3m/s，風(fēng)向SSW，土層凍結(jié)期為11月到次年3月，最大凍土深度13cm。大壩區(qū)域逐月平均氣溫見表1。

表1 三河口水庫工程壩址各月多年平均氣溫

2 通水冷卻施工工藝

在進(jìn)行通水冷卻時(shí)，大壩在壩后布置3臺(tái)冷水機(jī)組，通過供水干管進(jìn)行冷卻通水?；炷羶?nèi)部埋設(shè)蛇行(φ25)冷卻水管,每套長度不大于250m，上游防滲層局部加密至間距1m×1.5m，三級(jí)區(qū)冷卻水管間距為1.5m×1.5m；鋪設(shè)過程中，距上游面、橫縫、廊道、孔口等特殊部位2m。

在混凝土澆筑過程中開始連續(xù)通水，水管通水流量1.5～1.8m3/h，每24h更改一次通水方向，同時(shí)進(jìn)行兩次測溫，當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度穩(wěn)定后，開始進(jìn)行悶溫5～7天，結(jié)束初期通水，隨即進(jìn)行中、后期通水冷卻。

通過壩體的冷卻水經(jīng)過移動(dòng)式冷水站換熱后循環(huán)使用，移動(dòng)式冷水站具有循環(huán)使用功能，冷水從壩體回收率為90%。冷水供回水具有自動(dòng)換向功能，通過水溫傳感器、水管流量控制裝置、水管流量測控裝置、自動(dòng)換向閥門、智能壓力計(jì)等實(shí)現(xiàn)。

通水冷卻施工工藝流程如圖1所示。

圖1 通水冷卻施工工藝流程

2.1 初期通水冷卻施工工藝

為了降低澆筑層混凝土初期水化熱溫升，通過進(jìn)行初期通水冷卻施工，可以確保混凝土的溫度一直位于允許的最高溫度之下，同時(shí)，還可以對(duì)壩體混凝土內(nèi)外溫差進(jìn)行控制，減小溫度應(yīng)力。

a.在每一倉混凝土進(jìn)行開倉澆注前，都必須對(duì)冷卻鐵管及上引鐵管的暢通性進(jìn)行有效檢查并進(jìn)行相關(guān)標(biāo)注，確保冷卻鐵管等達(dá)到通水冷卻施工的要求。

b.當(dāng)冷卻水管全部檢查并確保暢通后，及時(shí)按《陜西省引漢濟(jì)渭工程三河口水利樞紐碾壓混凝土施工溫度控制技術(shù)要求》所規(guī)定的參考流量及進(jìn)水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，每24h對(duì)水流方向進(jìn)行一次變換。

c.成立溫控班組專職對(duì)通水冷卻施工過程進(jìn)行操控，由于不同季節(jié)下溫度、氣候等天氣條件均不相同，因此需要對(duì)各時(shí)段的冷卻通水流量進(jìn)行分段調(diào)整，見表2。

表2 不同季節(jié)不同時(shí)段通水流量控制

d.需要對(duì)通水冷卻施工過程中典型壩段測溫儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，同時(shí)將監(jiān)測數(shù)據(jù)與悶溫檢測數(shù)據(jù)對(duì)照分析，研究出通水冷卻初期施工中各時(shí)段的各類施工參數(shù)規(guī)律，為其他部位的施工提供參考。

2.2 中期通水冷卻施工工藝

中期通水冷卻的目標(biāo)在于有效緩解初期冷卻悶溫結(jié)束后壩體混凝土內(nèi)部溫度回升情況，保障后期冷卻開始時(shí)的溫度。

a.嚴(yán)格按照《陜西省引漢濟(jì)渭工程三河口水利樞紐碾壓混凝土施工溫度控制技術(shù)要求》進(jìn)行相關(guān)施工，參考通水流量1.5～1.8m3/h，冷卻水管入口處水溫10±2℃。

b.中期通水為天然河水或冷卻水，采用間歇通水的方式進(jìn)行中期通水循環(huán)冷卻施工。

2.3 后期通水冷卻施工工藝

為了控制壩體混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的封拱灌漿溫度，從而進(jìn)行接縫灌漿，需要進(jìn)行后期通水冷卻施工。

a.在每一批次后期通水冷卻開始前，要對(duì)該批次全部的冷卻水管進(jìn)行暢通性檢查，對(duì)可能出現(xiàn)的各類問題進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并組織參建各方進(jìn)行施工交底會(huì)，確認(rèn)各方均知曉該批次后期通水施工的各項(xiàng)參數(shù)。

b.后冷區(qū)自下而上分批次進(jìn)行冷卻，壩段內(nèi)第一冷卻批次自下而上包括兩個(gè)冷卻區(qū)、一個(gè)冷卻過渡區(qū)、一個(gè)蓋重區(qū)。第二冷卻批次自下而上應(yīng)包括一個(gè)冷卻保溫區(qū)、一個(gè)冷卻區(qū)、一個(gè)冷卻過渡區(qū)、一個(gè)蓋重區(qū)。

c.后期通水冷卻一般候冷通水歷時(shí)為30天，根據(jù)進(jìn)水溫度隨時(shí)調(diào)整流量控制。

3 混凝土通水冷卻溫度控制指標(biāo)

3.1 設(shè)計(jì)容許最高溫度

混凝土容許最高溫度控制性指標(biāo)見表3～表4。

表3 壩體碾壓混凝土容許最高溫度

表4 壩體常態(tài)混凝土容許最高溫度

3.2 壩體通水冷卻要求

初期冷卻：5—9月要求采用10℃的人工制冷水初期冷卻，10月—翌年4月采用天然河水進(jìn)行初期冷卻，通水時(shí)間為不少于20天，要求每24h變換一次通水方向，通水流量為1.2～1.8m3/h，控制每天降溫速率不大于1.0℃/d。

中期冷卻：中期冷卻采用天然河水或制冷水，通水溫度為14℃，通水時(shí)間不少于15～30天，每24h變換一次通水方向，使混凝土塊體均勻冷卻，通水流量為1.2～1.5m3/h，使混凝土內(nèi)部溫度冷卻至20℃。

后期冷卻一般在中期冷卻后接縫灌漿前30天進(jìn)行，通水水溫不高于8℃，每24h變換一次通水方向，使壩體均勻冷卻，通水流量控制在20～25L/min，控制每天降溫速率不大于0.5℃/d。

4 通水冷卻施工成果及分析

4.1 冷卻通水平臺(tái)與設(shè)備布置

根據(jù)施工現(xiàn)場情況，為滿足大壩后續(xù)冷卻通水需要，在大壩下游側(cè)壩后坡514m、533m、546.5m、565m、602m、646m高程布置鋼結(jié)構(gòu)操作平臺(tái)，相鄰兩層平臺(tái)在分縫位置安裝交通爬梯，用于連接上下平臺(tái)，平臺(tái)隨大壩澆筑同步施工。

本工程冷水機(jī)組選用ACW3840冷水機(jī)組，可向上下80m范圍供水，單臺(tái)冷水機(jī)組生產(chǎn)冷水量為170m3/h，根據(jù)大壩施工計(jì)劃，冷水機(jī)組共分三期布置，一期在大壩消力塘514.0m高程底板布置1臺(tái)ACW3840冷水機(jī)組，主要為大壩504.8～553.0m高程供冷卻水；二期在壩后左岸546.5m高程馬道布置2臺(tái)ACW3840冷水機(jī)組，主要為大壩553.0～602m高程供冷卻水，三期在大壩左岸646m高程平臺(tái)(左、右岸壩頂平臺(tái))布置各1臺(tái)ACW3840冷水機(jī)組，主要為大壩602m高程以上供冷卻水。

壩后供水主、支管均采用焊接鋼管，主管采用DN200鋼管由原有供水系統(tǒng)管道接入冷水機(jī)組，由冷水機(jī)組冷卻后經(jīng)由供水主管DN200供給每層冷卻操作平臺(tái)(主冷卻水管沿壩后坡布置，每層冷卻操作平臺(tái)支管與主管對(duì)應(yīng)連接)。在冷卻平臺(tái)設(shè)置供水包。供水管管路適當(dāng)位置設(shè)控制閥，以控制水流方向。裸露的主冷卻水主管和儲(chǔ)水罐包裹1～2cm厚隔熱保溫材料。

大壩混凝土通水冷卻出水選用移動(dòng)式冷水站進(jìn)行循環(huán)利用，該冷水站采用保溫集裝箱作為冷水站的裝載外箱，整體運(yùn)輸和移動(dòng)。移動(dòng)式冷水站均采用國內(nèi)先進(jìn)的螺桿制冷壓縮機(jī)組，能效比COP值超過6.0，采用滑閥式卸載裝置，能在100%～10%負(fù)荷范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)。移動(dòng)式制冷機(jī)組控制系統(tǒng)以工業(yè)級(jí)可編程序控制器PLC為核心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，最大限度地發(fā)揮了集裝式制冷水站的優(yōu)勢。

4.2 典型壩段溫度計(jì)布置

為全面掌握施工期壩體碾壓混凝土溫升規(guī)律，檢驗(yàn)溫控措施，進(jìn)一步指導(dǎo)溫控工作開展，全面了解施工期壩體溫度應(yīng)力分布狀態(tài)，在壩體監(jiān)測斷面按不同高程梯級(jí)網(wǎng)格布置溫度計(jì)，在5個(gè)主監(jiān)測斷面的527m、545m、560m、574m、586m、598m、610m、628m、634m、637m、640m、643m、645m高程布置了溫度計(jì)。溫度計(jì)直接安裝在新碾壓混凝土表面，電纜敷設(shè)采用鋼管保護(hù)，溫度計(jì)現(xiàn)場施工埋設(shè)如圖2所示。在此，選取壩體典型斷面溫度作為監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 溫度計(jì)埋設(shè)施工

4.3 施工成果分析

為了驗(yàn)證通水冷卻施工效果，本節(jié)選取大壩574m高程的Ⅱ斷面、Ⅳ斷面和Ⅴ斷面的實(shí)測溫度進(jìn)行分析。每個(gè)斷面均埋設(shè)4支溫度計(jì)，溫度監(jiān)測布置如圖3所示，壩體574m高程溫度計(jì)最高溫度統(tǒng)計(jì)見表5。

圖3 574m高程監(jiān)測斷面監(jiān)測儀器布置

表5 壩體574m高程溫度計(jì)最高溫度統(tǒng)計(jì)

每個(gè)斷面中各溫度計(jì)溫度過程線如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 574m高程Ⅱ斷面溫度計(jì)溫度過程線

圖5 574m高程Ⅳ斷面溫度計(jì)溫度過程線

圖6 574m高程Ⅴ斷面溫度計(jì)溫度過程線

574m高程溫度計(jì)于2018年6月安裝，通過數(shù)據(jù)分析可見，各溫度計(jì)監(jiān)測溫度逐漸升高，在第5～15天左右時(shí)，達(dá)到最高溫度。此時(shí)進(jìn)行初期通水冷卻施工，壩體的溫度開始逐漸回落，最高溫度出現(xiàn)在T2-3、T2-4、T4-21測點(diǎn)，分別為35.4℃、34.8℃、36℃，基本小于或等于設(shè)計(jì)值，其余測點(diǎn)低于容許最高溫度。從分布規(guī)律來看，574m高程各斷面靠近上游側(cè)的溫度計(jì)最高溫度較高。這是因?yàn)殡m然高溫季節(jié)澆筑時(shí)，靠近上、下游部位受外界氣溫和太陽輻射熱影響都較大，但上游由于二級(jí)配碾壓混凝土的水化熱溫升較高，因此溫度較高。

混凝土最高溫度整體控制情況較好，表面溫度計(jì)初期主要受到混凝土水化熱影響，溫度上升，在混凝土到達(dá)最高溫度后，隨著冷卻通水的進(jìn)行，壩體溫度逐漸降低，全過程各測點(diǎn)溫度均低于容許最高溫度。通過對(duì)日降溫速率進(jìn)行分析可知，除了T4-22測點(diǎn)在初冷期間存在個(gè)別天數(shù)日降溫速率超過1℃的情況，其余測點(diǎn)日降溫速率均低于1℃，滿足設(shè)計(jì)要求，證明該倉混凝土溫控措施較好。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)碾壓混凝土拱壩施工期溫控防裂難度大的問題，驗(yàn)證了通水冷卻溫控施工的冷卻水管布置方式、冷卻水溫、通水冷卻分期、冷卻時(shí)間間隔等施工工藝及相關(guān)參數(shù)。通過在壩體預(yù)埋溫度計(jì)測量施工過程的壩體溫度，將實(shí)際溫度與混凝土通水冷卻溫度控制指標(biāo)對(duì)比，驗(yàn)證了通水冷卻施工的成果與有效性。

選取大壩574m高程的Ⅱ斷面、Ⅳ斷面和Ⅴ斷面的溫度實(shí)測情況進(jìn)行研究，結(jié)果證實(shí)隨著冷卻通水的進(jìn)行，壩體溫度會(huì)逐漸降低，全程溫度與降溫速率均滿足相關(guān)溫控要求，通水冷卻溫控施工效果良好。

本文探索了碾壓混凝土拱壩通水冷卻溫控施工工作措施，并通過實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了施工的有效性，為碾壓混凝土施工溫控提供了依據(jù)，本文的施工成功經(jīng)驗(yàn)，也為后續(xù)國內(nèi)外類似碾壓混凝土工程施工應(yīng)用提供了一定理論支撐與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。