毛文景

中國(guó)水利水電第四工程局有限公司 青海 西寧 810007

特高拱壩大體積混凝土的溫控措施，是降低混凝土水化熱引起的溫度應(yīng)力，避免開裂和達(dá)到設(shè)計(jì)要求的封拱灌漿溫度必須采取的工程技術(shù)措施。目前施工現(xiàn)場(chǎng)有很多因素會(huì)直接影響溫度控制效果，這些因素大致為：一是不同氣溫、不同澆筑溫度、不同水管間距、不同施工細(xì)節(jié)、不同的水管材質(zhì)（夯實(shí)程度、水管布置合理程度等）等，可能導(dǎo)致澆筑塊的密度不同，從而導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱狀態(tài)不一致，要求對(duì)各澆筑塊個(gè)性化冷卻控制；二是不同倉(cāng)水管變形程度不同，導(dǎo)致需要不同流量控制，最好做到每組冷卻支管單獨(dú)溫控；三是工調(diào)整通水流量間隔長(zhǎng)，人工采集溫度和流量數(shù)據(jù)工作量大、且受主觀因素以及設(shè)備運(yùn)行狀況影響較大。目前控制不能做到實(shí)時(shí)、在線，現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)受制于工程施工傳統(tǒng)、工程配套技術(shù)水平與施工成本的限制，難以布置足夠的相關(guān)采集儀器，特別是大壩混凝土溫度數(shù)據(jù)，難以做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的反饋控制。

1 研究背景

智能溫控技術(shù)為了有效的控制水管冷卻過程中的人為風(fēng)險(xiǎn)，保證施工期溫度做到溫降可控、風(fēng)險(xiǎn)可知，同時(shí)擺脫通水冷卻系統(tǒng)對(duì)大量人員的依賴，采用智能通水控制軟件及配套智能通水控制設(shè)備以實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)部數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)反饋及通水回路的個(gè)性化控制，從而保證混凝土內(nèi)部溫度過程線與設(shè)計(jì)要求高度吻合，并實(shí)現(xiàn)“小溫差、早冷卻、慢冷卻”精確、個(gè)性化控溫，以大幅節(jié)省溫控防裂費(fèi)用。

智能溫控系統(tǒng)主要由智能通水控制軟件系統(tǒng)、智能通水控制柜和集成柜、壩后通水管網(wǎng)三個(gè)部分組成。該系統(tǒng)利用混凝土后期冷卻通水三期九階段相關(guān)要求，按照已規(guī)劃的通水管網(wǎng)布置特點(diǎn)，采用將主通水管路連接至集成柜后再接入至預(yù)留槽進(jìn)水主管，并通過控制柜上自動(dòng)采集的混凝土內(nèi)部溫度變化情況和系統(tǒng)通水指令，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)集成柜中連接管路上的電磁閥控制單支管路的通水流量，從而達(dá)到個(gè)性化通水控溫或降溫的目的[1]。

2 智能溫控系統(tǒng)研發(fā)與使用

智能溫控裝置主要包括一體流溫控制集成柜和數(shù)據(jù)采集反饋集成控制柜。其中一體流溫控制集成柜內(nèi)設(shè)一體化流量、溫度控制裝置和管道內(nèi)部溫度測(cè)量裝置；數(shù)據(jù)采集反饋集成控制柜內(nèi)設(shè)PLC控制器、集成回路溫度控制模塊和工業(yè)平板電腦。通過倉(cāng)面內(nèi)埋設(shè)的溫度采集裝置采集大壩混凝土實(shí)時(shí)溫度情況并及時(shí)反饋至控制系統(tǒng)，利用控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整保溫、保濕、養(yǎng)護(hù)等常規(guī)措施與冷卻通水流量、方向、溫度等參數(shù)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整各種溫控工況，使大壩混凝土內(nèi)部溫度冷卻過程、內(nèi)外溫差及溫度梯度控制在設(shè)計(jì)要求的曲線范圍內(nèi)，以滿足大壩施工期溫控防裂要求。

3 智能通水設(shè)備與通水管路的空間立體組合研究

3.1 移動(dòng)式冷水站布置

邊坡開挖期間，在壩后形成了數(shù)級(jí)邊坡馬道，通過利用壩后寬?cǎi)R道布置移動(dòng)式冷水機(jī)組，混凝土采用移動(dòng)式冷水站供制冷卻水通水冷卻，機(jī)組就近布置在壩后馬道，同一時(shí)段分2～3個(gè)馬道布置，以對(duì)應(yīng)一期、中期、二期冷卻，降低通水范圍與高差；同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)冷水站及壩后冷卻供水管網(wǎng)的管理，確保冷水站安全、可靠、及時(shí)地向大壩混凝土提供保質(zhì)、保量的制冷水。

3.2 智能通水設(shè)備與通水管路布置

施工期大壩內(nèi)部埋設(shè)的水管往往多達(dá)上百、千條，每一個(gè)水管回路均需與智能通水設(shè)備及通水主管相連；而出于經(jīng)濟(jì)性及結(jié)構(gòu)安全性考慮，布置智能通水設(shè)備與通水主管的壩后鋼棧橋?qū)挾韧^窄，因此合理規(guī)劃智能通水設(shè)備與通水管路的空間立體組合就顯得尤為重要，其布置必須同時(shí)滿足可用性、便利性及美觀性要求[2]。

將一體流溫控制集成柜設(shè)計(jì)為便于拆分的小模塊拼裝結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，冷卻水供水包布置在壩段中部；一體流溫控制集成柜拆分后按照與倉(cāng)內(nèi)冷卻水管回路接口對(duì)應(yīng)的原則分散布置在供水包上部；數(shù)據(jù)采集反饋集成控制柜布置在供水包兩側(cè)壩段分縫處，以此在壩后棧橋上形成一個(gè)整齊有序、美觀便利的三維立體空間組合。

4 一體化智能通水安裝平臺(tái)

設(shè)計(jì)一種裝配式壩后鋼棧橋，作為冷卻通水管路及智能溫控設(shè)備在拱壩壩后的安裝及基礎(chǔ)承載平臺(tái)，同時(shí)兼做壩后交通通道使用。該鋼棧橋可由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成，標(biāo)準(zhǔn)件在工廠內(nèi)加工，裝配式棧橋具有制作耗材少、承載力大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安裝方便等特點(diǎn)。

4.1 裝配式棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壩后臨時(shí)棧橋結(jié)構(gòu)由三角支撐架、水平棧橋橋面、防護(hù)棚及懸掛組件構(gòu)成，懸掛組件包括定位錐、蛇形筋及B7螺栓，定位錐和蛇形筋在壩體混凝土澆筑時(shí)預(yù)埋在混凝土內(nèi)，B7螺栓與定位錐連接，三角支撐架頂部U型槽（懸掛板）懸掛在B7螺栓上，與壩體間形成可靠連接，三角支撐架底部設(shè)有用于調(diào)節(jié)三角架水平度的調(diào)節(jié)組件，可實(shí)現(xiàn)三角支撐架安裝角度的微調(diào)，從而確保水平橋面安裝的水平度。

水平橋體安裝在支撐架頂面，防護(hù)棚位于水平橋體上方并與水平橋體側(cè)沿連接固定。施工時(shí)，先行將懸掛組件預(yù)埋在混凝土壩的坡面并留出懸掛點(diǎn)，將支撐架懸掛于懸掛組件上并保證支撐架底側(cè)與混凝土壩的坡面相抵，將防護(hù)棚和水平橋體連接形成整體，再整體吊裝至支撐架頂部。較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，耗材減少：根據(jù)受力分析與計(jì)算，防護(hù)棚和水平橋體承受荷載較小，所需構(gòu)件的型號(hào)較小，支撐架承受荷載較大部位，選用較大型號(hào)型鋼，因此，充分利用各構(gòu)件承載能力，在確保壩后棧橋穩(wěn)定的前提下，減少了鋼材用量；耗時(shí)與吊裝次數(shù)減少：吊裝完支撐架后，再將防護(hù)棚和水平橋體整體吊裝一次即可完成壩后鋼棧橋的安裝，因此，耗時(shí)與吊裝次數(shù)減少；能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)：支撐架、水平橋體、防護(hù)棚和懸掛組件均能在工廠預(yù)制，形成標(biāo)準(zhǔn)化的成型制作，提高了制作的安裝效率。

4.2 裝配式棧橋安裝

⑴利用前期懸臂模板的定位螺栓安裝三角支架，預(yù)埋的定位錐在備倉(cāng)過程中需妥善進(jìn)行加固，防止移位。B7螺栓必須經(jīng)過檢驗(yàn)合格后方可使用。

⑵三角支架利用懸臂模板預(yù)埋螺栓間距3.0m布置，橫縫處1.5m間距加密布置一榀，待下游面懸臂模板提升兩個(gè)澆筑升層即6m后開始進(jìn)行三角支架的吊裝。在吊裝前，可將支架下部的可調(diào)支桿基本調(diào)至保證支架上橫桿水平的螺栓孔內(nèi)。支架從一條橫縫處起始向另一橫縫順序安裝。安裝時(shí)必須保證螺栓卡緊三角支架上橫桿前端的固定鋼板，并且必須使用定位螺栓下面的限位螺桿。安裝兩榀三角支架后，可利用已安裝的支架搭設(shè)一個(gè)懸挑操作平臺(tái)，后端和已安裝的三角支架采用螺栓固定，前端外伸部分滿鋪操作平臺(tái)，安裝人員利用此操作平臺(tái)依次安裝后序三角支架。

4.3 橋面安裝

三角支架吊裝固定完成后，根據(jù)三角支架的安裝進(jìn)度跟進(jìn)安裝外側(cè)通道角鋼，然后將5mm鋼板網(wǎng)用M12螺栓固定在通道角鋼上，以便于安裝管路和防護(hù)棚的人工操作。將人行鋼板網(wǎng)加固妥當(dāng)后，再進(jìn)行壩段與壩段之間棧橋空隙的橋面補(bǔ)缺施工。因安裝人員是高處臨空作業(yè)，故在三角支架安裝固定完成后，即先在各支架間加鋪安全綠網(wǎng)并綁扎牢固，以進(jìn)一步確保施工人員在后序安裝作業(yè)中的安全性。

4.4 管路安裝

棧橋上需要安裝的水管有4根冷卻供水主管和1根施工供水管。4根冷卻水管自距下游壩面20cm始平鋪布置，其凈間距保證20cm，每根水管在下部三角支架上均使用墊木固定保護(hù)，同時(shí)在上部使用箍筋固定。主管道安裝固定完成后，可進(jìn)行主管道上閘閥及供水包的安裝設(shè)置。最后在主管道、供水包和閘閥處統(tǒng)一進(jìn)行包裹3～5cm橡塑的保溫工作，以避免先保溫而在管路的吊裝移動(dòng)焊接等操作過程中造成對(duì)保溫橡塑的破壞。因供水包等設(shè)置在橫縫處，故三角支架在橫縫處1.5m間距加密布置一榀。

4.5 防護(hù)棚搭設(shè)與加固

棧橋的防護(hù)欄桿在加工場(chǎng)內(nèi)定型制作，每標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)3.0m，高1.2m，立桿間距1.5m。吊至棧橋后將欄桿立桿焊接在通道角鋼上，靠壩面一側(cè)欄桿距離壩面20cm安裝。之后采用大管套小管的方式將棧橋防護(hù)欄桿加高，再鋪設(shè)頂棚的密目鋼絲和彩鋼瓦。而各壩段間棧橋連接部位的防護(hù)欄桿和防護(hù)頂棚待橋面交通完善后現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)。現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)的防護(hù)棚需平順相接，靠壩面一側(cè)的立桿與壩體模板定位錐采用連墻桿連接，間距3.0m。

5 壩外冷卻通水管路布置工藝

5.1 上引管布置工藝

結(jié)合棧橋布置和管網(wǎng)控制區(qū)域確定上引管數(shù)量，并留有富裕，防止管路堵塞，遇到“牛腿”、孔口、廊道等特殊結(jié)構(gòu)部位，上引管做個(gè)性化設(shè)計(jì)，上引管與預(yù)留槽應(yīng)做好標(biāo)識(shí)，使用過程應(yīng)做好臺(tái)賬和位置關(guān)系圖，預(yù)留槽的位置要與智能通水系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，與接縫灌漿等管路區(qū)分布置，壩內(nèi)上引管一般采用Φ42.7×2.75鋼管，水平、垂直間距須一般不應(yīng)小于0.5m，壩內(nèi)上引管宜在臨近壩下游面30～50cm左右的混凝土內(nèi)進(jìn)行預(yù)埋并借助鋼筋固定，壩內(nèi)上引管口應(yīng)蓋帶絲塑料帽，防止異物堵塞，管口外露長(zhǎng)度不應(yīng)小于0.2m。

5.2 供水包布置

基于供水包的控制區(qū)域，進(jìn)行供水包的設(shè)計(jì)制造，包括尺寸、分水頭數(shù)量等，供水包的分水頭數(shù)量應(yīng)與智能通水設(shè)備預(yù)留接口、預(yù)留槽數(shù)量相適應(yīng)，并預(yù)留富裕量，供水包、智能通水設(shè)備、預(yù)留槽之間應(yīng)設(shè)置合適空間，確保供水順暢、布管規(guī)范，供水包和預(yù)留槽之間的連接管路宜采用三通原理切換裝置，滿足水溫快速切換需求，采取熱塑等方式實(shí)現(xiàn)供水包、智能通水設(shè)備、預(yù)留槽之間的高效安全連接，避免爆管或漏水，在供水包上安裝過濾閥，且過濾閥應(yīng)定期檢修或更換，內(nèi)部雜質(zhì)應(yīng)及時(shí)清除，安裝排氣裝置，并進(jìn)行定期排氣，避免因管內(nèi)大量憋氣導(dǎo)致的溫控異常，安裝檢修閥門，完成檢修后檢修閥門應(yīng)及時(shí)恢復(fù)開啟狀態(tài)。

5.3 冷卻水供水主管網(wǎng)布置

做好主管網(wǎng)沿程保溫，減少冷卻水輸送過程中的能量損失，宜采用3～5cm厚橡塑包裹主管，壩后橋結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足壩后橋主管布置、供水包布置、人員操作通行及結(jié)構(gòu)安全的需求，主管連接設(shè)計(jì)滿足不同高程制冷水站的供水切換需求，主管網(wǎng)根據(jù)需要配備相應(yīng)的檢修閥門、分流閥門、增壓與泄壓裝置。

6 倉(cāng)內(nèi)冷卻通水管路布置工藝

6.1 冷卻水管材質(zhì)

倉(cāng)內(nèi)冷卻水管通常有鋼管、HDPE塑料管兩種常見類型，除基礎(chǔ)固結(jié)灌漿蓋重區(qū)等部位采用鋼管外，大壩主體部位均應(yīng)采用HDPE塑料冷卻水管為專用管材，HDPE塑料冷卻水管除應(yīng)滿足給水用高密度聚乙烯管材相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求外，還應(yīng)具有較高的導(dǎo)熱性能，宜采用HE3490LS等破損率較低的管材類型，冷卻水管進(jìn)場(chǎng)后，模擬現(xiàn)場(chǎng)施工情況對(duì)冷卻水管進(jìn)行抗壓、抗拉、抗彎及碾壓等力學(xué)試驗(yàn)，以驗(yàn)證其性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，避免不合格冷卻水管進(jìn)場(chǎng)。

6.2 布置技術(shù)要求

倉(cāng)內(nèi)冷卻水管的布置應(yīng)滿足混凝土最高溫度控制與壩體冷卻的要求。依據(jù)大壩不同區(qū)域混凝土的設(shè)計(jì)溫控技術(shù)要求，對(duì)倉(cāng)內(nèi)冷卻水管進(jìn)行分區(qū)布置，基礎(chǔ)約束區(qū)、孔口、牛腿、低級(jí)配混凝土及其他開裂風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)加密冷卻水管間距。倉(cāng)內(nèi)冷卻水管布置應(yīng)滿足混凝土均勻冷卻的要求，考慮冷卻水與水溫流量沿程變化、待冷卻混凝土體積與材料差異性進(jìn)行個(gè)性化布置，盡可能減少倉(cāng)內(nèi)溫度梯度。倉(cāng)內(nèi)冷卻水管布置應(yīng)與混凝土溫度傳感器布置方案建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，以利于后期分區(qū)調(diào)控。倉(cāng)內(nèi)冷卻水管一般應(yīng)采用蛇形布置，蛇形水管方向垂直于水流方向布置。單根蛇形水管的長(zhǎng)度不應(yīng)大于300m，當(dāng)倉(cāng)內(nèi)需要布置多條蛇形水管時(shí)，上游面冷卻水管須獨(dú)立布置一根，其他可采用主管并聯(lián)支管的形式布置，每根主管連接支管數(shù)量控制在3根以內(nèi)，各支管長(zhǎng)度應(yīng)基本相當(dāng)。倉(cāng)內(nèi)冷卻水管距上下游壩面與橫縫面的一般要求為0.8m，局部可在0.5～1.5m范圍內(nèi)調(diào)整，冷卻水管距廊道、孔口、電梯井等內(nèi)壁面的距離不應(yīng)小于0.5m。冷卻水管不應(yīng)穿過橫縫及各種廊道及孔洞，也不應(yīng)和壩內(nèi)其他管路搭接、相交，冷卻水管需跨廊道及孔洞時(shí)，宜采用預(yù)埋在跨廊道及孔洞底板下部的鋼管進(jìn)行繞接[3]。

7 大壩混凝土智能通水

7.1 冷卻過程控制

根據(jù)拱壩混凝土溫控防裂特點(diǎn)，大壩全部采用低熱水泥混凝土，在大壩混凝土溫控全周期中將混凝土通水冷卻降溫過程分為一期冷卻、中期冷卻、二期冷卻共三期進(jìn)行。

壩段各灌區(qū)在施工過程中，應(yīng)按照分期冷卻要求進(jìn)行逐步冷卻，進(jìn)行溫度梯度控制，并使各灌區(qū)溫度、溫降幅度形成合適的梯度，以減小混凝土溫度應(yīng)力，避免混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[4]。

7.2 通水冷卻的一般要求

通水冷卻時(shí)，通水流向每12h更換一次，當(dāng)出口水溫與入口水溫相差小于1℃時(shí)，可延長(zhǎng)到24h更換一次。所有冷卻水均需在出口收集后由回流總管匯集到冷卻站，不得隨意排放。冬季澆筑混凝土，外界氣溫較低時(shí)，連續(xù)通水可能會(huì)出現(xiàn)混凝土降溫超標(biāo)現(xiàn)象，必要時(shí)可暫停通水冷卻，避免過度冷卻和氣溫驟降疊加對(duì)混凝土帶來的不利情況。在各期冷卻降溫過程中，需根據(jù)溫度測(cè)量成果，及時(shí)調(diào)整通水流量，確保降溫速率滿足要求。為保證最高溫度控制、防止冷卻降溫幅度過大過快，應(yīng)進(jìn)行各期冷卻目標(biāo)溫度預(yù)警，即距離冷卻目標(biāo)溫度1℃時(shí)，進(jìn)行預(yù)警、預(yù)控，加大溫度觀測(cè)頻次，根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整通水措施，防止冷卻控制超標(biāo)。

8 結(jié)語

采用智能溫控系統(tǒng)，通過實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程控制通水冷卻過程，控制高拱壩混凝土最高溫度、內(nèi)外溫差及上下層溫差，突破傳統(tǒng)人工測(cè)溫及通水冷卻人工控制的制約，實(shí)現(xiàn)“小溫差、早冷卻、慢冷卻”精確、個(gè)性化控溫，大大降低大壩開裂的風(fēng)險(xiǎn)。突破了傳統(tǒng)的通水冷卻人工控制方式和簡(jiǎn)單型通水控制方式的制約，實(shí)現(xiàn)精確控溫，可在類似的水電工程中推廣應(yīng)用。