白鶴灘水電站泄洪洞混凝土智能保濕養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 研究背景

混凝土澆搗后，之所以能逐漸凝結(jié)硬化，主要是因?yàn)樗嗨饔玫慕Y(jié)果，而水化作用則需要適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件，因此，為了保證混凝土有適宜的硬化條件，使其強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)，必須對(duì)混凝土進(jìn)行充分養(yǎng)護(hù)。

混凝土的養(yǎng)護(hù)目的，一是創(chuàng)造各種條件使水泥充分水化，加速混凝土硬化；二是防止混凝土成型后暴曬、風(fēng)吹、寒冷等條件而出現(xiàn)的不正常收縮、裂縫等破損現(xiàn)象。影響混凝土養(yǎng)護(hù)效果的因素包括養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫度和濕度，根據(jù)規(guī)范要求對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室其溫度為20℃±2℃，相對(duì)濕度為95%以上。

目前常用的混凝土養(yǎng)護(hù)手段包括蓄水養(yǎng)護(hù)法、覆蓋保濕養(yǎng)護(hù)法、灑水養(yǎng)護(hù)法、噴涂養(yǎng)護(hù)液等，對(duì)于水利水電工程混凝土建筑物來(lái)說(shuō)，通常規(guī)模巨大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其垂直外露面是無(wú)法采用蓄水養(yǎng)護(hù)的，如果采用覆蓋養(yǎng)護(hù)則所需覆蓋材料多，同時(shí)由于施工環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)覆蓋材料的保護(hù)難度也較大。因此，目前在水利水電工程中比較常用的仍然是混凝土表面灑水養(yǎng)護(hù)，傳統(tǒng)的灑水養(yǎng)護(hù)需要投入專(zhuān)人負(fù)責(zé)，難以保證由于養(yǎng)護(hù)人員的素質(zhì)問(wèn)題而帶來(lái)的養(yǎng)護(hù)不到位，因而在溪洛渡、烏東德等大型水利水電工程中廣泛應(yīng)用了花管自流水養(yǎng)護(hù)工藝，該工藝實(shí)現(xiàn)了混凝土表面的常流水養(yǎng)護(hù)，同時(shí)也節(jié)約了人工灑水養(yǎng)護(hù)的成本，且規(guī)避了施工人員登高作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，但是單純的花管長(zhǎng)流水養(yǎng)護(hù)極大地增加了養(yǎng)護(hù)用水量，相應(yīng)也增加了養(yǎng)護(hù)廢水的抽排費(fèi)用，不利于節(jié)約施工成本和環(huán)保。因此，本文依托金沙江白鶴灘泄洪洞工程，在借鑒花管常流水養(yǎng)護(hù)工藝的基礎(chǔ)上，從混凝土養(yǎng)護(hù)機(jī)理出發(fā)，研究一套更具數(shù)字化、智能化、簡(jiǎn)單易操作同時(shí)更經(jīng)濟(jì)的養(yǎng)護(hù)工藝顯得十分必要。

2 應(yīng)用工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，上游為烏東德水電站，下游為溪洛渡水電站。樞紐工程主要由混凝土雙曲拱壩、二道壩及水墊塘、泄洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成?；炷岭p曲拱壩壩頂高程834m，最大壩高289m；電站總裝機(jī)容量16000MW，左、右岸地下廠房各布置8臺(tái)單機(jī)容量1000MW的水輪發(fā)電機(jī)組。白鶴灘水電站是目前在建的世界第一大水電站，建成后僅次于三峽水電站位于世界第二。

泄洪洞共三條均布置在左岸，三條泄洪洞采用去彎取直“一”字行平行布置，采用挑坎挑流沖坑消能。單條洞室由進(jìn)水塔、漸變段、上平段、龍落尾、挑流鼻坎組成，洞室最長(zhǎng)2.3km，洞室群長(zhǎng)6.7km。泄洪洞進(jìn)口工作閘門(mén)下游接明流上平段，洞身斷面為城門(mén)洞形，上平段底坡為0.015，泄洪洞洞高考慮摻氣后的水深及通氣面積要求，斷面尺寸為15m×18m(寬×高)，直墻高14m，洞室底板及邊墻襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，頂拱襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，襯砌厚度有1m、1.2m、1.5m、2.5m四種。

白鶴灘壩址所在區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，天氣晴朗干燥，且全年盛行大風(fēng)，最大風(fēng)速可達(dá)30.2m/s，這種氣候條件對(duì)大體積混凝土溫控帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

白鶴灘水電站泄洪洞具有洞室群長(zhǎng)、斷面大、襯砌厚度厚、襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)高、運(yùn)行流速高(25m/s～47m/s)等特點(diǎn)，為了有效控制大體積襯砌混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，本工程全部采用低熱水泥作為膠凝材料，而低熱水泥混凝土早期強(qiáng)度低、強(qiáng)度增長(zhǎng)慢，為了防止混凝土水化凝結(jié)過(guò)程中失水干裂，就必須在其強(qiáng)度增長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)行有效養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到90d以上。

3 智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

3.1 養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)組成

泄洪洞洞身邊墻混凝土自動(dòng)養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)由供水系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。具體組成如圖1所示。

圖1 智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)組成

供水系統(tǒng)包括：主供水管、次供水管、倉(cāng)位供水支管、倉(cāng)位養(yǎng)護(hù)花管、加壓泵，其中主供水管采用DN80的鋼管自供水點(diǎn)沿襯砌工作面架設(shè)，布置在洞室開(kāi)挖底板上。次供水管及倉(cāng)位養(yǎng)護(hù)支管采用直徑32mm的聚乙烯塑料管，管路沿著邊墻襯砌混凝土頂部鋪設(shè)，利用襯砌鋼筋進(jìn)行固定，次供水管與倉(cāng)位供水支管間采用快速三通接頭連接，同時(shí)在連接部位設(shè)置電磁閥進(jìn)行水流開(kāi)關(guān)的控制。養(yǎng)護(hù)花管同樣采用直徑32mm的聚乙烯塑料管布置在襯砌邊墻頂部外緣，為了形成均勻的水幕，在塑料管上間隔5cm進(jìn)行開(kāi)孔，孔徑2mm，梅花型布置，這樣即能進(jìn)行邊墻垂直面和水平面的流水養(yǎng)護(hù)。

電氣控制系統(tǒng)包括：漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓器、可編程脈沖控制儀、繼電器、接線(xiàn)端子，接線(xiàn)端子與倉(cāng)位養(yǎng)護(hù)支管上的電磁閥相連。漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)及穩(wěn)壓器主要是為了整個(gè)控制系統(tǒng)的安全可靠，脈沖控制儀用于設(shè)定電流脈沖持續(xù)時(shí)間和間隔時(shí)間，以相應(yīng)的控制與之相連的各支路繼電器的通斷電，繼電器主要控制與之相連的電磁閥的電流開(kāi)關(guān)，從而控制養(yǎng)護(hù)水流的開(kāi)和關(guān)。

圖2 電氣控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)所用電動(dòng)脈沖控制儀以220V電源作為能源，輸出電動(dòng)脈沖信號(hào)，與其配套使用的是電磁閥，適應(yīng)性好、使用可靠和調(diào)節(jié)容易，并且可做遠(yuǎn)距離控制。脈沖控制儀上的輸出指示二極管依次顯示每路驅(qū)動(dòng)電壓的輸出狀態(tài)，使控制儀輸出狀態(tài)直觀清晰；數(shù)碼管顯示區(qū)顯示每個(gè)參數(shù)運(yùn)行的計(jì)時(shí)時(shí)間和在參數(shù)設(shè)定時(shí)顯示參數(shù)設(shè)定值；脈沖控制儀器件采用集成電路提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性；外部采用掛式透明PC外殼，外形美觀，防塵性能好；接線(xiàn)位置、脈沖控制儀安裝孔位置設(shè)計(jì)合理，便于現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)安裝使用；脈沖控制儀面板上設(shè)有數(shù)字顯示，能依次顯示電磁閥工作順序，可根據(jù)養(yǎng)護(hù)要求調(diào)整脈沖間隔、脈沖寬度、輸出路數(shù)和周期間隔，控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，對(duì)混凝土定時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)。

同時(shí)為更方便自由組合所控制電磁閥的個(gè)數(shù)，采用擴(kuò)展輸出模塊，可隨意增加或減少控制數(shù)量。QYM-ZC-36A可編程脈沖控制儀的控制參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 QYM-ZC-36A可編程脈沖控制儀的控制參數(shù)

序號(hào)參數(shù)名稱(chēng)技術(shù)指標(biāo)1額定輸入電壓240VAC-50Hz2額定輸出電壓DC24V3耗電≤8W4輸出脈沖間隔調(diào)節(jié)范圍1S～99S5輸出脈沖寬度調(diào)節(jié)范圍1S～9999S6脈沖周期范圍1min～255min7周期間隔調(diào)節(jié)范圍1S～9999S8控制電磁閥的個(gè)數(shù)1～369控制方式定時(shí)10使用環(huán)境工作溫度-20°C～+55°C;空氣的相對(duì)濕度不超過(guò)85%;無(wú)嚴(yán)重的腐蝕氣體和導(dǎo)電塵埃;無(wú)劇烈震動(dòng)或沖擊。

3.2 養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)風(fēng)速測(cè)定儀、溫濕度感應(yīng)探頭測(cè)定已澆筑混凝土表面的溫度、濕度、風(fēng)速參數(shù)，并將測(cè)定數(shù)據(jù)反饋給電腦，經(jīng)過(guò)電腦分析確定混凝土在特定時(shí)間內(nèi)所需的噴水量和噴水持續(xù)時(shí)間兩個(gè)參數(shù)，通過(guò)調(diào)整脈沖控制儀電流脈沖持續(xù)和間隔時(shí)間來(lái)達(dá)到調(diào)整噴水時(shí)間的目的，通過(guò)調(diào)整主供水管與次供水管間的連接閥門(mén)來(lái)達(dá)到調(diào)整噴水水幕大小的目的。具體工作原理見(jiàn)圖3。

養(yǎng)護(hù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。圖中橫軸為時(shí)間坐標(biāo)，豎軸表示環(huán)境風(fēng)速、溫度、濕度值，豎向柱體表示電磁閥的通電時(shí)間即養(yǎng)護(hù)水的噴灑時(shí)間，可以看出柱體寬度是一致的，這表示預(yù)設(shè)的單倉(cāng)單次噴水時(shí)間是一致的，柱體與柱體之間的間隔時(shí)間表示未噴水的間隔時(shí)間，從圖中可以看出環(huán)境風(fēng)速越大，溫度越高柱體分布越密集，表示噴水頻率越高，環(huán)境濕度越大噴水頻率越低。

圖3 養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)工作原理

圖4 養(yǎng)護(hù)曲線(xiàn)

圖5 智能養(yǎng)護(hù)整體效果

4 結(jié)語(yǔ)

本套系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，所用設(shè)備都很常見(jiàn)，系統(tǒng)建立投入成本低，但是其應(yīng)用效果和產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是非常顯著的，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在白鶴灘泄洪洞工程中得到了廣泛應(yīng)用，且澆筑的混凝土獲得了質(zhì)量專(zhuān)家組專(zhuān)家的高度贊揚(yáng)，經(jīng)過(guò)分析總結(jié)表明，該系統(tǒng)具有以下三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì):其一是該系統(tǒng)噴出的水幕均勻，能及時(shí)有效地完成混凝土保濕養(yǎng)護(hù)；其二是該系統(tǒng)可自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄環(huán)境參數(shù)和養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)，更能實(shí)現(xiàn)混凝土的科學(xué)養(yǎng)護(hù)；其三是該系統(tǒng)極大地節(jié)約了養(yǎng)護(hù)人工和登高設(shè)備的投入，同時(shí)也極大地節(jié)約了養(yǎng)護(hù)用水量和養(yǎng)護(hù)廢水的抽排量，根據(jù)實(shí)地量測(cè)，采用該系統(tǒng)相較于常流水養(yǎng)護(hù)可節(jié)約養(yǎng)護(hù)用水約70%。

白鶴灘泄洪洞在襯砌之前對(duì)洞室進(jìn)出口以及施工支洞洞口進(jìn)行了掛簾封閉，這就有效地避免了大風(fēng)天氣對(duì)洞內(nèi)環(huán)境的影響，使得洞室襯砌作業(yè)環(huán)境相對(duì)比較穩(wěn)定，養(yǎng)護(hù)參數(shù)也比較固定，通過(guò)本工程的實(shí)踐，相對(duì)于作業(yè)環(huán)境更加復(fù)雜的室外大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言，該系統(tǒng)的應(yīng)用前景是非常廣闊的，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)更加顯著。