三河口碾壓混凝土拱壩通水冷卻施工工藝及效果研究

羅 暢 吳學謙 常耀孔

(陜西省引漢濟渭工程建設(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)計要求高質(zhì)量施工，是大壩長久安全運行的基本保證[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，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，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，同時實現(xiàn)預防開裂的目的[3]。

通水冷卻的效果會受到冷卻水管布置方式、冷卻水溫、通水冷卻分期、冷卻時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，本文對引漢濟渭工程三河口水利樞紐通水冷卻施工工藝進行相關(guān)分析研究，并通過對引漢濟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)進行分析研究，驗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，作為引漢濟渭工程的兩個水源之一[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個壩段施工。其中攔河大壩為1級建筑物，抽水電站建筑物級別為2級，泄水消能防沖建筑物級別為2級，樞紐其他次要建筑物級別均為3級，臨時建筑物級別為4級。工程大壩主體、消力塘及導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，多年平均風速1.2m/s，風向多SSW，多年平均年最大風速9.1 m/s，最大風速12.3m/s，風向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

在進行通水冷卻時，大壩在壩后布置3臺冷水機組，通過供水干管進行冷卻通水。混凝土內(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，同時進行兩次測溫，當混凝土內(nèi)部溫度穩(wěn)定后，開始進行悶溫5～7天，結(jié)束初期通水，隨即進行中、后期通水冷卻。

通過壩體的冷卻水經(jīng)過移動式冷水站換熱后循環(huán)使用，移動式冷水站具有循環(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、自動換向閥門、智能壓力計等實現(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，通過進行初期通水冷卻施工，可以確?；炷恋臏囟纫恢蔽挥谠试S的最高溫度之下，同時，還可以對壩體混凝土內(nèi)外溫差進行控制，減小溫度應(yīng)力。

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

b.當冷卻水管全部檢查并確保暢通后，及時按《陜西省引漢濟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)定的參考流量及進水溫度進行調(diào)節(jié)，每24h對水流方向進行一次變換。

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

表2 不同季節(jié)不同時段通水流量控制

d.需要對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)進行實時分析，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)與悶溫檢測數(shù)據(jù)對照分析，研究出通水冷卻初期施工中各時段的各類施工參數(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的溫度。

a.嚴格按照《陜西省引漢濟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)部溫度達到設(shè)計要求的封拱灌漿溫度，從而進行接縫灌漿，需要進行后期通水冷卻施工。

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

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

c.后期通水冷卻一般候冷通水歷時為30天，根據(jù)進水溫度隨時調(diào)整流量控制。

3 混凝土通水冷卻溫度控制指標

3.1 設(shè)計容許最高溫度

混凝土容許最高溫度控制性指標見表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月采用天然河水進行初期冷卻，通水時間為不少于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，相鄰兩層平臺在分縫位置安裝交通爬梯，用于連接上下平臺，平臺隨大壩澆筑同步施工。

本工程冷水機組選用ACW3840冷水機組，可向上下80m范圍供水，單臺冷水機組生產(chǎn)冷水量為170m3/h，根據(jù)大壩施工計劃，冷水機組共分三期布置，一期在大壩消力塘514.0m高程底板布置1臺ACW3840冷水機組，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ACW3840冷水機組，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(左、右岸壩頂平臺)布置各1臺ACW3840冷水機組，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)管道接入冷水機組，由冷水機組冷卻后經(jīng)由供水主管DN200供給每層冷卻操作平臺(主冷卻水管沿壩后坡布置，每層冷卻操作平臺支管與主管對應(yīng)連接)。在冷卻平臺設(shè)置供水包。供水管管路適當位置設(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式冷水站進行循環(huán)利用，該冷水站采用保溫集裝箱作為冷水站的裝載外箱，整體運輸和移動。移動式冷水站均采用國內(nèi)先進的螺桿制冷壓縮機組，能效比COP值超過6.0，采用滑閥式卸載裝置，能在100%～10%負荷范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。移動式制冷機組控制系統(tǒng)以工業(yè)級可編程序控制器PLC為核心，實現(xiàn)自動化控制，最大限度地發(fā)揮了集裝式制冷水站的優(yōu)勢。

4.2 典型壩段溫度計布置

為全面掌握施工期壩體碾壓混凝土溫升規(guī)律，檢驗溫控措施，進一步指導溫控工作開展，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網(wǎng)格布置溫度計，在5個主監(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。溫度計直接安裝在新碾壓混凝土表面，電纜敷設(shè)采用鋼管保護，溫度計現(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)進行分析。

圖2 溫度計埋設(shè)施工

4.3 施工成果分析

為了驗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斷面的實測溫度進行分析。每個斷面均埋設(shè)4支溫度計，溫度監(jiān)測布置如圖3所示，壩體574m高程溫度計最高溫度統(tǒng)計見表5。

圖3 574m高程監(jiān)測斷面監(jiān)測儀器布置

表5 壩體574m高程溫度計最高溫度統(tǒng)計

每個斷面中各溫度計溫度過程線如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 574m高程Ⅱ斷面溫度計溫度過程線

圖5 574m高程Ⅳ斷面溫度計溫度過程線

圖6 574m高程Ⅴ斷面溫度計溫度過程線

574m高程溫度計于2018年6月安裝，通過數(shù)據(jù)分析可見，各溫度計監(jiān)測溫度逐漸升高，在第5～15天左右時，達到最高溫度。此時進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，分別為35.4℃、34.8℃、36℃，基本小于或等于設(shè)計值，其余測點低于容許最高溫度。從分布規(guī)律來看，574m高程各斷面靠近上游側(cè)的溫度計最高溫度較高。這是因為雖然高溫季節(jié)澆筑時，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，表面溫度計初期主要受到混凝土水化熱影響，溫度上升，在混凝土到達最高溫度后，隨著冷卻通水的進行，壩體溫度逐漸降低，全過程各測點溫度均低于容許最高溫度。通過對日降溫速率進行分析可知，除了T4-22測點在初冷期間存在個別天數(shù)日降溫速率超過1℃的情況，其余測點日降溫速率均低于1℃，滿足設(shè)計要求，證明該倉混凝土溫控措施較好。

5 結(jié) 論

本文針對碾壓混凝土拱壩施工期溫控防裂難度大的問題，驗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、冷卻時間間隔等施工工藝及相關(guān)參數(shù)。通過在壩體預埋溫度計測量施工過程的壩體溫度，將實際溫度與混凝土通水冷卻溫度控制指標對比，驗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斷面的溫度實測情況進行研究，結(jié)果證實隨著冷卻通水的進行，壩體溫度會逐漸降低，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，并通過實際數(shù)據(jù)對比驗證了施工的有效性，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，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驗依據(jù)。