清遠樞紐二線船閘混凝土通水冷卻智能控制

張潤德，段亞輝，方朝陽，陳秋凡，鐘東麗，黎錦釗

（1.廣東省源天工程有限公司，廣州511340；2.武昌理工學院城市建設學院，武漢430023；3.武漢大學水利水電學院，武漢430072）

0 引 言

通水冷卻是大體積混凝土特別是大壩混凝土溫度控制最常采用的施工措施之一，以朱伯芳院士為帶頭人的團隊對此進行了深入的研究，提出了“小溫差早冷卻緩慢冷卻”以及初期、后期冷卻的科學方法［1-4］。司政、楊丹等進一步研究了小溫差冷卻對大體積混凝土溫度應力的影響效應［5］，葉敏、葉志強等研究了基于遺傳算法的通水冷卻系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化［6］，商桑、趙春菊、周宜紅等結(jié)合某高拱壩研究了中期通水冷卻降溫影響因素及最優(yōu)溫控措施［7］，劉小萍、楊志剛等將通水冷卻用于實際工程提出混凝土施工溫控措施方案［8，9］。通水冷卻在船閘、消力池、地下工程等領(lǐng)域都廣泛采用［10，11］。

近期，為了更科學控制混凝土內(nèi)部溫度及其變化過程，陳軍琪、許娜研究了混凝土冷卻通水數(shù)據(jù)自動化處理系統(tǒng)，并在工程中應用［12］，張磊、張國新，劉毅等研究了數(shù)字黃登大壩混凝土溫控智能監(jiān)控系統(tǒng)［13］，段亞輝、樊啟祥等提出了“襯砌混凝土內(nèi)部溫度控制通水冷卻自動化方法以及系統(tǒng)”［14］，并在白鶴灘水電站泄洪洞初步應用。在此基礎上，結(jié)合清遠樞紐二線船閘工程特點，提出其結(jié)構(gòu)混凝土通水冷卻自動化控制參數(shù)和技術(shù)方法，通過在閘首等工程部位應用，論證了通水冷卻自動化管控的科學性和適用性。

1 工程背景

清遠二線船閘為Ⅲ級通航建筑物，設計最大船舶等級1 000 t 級，船閘規(guī)模：220 m×34 m×4.5 m。上、下閘首采用鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，平面外輪廓50 m×65 m（長×寬），孔口寬度34.2 m，扣除鋼護木后凈寬34 m。閘室采用鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，凈寬34.0 m，總長220 m。主體結(jié)構(gòu)采用C25 三級配混凝土。

船閘混凝土體積大，結(jié)構(gòu)復雜，主要混凝土澆筑在高溫季節(jié)，而且沒有生產(chǎn)低溫制冷混凝土的條件，出機口溫度高。據(jù)早期澆筑混凝土溫度觀測成果，內(nèi)部最高溫度達到近70 ℃，超過設計允許值60 ℃。如此高的內(nèi)部溫度，勢必導致大的溫度應力。如果不采取通水冷卻等有效溫控措施，可能會產(chǎn)生溫度裂縫。砂基上大型船閘結(jié)構(gòu)，一旦產(chǎn)生裂縫，特別是貫穿性裂縫，就會嚴重危及工程安全。

通水冷卻程序較為復雜，人工完成，勞動強度大，人為性強，通水冷卻效果在極大程度上受到工作人員影響。因此，在過去成功經(jīng)驗的基礎上，針對船閘混凝土的溫控特點，研究專門的通水冷卻參數(shù)，利用機械原理和信息化技術(shù)研究開發(fā)自動化通水冷卻技術(shù)，并在工程中應用，對于更好、更有保障進行通水冷卻和溫控防裂，提高混凝土質(zhì)量具有重要意義。

2 船閘混凝土通水冷卻智能控制參數(shù)確定

根據(jù)混凝土的水化熱溫度發(fā)生發(fā)展過程和通水冷卻控制參數(shù)有關(guān)研究成果，船閘混凝土通水冷卻時機與控制參數(shù)應該包括：通水冷卻分期；各期的通水時間、冷卻水溫、溫降速率，以及流量。

船閘混凝土，厚度相對大壩而言較小，分層澆筑，混凝土溫升溫降快，因此只需要一期通水冷卻，但其控制目標包括降低內(nèi)部最高溫度和控制內(nèi)表溫差。為有效降低內(nèi)部最高溫度，混凝土覆蓋冷卻水管即開始通水冷卻，所以通水冷卻時間即為通水冷卻的總時長。通水冷卻流量（亦即流速），是多年工程經(jīng)驗參數(shù)，宜為0.6～0.7 m/s；水流方向，應每24 h 調(diào)換1 次［1-3］。因此，根據(jù)與船閘工程有關(guān)規(guī)范技術(shù)要求和工程經(jīng)驗，確定混凝土通水冷卻通水時間、冷卻水溫、溫降速率3個參數(shù)如下：

（1）通水時間Td。根據(jù)水工混凝土施工規(guī)范規(guī)定［15］，初期冷卻可取10～20 d，中期通水冷卻宜為1～2 個月左右。船閘混凝土通水冷卻只有一期，但要求達到兩期的溫控效果，因此取Td=20 d。

（2）冷卻水溫（亦即冷卻水與混凝土內(nèi)部溫度的差值［?Tcw］）。各規(guī)范控制值基本一致，混凝土溫度與冷卻水之間溫差不宜超過20～25 ℃［15-18］。由于控制中，水溫差最大的是最高溫度發(fā)生時。而這時是溫升溫降分界線，即使是溫降初期，混凝土內(nèi)部仍然處在受壓狀態(tài)，所以可以采取較大的水溫差，實際控制中取混凝土溫度與冷卻水之間溫差不超過25 ℃。

（3）溫降速率。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范GB50666-2011》，混凝土降溫速率平均不宜大于2.0 ℃/d。對于混凝土內(nèi)部溫度剛達到最高溫度開始下降的初期，內(nèi)部溫度仍然明顯高于表層混凝土溫度，內(nèi)表溫差較大，不利于防止表面裂縫，宜盡快減小內(nèi)表溫差，即這一時期（最高溫度出現(xiàn)時間Tmd至最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)時間△Tmd，大約2d）宜較大的溫降速率，如2.5～3.0 ℃/d。

對于船閘混凝土通水冷卻時間控制，由于船閘結(jié)構(gòu)厚度相對較小，內(nèi)部溫度在超過最高溫度后一定時間不會再回升，在溫降已經(jīng)有一定時間、溫降速度已經(jīng)由環(huán)境溫度控制（即，不通水溫降速度已經(jīng)大于允許值）后，為了節(jié)約施工成本，在智能控制時，采取如果連續(xù)24 h 不需要通水情況溫降速度大于允許值（2 ℃/d），則終止通水冷卻。

3 通水冷卻智能控制技術(shù)方法

根據(jù)“早冷卻”原則［2］，混凝土覆蓋冷卻水管即開始通水冷卻。根據(jù)溫度作用機理，內(nèi)部溫度曲線控制需要分為溫升和溫降兩個階段。溫降階段，為了有效控制混凝土內(nèi)表溫差和溫降速度，又具體又分為3個分階段控制，見圖1。

圖1 船閘混凝土溫度曲線控制過程示意圖Fig.1 Control process of concrete temperature curve of ship lock

溫升階段（0≤T≤Tmd，Tmd為最高溫度出現(xiàn)時間），盡可能采取制冷水大流量通水冷卻，把混凝土內(nèi)部最高溫度Tmax控制在允許最高溫度［Tmax］范圍。

溫降階段（Tmd＜T≤Td，Td終止通水冷卻時間），則控制水溫和混凝土溫降速度?；炷翜亟邓俣劝凑掌骄?.0 ℃/d 控制，通過間歇性通水冷卻實現(xiàn)混凝土溫降速度的控制。

溫降階段通水冷卻水溫盡可能滿足小于［?Tcw］=25 ℃要求。當只布置一套制冷水供水系統(tǒng)而且水溫差大于25 ℃時，智能控制應采取小間隔控制通水冷卻時間（流量）實現(xiàn)埋設在混凝土內(nèi)部水管水溫和混凝土溫降速度的控制。

通水冷卻智能控制，由智能控制器（專利產(chǎn)品）通過溫度計實時采集混凝土內(nèi)部溫度；計算判別混凝土溫升、溫降過程和溫降速率；按照溫升階段全時通水、溫降階段依據(jù)溫降速率通過聯(lián)接電纜智能控制電磁閥開關(guān)實現(xiàn)間歇通水，具體控制方法及其過程見圖2。

圖2 船閘混凝土通水冷卻智能控制方法Fig.2 Intelligent control method of concrete water cooling in ship lock

4 上閘首底板混凝土通水冷卻智能控制與效果分析

4.1 通水冷卻智能控制系統(tǒng)布置與安裝

（1）溫度計埋設安裝。2支南瑞電阻式溫度計，用鉛直鋼筋固定在底板結(jié)構(gòu)和厚度中心，電纜沿鋼筋引出倉面（圖3）至智能控制器安裝柜。一支與智能控制器聯(lián)接檢測內(nèi)部溫度；一支人工監(jiān)測檢驗智能控制器觀測值（用于驗證）。

圖3 混凝土溫度計安裝Fig.3 Installation of concrete thermometer

（2）通水冷卻水管布置。二線船閘施工供水主管沿船閘軸線布置，從供水主管Φ50 mm 引出一根Φ30 mm 通水冷卻水管，在上閘首底板混凝土倉面如圖4布置。水管間距1.5 m，5.0 m厚度底板混凝土在層底、1/3、2/3層高各布置一層。

圖4 通水冷卻水管布置Fig.4 Layout of water cooling water pipe

（3）電磁閥布置安裝?？紤]到施工人員安全，選用低壓（24 V）電磁閥，安裝在進水口前端，連接于施工供水管與通水冷卻水管之間。電磁閥電纜與智能控制器連接，由智能控制器控制開關(guān)，如圖5所示。

圖5 電磁閥安裝Fig.5 Installation of solenoid valve

（4）智能控制器（專利產(chǎn)品）及其電路開關(guān)與電纜的布置安裝。為安全、防水，制作專柜集中安裝在右岸高臺、進水口前端，由電工安裝，如圖6。

圖6 通水冷卻智能控制系統(tǒng)Fig.6 Water cooling intelligent control system

4.2 上閘首底板混凝土澆筑

上閘首底板混凝土于2018年11月28日8∶00 時開始澆筑，11月28日11∶00完成。全過程對環(huán)境溫度、混凝土入倉溫度和澆筑溫度進行了監(jiān)測，結(jié)果列于表1。設計要求澆筑溫度低于28 ℃，允許內(nèi)部最高溫度60 ℃。通水冷卻采用供水系統(tǒng)的常溫水。

表1 上閘首底板混凝土溫控檢測成果 ℃Tab.1 Test results of temperature control for concrete at the floor of upper gate head

4.3 通水冷卻智能控制實施情況

通水冷卻智能控制系統(tǒng)全部于2018年11月27日下午安裝就位，并全面安全檢查與通水冷卻調(diào)試。28日9∶00 混凝土覆蓋溫度計，智能控制器開始實時測量混凝土溫度數(shù)據(jù)，自動判別溫升、溫降，控制電磁閥通水冷卻與溫降速度。于2018年12月3日10∶06時結(jié)束通水冷卻，歷時122 h。

智能控制器實時觀測和控制混凝土內(nèi)部溫度歷時曲線如圖7實線，人工測量混凝土內(nèi)部溫度歷時曲線如圖7虛線。混凝土覆蓋時溫度計的溫度26.7 ℃，歷時31 h 達最高溫度56.5 ℃，最大溫升29.8 ℃。

圖7 上閘首底板混凝土溫度歷時曲線Fig.7 Temperature duration curve of concrete at the floor of upper gate head

4.4 上閘首混凝土通水冷卻內(nèi)部溫度控制效果

通過對上閘首底板混凝土采用通水冷卻智能控制，混凝土內(nèi)部最高溫度和溫降速度等都得到有效控制。具體表現(xiàn)在：

（1）上閘首底板為厚度5 m 的C9025 混凝土，通水冷卻采用自來水，即常溫水，實測12月平均水溫Tw=14.6 ℃，Tmax-Tw=56.5-14.6=41.9 ℃≥［?Tcw］，在混凝土溫降過程通過智能控制器間歇性通水控制溫降速度。

（2）實測混凝土內(nèi)部最高溫度56.5 ℃，在31 h 出現(xiàn)，小于設計允許最高溫度60 ℃，混凝土內(nèi)部最高溫度得到有效控制。

（3）混凝土內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)后的2 d，實測溫降速度2.4 ℃/d，小于溫降初期允許溫降速率2.5 ℃/d。

（4）從31 h 開始溫降，至122 h 停止通水冷卻，歷時91 h，總溫降5 ℃，實測溫降過程的溫降速度1.32 ℃/d，小于2.0 ℃/d，平均溫降速度得到有效控制。

（5）終止通水冷卻的齡期，實際控制終止齡期為98 h，智能控制器控制終止時間為98+24 h（即連續(xù)24 h“不需要通水冷卻，則終止通水冷卻”），在混凝土內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)后的91 h。

（6）為了進一步核實上閘首底板混凝土內(nèi)部溫度智能控制的效果、原理的正確性，在內(nèi)部溫度下降、終止通水冷卻后仍然進行溫度監(jiān)測（人工監(jiān)測、智能監(jiān)測），直至2018年12月4日10∶00時，上閘首底板混凝土內(nèi)部溫度沒有再回升，一直保持小于1.0 ℃/d下降，最終進入環(huán)境氣溫控制階段。

根據(jù)以上結(jié)果，并結(jié)合混凝土內(nèi)部溫度曲線，可以獲得如下結(jié)論。

（1）上閘首底板混凝土通水冷卻Tmax-Tw≥［?Tcw］，采取間歇性通水智能控制溫降速度，溫降初期2 d實測溫降速度2.4 ℃/d，歷時91 h；總溫降5 ℃，實測溫降過程的溫降速度1.32 ℃/d；均有效實現(xiàn)溫控目標。同時說明，“溫降初期（Tmd＜T≤?Tmd，大約2 d）按照≤2.5 ℃/d 控制溫降速度，降溫的全過程（Tmd＜T≤Td）按照平均速率≤2.0 ℃/d控制”的參數(shù)是合理的。

（2）采取“連續(xù)24 h 不需要通水冷卻，則終止通水冷卻”的方式進行終止通水冷卻控制，實際效果與建議終止理論值“最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)后”一致，既驗證了理論分析的正確性，也證實了終止通水冷卻控制方法的科學性與實用性。

（3）上閘首底板混凝土采取通水冷卻智能（自動化）控制，混凝土內(nèi)部最高溫度和溫降速度等都得到有效控制，運行至今沒有發(fā)生任何裂縫，證實了智能控制方法的科學性、智能控制設備與技術(shù)的實用性。 □