智能自動(dòng)化保濕養(yǎng)護(hù)技術(shù)在腰口泵站流道混凝土施工中的應(yīng)用

(湖北大禹建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430061)

1 工程概況

湖北省洪湖東分塊蓄滯洪區(qū)蓄洪工程新建腰口泵站，位于長(zhǎng)江干堤485+090處，規(guī)模為110m3/s，裝機(jī)3×3600kW。泵站屬Ⅱ等工程，主泵房、安裝間、副廠房、穿堤涵管、防洪閘等主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物及泵站配套建筑物級(jí)別為3級(jí)。出水流道設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，駝峰漸變型，總長(zhǎng)25.5m，最大截面為7.7m×4.3m長(zhǎng)方形門洞，最小截面為直徑3.25m圓形，屬空間曲面結(jié)構(gòu)型式(見圖1)。流道混凝土等級(jí)為C25，摻20%粉煤灰，采用常態(tài)方式澆筑。由于混凝土摻粉煤灰，而且結(jié)構(gòu)厚度小，流道混凝土質(zhì)量要求高，設(shè)計(jì)及規(guī)范要求保濕養(yǎng)護(hù)28天。

圖1 洪湖腰口泵站流道結(jié)構(gòu) (單位：m)

大型泵站流道混凝土的養(yǎng)護(hù)至今仍然采用自然養(yǎng)護(hù)法，人工對(duì)混凝土面澆水或者噴淋灑水，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，普遍適用，能夠有效補(bǔ)充水分進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直觀性強(qiáng)；但其科學(xué)性差，技術(shù)落后，理論方法支撐不足，混凝土質(zhì)量保障差，不經(jīng)濟(jì)，不能有效實(shí)現(xiàn)混凝土保濕養(yǎng)護(hù)目標(biāo)。由于流道結(jié)構(gòu)空間較小，承重模板支撐多、密度大，而且由于后期澆筑上部結(jié)構(gòu)混凝土?xí)r在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)不能拆除模板及支撐，人員很難進(jìn)入流道進(jìn)行高質(zhì)量養(yǎng)護(hù)，混凝土澆筑后保濕養(yǎng)護(hù)困難。在洪湖腰口泵站施工中對(duì)流道混凝土采用了智能自動(dòng)化保濕養(yǎng)護(hù)，通過在混凝土中埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器，采集混凝土養(yǎng)護(hù)表面的環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，建立泵站流道混凝土保濕養(yǎng)護(hù)智能化數(shù)學(xué)模型、研制控制設(shè)備和技術(shù)方法，及時(shí)實(shí)現(xiàn)了流道混凝土保濕養(yǎng)護(hù)的智能化、自動(dòng)化，保證了混凝土濕度，提高了養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

2 智能自動(dòng)化保濕養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的組成和工作原理

2.1 保濕養(yǎng)護(hù)智能自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

流道混凝土(內(nèi)部)保濕養(yǎng)護(hù)智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)，包括智能自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能監(jiān)控終端、水電供應(yīng)系統(tǒng)、噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。其中自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括保濕養(yǎng)護(hù)自動(dòng)控制開關(guān)、電磁閥，以及其連接電纜；噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)是與電磁閥連接安裝在流道內(nèi)部用于噴水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的整體裝置；水電供應(yīng)系統(tǒng)包括提供保濕養(yǎng)護(hù)自動(dòng)控制開關(guān)電力的供電系統(tǒng)和連接于電磁閥前端提供養(yǎng)護(hù)用水的供水系統(tǒng)(見圖2)。

圖2 智能自動(dòng)化保濕養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)組成

2.2 智能自動(dòng)控制保濕養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)工作流程及原理

2.2.1 流道內(nèi)部混凝土保濕養(yǎng)護(hù)的參數(shù)

?流道內(nèi)部表層混凝土濕度98%；?混凝土保濕養(yǎng)護(hù)齡期28天；?養(yǎng)護(hù)水溫控制在10～15℃左右，冬季不低于10℃，秋季和春季不低于15℃，不宜高于20℃；?流道內(nèi)部環(huán)境氣溫控制在10～15℃左右，冬季不低于10℃，秋季和春季按照不低于15℃控制，不宜高于20℃。

2.2.2 智能自動(dòng)控制保濕養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)工作流程

流道混凝土智能自動(dòng)化保濕養(yǎng)護(hù)工作流程見圖3。

圖3 智能自動(dòng)化保濕養(yǎng)護(hù)工作流程

2.2.3 智能控制器養(yǎng)護(hù)的控制過程

a.智能控制器與控制中心計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接，經(jīng)專門軟件設(shè)計(jì)智能控制器控制電磁閥，合上智能控制器電源開關(guān)，智能控制器打開電磁閥，開始噴水養(yǎng)護(hù)。

b.每隔5min，采集流道內(nèi)部溫度、濕度，自動(dòng)記錄流道內(nèi)部溫度T、濕度Sk。

c.計(jì)算已經(jīng)保濕噴水養(yǎng)護(hù)的齡期。記錄初次打開電磁閥噴水養(yǎng)護(hù)時(shí)間T0(年月日時(shí)分)、第i次打開電磁閥噴水養(yǎng)護(hù)時(shí)間Ti(年月日時(shí)分)。記錄累加計(jì)算累計(jì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間Ty的方法。

d.計(jì)算后期允許不噴水養(yǎng)護(hù)時(shí)間(Tb=T98)

(1)

式中T98——混凝土與木模板接觸面澆筑后不噴水情況濕度降至98%的時(shí)間，h；

Sk——環(huán)境空氣濕度，%；

T——木模板澆筑混凝土流道內(nèi)部環(huán)境空氣溫度，℃。

式(1)為智能化養(yǎng)護(hù)數(shù)學(xué)模型。

e.控制電磁閥開關(guān)，智能化保濕養(yǎng)護(hù)。Tb≤28-Ty，則打開電磁閥，再次噴水養(yǎng)護(hù)。

f.關(guān)閉電磁閥終止保濕養(yǎng)護(hù)。累計(jì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間Ty不小于28天，則自動(dòng)斷電關(guān)閉智能控制器，完成該流道內(nèi)部混凝土智能化保濕養(yǎng)護(hù)。

流道混凝土智能自動(dòng)控制系統(tǒng)組成和工作原理圖見圖4～圖5。

圖4 智能自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

圖5 流道混凝土智能自動(dòng)保濕養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)工作原理

3 流道混凝土保濕養(yǎng)護(hù)智能自動(dòng)化應(yīng)用

3.1 流道混凝土保濕養(yǎng)護(hù)智能自動(dòng)化實(shí)施方案

湖北省洪湖腰口泵站流道為3流道整體結(jié)構(gòu)，流道內(nèi)部混凝土保濕養(yǎng)護(hù)采用自動(dòng)化控制。保濕養(yǎng)護(hù)按進(jìn)水口段、泵室鉛直段、出水口段3部分進(jìn)行布置。其中泵室鉛直段，根據(jù)澆筑進(jìn)度，下部與進(jìn)水口段同批進(jìn)行；上部與出水口段同批進(jìn)行。

流道內(nèi)部混凝土保濕養(yǎng)護(hù)智能化、自動(dòng)化控制方案設(shè)計(jì)依據(jù)為：?流道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：進(jìn)水口和出水口為喇叭口(進(jìn)水口兩個(gè)喇叭口合并為一個(gè))，內(nèi)部接近為直線，泵室鉛直；?內(nèi)部環(huán)境特點(diǎn)：一是溫控防裂措施方案要求，二是流道內(nèi)部溫度均勻控制要求，混凝土澆筑后洞口封閉保溫；?混凝土澆筑施工及其進(jìn)度安排：流道按進(jìn)水口段和出水口段(包括泵室鉛直段及其拐彎段)分層澆筑，進(jìn)水口段在2017年11—12月澆筑，出水口段在2018年3—4月澆筑。

施工供水、供電系統(tǒng)采用工地施工供水、供電系統(tǒng)。流道內(nèi)部混凝土保濕養(yǎng)護(hù)智能化、自動(dòng)化實(shí)施，采取集中控制的方式，即智能化(智能控制器)、自動(dòng)化(時(shí)控開關(guān))控制設(shè)備集中安裝在智能控制箱內(nèi)。

3.2 噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)布置

3.2.1 噴淋養(yǎng)護(hù)的批次與分段

根據(jù)流道結(jié)構(gòu)，在進(jìn)水口段、泵室鉛直段及其拐彎段和出水口段布置噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。泵室鉛直下部及其拐彎段與進(jìn)水口同次；泵室鉛直上部及其拐彎段與出水口段同次，見圖6～圖8。

圖6 流道混凝土(內(nèi)部)保濕養(yǎng)護(hù)自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

圖7 流道內(nèi)噴淋系統(tǒng)分段布置(智能化)

圖8 流道內(nèi)噴淋系統(tǒng)分段布置(自動(dòng)化)

3.2.2 噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)布置

考慮流道呈曲線變化、內(nèi)部模板支撐密集、施工人員穿行，以及施工方便和經(jīng)濟(jì)性等因素，施工供水塔安裝在進(jìn)水口右岸高地，流道保濕養(yǎng)護(hù)主管道采用φ50PVC管。流道內(nèi)部近似圓形結(jié)構(gòu)，噴淋系統(tǒng)主要保證噴水能夠覆蓋中部和頂部200°范圍，中下部160°范圍由中上部噴淋水下流自然覆蓋，按“三管”系統(tǒng)布置(見圖9)。3根噴淋水管分別布置在流道中上部的左、中、右的中心角-50°、0°、50°線上，各自承擔(dān)噴淋水覆蓋左、中、右70°范圍。

圖9 流道內(nèi)噴淋“三管”系統(tǒng)布置

3.2.3 各段噴淋水管的布置

噴淋水管，全部采用φ25PVC管，通過在管壁鉆φ2孔向流道內(nèi)壁噴水。進(jìn)水、出口與泵室鉛直下部及其拐彎段，近似水平段(包括進(jìn)水口的喇叭口、拐彎段)采用“三管”系統(tǒng)；泵室鉛直下部采用“三管”螺旋布置方式。

水平段“三管”系統(tǒng)噴水管的鉆孔分布見圖10，沿軸線方向在每個(gè)模板支撐的空格梅花形鉆3個(gè)孔，在-20°、0°、20°的線上鉆孔?！叭堋毕到y(tǒng)安裝時(shí)，分別將左支的噴水孔對(duì)準(zhǔn)頂部中心角-80°、-60°、-40°的線上；中支對(duì)準(zhǔn)-20°、0°、20°的線上；右支對(duì)準(zhǔn)40°、60°、80°的線上。

圖10 噴淋水管水平鉆孔系統(tǒng)布置

螺旋布置“三管”系統(tǒng)噴水管的鉆孔分布，每隔30cm鉆孔，長(zhǎng)度環(huán)繞流道約一周半，鉆孔布置在該段噴淋水管的頂部，環(huán)形固定。

3.2.4 噴淋系統(tǒng)的安裝

噴淋系統(tǒng)在流道內(nèi)部模板安裝完成時(shí)進(jìn)行固定安裝。其布孔在固定安裝后鉆孔，可更好地保障鉆孔的布置與方位。各噴淋水管的鉆孔，限定在保濕養(yǎng)護(hù)的范圍。噴淋水管，均延伸至流道外，進(jìn)水口段至上游，出水口段至下游。

3.2.5 各段噴淋水管與電磁閥的連接

智能控制養(yǎng)護(hù)1號(hào)流道，水平段采用兩套“三管”系統(tǒng)水平布置，在內(nèi)部合并為1套“三管”系統(tǒng)，其中一根管道延長(zhǎng)至豎直段成螺旋布置，6管共用1個(gè)電磁閥。電磁閥由智能控制器控制開、關(guān)。

自動(dòng)化控制養(yǎng)護(hù)的2號(hào)、3號(hào)流道，錯(cuò)開各支水管噴水，每個(gè)流道布置2套“三管”系統(tǒng)共6根水管，都單獨(dú)連接一個(gè)電磁閥。噴水管在流道內(nèi)部的布置與智能控制養(yǎng)護(hù)流道相同，兩套“三管”系統(tǒng)水平布置，在內(nèi)部合并為1套“三管”系統(tǒng)，其中一根管道延長(zhǎng)至豎直段成螺旋布置。

3.3 智能自動(dòng)控制系統(tǒng)布置

在進(jìn)水口段和出水口段各布置1套智能控制器和溫濕度采集系統(tǒng)。溫濕度傳感器安裝在流道內(nèi)部，安全固定在支撐與木模板結(jié)合部。溫濕度傳感器的電纜引出與智能控制器連接，智能控制器與電磁閥連接，智能自動(dòng)控制系統(tǒng)嚴(yán)格按照《施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 46—2005)要求布置與施工。

3.4 保濕養(yǎng)護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行與管理

3.4.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行

進(jìn)水流道混凝土的智能自動(dòng)化保濕養(yǎng)護(hù)裝置安裝全部在2017年12月9日完成。2017年12月10日，在澆筑混凝土?xí)r進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)調(diào)試。

a.進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)的全面檢查，?按照電路安全要求進(jìn)行電路、電器設(shè)備的安全檢查，查看電線連接是否正確無誤、有無漏電等；?檢查水管、噴水管、噴頭布置與安裝是否正確無誤；?檢查溫濕度、風(fēng)速傳感器布置與安裝是否正確無誤。

b.設(shè)置時(shí)控開關(guān)的循環(huán)控制方案、加壓泵控制方案，激活智能控制器(計(jì)算機(jī))控制。初步設(shè)置噴水時(shí)間為2min。2017年12月10日上午10時(shí)30分合上電源開關(guān)，開始保濕養(yǎng)護(hù)調(diào)試。

c.進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)智能控制效果檢查，觀察洞內(nèi)模板、進(jìn)水喇叭口、井口是否全部足夠濕潤(rùn)。結(jié)果顯示，部分位置有空白無水塊，增加了鉆孔。洞口(喇叭口)、井口的噴頭，由于水體含粉細(xì)砂，有淤堵，出水量小，不能噴濕全部混凝土面，因此在洞口(喇叭口)、井口布置了一圈噴管。

d.進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)智能控制系統(tǒng)整體性能與安全性檢查，智能控制器(計(jì)算機(jī))、時(shí)控開關(guān)、電磁閥、加壓水泵都能夠按照事先設(shè)計(jì)運(yùn)行，安全、有效。

e.流道混凝土澆筑完成第一層，于2017年12月10日上午合上電源開關(guān)，智能控制器和時(shí)控開關(guān)分別打開電磁閥，開始正常保濕養(yǎng)護(hù)。

3.4.2 流道內(nèi)部環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)

智能控制器自動(dòng)完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每隔一段時(shí)間專門連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。

監(jiān)測(cè)人員每天早6時(shí)、中午12時(shí)、下午18時(shí)，進(jìn)行3個(gè)流道內(nèi)部空氣溫度、濕度的觀測(cè)。

3.4.3 混凝土表層濕度監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由智能控制器自動(dòng)計(jì)算，每隔一段時(shí)間專門連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。

在拆除模板時(shí)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)。拆除模板，空氣進(jìn)入，混凝土面的濕度立即降低，因此首先松開模板進(jìn)行混凝土表面濕度、溫度的檢測(cè)，并盡可能增加檢測(cè)部位。

4 實(shí)施效果

4.1 混凝土表面養(yǎng)護(hù)溫濕度及時(shí)間參數(shù)選定

a.根據(jù)水工混凝土養(yǎng)護(hù)手冊(cè)要求，混凝土表面濕度不小于95%，為提高保濕養(yǎng)護(hù)的效果，表面濕度要求不小于98%；養(yǎng)護(hù)期間混凝土的芯部與表層、表層與環(huán)境之間的溫差不宜超過20℃。

b.根據(jù)《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50146—2014)和《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144—2001)，摻粉煤灰流道混凝土要求養(yǎng)護(hù)時(shí)間不宜少于28天。

4.2 混凝土表面保溫和智能自動(dòng)化噴淋養(yǎng)護(hù)

a.在混凝土澆筑完成以后，出水流道進(jìn)口、出口用保溫被封閉保溫。

b.混凝土澆筑完成以后，立即用保溫材料進(jìn)行覆蓋，頂板面層采用1層塑料薄膜、1層土工布覆蓋包裹進(jìn)行保濕、保溫養(yǎng)護(hù)，采用的保溫材料應(yīng)保持干燥。對(duì)邊、棱角部位的保溫厚度應(yīng)增大到面板厚度的2～3倍。

c.嚴(yán)格控制拆模時(shí)間，在混凝土內(nèi)部溫度逐步降低，并與外部最低氣溫相差20℃以內(nèi)，并且養(yǎng)護(hù)不少于14天時(shí)，才能拆除相應(yīng)模板。

d.流道混凝土智能自動(dòng)化噴淋養(yǎng)護(hù)。

洪湖東分塊蓄滯洪區(qū)蓄洪工程腰口泵站道流工程共澆筑混凝土4965m3，其中進(jìn)水流道(高程10.98～16.75m)混凝土2084m3；出水流道(高程21.95～26.95m)混凝土2881m3。通過智能自動(dòng)化保濕養(yǎng)護(hù)技術(shù)對(duì)湖北省洪湖腰口泵站流道混凝土進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，取得了良好的效果，有效減少了混凝土表面因缺水而產(chǎn)生的干縮裂縫，充分保障了混凝土水化與強(qiáng)度增長(zhǎng)，提高了流道混凝土施工質(zhì)量。根據(jù)《水利水電工程單元工程施工質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)——混凝土工程》(SL 632—2012)驗(yàn)收規(guī)程評(píng)定，3個(gè)流道工程共計(jì)6個(gè)單元工程，全部?jī)?yōu)良，優(yōu)良率100%；外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良，外觀質(zhì)量得分率95%，流道工程施工質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良等級(jí)。

5 結(jié) 語

在混凝土澆筑完成之后，保證混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵措施就是混凝土的保濕養(yǎng)護(hù)與保溫。傳統(tǒng)的泵站流道混凝土保濕養(yǎng)護(hù)主要靠人工灑水，一般為施工人員自行控制，監(jiān)理人員難以深入管理控制。在流道混凝土施工期，由于流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀不規(guī)則，且流道大多為大體積、變截面異型混凝土結(jié)構(gòu)，以及受到模板支撐的影響，灑水工作面狹窄，人工灑水養(yǎng)護(hù)困難(特別是頂部)，導(dǎo)致灑水養(yǎng)護(hù)均勻性、可靠性差。此外，人工灑水還存在經(jīng)驗(yàn)判斷的問題，因此灑水不及時(shí)是經(jīng)常發(fā)生的事。而采用智能自動(dòng)化保濕養(yǎng)護(hù)技術(shù)徹底改變了這種傳統(tǒng)的人工養(yǎng)護(hù)方式，取得了很好的效果。

2016年汛后，湖北省委、省政府啟動(dòng)“排澇能力提升”泵站工程，計(jì)劃建設(shè)14處大型排澇泵站，使外排能力提升一倍，列入了災(zāi)后重建補(bǔ)短板5大工程之一。其中洪湖東分塊蓄滯洪區(qū)蓄洪工程腰口大型泵站于2017年先期開工建設(shè)，目前泵站工程已完工，流道混凝土工程施工質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良等級(jí)，在2020年防洪排澇中發(fā)揮了極其重要的作用。由于近十多年湖北省未新建設(shè)大型泵站，通過對(duì)湖北省洪湖腰口泵站流道混凝土進(jìn)行智能自動(dòng)化保濕養(yǎng)護(hù)，從技術(shù)上提出(提供)了一整套可行的泵站流道混凝土保濕養(yǎng)護(hù)理論、方法與設(shè)備，保證了大型泵站流道混凝土施工質(zhì)量和安全，為后續(xù)13座大型泵站流道施工保濕養(yǎng)護(hù)提供了示范并積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，具有良好的借鑒和參考作用。