楊房溝水電站拱壩結(jié)構(gòu)混凝土溫控改進(jìn)研究與實(shí)踐

劉濤 宋濤

摘要：

為了解決楊房溝水電站拱壩結(jié)構(gòu)混凝土澆筑初期出現(xiàn)內(nèi)部溫差及最高溫度合格率低、總體溫度控制水平低的問題，通過調(diào)查分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)，確定了溫控超標(biāo)的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。結(jié)果表明：通過混凝土配合比優(yōu)化、智能通水設(shè)備保護(hù)、通水調(diào)控和智能溫控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級(jí)，拱壩結(jié)構(gòu)混凝土溫度控制指標(biāo)合格率大幅提高，滿足設(shè)計(jì)要求。研究成果可為大壩混凝土澆筑過程中的混凝土內(nèi)部溫度控制提供參考。

關(guān)鍵詞：

結(jié)構(gòu)混凝土； 混凝土澆注； 智能通水； 溫度控制； 楊房溝水電站

中圖法分類號(hào)：TV544

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.004

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S1-0009-04

0 引 言

楊房溝水電站混凝土雙曲拱壩的壩身布置1個(gè)生態(tài)泄放孔、3個(gè)泄洪中孔和4個(gè)泄洪表孔，中、表孔結(jié)構(gòu)澆筑C35二級(jí)配混凝土，中、表孔面主要為C18030四級(jí)配混凝土，并依靠智能化手段進(jìn)行混凝土內(nèi)部溫度控制。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，生態(tài)泄放孔結(jié)構(gòu)混凝土澆筑初期內(nèi)部溫差控制合格率僅為64%，最高溫度合格率僅為83.0%，不滿足混凝土內(nèi)部溫差合格率不低于85.0%、混凝土內(nèi)部最高溫度合格率不低于95.0%的要求。拱壩結(jié)構(gòu)混凝土溫度超標(biāo)屬于工程常見問題，但是溫度超標(biāo)原因及采取的改進(jìn)措施與工程所在地氣候環(huán)境、混凝土所用原材料、澆筑環(huán)境、人員素質(zhì)、通水系統(tǒng)可靠性等密切相關(guān)。因此，混凝土內(nèi)部溫差及最高溫度超標(biāo)問題需要結(jié)合工程實(shí)際情況研究解決。

1 混凝土溫度控制現(xiàn)狀

楊房溝水電站拱壩的生態(tài)泄放孔區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鋼筋分布密集，為保證混凝土施工質(zhì)量，多采用低級(jí)配、高坍落度混凝土進(jìn)行澆筑，是混凝土溫度控制的重難點(diǎn)。

為確保拱壩中、表孔混凝土的溫度控制滿足要求，對(duì)已施工完成的生態(tài)泄放孔結(jié)構(gòu)混凝土溫度控制情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析［1］，如表1所示：內(nèi)部溫差控制合格率僅為64.0%，最高溫度合格率為83.0%，不符合設(shè)計(jì)要求。

對(duì)生態(tài)泄放孔結(jié)構(gòu)混凝土溫度控制超標(biāo)頻次及頻率統(tǒng)計(jì)如表3所示。

從表3可知，混凝土內(nèi)部溫差和最高溫度超標(biāo)頻次共111次，累計(jì)頻率達(dá)85%，占統(tǒng)計(jì)樣本比重較大。因此，內(nèi)部溫差、最高溫度超標(biāo)是拱壩結(jié)構(gòu)部位混凝土溫度控制的最主要問題，需要降低內(nèi)部溫差、最高溫度超標(biāo)頻率，使其合格率滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部溫度總體合格率。

2 超標(biāo)原因分析

結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)以及該工程實(shí)際，從人員、原材料、施工機(jī)具及儀器設(shè)備、方法、施工作業(yè)環(huán)境、檢測(cè)6個(gè)方面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致生態(tài)泄放孔混凝土內(nèi)部溫差及最高溫度超標(biāo)的原因共有15項(xiàng)：① 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求交底不到位；② 施工人員責(zé)任意識(shí)不強(qiáng)、質(zhì)量獎(jiǎng)懲考核不到位；③ 混凝土水泥用量大；④ 骨料預(yù)冷不到位；⑤ 智能通水設(shè)備異常［2］；⑥ 冷卻供水系統(tǒng)異常；⑦ 冷卻水管布置不合理；⑧ 管路保護(hù)不到位；⑨ 通水調(diào)控不到位；⑩ 坯層覆蓋時(shí)間過長；B11 保溫、保濕不到位；B12 溫度計(jì)位置偏移；B13 氣溫過高；B14 智能溫控系統(tǒng)運(yùn)行不正常；B15 測(cè)量?jī)x器故障或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

2020年5月9～18日，結(jié)合以上15個(gè)方面的潛在原因，對(duì)可能導(dǎo)致

楊房溝水電站拱壩

生態(tài)泄放孔混凝土內(nèi)部溫差及最高溫度超標(biāo)的原因進(jìn)行以下分析，確認(rèn)其主要原因。

（1） 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求交底方面。查閱了拱壩混凝土溫控施工作業(yè)人員的相關(guān)溫控培訓(xùn)資料，調(diào)查了現(xiàn)場(chǎng)溫控施工管理人員對(duì)溫度控制重難點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)的熟悉情況。結(jié)果表明：交底培訓(xùn)內(nèi)容全面細(xì)致，無缺失，滿足規(guī)范要求；相關(guān)溫控作業(yè)人員對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)掌握情況較好。

（2） 施工人員責(zé)任意識(shí)與質(zhì)量獎(jiǎng)懲考核方面。經(jīng)查閱總承包部及工區(qū)溫控質(zhì)量獎(jiǎng)懲考核記錄資料，確認(rèn)施工單位嚴(yán)格執(zhí)行了質(zhì)量考核制度，獎(jiǎng)懲考核兌現(xiàn)及時(shí)、記錄資料齊全，獎(jiǎng)懲兌現(xiàn)率100%。

（3） 混凝土水泥用量方面。由于混凝土溫度升高主要受水泥水化熱影響［3］，因此，研究小組重點(diǎn)對(duì)每方混凝土水泥的用量進(jìn)行調(diào)查，拱壩結(jié)構(gòu)混凝土部分材料用量統(tǒng)計(jì)如表4所示，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)區(qū)域每方混凝土水泥用量比非結(jié)構(gòu)區(qū)域多180 kg，是造成內(nèi)部溫差和最高溫度超標(biāo)的原因。

（4） 骨料預(yù)冷方面。查閱了骨料預(yù)冷終溫測(cè)量記錄，并現(xiàn)場(chǎng)對(duì)骨料砸石溫度進(jìn)行抽檢。結(jié)果表明：相關(guān)測(cè)量記錄完善，骨料預(yù)冷終溫均滿足《預(yù)冷混凝土原材料溫度控制參數(shù)》相關(guān)要求。

（5） 智能通水設(shè)備。跟蹤調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)溫控智能通水設(shè)備運(yùn)行情況，查閱了設(shè)備運(yùn)行維護(hù)記錄，發(fā)現(xiàn)智能通水設(shè)備開度、流量不匹配及智能控制模塊損壞的情況時(shí)有發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土冷卻通水不連續(xù)，對(duì)混凝土最高溫度及內(nèi)部溫差影響較大，是造成超標(biāo)的原因之一。

（6） 冷卻供水系統(tǒng)。楊房溝水電站共6臺(tái)冷水機(jī)組，分別布置于壩后左、右岸坡位置，每升高20 m左右布置一臺(tái)，機(jī)組有效揚(yáng)程能達(dá)到40～60 m，滿足現(xiàn)場(chǎng)供水壓力需求。壩后各級(jí)棧橋冷卻供水主管布置均滿足施工方案和現(xiàn)場(chǎng)施工要求。機(jī)組運(yùn)行情況穩(wěn)定，且定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，工況良好，未出現(xiàn)因冷卻供水系統(tǒng)故障導(dǎo)致混凝土冷卻通水無法正常開展的情況。

（7） 冷卻水管布置。倉內(nèi)大面無結(jié)構(gòu)部位4級(jí)配混凝土澆筑區(qū)域，主要采用外徑32 mm高密度聚乙烯（HDPE）管，水管間距1.5 m（豎向）×1.5 m（水平）；結(jié)構(gòu)部位2級(jí)配混凝土澆筑區(qū)域主要采用外徑40 mm高密度聚乙烯（HDPE）管，水管間距1.0 m×1.0 m或1.0 m×0.8 m。此外，倉面設(shè)計(jì)根據(jù)不同澆筑倉結(jié)構(gòu)形式差異和實(shí)際溫度控制效果，對(duì)冷卻水管布置形式不斷優(yōu)化調(diào)整［4］，并經(jīng)監(jiān)理機(jī)構(gòu)審批后實(shí)施。因此，冷卻水管布置滿足設(shè)計(jì)要求。

（8） 管路保護(hù)。經(jīng)查詢施工記錄、監(jiān)理旁站記錄及影像資料，確認(rèn)在施工過程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)澆筑過程中冷卻水管的保護(hù)到位，未出現(xiàn)打斷、破損、接頭漏水等現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

（9） 通水調(diào)控。對(duì)溫控系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)倉混凝土冷卻通水調(diào)控記錄進(jìn)行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)倉通水調(diào)控操作存在不合理及調(diào)控響應(yīng)滯后等情況，主要表現(xiàn)為：工程施工前期，主要依托于智能溫控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化混凝土冷卻通水，必要時(shí)采取人工干預(yù)的方式；但對(duì)于出現(xiàn)溫差較大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)倉號(hào)，智能溫控系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)較好的自動(dòng)化通水控制，對(duì)混凝土內(nèi)部溫度及溫差控制的影響較大。因此，通水調(diào)控不到位是超標(biāo)的原因之一。

（10） 坯層覆蓋時(shí)間。結(jié)構(gòu)倉混凝土坯層覆蓋時(shí)間最多6.7 h，最少4.6 h，平均5.6 h，超過一般要求的4.0 h，但實(shí)際澆筑過程中未出現(xiàn)混凝土初凝現(xiàn)象，且對(duì)混凝土澆筑溫度復(fù)核表明，澆筑溫度合格率為100%。因此，混凝土坯層覆蓋時(shí)間影響程度較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

（11） 保溫、保濕情況。檢查混凝土表面保溫、保濕情況，確認(rèn)倉面已及時(shí)進(jìn)行保溫被覆蓋，上、下游壩面及模板背側(cè)均采用苯板或卷材等保溫材料進(jìn)行保溫隔熱，保溫被覆蓋嚴(yán)密，苯板粘貼牢固；橫縫混凝土面花管養(yǎng)護(hù)覆蓋均勻、養(yǎng)護(hù)及時(shí)，能有效防止高溫時(shí)段外接氣溫倒灌和幫助混凝土散熱。因此，保溫、保濕措施到位。

（12） 溫度計(jì)位置情況。對(duì)結(jié)構(gòu)倉混凝土澆筑施工過程中溫度計(jì)的位置偏移情況進(jìn)行了跟蹤調(diào)查。溫度計(jì)均按批準(zhǔn)的倉面設(shè)計(jì)均勻分布于倉內(nèi)上、中、下游各部位，采用Φ14 mm螺紋鋼進(jìn)行固定；且開倉前已做警示標(biāo)識(shí)，澆筑過程中安排了專人看護(hù)，有效避免了溫度計(jì)與倉內(nèi)其他施工設(shè)備發(fā)生碰撞。

（13） 氣溫情況。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫控施工的高溫天氣應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了檢查?；炷吝\(yùn)輸車的車廂防曬、隔熱等措施落實(shí)到位，混凝土澆筑倉噴霧覆蓋完整，噴霧降溫效果滿足設(shè)計(jì)要求。此外，施工中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，盡量避開高溫時(shí)段澆筑混凝土、充分利用低溫季節(jié)和早晚氣溫低的時(shí)段澆筑。因此，對(duì)高溫天氣的應(yīng)對(duì)措施到位，不屬于溫控超標(biāo)的主要原因。

（14） 智能溫控系統(tǒng)。對(duì)拱壩現(xiàn)場(chǎng)智能溫控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)查。受壩體結(jié)構(gòu)遮擋影響，網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完整，個(gè)別分控站信號(hào)較弱，且個(gè)別拱壩監(jiān)控設(shè)備占用溫控網(wǎng)絡(luò)資源，溫控網(wǎng)絡(luò)中斷情況時(shí)有發(fā)生。因此，智能網(wǎng)絡(luò)對(duì)溫控系統(tǒng)的正常運(yùn)行和通水調(diào)控影響較大，屬于主要原因之一。

（15） 測(cè)量?jī)x器或數(shù)據(jù)問題。對(duì)拱壩混凝土溫控施工中溫度計(jì)、流量計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器使用情況進(jìn)行了調(diào)查。相關(guān)儀器質(zhì)量證明文件及率定記錄完整、儀器配備數(shù)量充足、定期維護(hù)保養(yǎng)記錄完善，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求，未發(fā)生測(cè)量?jī)x器故障或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤現(xiàn)象。

綜上所述，最終確認(rèn)了導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倉混凝土內(nèi)部溫差及最高溫度超標(biāo)的4個(gè)主要原因：① 混凝土水泥用量大；② 智能通水設(shè)備異常；③ 通水調(diào)控不到位；④ 智能溫控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。

3 方案實(shí)踐

根據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)4個(gè)主要原因制定了解決方案：① 優(yōu)化配合比，在保證混凝土澆筑質(zhì)量的前提下，盡量減少高流態(tài)、低級(jí)配混凝土用量，減少水泥用量，進(jìn)一步降低混凝土內(nèi)部水化熱；② 加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，在備足相關(guān)配件的基礎(chǔ)上，落實(shí)設(shè)備防水措施，提升智能設(shè)備用電穩(wěn)定性；③ 針對(duì)重點(diǎn)結(jié)構(gòu)倉建立通水調(diào)控臺(tái)賬，加密觀測(cè)及調(diào)控頻次；④ 形成溫控系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基站分布進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 改進(jìn)目標(biāo)

綜合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、技術(shù)要求規(guī)定，并參考同類工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為解決70%的混凝土內(nèi)部溫差和最高溫度超標(biāo)問題具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，拱壩（中、表孔）結(jié)構(gòu)部位混凝土溫度控制整體合格率能提升至95%，見式（1）。

A={1-［（a+b）×（1-c）+d］/S}×100% （1）

式中：A為以生態(tài)泄放孔結(jié)構(gòu)混凝土溫度控制統(tǒng)計(jì)值為基數(shù)，采取改進(jìn)措施后期望可達(dá)到的中、表孔結(jié)構(gòu)混凝土溫控總體合格率，即總體目標(biāo)值；a為生態(tài)泄放孔結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部溫差頻次；b為生態(tài)泄放孔結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部最高溫度超標(biāo)頻次；c為以生態(tài)泄放孔結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部溫差、最高溫度超標(biāo)頻次為基數(shù)的期望改進(jìn)值，取70%；d為降溫速率超標(biāo)頻次；S為生態(tài)泄放孔結(jié)構(gòu)混凝土溫度控制監(jiān)測(cè)總頻次，取1 050次。根據(jù)表2可知a=76、b=35、d=19，計(jì)算得到A=95%。

因此，根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查和目標(biāo)測(cè)算分析，確定改進(jìn)研究目標(biāo)，將拱壩結(jié)構(gòu)部位混凝土溫度控制整體合格率提高至95%。

3.2 改進(jìn)方案

3.2.1 混凝土配合比優(yōu)化

針對(duì)混凝土水泥用量大的問題，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：根據(jù)孔口倉實(shí)際結(jié)構(gòu)形式差異，大部分孔口部位可采用110～130 mm坍落度的C35二級(jí)配混凝土進(jìn)行澆筑，局部可采用90～110 mm坍落度的C35三級(jí)配混凝土澆筑，每立方米混凝土水泥使用量較原160～180 mm坍落度的C35二級(jí)配混凝土分別減少17 kg和52 kg，優(yōu)化前后的混凝土配合比見表5。在實(shí)際實(shí)施過程中，加強(qiáng)倉面設(shè)計(jì)編制及審核，細(xì)化孔口倉混凝土澆筑區(qū)域劃分，并在現(xiàn)場(chǎng)落實(shí)專人對(duì)混凝土澆筑區(qū)域進(jìn)行監(jiān)督，嚴(yán)格控制低級(jí)配、高坍落度混凝土澆筑范圍和使用量。

通過以上優(yōu)化，降低了水泥水化熱，進(jìn)而降低了初期冷卻通水階段控溫壓力，對(duì)孔口倉混凝土最高溫度及內(nèi)部溫差控制起到關(guān)鍵作用。

3.2.2 智能通水設(shè)備保護(hù)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能溫控通水設(shè)備異常情況的全面檢查結(jié)果，分析出現(xiàn)異常的主要原因是設(shè)備接線端口外露使其容易遇水受潮短路，以及施工電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致設(shè)備受損。因此，除了要求設(shè)備維護(hù)人員加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)外，還需組織現(xiàn)場(chǎng)溫控施工班組對(duì)所有設(shè)備接線端口部位采用保護(hù)罩、防水膠帶及覆蓋薄膜等防水措施。同時(shí)，為現(xiàn)場(chǎng)溫控智能通水設(shè)備單獨(dú)配置配電柜，采取專電專供，嚴(yán)禁其他施工用電混接，在配電柜前段增設(shè)電壓穩(wěn)定裝置，并在各個(gè)分控站外側(cè)加裝斷電信號(hào)指示燈及報(bào)警器，當(dāng)出現(xiàn)電路跳閘時(shí)立即報(bào)警，以便于電工能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)故障。

通過以上措施，現(xiàn)場(chǎng)智能通水設(shè)備故障發(fā)生的概率明顯降低。

3.2.3 通水調(diào)控

針對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土溫度控制，建立了冷卻通水調(diào)控臺(tái)賬，主要用于對(duì)重點(diǎn)結(jié)構(gòu)倉通水調(diào)控情況進(jìn)行跟蹤記錄，要求現(xiàn)場(chǎng)安排專人按照系統(tǒng)觀測(cè)頻率（1次/4 h）對(duì)結(jié)構(gòu)倉混凝土溫度及通水情況進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和記錄，并及時(shí)發(fā)布臺(tái)賬。同時(shí)，相關(guān)溫控管理人員每天在現(xiàn)場(chǎng)指揮中心結(jié)合智能溫控系統(tǒng)和通水調(diào)控臺(tái)賬對(duì)調(diào)控效果進(jìn)行檢查復(fù)核，并對(duì)后續(xù)通水計(jì)劃提出建議，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。將原智能溫控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)控的1次/d調(diào)控頻次提升至由人工和系統(tǒng)共同調(diào)控的3～4次/d。

通過實(shí)施上述對(duì)策，拱壩孔口倉混凝土通水調(diào)控工作在及時(shí)性、準(zhǔn)確性和針對(duì)性等方面均得到不同程度的提高，為混凝土最高溫度及內(nèi)部溫差的控制提供了有利條件。

3.2.4 完善智能溫控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多次專項(xiàng)檢查，經(jīng)討論、分析確定了采取有線和無線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)布置方式，將相關(guān)非溫控設(shè)備從溫控網(wǎng)絡(luò)中移除，確保專網(wǎng)專用。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)基站位置進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和調(diào)整，保證溫控網(wǎng)絡(luò)無死角覆蓋，且針對(duì)受壩體結(jié)構(gòu)遮擋可能存在信號(hào)衰弱的部位增設(shè)了中繼路由裝置，以進(jìn)一步提升溫控網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

通過對(duì)智能溫控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)改造，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性得到明顯的提高，保障了智能溫控工作的順利開展。

3.3 改進(jìn)效果

對(duì)實(shí)施改進(jìn)措施后的拱壩中、表孔結(jié)構(gòu)倉混凝土溫度控制情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表6～7。

拱壩孔口部位混凝土內(nèi)部溫差合格率由64.0%提至83.5%，內(nèi)部最高溫度合格率由83.0%提至98.6%，整體合格率由改進(jìn)前的88.0%提至95.6%，高于預(yù)期目標(biāo)值（95%），改進(jìn)效果良好。

4 結(jié) 語

該研究指導(dǎo)了楊房溝水電站拱壩孔口部位的混凝土內(nèi)部溫控工作，使孔口部位混凝土內(nèi)部最高溫度、內(nèi)部溫差等監(jiān)測(cè)指標(biāo)的合格率有了大幅提高。研究成果可用于該工程后續(xù)澆筑的混凝土內(nèi)部溫控工作，為類似工程提供參考。

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