邕寧水利樞紐工程預冷混凝土系統設計及預冷費用分析

【摘要】溫度控制是大體積混凝土工程施工質量控制的關鍵環節，在水利工程大體積混凝土溫控措施中，采用預冷混凝土是最為關鍵也是最主要的措施之一。本文以南寧市邕寧水利樞紐工程中溫控要求較高的閘墩底板為基礎，簡述了南寧市邕寧水利樞紐工程攔河壩工程預冷混凝土拌合站的制冷工藝設計、制冷容量計算、設備配置，并采用單價分析法對本工程混凝土預冷費用分析進行了分析計算。

【關鍵詞】邕寧水利樞紐工程；預冷混凝土；設備選型；溫控費用

1、工程概況

1.1 工程簡介

南寧市邕寧水利樞紐工程位于南寧邕江河段下游青秀區仙葫開發區牛灣半島處，上距老口航運樞紐74Km，下距西津水電站124Km。水庫正常蓄水位67m，總庫容7.1億m3，電站總裝機容量57.6MW（6×9.6MW），為燈泡貫流式機組。樞紐工程等別為Ⅱ等，主要施工內容包括攔河壩工程、航運過壩工程、防洪排澇工程等部分。

1.2 大體積混凝土工程情況概述

本工程攔河壩工程混凝土總量約62萬m3，其中大體積混凝土主要集中在主廠房、閘墩、重力壩、縱向砼圍堰等部位，總量約35萬m3，根據設計圖紙的要求，要求砼入倉溫度不超過14℃。由于本工程混凝土溫度控制要求嚴格，采用預冷混凝土施工是保證工程質量的關鍵。因此，必須進行預冷混凝土系統的工藝設計、設備選型等，已確定合理的預冷混凝土溫控費用。

2、預冷混凝土工藝設計與設備選型

2.1 確定混凝土出機口溫度

由于本工程設計圖紙僅給明了最高入倉溫度為14℃，因此必須對出機口溫度進行計算。本計算以現狀條件下氣溫、水溫為依據，因現場骨料倉平均堆料高度大于6m，故砂石骨料溫度采用當月平均氣溫進行估算。混凝土出機口溫度根據以下公式進行計算（見《水利水電工程施工手冊》（第3卷 混凝土工程） 公式8-4-4）。

TB·P=T0+（Ta- T0）（θ1+θ2+θ3）

式中：TB·P——混凝土入倉溫度，℃；

T0——混凝土出機口溫度，℃；

Ta——混凝土運輸時氣溫，℃；

θi（θ=1，2，3…，n）——溫度回升系數，混凝土裝卸和轉運每次θ=0.032，混凝土運輸時θ=At；

A——混凝土運輸過程中溫度回升系數，根據水利水電工程施工手冊》（第3卷 混凝土工程）表8-4-3，本工程運輸采用6m3自卸汽車，運輸15min考慮，取A=0.0022；

T——運輸時間，min；

計算的各月出機口溫度理論值如表1：

根據以上計算結果，本工程出機口溫度按T0=13.5℃控制。

2.2 預冷設備的選型計算

廣西南寧地區屬于亞熱帶季風氣候區，多年月平均最高氣溫28.4℃（7月），多年月平均最高水溫29℃（7月），通過基礎數據分析，每年5月～10月大體積混凝土工程施工需采取溫控措施。本文從需要溫控的7月為基礎來進行預冷設備容量的計算。

2.2.1 計算基礎

（1）已知南寧地區7月份平均最高氣溫為28.4℃，平均最高水溫29℃。

（2）閘墩底板砼配合比為：水泥192kg/m3，砂620 kg/m3，小石434 kg/m3，中石434 kg/m3，大石577 kg/m3，水115 kg/m3，粉煤灰48 kg/m3，減水劑1.44 kg/m3。

2.1.2 預冷設備容量計算

根據工程特點，依據《水利水電工程混凝土預冷系統設計規范》（SL512-2011）條文說明第四章熱平衡計算表3，當混凝土出機口溫度T0>14℃時，擬采用骨料堆場降溫，拌合樓料倉風冷粗骨料，加冷水拌和混凝土相結合的方式進行（暫不考慮加冰拌和）。

（1）配合比采用理論配合比，依據熱平衡公式計算經風冷后骨料及冷水的溫度關系。

根據熱平衡公式，T0 （mccc+ mfcf +mscs + mGcG + mwcw） =Tc mccc + Tf mfcf + Tf mscs + T'G mGcG + T'w mwcw +QJ

式中：T0——混凝土出機口計算溫度，℃；

Tc、Tf、Ts——水泥、粉煤灰、砂的平均進料溫度，℃；

mc 、mf 、ms 、mG、mw——每立方米混凝土水泥、粉煤灰、砂、骨料的重量，kg；

cc 、cf、cs、cG、cw——水泥、粉煤灰、砂、骨料的比熱，kj/（m3·℃）；

T'G——風冷后骨料溫度，℃；

T'w——水冷后拌和水溫度，℃；

QJ ——每立方米混凝土拌和時產生的機械熱，kj/m3 ；

其中：cc= cs=cG=0.837×103kj/（kg·℃），cf=0.92×103kj/（kg·℃），Tc=60℃，Ts=28.4℃，QJ=1500 kj，

得出以下公式：

2415.119×13.5=204.864×60+518.94×28.4+1209.465×T'G+481.85×T'w+1500，簡化后得

2.51 ×T'G + T'w =8.43

根據《水利水電工程施工手冊》（第3卷 混凝土工程）相關論述“一般粗骨料可降至零度以下，拌和水可降至2℃”，確定如下組合模式：

①取T'w=2℃時，T'G =2.56℃

②取T'w =4℃時，T'G =1.77℃

③取T'w=6℃時，T'G =0.97℃

方案比選：以T'w=4℃，T'G =1.77℃為標準進行設備選型（具體比選過程省略）。

2.2.3預冷設備的選型

根據本工程總體施工進度要求，右岸混凝土設計總量約50萬m3，高峰月平均混凝土澆筑強度4.81萬m3/月，考慮混凝土的月不均勻澆筑系數1.5，按月生產500h計算，混凝土拌合站的生產產能為145 m3/h，預冷混凝土仍按高峰期145 m3/h產能進行計算考慮；

（1）水冷設備選擇：

冷水總供應量：115 m3/h×145kg/ m3÷1000 kg/ m3 =16.7 m3/h，即水冷設備的總供水產能為16.7 m3/h；

水冷設備冷負荷計算，參照水利水電工程混凝土預冷系統設計規范》（SL512-2011），需選擇的水冷設備總冷負荷為

Qw =4.19×115×（29-4）×145×1.5/3600=727.8kw

（2）風冷設備選擇

風冷骨料冷負荷計算，參照水利水電工程混凝土預冷系統設計規范》（SL512-2011），需選擇的風冷設備總冷負荷為

QG=0.837×1445×（28.4-1.77）×145×1.5/3600=1945.9kw

（3）設備選型

根據以上計算結果，設備選型時均考慮一定的富余量。制冷水設備負荷為727.8kw，選擇一套LSLGF1000型螺桿式冷水機組（標準工況下，單機制冷量為983kw）。制冷風設備負荷為1945.9kw，選擇一套LG31.5A800D2型螺桿式制冷壓縮機組（標準工況下，單機制冷量為2330kw）。

2.3 預冷混凝土溫控費用分析

根據以上分析計算，本工程需將29℃河水制備成4℃冷水，同時需將骨料由28.4℃風冷至1.77℃骨料。

1 混凝土預冷基礎單價確定

表2計算中，機械臺時費參照廣西壯族自治區水利水電工程機械臺時費定額計算一類費用和二類費用，相應計算各類取費，包括其他直接費、間接費、利潤、稅金等。按照上述原則計算冷水、預冷骨料基礎單價分別為12.48元/t、3.16元/t。

根據設計提供的達到混凝土預冷的溫度要求，每m3混凝土所需要的冷水數量為115kg、冷骨料的數量1445kg，根據上述基礎單價計算出的混凝土預冷措施單價：供冷水1.44元/ m3，制冷骨料4.57元/ m3。本工程預冷混凝土控制措施費指標為6.01元/m3。

2 確定混凝土預冷費用

供冷水1.44元/ m3×35萬m3=50.4萬元，制冷骨料6.01元/ m3×35萬m3=159.95萬元，本工程混凝土溫度預控措施費為以上兩項費用之和，共計210.35萬元。

3、結語

南寧市邕寧水利樞紐工程預冷混凝土系統于2016年3月份投入生產運營，目前已累計完成大體積混凝土約28萬m3，月最大混凝土澆筑量達4.8萬m3，通過試驗監測，混凝土出機口溫度均在設計要求范圍內，混凝土其余各項指標均滿足要求，系統運行正常。

預冷混凝土系統設計是一般都比較龐大而復雜，制冷設備的價格也比較昂貴，所以混凝土的溫控方案要從經濟效益上考慮，經過再三分析對比，采取最佳的方案，才能達到既滿足工程需要又能降低工程造價的目的。尤其對一些入倉溫度要求不是很高的混凝土工程，應盡量減少預冷混凝土的使用，而從優化混凝土配合比、減少運輸時間、合理選擇入倉方式以及采取倉內循環水冷卻與倉面噴霧相結合等其它方式來實現砼溫度控制措施滿足要求、溫控費用低的目的。

參考文獻：

[1]水利水電工程施工手冊（第3卷 混凝土工程），中國電力出版社，2002年。

[2]SL512-2011，水利水電工程混凝土預冷系統設計規范。

作者簡介：宋欣欣，1986年5月生，女，內蒙古赤峰人，工程師，大學本科學歷，現任南寧市中鐵建邕寧水利樞紐投資建設有限公司計劃合約部部長，研究方向：工程造價。