白鶴灘水電站泄洪洞混凝土智能保濕養護技術研究

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 研究背景

混凝土澆搗后，之所以能逐漸凝結硬化，主要是因為水泥水化作用的結果，而水化作用則需要適當的溫度和濕度條件，因此，為了保證混凝土有適宜的硬化條件，使其強度不斷增長，必須對混凝土進行充分養護。

混凝土的養護目的，一是創造各種條件使水泥充分水化，加速混凝土硬化；二是防止混凝土成型后暴曬、風吹、寒冷等條件而出現的不正常收縮、裂縫等破損現象。影響混凝土養護效果的因素包括養護環境的溫度和濕度，根據規范要求對于標準養護室其溫度為20℃±2℃，相對濕度為95%以上。

目前常用的混凝土養護手段包括蓄水養護法、覆蓋保濕養護法、灑水養護法、噴涂養護液等，對于水利水電工程混凝土建筑物來說，通常規模巨大且結構復雜，其垂直外露面是無法采用蓄水養護的，如果采用覆蓋養護則所需覆蓋材料多，同時由于施工環境的復雜性，對覆蓋材料的保護難度也較大。因此，目前在水利水電工程中比較常用的仍然是混凝土表面灑水養護，傳統的灑水養護需要投入專人負責，難以保證由于養護人員的素質問題而帶來的養護不到位，因而在溪洛渡、烏東德等大型水利水電工程中廣泛應用了花管自流水養護工藝，該工藝實現了混凝土表面的常流水養護，同時也節約了人工灑水養護的成本，且規避了施工人員登高作業的安全風險，但是單純的花管長流水養護極大地增加了養護用水量，相應也增加了養護廢水的抽排費用，不利于節約施工成本和環保。因此，本文依托金沙江白鶴灘泄洪洞工程，在借鑒花管常流水養護工藝的基礎上，從混凝土養護機理出發，研究一套更具數字化、智能化、簡單易操作同時更經濟的養護工藝顯得十分必要。

2 應用工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，上游為烏東德水電站，下游為溪洛渡水電站。樞紐工程主要由混凝土雙曲拱壩、二道壩及水墊塘、泄洪洞、引水發電系統等建筑物組成。混凝土雙曲拱壩壩頂高程834m，最大壩高289m；電站總裝機容量16000MW，左、右岸地下廠房各布置8臺單機容量1000MW的水輪發電機組。白鶴灘水電站是目前在建的世界第一大水電站，建成后僅次于三峽水電站位于世界第二。

泄洪洞共三條均布置在左岸，三條泄洪洞采用去彎取直“一”字行平行布置，采用挑坎挑流沖坑消能。單條洞室由進水塔、漸變段、上平段、龍落尾、挑流鼻坎組成，洞室最長2.3km，洞室群長6.7km。泄洪洞進口工作閘門下游接明流上平段，洞身斷面為城門洞形，上平段底坡為0.015，泄洪洞洞高考慮摻氣后的水深及通氣面積要求，斷面尺寸為15m×18m(寬×高)，直墻高14m，洞室底板及邊墻襯砌混凝土強度等級為C40，頂拱襯砌混凝土強度等級為C30，襯砌厚度有1m、1.2m、1.5m、2.5m四種。

白鶴灘壩址所在區域屬于亞熱帶季風氣候區，天氣晴朗干燥，且全年盛行大風，最大風速可達30.2m/s，這種氣候條件對大體積混凝土溫控帶來了極大的挑戰。

白鶴灘水電站泄洪洞具有洞室群長、斷面大、襯砌厚度厚、襯砌混凝土強度等級高、運行流速高(25m/s～47m/s)等特點，為了有效控制大體積襯砌混凝土溫度裂縫的產生，本工程全部采用低熱水泥作為膠凝材料，而低熱水泥混凝土早期強度低、強度增長慢，為了防止混凝土水化凝結過程中失水干裂，就必須在其強度增長過程中進行有效養護，養護齡期達到90d以上。

3 智能養護系統

3.1 養護系統組成

泄洪洞洞身邊墻混凝土自動養護控制系統由供水系統和電氣控制系統、環境數據采集系統組成。具體組成如圖1所示。

圖1 智能養護系統組成

供水系統包括：主供水管、次供水管、倉位供水支管、倉位養護花管、加壓泵，其中主供水管采用DN80的鋼管自供水點沿襯砌工作面架設，布置在洞室開挖底板上。次供水管及倉位養護支管采用直徑32mm的聚乙烯塑料管，管路沿著邊墻襯砌混凝土頂部鋪設，利用襯砌鋼筋進行固定，次供水管與倉位供水支管間采用快速三通接頭連接，同時在連接部位設置電磁閥進行水流開關的控制。養護花管同樣采用直徑32mm的聚乙烯塑料管布置在襯砌邊墻頂部外緣，為了形成均勻的水幕，在塑料管上間隔5cm進行開孔，孔徑2mm，梅花型布置，這樣即能進行邊墻垂直面和水平面的流水養護。

電氣控制系統包括：漏電保護開關、穩壓器、可編程脈沖控制儀、繼電器、接線端子，接線端子與倉位養護支管上的電磁閥相連。漏電保護開關及穩壓器主要是為了整個控制系統的安全可靠，脈沖控制儀用于設定電流脈沖持續時間和間隔時間，以相應的控制與之相連的各支路繼電器的通斷電，繼電器主要控制與之相連的電磁閥的電流開關，從而控制養護水流的開和關。

圖2 電氣控制系統組成

本系統所用電動脈沖控制儀以220V電源作為能源，輸出電動脈沖信號，與其配套使用的是電磁閥，適應性好、使用可靠和調節容易，并且可做遠距離控制。脈沖控制儀上的輸出指示二極管依次顯示每路驅動電壓的輸出狀態，使控制儀輸出狀態直觀清晰；數碼管顯示區顯示每個參數運行的計時時間和在參數設定時顯示參數設定值；脈沖控制儀器件采用集成電路提高了產品的穩定性和可靠性；外部采用掛式透明PC外殼，外形美觀，防塵性能好；接線位置、脈沖控制儀安裝孔位置設計合理，便于現場接線安裝使用；脈沖控制儀面板上設有數字顯示，能依次顯示電磁閥工作順序，可根據養護要求調整脈沖間隔、脈沖寬度、輸出路數和周期間隔，控制電磁閥的開啟和關閉，對混凝土定時灑水養護。

同時為更方便自由組合所控制電磁閥的個數，采用擴展輸出模塊，可隨意增加或減少控制數量。QYM-ZC-36A可編程脈沖控制儀的控制參數見表1。

表1 QYM-ZC-36A可編程脈沖控制儀的控制參數

序號參數名稱技術指標1額定輸入電壓240VAC-50Hz2額定輸出電壓DC24V3耗電≤8W4輸出脈沖間隔調節范圍1S～99S5輸出脈沖寬度調節范圍1S～9999S6脈沖周期范圍1min～255min7周期間隔調節范圍1S～9999S8控制電磁閥的個數1～369控制方式定時10使用環境工作溫度-20°C～+55°C;空氣的相對濕度不超過85%;無嚴重的腐蝕氣體和導電塵埃;無劇烈震動或沖擊。

3.2 養護系統工作原理

該系統的工作原理是通過風速測定儀、溫濕度感應探頭測定已澆筑混凝土表面的溫度、濕度、風速參數，并將測定數據反饋給電腦，經過電腦分析確定混凝土在特定時間內所需的噴水量和噴水持續時間兩個參數，通過調整脈沖控制儀電流脈沖持續和間隔時間來達到調整噴水時間的目的，通過調整主供水管與次供水管間的連接閥門來達到調整噴水水幕大小的目的。具體工作原理見圖3。

養護曲線見圖4。圖中橫軸為時間坐標，豎軸表示環境風速、溫度、濕度值，豎向柱體表示電磁閥的通電時間即養護水的噴灑時間，可以看出柱體寬度是一致的，這表示預設的單倉單次噴水時間是一致的，柱體與柱體之間的間隔時間表示未噴水的間隔時間，從圖中可以看出環境風速越大，溫度越高柱體分布越密集，表示噴水頻率越高，環境濕度越大噴水頻率越低。

圖3 養護系統工作原理

圖4 養護曲線

圖5 智能養護整體效果

4 結語

本套系統原理簡單，所用設備都很常見，系統建立投入成本低，但是其應用效果和產生的經濟效益是非常顯著的，目前該系統已經在白鶴灘泄洪洞工程中得到了廣泛應用，且澆筑的混凝土獲得了質量專家組專家的高度贊揚，經過分析總結表明，該系統具有以下三個方面的優勢:其一是該系統噴出的水幕均勻，能及時有效地完成混凝土保濕養護；其二是該系統可自動監測和記錄環境參數和養護數據，更能實現混凝土的科學養護；其三是該系統極大地節約了養護人工和登高設備的投入，同時也極大地節約了養護用水量和養護廢水的抽排量，根據實地量測，采用該系統相較于常流水養護可節約養護用水約70%。

白鶴灘泄洪洞在襯砌之前對洞室進出口以及施工支洞洞口進行了掛簾封閉，這就有效地避免了大風天氣對洞內環境的影響，使得洞室襯砌作業環境相對比較穩定，養護參數也比較固定，通過本工程的實踐，相對于作業環境更加復雜的室外大體積混凝土結構而言，該系統的應用前景是非常廣闊的，產生的經濟效益也會更加顯著。