三河口碾壓混凝土拱壩通水冷卻施工工藝及效果研究

羅 暢 吳學謙 常耀孔

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710100)

隨著水利大壩工程施工技術的不斷提高，碾壓混凝土越來越多地被應用到工程中。在碾壓混凝土的施工階段，確保壩體按照設計要求高質量施工，是大壩長久安全運行的基本保證[1]。因此，在碾壓混凝土的施工過程中，研究大體積混凝土溫度控制和防裂措施具有十分重要的實踐意義。

碾壓混凝土拱壩在施工中通常采用通倉澆筑，壩塊長、基礎約束和新老混凝土約束強，應力控制困難，極易產生裂縫，施工期溫控防裂難度更大[2]。在目前的水利工程施工中，通水冷卻是進行混凝土施工溫度控制和防止裂縫產生的重要措施，通過控制冷卻水管中冷卻水的流動，將混凝土的熱量轉移走，可以有效降低由于混凝土水化熱而帶來的溫度應力，同時實現預防開裂的目的[3]。

通水冷卻的效果會受到冷卻水管布置方式、冷卻水溫、通水冷卻分期、冷卻時間間隔等多種因素影響[4]，因此，選擇合適的通水冷卻施工工藝，將有效保障通水冷卻施工的有效性，本文對引漢濟渭工程三河口水利樞紐通水冷卻施工工藝進行相關分析研究，并通過對引漢濟渭工程大壩混凝土智能溫控監控管理系統中壩體通水冷卻保溫子系統的相關數據進行分析研究，驗證了通水冷卻施工效果。

1 工程概況

三河口水利樞紐地處陜西省佛坪縣大河壩鄉上游約3.8km處的子午河峽谷下游段，作為引漢濟渭工程的兩個水源之一[5]，三河口水利樞紐水庫總庫容為7.1億m3，調節庫容6.5億m3。三河口水利樞紐拱壩壩頂高程為646m，壩頂上游弧長472.153m，分10個壩段施工。其中攔河大壩為1級建筑物，抽水電站建筑物級別為2級，泄水消能防沖建筑物級別為2級，樞紐其他次要建筑物級別均為3級，臨時建筑物級別為4級。工程大壩主體、消力塘及導流洞封堵等大體積混凝土總量約為109.8萬m3，其中碾壓混凝土約為90.68萬m3。建設過程中溫控難度大，要求高。

大壩地屬子午河流域，屬于北亞熱帶濕潤、半濕潤氣候區，四季分明，夏無酷熱，冬無嚴寒，春季升溫迅速、間有“倒春寒”現象，秋涼濕潤多連陰雨[6]。多年平均氣溫12.3℃，極端最高氣溫37.4℃，最低氣溫-16.4℃；多年平均降水量903mm，多年平均蒸發量1209mm，多年平均風速1.2m/s，風向多SSW，多年平均年最大風速9.1 m/s，最大風速12.3m/s，風向SSW，土層凍結期為11月到次年3月，最大凍土深度13cm。大壩區域逐月平均氣溫見表1。

表1 三河口水庫工程壩址各月多年平均氣溫

2 通水冷卻施工工藝

在進行通水冷卻時，大壩在壩后布置3臺冷水機組，通過供水干管進行冷卻通水。混凝土內部埋設蛇行(φ25)冷卻水管,每套長度不大于250m，上游防滲層局部加密至間距1m×1.5m，三級區冷卻水管間距為1.5m×1.5m；鋪設過程中，距上游面、橫縫、廊道、孔口等特殊部位2m。

在混凝土澆筑過程中開始連續通水，水管通水流量1.5～1.8m3/h，每24h更改一次通水方向，同時進行兩次測溫，當混凝土內部溫度穩定后，開始進行悶溫5～7天，結束初期通水，隨即進行中、后期通水冷卻。

通過壩體的冷卻水經過移動式冷水站換熱后循環使用，移動式冷水站具有循環使用功能，冷水從壩體回收率為90%。冷水供回水具有自動換向功能，通過水溫傳感器、水管流量控制裝置、水管流量測控裝置、自動換向閥門、智能壓力計等實現。

通水冷卻施工工藝流程如圖1所示。

圖1 通水冷卻施工工藝流程

2.1 初期通水冷卻施工工藝

為了降低澆筑層混凝土初期水化熱溫升，通過進行初期通水冷卻施工，可以確保混凝土的溫度一直位于允許的最高溫度之下，同時，還可以對壩體混凝土內外溫差進行控制，減小溫度應力。

a.在每一倉混凝土進行開倉澆注前，都必須對冷卻鐵管及上引鐵管的暢通性進行有效檢查并進行相關標注，確保冷卻鐵管等達到通水冷卻施工的要求。

b.當冷卻水管全部檢查并確保暢通后，及時按《陜西省引漢濟渭工程三河口水利樞紐碾壓混凝土施工溫度控制技術要求》所規定的參考流量及進水溫度進行調節，每24h對水流方向進行一次變換。

c.成立溫控班組專職對通水冷卻施工過程進行操控，由于不同季節下溫度、氣候等天氣條件均不相同，因此需要對各時段的冷卻通水流量進行分段調整，見表2。

表2 不同季節不同時段通水流量控制

d.需要對通水冷卻施工過程中典型壩段測溫儀器的監測數據進行實時分析，同時將監測數據與悶溫檢測數據對照分析，研究出通水冷卻初期施工中各時段的各類施工參數規律，為其他部位的施工提供參考。

2.2 中期通水冷卻施工工藝

中期通水冷卻的目標在于有效緩解初期冷卻悶溫結束后壩體混凝土內部溫度回升情況，保障后期冷卻開始時的溫度。

a.嚴格按照《陜西省引漢濟渭工程三河口水利樞紐碾壓混凝土施工溫度控制技術要求》進行相關施工，參考通水流量1.5～1.8m3/h，冷卻水管入口處水溫10±2℃。

b.中期通水為天然河水或冷卻水，采用間歇通水的方式進行中期通水循環冷卻施工。

2.3 后期通水冷卻施工工藝

為了控制壩體混凝土內部溫度達到設計要求的封拱灌漿溫度，從而進行接縫灌漿，需要進行后期通水冷卻施工。

a.在每一批次后期通水冷卻開始前，要對該批次全部的冷卻水管進行暢通性檢查，對可能出現的各類問題進行實時處理，并組織參建各方進行施工交底會，確認各方均知曉該批次后期通水施工的各項參數。

b.后冷區自下而上分批次進行冷卻，壩段內第一冷卻批次自下而上包括兩個冷卻區、一個冷卻過渡區、一個蓋重區。第二冷卻批次自下而上應包括一個冷卻保溫區、一個冷卻區、一個冷卻過渡區、一個蓋重區。

c.后期通水冷卻一般候冷通水歷時為30天，根據進水溫度隨時調整流量控制。

3 混凝土通水冷卻溫度控制指標

3.1 設計容許最高溫度

混凝土容許最高溫度控制性指標見表3～表4。

表3 壩體碾壓混凝土容許最高溫度

表4 壩體常態混凝土容許最高溫度

3.2 壩體通水冷卻要求

初期冷卻：5—9月要求采用10℃的人工制冷水初期冷卻，10月—翌年4月采用天然河水進行初期冷卻，通水時間為不少于20天，要求每24h變換一次通水方向，通水流量為1.2～1.8m3/h，控制每天降溫速率不大于1.0℃/d。

中期冷卻：中期冷卻采用天然河水或制冷水，通水溫度為14℃，通水時間不少于15～30天，每24h變換一次通水方向，使混凝土塊體均勻冷卻，通水流量為1.2～1.5m3/h，使混凝土內部溫度冷卻至20℃。

后期冷卻一般在中期冷卻后接縫灌漿前30天進行，通水水溫不高于8℃，每24h變換一次通水方向，使壩體均勻冷卻，通水流量控制在20～25L/min，控制每天降溫速率不大于0.5℃/d。

4 通水冷卻施工成果及分析

4.1 冷卻通水平臺與設備布置

根據施工現場情況，為滿足大壩后續冷卻通水需要，在大壩下游側壩后坡514m、533m、546.5m、565m、602m、646m高程布置鋼結構操作平臺，相鄰兩層平臺在分縫位置安裝交通爬梯，用于連接上下平臺，平臺隨大壩澆筑同步施工。

本工程冷水機組選用ACW3840冷水機組，可向上下80m范圍供水，單臺冷水機組生產冷水量為170m3/h，根據大壩施工計劃，冷水機組共分三期布置，一期在大壩消力塘514.0m高程底板布置1臺ACW3840冷水機組，主要為大壩504.8～553.0m高程供冷卻水；二期在壩后左岸546.5m高程馬道布置2臺ACW3840冷水機組，主要為大壩553.0～602m高程供冷卻水，三期在大壩左岸646m高程平臺(左、右岸壩頂平臺)布置各1臺ACW3840冷水機組，主要為大壩602m高程以上供冷卻水。

壩后供水主、支管均采用焊接鋼管，主管采用DN200鋼管由原有供水系統管道接入冷水機組，由冷水機組冷卻后經由供水主管DN200供給每層冷卻操作平臺(主冷卻水管沿壩后坡布置，每層冷卻操作平臺支管與主管對應連接)。在冷卻平臺設置供水包。供水管管路適當位置設控制閥，以控制水流方向。裸露的主冷卻水主管和儲水罐包裹1～2cm厚隔熱保溫材料。

大壩混凝土通水冷卻出水選用移動式冷水站進行循環利用，該冷水站采用保溫集裝箱作為冷水站的裝載外箱，整體運輸和移動。移動式冷水站均采用國內先進的螺桿制冷壓縮機組，能效比COP值超過6.0，采用滑閥式卸載裝置，能在100%～10%負荷范圍內無級調節。移動式制冷機組控制系統以工業級可編程序控制器PLC為核心，實現自動化控制，最大限度地發揮了集裝式制冷水站的優勢。

4.2 典型壩段溫度計布置

為全面掌握施工期壩體碾壓混凝土溫升規律，檢驗溫控措施，進一步指導溫控工作開展，全面了解施工期壩體溫度應力分布狀態，在壩體監測斷面按不同高程梯級網格布置溫度計，在5個主監測斷面的527m、545m、560m、574m、586m、598m、610m、628m、634m、637m、640m、643m、645m高程布置了溫度計。溫度計直接安裝在新碾壓混凝土表面，電纜敷設采用鋼管保護，溫度計現場施工埋設如圖2所示。在此，選取壩體典型斷面溫度作為監測溫度數據進行分析。

圖2 溫度計埋設施工

4.3 施工成果分析

為了驗證通水冷卻施工效果，本節選取大壩574m高程的Ⅱ斷面、Ⅳ斷面和Ⅴ斷面的實測溫度進行分析。每個斷面均埋設4支溫度計，溫度監測布置如圖3所示，壩體574m高程溫度計最高溫度統計見表5。

圖3 574m高程監測斷面監測儀器布置

表5 壩體574m高程溫度計最高溫度統計

每個斷面中各溫度計溫度過程線如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 574m高程Ⅱ斷面溫度計溫度過程線

圖5 574m高程Ⅳ斷面溫度計溫度過程線

圖6 574m高程Ⅴ斷面溫度計溫度過程線

574m高程溫度計于2018年6月安裝，通過數據分析可見，各溫度計監測溫度逐漸升高，在第5～15天左右時，達到最高溫度。此時進行初期通水冷卻施工，壩體的溫度開始逐漸回落，最高溫度出現在T2-3、T2-4、T4-21測點，分別為35.4℃、34.8℃、36℃，基本小于或等于設計值，其余測點低于容許最高溫度。從分布規律來看，574m高程各斷面靠近上游側的溫度計最高溫度較高。這是因為雖然高溫季節澆筑時，靠近上、下游部位受外界氣溫和太陽輻射熱影響都較大，但上游由于二級配碾壓混凝土的水化熱溫升較高，因此溫度較高。

混凝土最高溫度整體控制情況較好，表面溫度計初期主要受到混凝土水化熱影響，溫度上升，在混凝土到達最高溫度后，隨著冷卻通水的進行，壩體溫度逐漸降低，全過程各測點溫度均低于容許最高溫度。通過對日降溫速率進行分析可知，除了T4-22測點在初冷期間存在個別天數日降溫速率超過1℃的情況，其余測點日降溫速率均低于1℃，滿足設計要求，證明該倉混凝土溫控措施較好。

5 結 論

本文針對碾壓混凝土拱壩施工期溫控防裂難度大的問題，驗證了通水冷卻溫控施工的冷卻水管布置方式、冷卻水溫、通水冷卻分期、冷卻時間間隔等施工工藝及相關參數。通過在壩體預埋溫度計測量施工過程的壩體溫度，將實際溫度與混凝土通水冷卻溫度控制指標對比，驗證了通水冷卻施工的成果與有效性。

選取大壩574m高程的Ⅱ斷面、Ⅳ斷面和Ⅴ斷面的溫度實測情況進行研究，結果證實隨著冷卻通水的進行，壩體溫度會逐漸降低，全程溫度與降溫速率均滿足相關溫控要求，通水冷卻溫控施工效果良好。

本文探索了碾壓混凝土拱壩通水冷卻溫控施工工作措施，并通過實際數據對比驗證了施工的有效性，為碾壓混凝土施工溫控提供了依據，本文的施工成功經驗，也為后續國內外類似碾壓混凝土工程施工應用提供了一定理論支撐與實驗依據。