特高拱壩混凝土后冷溫控措施費用分析與研究

朱明潤，李珊珊，張 哲

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 611130； 2.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610065)

0 前 言

大體積混凝土澆筑后水泥產生水化熱，溫度迅速上升，自然散熱極其緩慢。為了防止混凝土出現裂縫，必須嚴格控制壩體內的混凝土最高溫升。控制混凝土最高溫升的方法之一就是通冷卻水等后冷溫控措施來降低混凝土水化熱溫度。國內水電行業大體積混凝土后冷溫控費用計算沒有明確的編規、定額作為計算依據，如何準確分析后冷溫控費用是目前水電工程造價面臨的重大技術難題。本文根據某特高拱壩溫控設計方案，對混凝土后冷溫控措施費用進行分解，并對關鍵性的混凝土后冷通水冷卻費用進行分析計算，形成混凝土后冷溫控單價計算成果，旨在為國內水電行業大體積混凝土后冷溫控費用計算提供參考。

1 澆筑溫度要求及后冷系統配置

某特高拱壩工程壩頂高1 885.0 m，壩高305 m，壩頂厚度16 m，壩底厚度63 m，厚高比0.207，頂拱中心弧長552.43 m，壩體混凝土方量476.47萬m3。壩身孔口等建筑物對混凝土強度的要求，設計采用三種強度級別的混凝土分區，即A區為C18040、B區為C18035、C區為C18030，采用骨料預冷加通水冷卻的方式進行澆筑期間拱壩混凝土溫度控制。

1.1 混凝土出機口溫度

(1)混凝土出機口溫度按不低于5℃、不超過7℃控制，當外界氣溫低于10℃時，混凝土出機口溫度按7～9℃控制。出機口溫度低于5℃的混凝土應作為廢料處理。

(2)要求對混凝土骨料采用一、二次風冷等措施進行預冷，并采取加片冰、加制冷水拌和等措施以降低混凝土出機口溫度，拌合樓骨料一次風冷和二次風冷應從嚴控制。

(3)根據骨料的實際含水量變化情況應及時調整混凝土用水量和加冰量，確保混凝土出機口溫度及坍落度滿足要求。

(4)出機口溫度合格率要求大于95%。

1.2 混凝土入倉溫度

(1)加強施工管理，盡量縮短運輸時間，減少轉運次數。

(2)要求混凝土運輸車車廂設置隔熱、防曬、防雨設備，當外界氣溫高于23℃時，還應在裝料前對車廂外側進行必要的灑水降溫，以降低車廂內的溫度。

1.3 混凝土澆筑溫度

(1)要求控制混凝土從出機口至上坯層混凝土覆蓋前的溫度回升值不超過4℃，澆筑溫度按不超過11℃控制，確保混凝土最高溫度滿足設計要求。

(2)任何部位的混凝土澆筑溫度在任何季節不能低于7℃。

(3)卸入倉面的混凝土應及時振搗。盡量避免高溫時段澆筑混凝土，應充分利用低溫季節和早晚及夜間氣溫低的時段澆筑。

(4)當澆筑倉內氣溫高于23℃時，應進行倉面噴霧，以降低倉面環境溫度。噴霧時水分不應過量，要求霧滴直徑達到40～80 μm，以防止混凝土表面出現積水。開始噴霧時的倉內氣溫根據現場試驗總結確定。

(5)澆筑溫度合格率要求大于90%，且超標值不高于2.0℃。

1.4 澆筑層厚及澆筑間歇期控制

(1)大壩混凝土的澆筑應保證足夠的入倉強度，坯層覆蓋時間要求小于4 h。

(2)大壩混凝土的澆筑，應采用平鋪法施工。應按一定厚度、次序、方向，分層進行，且澆筑層面平整。混凝土澆筑坯層厚不超過50 cm。

(3)河床壩段底部0.4L(L為澆筑塊長邊的最大長度)高度范圍內澆筑層厚度采用1.5 m，其余部位混凝土澆筑層厚一般采用3 m。

(4)澆筑層厚度由1.5 m調整為3.0 m應報監理批準。

(5)在廊道部位，體型突變部位及其它結構尺寸變化的部位，澆筑層厚度調整應報監理批準。

(6)澆筑層厚度超過3.0 m，應通過現場試驗及相應的分析論證后確認。

(7)混凝土澆筑應連續均勻上升，混凝土最小澆筑間歇期為5 d，最大澆筑間歇期不超過14 d。

以A水電站為例，為了防止混凝土出現裂縫，必須嚴格控制壩體內的混凝土最高溫升，采用澆筑過程中通水冷卻的方式降低混凝土水化熱溫度。在大壩布置6臺YWL250-8J型、1臺YWG150-8 g型移動式冷水站，額定供冷水流量分別為360 m3/h、240 m3/h。冷卻水最低水溫可達到6℃，滿足大壩接縫灌漿溫度要求。具體后冷設備參數見表1。

表1 后冷設備參數

2 供水冷卻系統

2.1 冷卻水管管材

(1)混凝土冷卻水管(混凝土內預埋的通水冷卻用水管，包括主管和支管)采用高密度聚乙烯HDPE管和焊接鋼管，一般情況下采用HDPE管。

(2)冷卻水管采用HDPE管，主管規格為內徑32.60 mm，壁厚3.70 mm，外徑40.00 mm；支管規格為內徑28.00 mm，壁厚2.00 mm，外徑32.00 mm。HDPE管導熱系數大于1.6 kJ/(m·h·℃)。

2.2 冷卻水管布置

冷卻水管垂直間距為1.5 m，水平間距為1.0 m和1.5 m，表2所示高程以下水管布置間距為1.0 m×1.5 m，其上水管布置間距為1.5 m×1.5 m。

表2 大壩冷卻水管布置

2.3 供水系統

為適應通水溫度變化的要求，應設兩套冷卻供水系統，一套冷卻水溫為9～12℃，另一套水溫為14～16℃。

3 通水冷卻標準及目標

3.1 一期通水冷卻標準及目標

一期冷卻控制混凝土的最高溫度不超過Tm，一期冷卻結束的目標溫度為Tc1，且必須嚴格控制一期冷卻的降溫幅度不超過6℃。

(2)一期冷卻通水水溫14～16℃。

(3)混凝土平倉振搗完成即開始一期通水冷卻，混凝土溫度達到一期冷卻目標溫度Tc1則一期冷卻結束。對水管布置間距為1.0 m×1.5 m的混凝土，一期冷卻時間不宜小于21 d；對水管布置間距為1.5 m×1.5 m的混凝土，一期冷卻時間不宜小于28 d。

3.2 中期通水冷卻標準及目標

一期冷卻結束后可根據實測混凝土內部溫度情況開始中期冷卻，混凝土溫度達到中期冷卻目標溫度Tc2、二期冷卻開始時，中期冷卻結束。中期冷卻降溫歷時不小于28 d。

中期冷卻通水水溫采用14℃～16℃。

為避免中期冷卻階段降溫速率過快及降溫幅度過大，中期冷卻階段只使用一半冷卻水管通水冷卻，關閉另一半冷卻水管，中期冷卻通水冷卻的水管層距應為3.0 m。

3.3 二期通水冷卻標準及目標

混凝土溫度達到中期冷卻目標溫度Tc2且混凝土齡期不小于50 d，根據溫度梯度控制要求和接縫灌漿進度計劃開始二期冷卻，到接縫灌漿開始時完成二期冷卻。

二期冷卻水溫為9℃～12℃，二期通水溫度與混凝土溫度之差應控制在10℃以內。

為避免二期冷卻階段降溫速率過快，二期冷卻階段只使用一半冷卻水管通水冷卻，關閉另一半冷卻水管，二期冷卻通水冷卻的水管層距為3.0 m。

大壩混凝土各階段降溫幅度及目標溫度如表3所示。

表3 大壩混凝土各階段降溫控制表

4 后冷溫控措施費用分析思路與方法

后冷一期、后冷中期、后冷二期通水溫控措施費用分別按照計算制冷水機組流量比例分析、冷卻機組制冷水量單價計算、確定單位混凝土通冷水量、每方混凝土通水冷卻單價計算四個步驟，確定后冷一期、后冷中期、后冷二期通水溫控措施費用。以后冷一期為例，闡述具體計算方法。

(1)制冷水機組流量比例分析： 后冷一期6臺YWL250-8J型、1臺YWG150-8g型移動式冷水站，額定供冷水流量分別為360 m3/h、240 m3/h。合計總流量為360×6+240×1=2 400 m3/h。

即每小時制冷水設備流量比例為：YWL250-8J型90%，YWG150-8g型10%。

(2)冷卻機組制冷水量單價計算：根據YWL250-8J型、YWG150-8g型移動式冷水站每小時運行消耗的人工、材料、機械及其他費用計算此兩種設備生產每立方米冷水單價。

(3)確定單位混凝土通冷水量：A水電站每立方混凝土需要通冷水量5.3 m3。

(4)計算每方混凝土通水冷卻單價：YWL250-8J型制冷水機組流量比例×YWL250-8J型冷卻機組制冷水量單價×單位混凝土通冷水量+ YWG150-8g型制冷水機組流量比例×YWG150-8g型冷卻機組制冷水量單價×單位混凝土通冷水量。

5 后冷溫控措施費用分析計算

5.1 后冷一期通水溫控措施費用計算

5.1.1 制冷水機組流量比例分析

6臺YWL250-8J型、1臺YWG150-8g型移動式冷水站，額定供冷水流量為2 400 m3/h。YWL250-8J型每小時制冷水設備流量比例為90%。

5.1.2 一期冷卻機組制冷水量單價計算

根據YWL250-8J型移動式冷水站每小時運行消耗的人工、材料、機械及其他費用計算此兩種設備生產每立方米冷水單價(見表4)。

表4 YWL250-8J型制冷機組混凝土拱壩后期冷卻(15℃)一期溫控措施單價分析

5.1.3 后冷中期目標溫度及單位混凝土通水量

A水電站特高拱壩混凝土澆筑量為577.71萬m3，一期均通制冷水；單位混凝土通水量為5.30 m3(冷水)/ m3混凝土。混凝土目標溫度21～23℃。

5.1.4 每方混凝土后冷一期通冷水(15℃)單價計算

YWL250-8J(360 m3/h)移動式冷水站冷水產量為360 m3/h，折合(1.62元/m3)；

YWG150-8g(240 m3/h)移動式冷水站冷水產量為240 m3/h，折合(1.69元/m3)；單位混凝土攤入水冷費用5.30 m3冷水/m3混凝土×(1.62元/m3冷水×90.00%+1.69元/m3×10.00%) = 8.62元/m3混凝土。

5.2 后冷中期通水溫控措施費用計算

5.2.1 制冷水機組流量比例分析

6臺YWL250-8J型、1臺YWG150-8g型移動式冷水站，額定供冷水流量為2 400 m3/h。YWL250-8J型每小時制冷水設備流量比例為90%。

5.2.2 中期冷卻機組制冷水量單價計算

根據YWL250-8J型移動式冷水站每小時運行消耗的人工、材料、機械及其他費用計算此兩種設備生產每立方米冷水單價(見表5)。

表5 YWL250-8J型制冷機組混凝土拱壩后期冷卻(15℃)中期溫控措施單價分析

5.2.3 后冷中期目標溫度及單位混凝土通水量

A水電站特高拱壩混凝土澆筑量為577.71萬m3，中期均通制冷水；單位混凝土通水量為5.30 m3冷水/m3混凝土。混凝土目標溫度17～18℃。

5.2.4 每方混凝土后冷中期通冷水(15℃)單價計算

YWL250-8J(360 m3/h)移動式冷水站冷水產量為360 m3/h，折合1.61元/m3；YWG150-8g(240 m3/h)移動式冷水站冷水產量為240 m3/h，折合1.69元/m3；單位混凝土攤入水冷費用5.30 m3冷水/m3混凝土×(1.61元/ m3冷水×90.00%+1.69元/m3冷水×10.00%)=8.58元/m3混凝土。

5.3 后冷二期通水溫控措施費用計算

5.3.1 制冷水機組流量比例分析

6臺YWL250-8J型、1臺YWG150-8g型移動式冷水站，額定供冷水流量為2 400 m3/h。YWL250-8J型每小時制冷水設備流量比例為90%。

5.3.2 二期冷卻機組制冷水量單價計算

根據YWL250-8J型移動式冷水站每小時運行消耗的人工、材料、機械及其他費用計算此兩種設備生產每立方米冷水單價(見表6)。

表6 YWL250-8J型制冷機組混凝土拱壩后期冷卻(12℃)二期溫控措施單價分析

5.3.3 后冷二期目標溫度及單位混凝土通水量

A水電站特高拱壩混凝土澆筑量為577.71萬m3，二期均通制冷水；單位混凝土通水量為5.30 m3冷水/m3混凝土。混凝土目標溫度12～15℃。

5.3.4 每方混凝土后冷二期通冷水(15℃)單價計算

YWL250-8J(360 m3/h)移動式冷水站冷水產量為360 m3/h，折合1.68元/m3；YWG150-8g(240 m3/h)移動式冷水站冷水產量為240 m3/h，折合1.99元/m3；單位混凝土攤入水冷費用5.30 m3冷水/m3混凝土×(1.68元/ m3冷水×90.00%+1.99元/m3冷水×10.00%) = 9.07元/m3混凝土。

5.4 后冷通水費用匯總

混凝土后冷溫控措施單價成果匯總如表7所示。

表7 混凝土后冷溫控措施單價成果

6 結 語

水電行業缺乏后冷措施費用編規、定額依據，后冷工藝的復雜性、各地區溫度差異等因素造成后冷溫控費用缺乏統一的衡量標準和尺度，如何準確分析后冷溫控費用是目前水電工程設計面臨的重大技術難題。本文通過對工程常采用的后冷費用加以分析，旨在為行業后冷混凝土溫控費用相應預算定額和概算定額編制或修訂提供參考。