智能自動化保濕養護技術在腰口泵站流道混凝土施工中的應用

(湖北大禹建設股份有限公司，湖北 武漢 430061)

1 工程概況

湖北省洪湖東分塊蓄滯洪區蓄洪工程新建腰口泵站，位于長江干堤485+090處，規模為110m3/s，裝機3×3600kW。泵站屬Ⅱ等工程，主泵房、安裝間、副廠房、穿堤涵管、防洪閘等主要建筑物級別為2級，次要建筑物及泵站配套建筑物級別為3級。出水流道設計為鋼筋混凝土結構，駝峰漸變型，總長25.5m，最大截面為7.7m×4.3m長方形門洞，最小截面為直徑3.25m圓形，屬空間曲面結構型式(見圖1)。流道混凝土等級為C25，摻20%粉煤灰，采用常態方式澆筑。由于混凝土摻粉煤灰，而且結構厚度小，流道混凝土質量要求高，設計及規范要求保濕養護28天。

圖1 洪湖腰口泵站流道結構 (單位：m)

大型泵站流道混凝土的養護至今仍然采用自然養護法，人工對混凝土面澆水或者噴淋灑水，其優點是簡單，普遍適用，能夠有效補充水分進行養護，直觀性強；但其科學性差，技術落后，理論方法支撐不足，混凝土質量保障差，不經濟，不能有效實現混凝土保濕養護目標。由于流道結構空間較小，承重模板支撐多、密度大，而且由于后期澆筑上部結構混凝土時在養護期內不能拆除模板及支撐，人員很難進入流道進行高質量養護，混凝土澆筑后保濕養護困難。在洪湖腰口泵站施工中對流道混凝土采用了智能自動化保濕養護，通過在混凝土中埋設監測儀器，采集混凝土養護表面的環境溫度、濕度、風速等數據，建立泵站流道混凝土保濕養護智能化數學模型、研制控制設備和技術方法，及時實現了流道混凝土保濕養護的智能化、自動化，保證了混凝土濕度，提高了養護質量。

2 智能自動化保濕養護系統的組成和工作原理

2.1 保濕養護智能自動控制系統組成

流道混凝土(內部)保濕養護智能自動化控制系統，包括智能自動控制系統、智能監控終端、水電供應系統、噴淋養護系統。其中自動化控制系統包括保濕養護自動控制開關、電磁閥，以及其連接電纜；噴淋養護系統是與電磁閥連接安裝在流道內部用于噴水進行養護的整體裝置；水電供應系統包括提供保濕養護自動控制開關電力的供電系統和連接于電磁閥前端提供養護用水的供水系統(見圖2)。

圖2 智能自動化保濕養護系統組成

2.2 智能自動控制保濕養護系統工作流程及原理

2.2.1 流道內部混凝土保濕養護的參數

?流道內部表層混凝土濕度98%；?混凝土保濕養護齡期28天；?養護水溫控制在10～15℃左右，冬季不低于10℃，秋季和春季不低于15℃，不宜高于20℃；?流道內部環境氣溫控制在10～15℃左右，冬季不低于10℃，秋季和春季按照不低于15℃控制，不宜高于20℃。

2.2.2 智能自動控制保濕養護系統工作流程

流道混凝土智能自動化保濕養護工作流程見圖3。

圖3 智能自動化保濕養護工作流程

2.2.3 智能控制器養護的控制過程

a.智能控制器與控制中心計算機通過網絡系統連接，經專門軟件設計智能控制器控制電磁閥，合上智能控制器電源開關，智能控制器打開電磁閥，開始噴水養護。

b.每隔5min，采集流道內部溫度、濕度，自動記錄流道內部溫度T、濕度Sk。

c.計算已經保濕噴水養護的齡期。記錄初次打開電磁閥噴水養護時間T0(年月日時分)、第i次打開電磁閥噴水養護時間Ti(年月日時分)。記錄累加計算累計養護時間Ty的方法。

d.計算后期允許不噴水養護時間(Tb=T98)

(1)

式中T98——混凝土與木模板接觸面澆筑后不噴水情況濕度降至98%的時間，h；

Sk——環境空氣濕度，%；

T——木模板澆筑混凝土流道內部環境空氣溫度，℃。

式(1)為智能化養護數學模型。

e.控制電磁閥開關，智能化保濕養護。Tb≤28-Ty，則打開電磁閥，再次噴水養護。

f.關閉電磁閥終止保濕養護。累計養護時間Ty不小于28天，則自動斷電關閉智能控制器，完成該流道內部混凝土智能化保濕養護。

流道混凝土智能自動控制系統組成和工作原理圖見圖4～圖5。

圖4 智能自動控制系統組成

圖5 流道混凝土智能自動保濕養護系統工作原理

3 流道混凝土保濕養護智能自動化應用

3.1 流道混凝土保濕養護智能自動化實施方案

湖北省洪湖腰口泵站流道為3流道整體結構，流道內部混凝土保濕養護采用自動化控制。保濕養護按進水口段、泵室鉛直段、出水口段3部分進行布置。其中泵室鉛直段，根據澆筑進度，下部與進水口段同批進行；上部與出水口段同批進行。

流道內部混凝土保濕養護智能化、自動化控制方案設計依據為：?流道結構特點：進水口和出水口為喇叭口(進水口兩個喇叭口合并為一個)，內部接近為直線，泵室鉛直；?內部環境特點：一是溫控防裂措施方案要求，二是流道內部溫度均勻控制要求，混凝土澆筑后洞口封閉保溫；?混凝土澆筑施工及其進度安排：流道按進水口段和出水口段(包括泵室鉛直段及其拐彎段)分層澆筑，進水口段在2017年11—12月澆筑，出水口段在2018年3—4月澆筑。

施工供水、供電系統采用工地施工供水、供電系統。流道內部混凝土保濕養護智能化、自動化實施，采取集中控制的方式，即智能化(智能控制器)、自動化(時控開關)控制設備集中安裝在智能控制箱內。

3.2 噴淋養護系統布置

3.2.1 噴淋養護的批次與分段

根據流道結構，在進水口段、泵室鉛直段及其拐彎段和出水口段布置噴淋養護系統。泵室鉛直下部及其拐彎段與進水口同次；泵室鉛直上部及其拐彎段與出水口段同次，見圖6～圖8。

圖6 流道混凝土(內部)保濕養護自動控制系統示意圖

圖7 流道內噴淋系統分段布置(智能化)

圖8 流道內噴淋系統分段布置(自動化)

3.2.2 噴淋養護系統布置

考慮流道呈曲線變化、內部模板支撐密集、施工人員穿行，以及施工方便和經濟性等因素，施工供水塔安裝在進水口右岸高地，流道保濕養護主管道采用φ50PVC管。流道內部近似圓形結構，噴淋系統主要保證噴水能夠覆蓋中部和頂部200°范圍，中下部160°范圍由中上部噴淋水下流自然覆蓋，按“三管”系統布置(見圖9)。3根噴淋水管分別布置在流道中上部的左、中、右的中心角-50°、0°、50°線上，各自承擔噴淋水覆蓋左、中、右70°范圍。

圖9 流道內噴淋“三管”系統布置

3.2.3 各段噴淋水管的布置

噴淋水管，全部采用φ25PVC管，通過在管壁鉆φ2孔向流道內壁噴水。進水、出口與泵室鉛直下部及其拐彎段，近似水平段(包括進水口的喇叭口、拐彎段)采用“三管”系統；泵室鉛直下部采用“三管”螺旋布置方式。

水平段“三管”系統噴水管的鉆孔分布見圖10，沿軸線方向在每個模板支撐的空格梅花形鉆3個孔，在-20°、0°、20°的線上鉆孔。“三管”系統安裝時，分別將左支的噴水孔對準頂部中心角-80°、-60°、-40°的線上；中支對準-20°、0°、20°的線上；右支對準40°、60°、80°的線上。

圖10 噴淋水管水平鉆孔系統布置

螺旋布置“三管”系統噴水管的鉆孔分布，每隔30cm鉆孔，長度環繞流道約一周半，鉆孔布置在該段噴淋水管的頂部，環形固定。

3.2.4 噴淋系統的安裝

噴淋系統在流道內部模板安裝完成時進行固定安裝。其布孔在固定安裝后鉆孔，可更好地保障鉆孔的布置與方位。各噴淋水管的鉆孔，限定在保濕養護的范圍。噴淋水管，均延伸至流道外，進水口段至上游，出水口段至下游。

3.2.5 各段噴淋水管與電磁閥的連接

智能控制養護1號流道，水平段采用兩套“三管”系統水平布置，在內部合并為1套“三管”系統，其中一根管道延長至豎直段成螺旋布置，6管共用1個電磁閥。電磁閥由智能控制器控制開、關。

自動化控制養護的2號、3號流道，錯開各支水管噴水，每個流道布置2套“三管”系統共6根水管，都單獨連接一個電磁閥。噴水管在流道內部的布置與智能控制養護流道相同，兩套“三管”系統水平布置，在內部合并為1套“三管”系統，其中一根管道延長至豎直段成螺旋布置。

3.3 智能自動控制系統布置

在進水口段和出水口段各布置1套智能控制器和溫濕度采集系統。溫濕度傳感器安裝在流道內部，安全固定在支撐與木模板結合部。溫濕度傳感器的電纜引出與智能控制器連接，智能控制器與電磁閥連接，智能自動控制系統嚴格按照《施工現場臨時用電安全技術規范》(JGJ 46—2005)要求布置與施工。

3.4 保濕養護自動化系統運行與管理

3.4.1 自動化控制系統的調試與運行

進水流道混凝土的智能自動化保濕養護裝置安裝全部在2017年12月9日完成。2017年12月10日，在澆筑混凝土時進行保濕養護系統調試。

a.進行保濕養護控制系統的全面檢查，?按照電路安全要求進行電路、電器設備的安全檢查，查看電線連接是否正確無誤、有無漏電等；?檢查水管、噴水管、噴頭布置與安裝是否正確無誤；?檢查溫濕度、風速傳感器布置與安裝是否正確無誤。

b.設置時控開關的循環控制方案、加壓泵控制方案，激活智能控制器(計算機)控制。初步設置噴水時間為2min。2017年12月10日上午10時30分合上電源開關，開始保濕養護調試。

c.進行保濕養護智能控制效果檢查，觀察洞內模板、進水喇叭口、井口是否全部足夠濕潤。結果顯示，部分位置有空白無水塊，增加了鉆孔。洞口(喇叭口)、井口的噴頭，由于水體含粉細砂，有淤堵，出水量小，不能噴濕全部混凝土面，因此在洞口(喇叭口)、井口布置了一圈噴管。

d.進行保濕養護智能控制系統整體性能與安全性檢查，智能控制器(計算機)、時控開關、電磁閥、加壓水泵都能夠按照事先設計運行，安全、有效。

e.流道混凝土澆筑完成第一層，于2017年12月10日上午合上電源開關，智能控制器和時控開關分別打開電磁閥，開始正常保濕養護。

3.4.2 流道內部環境溫濕度監測

智能控制器自動完成實時監測，每隔一段時間專門連接計算機進行檢測。

監測人員每天早6時、中午12時、下午18時，進行3個流道內部空氣溫度、濕度的觀測。

3.4.3 混凝土表層濕度監測

實時監測由智能控制器自動計算，每隔一段時間專門連接計算機進行自動計算。

在拆除模板時進行施工監測。拆除模板，空氣進入，混凝土面的濕度立即降低，因此首先松開模板進行混凝土表面濕度、溫度的檢測，并盡可能增加檢測部位。

4 實施效果

4.1 混凝土表面養護溫濕度及時間參數選定

a.根據水工混凝土養護手冊要求，混凝土表面濕度不小于95%，為提高保濕養護的效果，表面濕度要求不小于98%；養護期間混凝土的芯部與表層、表層與環境之間的溫差不宜超過20℃。

b.根據《粉煤灰混凝土應用技術規范》(GB/T 50146—2014)和《水工混凝土施工規范》(DL/T 5144—2001)，摻粉煤灰流道混凝土要求養護時間不宜少于28天。

4.2 混凝土表面保溫和智能自動化噴淋養護

a.在混凝土澆筑完成以后，出水流道進口、出口用保溫被封閉保溫。

b.混凝土澆筑完成以后，立即用保溫材料進行覆蓋，頂板面層采用1層塑料薄膜、1層土工布覆蓋包裹進行保濕、保溫養護，采用的保溫材料應保持干燥。對邊、棱角部位的保溫厚度應增大到面板厚度的2～3倍。

c.嚴格控制拆模時間，在混凝土內部溫度逐步降低，并與外部最低氣溫相差20℃以內，并且養護不少于14天時，才能拆除相應模板。

d.流道混凝土智能自動化噴淋養護。

洪湖東分塊蓄滯洪區蓄洪工程腰口泵站道流工程共澆筑混凝土4965m3，其中進水流道(高程10.98～16.75m)混凝土2084m3；出水流道(高程21.95～26.95m)混凝土2881m3。通過智能自動化保濕養護技術對湖北省洪湖腰口泵站流道混凝土進行保濕養護，取得了良好的效果，有效減少了混凝土表面因缺水而產生的干縮裂縫，充分保障了混凝土水化與強度增長，提高了流道混凝土施工質量。根據《水利水電工程單元工程施工質量驗收評定標準——混凝土工程》(SL 632—2012)驗收規程評定，3個流道工程共計6個單元工程，全部優良，優良率100%；外觀質量優良，外觀質量得分率95%，流道工程施工質量達到優良等級。

5 結 語

在混凝土澆筑完成之后，保證混凝土質量的關鍵措施就是混凝土的保濕養護與保溫。傳統的泵站流道混凝土保濕養護主要靠人工灑水，一般為施工人員自行控制，監理人員難以深入管理控制。在流道混凝土施工期，由于流道結構復雜，形狀不規則，且流道大多為大體積、變截面異型混凝土結構，以及受到模板支撐的影響，灑水工作面狹窄，人工灑水養護困難(特別是頂部)，導致灑水養護均勻性、可靠性差。此外，人工灑水還存在經驗判斷的問題，因此灑水不及時是經常發生的事。而采用智能自動化保濕養護技術徹底改變了這種傳統的人工養護方式，取得了很好的效果。

2016年汛后，湖北省委、省政府啟動“排澇能力提升”泵站工程，計劃建設14處大型排澇泵站，使外排能力提升一倍，列入了災后重建補短板5大工程之一。其中洪湖東分塊蓄滯洪區蓄洪工程腰口大型泵站于2017年先期開工建設，目前泵站工程已完工，流道混凝土工程施工質量達到優良等級，在2020年防洪排澇中發揮了極其重要的作用。由于近十多年湖北省未新建設大型泵站，通過對湖北省洪湖腰口泵站流道混凝土進行智能自動化保濕養護，從技術上提出(提供)了一整套可行的泵站流道混凝土保濕養護理論、方法與設備，保證了大型泵站流道混凝土施工質量和安全，為后續13座大型泵站流道施工保濕養護提供了示范并積累了寶貴的經驗，具有良好的借鑒和參考作用。