碾壓混凝土壩倉內溫度控制及智能冷卻技術

李清偉

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 工程概況

黃藏寺水利樞紐工程規模為Ⅱ等大（2）型，壩體為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程2 631 m，河床壩段最低建基面高程2 508 m，壩頂長度210 m，分為9個壩段，1～3號為左岸擋水壩段（28+25+25=78 m）、4號為溢流壩段（21 m）、5號為泄流底孔及小機組發電引水壩段（27 m）、6號為大機組發電引水壩段（23 m）、7～9號為右岸擋水壩段（20+20+21=61 m）。

工程區位于青藏高原東北側的祁連山腹地，為高原高寒半干旱氣候，多年平均氣溫0.7 ℃，12月平均氣溫為-12.2 ℃，極端最低氣溫可達-30 ℃，且冬季漫長，一般從10月持續到次年5月；夏季晝夜溫差大，7月平均氣溫為10.7 ℃，極端最高氣溫可達30 ℃。

2 溫度控制標準

2.1 基礎容許溫差

（1）黃藏寺大壩碾壓混凝土基礎容許溫差：強約束區及弱約束區均為15 ℃。

（2）黃藏寺大壩常態混凝土基礎容許溫差：強約束區為18 ℃；弱約束區為20 ℃。

2.2 上下層溫差

越冬層面上下層溫差控制為12 ℃；普通層面上下層溫差控制為15 ℃。

2.3 內外層溫差

基巖強約束、水溫變動區和越冬層的內外層溫差不大于15 ℃；弱約束區內外層溫差不大于16 ℃；自由區內外層溫差不大于18 ℃。

2.4 容許最高溫度

碾壓混凝土容許最高溫度如表1所示[1]。

表1 碾壓混凝土容許最高溫度 單位：℃

2.5 混凝土澆筑溫度

黃藏寺大壩工程冬期（11月至次年3月）停工。低溫季節澆筑溫度不低于7 ℃，高溫季節澆筑溫度不高于16 ℃。

2.6 相鄰壩段高差控制

碾壓混凝土施工時采用大倉面、薄層、連續均衡上升的方式。受大壩結構限制、混凝土供應能力不足、施工資源配備不足等特殊情況，在影響分倉澆筑時，相鄰壩段最大高差應控制在12 m以內，整個大壩最大高差應小于30 m。

3 碾壓混凝土倉內溫度控制措施

3.1 合理控制澆筑層厚及間歇期

強約束區基礎常態混凝土澆筑層厚應控制在1.5 m以內。間歇時間不小于7 d。碾壓混凝土澆筑層厚3.0～4.5 m，熱升層層面間隔時間按4～6 h控制。連續澆筑期間應嚴格控制混凝土層間歇期，盡量實現薄層連續施工。除冬休期外，層間歇期一般控制在3～10 d，最大層間歇不宜超過28 d。

3.2 高溫季節倉內施工溫控措施

（1）采取綜合溫控措施降低入倉溫度和澆筑溫度。

①利用4月～6月、9月～10月低溫季節的有利時段澆筑混凝土，充分發揮碾壓混凝土大倉面連續快速澆筑的特點，能澆盡澆、多澆、快澆；高溫季節盡量安排在16：00～次日11：00低溫時段澆筑，減少運輸及澆筑過程中的溫度回升。

②優化混凝土運輸方案，加快混凝土入倉速度，盡量采用汽車直接入倉。當采用皮帶機或滿管溜槽時，盡量減少混凝土中間倒運次數，減少混凝土溫度回升系數。

③加強現場組織管理，充分利用科技手段，采用車輛管理系統對車輛實時跟蹤。根據拌和系統生產情況、路況、倉面進度情況進行動態調控，確保混凝土及時入倉，降低混凝土倉面等待時長及運輸車輛的等待時間。

④充分利用遮陽隔熱設施，減少太陽輻射及環境溫度倒灌。運輸混凝土用自卸汽車加設防風、防雨、遮陽棚，運輸過程中全程覆蓋密閉；車廂箱體立面加設2.5 cm厚橡塑海綿板；水平運輸皮帶機加設遮陽保溫棚；滿管溜槽包裹2.5 cm厚橡塑海綿，減少太陽輻射，保溫隔熱。

⑤合理規劃倉號，提高施工速度，及時覆蓋，減少倉面暴露時間。碾壓混凝土通過水平及垂直運輸設備進入倉號后，加強倉內施工組織管理，充分發揮碾壓混凝土連續快速施工的特點，混凝土從出機到碾壓完畢應控制在2 h以內，層間間隔時間應控制在4～6 h 之內，盡量減少太陽輻射及環境溫度倒灌。

⑥倉面小氣候營造。高溫時段澆筑時，應利用固定式噴霧機、高空懸掛噴霧網、手持式移動噴霧槍等設備進行倉面噴霧降溫保濕，形成有利于碾壓混凝土澆筑的小環境，減少溫度倒灌和VC值損失。噴霧時應根據現場小氣候數據監測儀數據，動態調整噴霧設備風量和水量，霧滴直徑應達到毫米級“細霧”，能夠長時間漂浮在倉面上空，既能有效降低太陽輻射及局部環境溫度，又不至于形成“雨滴”致使混凝土表面出現明水改變VC值[2]。

（2）冷卻水管鋪設。

黃藏寺大壩冷卻水管埋設部位包括壩體基礎約束部位、新老混凝土約束區、接觸灌漿部位、高溫時段澆筑的混凝土及其他需要采取通水降溫措施的混凝土。

大壩混凝土蓋重固結灌漿部位，冷卻水管采用內徑28 mm、外徑32 mm的鋼管，其他部位冷卻水管采用外徑32 mm的HDPE塑料水管。冷卻水管垂直橫縫縱向布置，蛇形鋪設，水平間距1.5 m，垂直間距1.5 m，單根長度不超過300 m。接頭主要采用熱熔連接，為防止水管移位，用U型錨筋固定。距上、下游壩面的距離為0.8～1.5 m，局部不應小于0.5～1 m；距橫縫面的距離大于0.8 m；距廊道、孔口、電梯井等內壁面的距離大于0.5 m。

3.3 冬期施工低溫時段倉內施工溫控措施

黃藏寺大壩位于西北高原高寒區，每年10月下旬～11月上旬晝夜溫差較大，夜間時常出現負溫，冬季施工期間每層碾壓完成后，需要及時采用保溫被或橡塑海綿進行臨時覆蓋保溫。同時，上下游需要永久保溫及時跟進，減少不同時段施工壩體內外溫差。

3.4 越冬部位溫控措施

（1）大壩頂部水平越冬面保溫層由下至上為：1層塑料薄膜（厚0.6 mm）+9層2.5 cm厚橡塑海綿+1層三防布，保溫層壓蓋采用5 cm厚馬道板（或鋼管）或沙袋，按照3 m×3 m的網格連續壓蓋，同時，越冬上、下游和側面用沙袋設置防風墻，墻高0.8 m。

（2）大壩上游永久外露面按照永久保溫防滲方案施工，增加2 mm厚的手刮聚脲涂層后，在聚脲涂層上噴涂80 mm硬泡聚氨酯。

（3）大壩下游永久外露面按照永久保溫方案噴涂80 mm硬泡聚氨酯進行保溫。

（4）大壩上下游臨時外露面直接噴涂80 mm聚氨酯作為臨時越冬保溫防護，無須進行基礎面處理，在進行永久防滲保溫施工前對其進行拆除。

（5）廊道口、泄流底孔進出口、引水發電進水口等孔口采用腳手架懸掛一層保溫被及一層三防帆布制作的保溫簾進行封堵保溫。

4 智能冷卻通水溫控技術

4.1 智能冷卻通水的意義

為保證混凝土及冷卻水溫度數據的真實性、水管流量的準確性及溫控過程的實時監控和自動干預，結合黃藏寺碾壓混凝土壩的特點及大體積混凝土防裂要求，運用大壩施工期溫控防裂智能監控系統，實現溫控信息實時自動采集、海量溫控數據實時傳輸、信息管理與溫控效果實時評價、開裂風險實時預警、智能保溫決策支持、溫控防裂智能控制、溫控信息智能發布與干預等，達到防止危險裂縫發生的目的。

4.2 智能冷卻通水溫控系統的組成

智能溫控系統主要由智能通水分控站、水管流量測控裝置、溫度信息實時采集系統、數據傳輸網絡及監控設備等組成。智能溫控系統組成及原理如圖1、圖2所示。

圖1 智能溫控系統組成

圖2 智能溫控原理

4.3 智能冷卻通水溫控系統模塊及功能

（1）溫控信息實時自動采集。

平臺能夠為各種關鍵溫控要素提供實時、全面、準確的數據信息。溫控要素包括拌和站出機口、入倉、澆筑、小環境溫度及壩體內溫升過程、溫度梯度、通水冷卻進水水溫、出水水溫、通水流量等。其中，出機口、入倉、澆筑溫度可使用手持式設備通過半自動方式采集。壩體內溫升過程、溫度梯度、通水流量、水溫、太陽輻射、氣溫、濕度、風速等可通過自動監測儀器獲取。

（2）信息管理與溫控效果實時評價。

平臺的主要功能是為大壩混凝土溫控施工提供實時評估，建立溫控實時評估模型，完成溫控施工信息的實時評估，通過圖形和表格的方式對溫控信息進行統計、評價和分析。溫控要素的評價內容主要包括氣溫信息、機口入倉澆筑溫度、最高溫度、通水信息、養護保護信息、降溫速率、氣象信息等十多種重要的圖形和表格。

（3）開裂風險實時預警。

運用無線傳輸技術、網絡與數據庫技術、信息挖掘技術，根據數據庫中的預警準則進行預警，發布給參建各方。預警信息主要包括外部環境溫度、拌和站出機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、壩體內溫度峰值、降溫速率、通水流量、通水水溫等預警。

（4）智能保溫決策支持軟件。

運用天氣預報、網絡與數據庫技術和數值仿真技術，進行混凝土應力快速仿真計算，對需要保溫的部位或時間段進行智能發布提醒。根據實測溫度，包括保溫材料內外的溫度，推求混凝土溫度梯度，進而推求混凝土表面保溫系數和設計混凝土表面保溫系數對比，得出保溫效果，評判混凝土表面保溫效果。

（5）智能通水。

智能通水冷卻的總體流程是根據給定的理想溫度過程、實時監測溫度、氣象和通水冷卻信息，評估下一時刻的通水冷卻指令，按照指令由自動控制設備完成自動通水冷卻。

（6）智能小環境。

倉面小環境采集系統可以實現倉面氣候（溫度、濕度、太陽輻射熱等）的自動采集。

（7）溫控信息智能發布與干預。

通過電腦網絡方式實現對施工要素的智能控制及干預；通過面向對象的人機互動方式對預警信息進行實時查詢及處理，對施工要素（通水流量等）等進行調節，對現場進行實時干預。

4.4 分期通水

（1）一期通水：根據智能通水反饋數據實行個性化通水，冷卻水水溫控制在5～13 ℃，混凝土最高溫度出現前，通水流量不小于2 m3/h；混凝土最高溫度出現后，一期通水溫度與混凝土最高溫度之差控制在20 ℃以內，通水流量1.2～1.5 m3/h，使混凝土的最高溫度不超過允許的最高值。一期冷卻從混凝土下料澆筑開始時，即可通制冷水或者河水。一期冷卻時間應控制在15～21 d。冷卻水方向24 h調換一次。

（2）二期通水：一期通水結束后，混凝土溫度未降至15 ℃，越冬前需要進行二期通水冷卻，將混凝土內部溫度降至15 ℃，冷卻水水溫控制在5～13 ℃。

（3）降溫速度：冷卻通水時壩體混凝土溫度與冷卻水之間的溫差一期不超過20 ℃，二期不超過15 ℃，二期通水冷卻時，壩體降溫速度每天不得大于0.7 ℃，月降溫控制在5～10 ℃。

5 溫度測量

（1）碾壓混凝土溫度測量，澆筑過程溫度按照壩段每100 m2選取3個測點，每澆筑層、每壩段不少于3個測點。測點應均勻分布在倉面上，測溫深度10～15 cm。

（2）碾壓混凝土澆筑后3 d內應每天觀測外部混凝土最高、最低溫度，內部混凝土4～8 h觀測一次；3～28 d宜12 h觀測一次，直至內部溫度達到峰值后，逐步降低觀測頻率。

（3）選擇具有代表性的部位進行保溫層內外的溫度觀測和測點風速觀測，同一部位測溫點不少于2個測點。觀測頻次為每天1次，每個月選2～3 d每小時觀測1次。

6 結語

結合黃藏寺水利樞紐工程壩址區氣候特點、設計溫控指標，提出了控制溫度回升、溫度回灌及越冬保護等一系列溫控措施。在澆筑過程中，高溫時段局部混凝土澆筑溫度略有超標，采用通水冷卻，對混凝土內部溫度進行控制。2021年越冬期間，最低氣溫出現在2021年1月11日8：00，最低氣溫為-22.3 ℃，日平均氣溫為-16 ℃。越冬保溫期間環境溫度最低時，壩體內部最低溫度21.75 ℃，最高溫度23.75 ℃，混凝土表面最低溫度14.81 ℃，最高溫度20.68 ℃，越冬期混凝土表面溫度大于8 ℃，內外溫差小于15 ℃，實測結果滿足溫控設計要求，保溫效果良好，2021年4月揭被后，未發現危害性裂縫，大壩溫控效果顯著，保證了大壩混凝土質量。