特高拱壩混凝土智能溫控系統應用研究

毛文景

中國水利水電第四工程局有限公司 青海 西寧 810007

特高拱壩大體積混凝土的溫控措施，是降低混凝土水化熱引起的溫度應力，避免開裂和達到設計要求的封拱灌漿溫度必須采取的工程技術措施。目前施工現場有很多因素會直接影響溫度控制效果，這些因素大致為：一是不同氣溫、不同澆筑溫度、不同水管間距、不同施工細節、不同的水管材質（夯實程度、水管布置合理程度等）等，可能導致澆筑塊的密度不同，從而導致內部發熱狀態不一致，要求對各澆筑塊個性化冷卻控制；二是不同倉水管變形程度不同，導致需要不同流量控制，最好做到每組冷卻支管單獨溫控；三是工調整通水流量間隔長，人工采集溫度和流量數據工作量大、且受主觀因素以及設備運行狀況影響較大。目前控制不能做到實時、在線，現有冷卻系統受制于工程施工傳統、工程配套技術水平與施工成本的限制，難以布置足夠的相關采集儀器，特別是大壩混凝土溫度數據，難以做到實時動態的反饋控制。

1 研究背景

智能溫控技術為了有效的控制水管冷卻過程中的人為風險，保證施工期溫度做到溫降可控、風險可知，同時擺脫通水冷卻系統對大量人員的依賴，采用智能通水控制軟件及配套智能通水控制設備以實現混凝土內部數據自動采集、實時反饋及通水回路的個性化控制，從而保證混凝土內部溫度過程線與設計要求高度吻合，并實現“小溫差、早冷卻、慢冷卻”精確、個性化控溫，以大幅節省溫控防裂費用。

智能溫控系統主要由智能通水控制軟件系統、智能通水控制柜和集成柜、壩后通水管網三個部分組成。該系統利用混凝土后期冷卻通水三期九階段相關要求，按照已規劃的通水管網布置特點，采用將主通水管路連接至集成柜后再接入至預留槽進水主管，并通過控制柜上自動采集的混凝土內部溫度變化情況和系統通水指令，實時調節集成柜中連接管路上的電磁閥控制單支管路的通水流量，從而達到個性化通水控溫或降溫的目的[1]。

2 智能溫控系統研發與使用

智能溫控裝置主要包括一體流溫控制集成柜和數據采集反饋集成控制柜。其中一體流溫控制集成柜內設一體化流量、溫度控制裝置和管道內部溫度測量裝置；數據采集反饋集成控制柜內設PLC控制器、集成回路溫度控制模塊和工業平板電腦。通過倉面內埋設的溫度采集裝置采集大壩混凝土實時溫度情況并及時反饋至控制系統，利用控制系統及時調整保溫、保濕、養護等常規措施與冷卻通水流量、方向、溫度等參數，動態地調整各種溫控工況，使大壩混凝土內部溫度冷卻過程、內外溫差及溫度梯度控制在設計要求的曲線范圍內，以滿足大壩施工期溫控防裂要求。

3 智能通水設備與通水管路的空間立體組合研究

3.1 移動式冷水站布置

邊坡開挖期間，在壩后形成了數級邊坡馬道，通過利用壩后寬馬道布置移動式冷水機組，混凝土采用移動式冷水站供制冷卻水通水冷卻，機組就近布置在壩后馬道，同一時段分2～3個馬道布置，以對應一期、中期、二期冷卻，降低通水范圍與高差；同時，加強對冷水站及壩后冷卻供水管網的管理，確保冷水站安全、可靠、及時地向大壩混凝土提供保質、保量的制冷水。

3.2 智能通水設備與通水管路布置

施工期大壩內部埋設的水管往往多達上百、千條，每一個水管回路均需與智能通水設備及通水主管相連；而出于經濟性及結構安全性考慮，布置智能通水設備與通水主管的壩后鋼棧橋寬度往往較窄，因此合理規劃智能通水設備與通水管路的空間立體組合就顯得尤為重要，其布置必須同時滿足可用性、便利性及美觀性要求[2]。

將一體流溫控制集成柜設計為便于拆分的小模塊拼裝結構。現場安裝時，冷卻水供水包布置在壩段中部；一體流溫控制集成柜拆分后按照與倉內冷卻水管回路接口對應的原則分散布置在供水包上部；數據采集反饋集成控制柜布置在供水包兩側壩段分縫處，以此在壩后棧橋上形成一個整齊有序、美觀便利的三維立體空間組合。

4 一體化智能通水安裝平臺

設計一種裝配式壩后鋼棧橋，作為冷卻通水管路及智能溫控設備在拱壩壩后的安裝及基礎承載平臺，同時兼做壩后交通通道使用。該鋼棧橋可由多個標準件現場拼裝完成，標準件在工廠內加工，裝配式棧橋具有制作耗材少、承載力大、結構穩定、安裝方便等特點。

4.1 裝配式棧橋結構設計

壩后臨時棧橋結構由三角支撐架、水平棧橋橋面、防護棚及懸掛組件構成，懸掛組件包括定位錐、蛇形筋及B7螺栓，定位錐和蛇形筋在壩體混凝土澆筑時預埋在混凝土內，B7螺栓與定位錐連接，三角支撐架頂部U型槽（懸掛板）懸掛在B7螺栓上，與壩體間形成可靠連接，三角支撐架底部設有用于調節三角架水平度的調節組件，可實現三角支撐架安裝角度的微調，從而確保水平橋面安裝的水平度。

水平橋體安裝在支撐架頂面，防護棚位于水平橋體上方并與水平橋體側沿連接固定。施工時，先行將懸掛組件預埋在混凝土壩的坡面并留出懸掛點，將支撐架懸掛于懸掛組件上并保證支撐架底側與混凝土壩的坡面相抵，將防護棚和水平橋體連接形成整體，再整體吊裝至支撐架頂部。較傳統結構而言，耗材減少：根據受力分析與計算，防護棚和水平橋體承受荷載較小，所需構件的型號較小，支撐架承受荷載較大部位，選用較大型號型鋼，因此，充分利用各構件承載能力，在確保壩后棧橋穩定的前提下，減少了鋼材用量；耗時與吊裝次數減少：吊裝完支撐架后，再將防護棚和水平橋體整體吊裝一次即可完成壩后鋼棧橋的安裝，因此，耗時與吊裝次數減少；能實現標準化設計：支撐架、水平橋體、防護棚和懸掛組件均能在工廠預制，形成標準化的成型制作，提高了制作的安裝效率。

4.2 裝配式棧橋安裝

⑴利用前期懸臂模板的定位螺栓安裝三角支架，預埋的定位錐在備倉過程中需妥善進行加固，防止移位。B7螺栓必須經過檢驗合格后方可使用。

⑵三角支架利用懸臂模板預埋螺栓間距3.0m布置，橫縫處1.5m間距加密布置一榀，待下游面懸臂模板提升兩個澆筑升層即6m后開始進行三角支架的吊裝。在吊裝前，可將支架下部的可調支桿基本調至保證支架上橫桿水平的螺栓孔內。支架從一條橫縫處起始向另一橫縫順序安裝。安裝時必須保證螺栓卡緊三角支架上橫桿前端的固定鋼板，并且必須使用定位螺栓下面的限位螺桿。安裝兩榀三角支架后，可利用已安裝的支架搭設一個懸挑操作平臺，后端和已安裝的三角支架采用螺栓固定，前端外伸部分滿鋪操作平臺，安裝人員利用此操作平臺依次安裝后序三角支架。

4.3 橋面安裝

三角支架吊裝固定完成后，根據三角支架的安裝進度跟進安裝外側通道角鋼，然后將5mm鋼板網用M12螺栓固定在通道角鋼上，以便于安裝管路和防護棚的人工操作。將人行鋼板網加固妥當后，再進行壩段與壩段之間棧橋空隙的橋面補缺施工。因安裝人員是高處臨空作業，故在三角支架安裝固定完成后，即先在各支架間加鋪安全綠網并綁扎牢固，以進一步確保施工人員在后序安裝作業中的安全性。

4.4 管路安裝

棧橋上需要安裝的水管有4根冷卻供水主管和1根施工供水管。4根冷卻水管自距下游壩面20cm始平鋪布置，其凈間距保證20cm，每根水管在下部三角支架上均使用墊木固定保護，同時在上部使用箍筋固定。主管道安裝固定完成后，可進行主管道上閘閥及供水包的安裝設置。最后在主管道、供水包和閘閥處統一進行包裹3～5cm橡塑的保溫工作，以避免先保溫而在管路的吊裝移動焊接等操作過程中造成對保溫橡塑的破壞。因供水包等設置在橫縫處，故三角支架在橫縫處1.5m間距加密布置一榀。

4.5 防護棚搭設與加固

棧橋的防護欄桿在加工場內定型制作，每標準節長3.0m，高1.2m，立桿間距1.5m。吊至棧橋后將欄桿立桿焊接在通道角鋼上，靠壩面一側欄桿距離壩面20cm安裝。之后采用大管套小管的方式將棧橋防護欄桿加高，再鋪設頂棚的密目鋼絲和彩鋼瓦。而各壩段間棧橋連接部位的防護欄桿和防護頂棚待橋面交通完善后現場搭設。現場搭設的防護棚需平順相接，靠壩面一側的立桿與壩體模板定位錐采用連墻桿連接，間距3.0m。

5 壩外冷卻通水管路布置工藝

5.1 上引管布置工藝

結合棧橋布置和管網控制區域確定上引管數量，并留有富裕，防止管路堵塞，遇到“牛腿”、孔口、廊道等特殊結構部位，上引管做個性化設計，上引管與預留槽應做好標識，使用過程應做好臺賬和位置關系圖，預留槽的位置要與智能通水系統相協調，與接縫灌漿等管路區分布置，壩內上引管一般采用Φ42.7×2.75鋼管，水平、垂直間距須一般不應小于0.5m，壩內上引管宜在臨近壩下游面30～50cm左右的混凝土內進行預埋并借助鋼筋固定，壩內上引管口應蓋帶絲塑料帽，防止異物堵塞，管口外露長度不應小于0.2m。

5.2 供水包布置

基于供水包的控制區域，進行供水包的設計制造，包括尺寸、分水頭數量等，供水包的分水頭數量應與智能通水設備預留接口、預留槽數量相適應，并預留富裕量，供水包、智能通水設備、預留槽之間應設置合適空間，確保供水順暢、布管規范，供水包和預留槽之間的連接管路宜采用三通原理切換裝置，滿足水溫快速切換需求，采取熱塑等方式實現供水包、智能通水設備、預留槽之間的高效安全連接，避免爆管或漏水，在供水包上安裝過濾閥，且過濾閥應定期檢修或更換，內部雜質應及時清除，安裝排氣裝置，并進行定期排氣，避免因管內大量憋氣導致的溫控異常，安裝檢修閥門，完成檢修后檢修閥門應及時恢復開啟狀態。

5.3 冷卻水供水主管網布置

做好主管網沿程保溫，減少冷卻水輸送過程中的能量損失，宜采用3～5cm厚橡塑包裹主管，壩后橋結構應滿足壩后橋主管布置、供水包布置、人員操作通行及結構安全的需求，主管連接設計滿足不同高程制冷水站的供水切換需求，主管網根據需要配備相應的檢修閥門、分流閥門、增壓與泄壓裝置。

6 倉內冷卻通水管路布置工藝

6.1 冷卻水管材質

倉內冷卻水管通常有鋼管、HDPE塑料管兩種常見類型，除基礎固結灌漿蓋重區等部位采用鋼管外，大壩主體部位均應采用HDPE塑料冷卻水管為專用管材，HDPE塑料冷卻水管除應滿足給水用高密度聚乙烯管材相關國家標準要求外，還應具有較高的導熱性能，宜采用HE3490LS等破損率較低的管材類型，冷卻水管進場后，模擬現場施工情況對冷卻水管進行抗壓、抗拉、抗彎及碾壓等力學試驗，以驗證其性能滿足設計指標，避免不合格冷卻水管進場。

6.2 布置技術要求

倉內冷卻水管的布置應滿足混凝土最高溫度控制與壩體冷卻的要求。依據大壩不同區域混凝土的設計溫控技術要求，對倉內冷卻水管進行分區布置，基礎約束區、孔口、牛腿、低級配混凝土及其他開裂風險較大的區域，應適當加密冷卻水管間距。倉內冷卻水管布置應滿足混凝土均勻冷卻的要求，考慮冷卻水與水溫流量沿程變化、待冷卻混凝土體積與材料差異性進行個性化布置，盡可能減少倉內溫度梯度。倉內冷卻水管布置應與混凝土溫度傳感器布置方案建立對應關系，以利于后期分區調控。倉內冷卻水管一般應采用蛇形布置，蛇形水管方向垂直于水流方向布置。單根蛇形水管的長度不應大于300m，當倉內需要布置多條蛇形水管時，上游面冷卻水管須獨立布置一根，其他可采用主管并聯支管的形式布置，每根主管連接支管數量控制在3根以內，各支管長度應基本相當。倉內冷卻水管距上下游壩面與橫縫面的一般要求為0.8m，局部可在0.5～1.5m范圍內調整，冷卻水管距廊道、孔口、電梯井等內壁面的距離不應小于0.5m。冷卻水管不應穿過橫縫及各種廊道及孔洞，也不應和壩內其他管路搭接、相交，冷卻水管需跨廊道及孔洞時，宜采用預埋在跨廊道及孔洞底板下部的鋼管進行繞接[3]。

7 大壩混凝土智能通水

7.1 冷卻過程控制

根據拱壩混凝土溫控防裂特點，大壩全部采用低熱水泥混凝土，在大壩混凝土溫控全周期中將混凝土通水冷卻降溫過程分為一期冷卻、中期冷卻、二期冷卻共三期進行。

壩段各灌區在施工過程中，應按照分期冷卻要求進行逐步冷卻，進行溫度梯度控制，并使各灌區溫度、溫降幅度形成合適的梯度，以減小混凝土溫度應力，避免混凝土出現開裂現象[4]。

7.2 通水冷卻的一般要求

通水冷卻時，通水流向每12h更換一次，當出口水溫與入口水溫相差小于1℃時，可延長到24h更換一次。所有冷卻水均需在出口收集后由回流總管匯集到冷卻站，不得隨意排放。冬季澆筑混凝土，外界氣溫較低時，連續通水可能會出現混凝土降溫超標現象，必要時可暫停通水冷卻，避免過度冷卻和氣溫驟降疊加對混凝土帶來的不利情況。在各期冷卻降溫過程中，需根據溫度測量成果，及時調整通水流量，確保降溫速率滿足要求。為保證最高溫度控制、防止冷卻降溫幅度過大過快，應進行各期冷卻目標溫度預警，即距離冷卻目標溫度1℃時，進行預警、預控，加大溫度觀測頻次，根據溫度監測數據，及時調整通水措施，防止冷卻控制超標。

8 結語

采用智能溫控系統，通過實現在線遠程控制通水冷卻過程，控制高拱壩混凝土最高溫度、內外溫差及上下層溫差，突破傳統人工測溫及通水冷卻人工控制的制約，實現“小溫差、早冷卻、慢冷卻”精確、個性化控溫，大大降低大壩開裂的風險。突破了傳統的通水冷卻人工控制方式和簡單型通水控制方式的制約，實現精確控溫，可在類似的水電工程中推廣應用。