大体积混凝土冷却通水智能控制方法的应用

陈志远，谭恺炎，王振振

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

混凝土内部水化热温升会导致混凝土中的裂缝，进而破坏结构的整体性，使混凝土的耐久性能下降，甚至危及建筑物的安全。为此，人们采用冷却通水的办法来解决混凝土内部温升问题。然而，冷却通水不是随意为之，需要遵循一定的规则，比如，温峰、降温速率、通水时长等指标都要满足要求才可实施，冷却通水前通常需要人工测量混凝土温度、冷却水管中的水流量，然后根据测得的温度和流量数据，凭经验人工计算次日的通水流量，最后手工调节冷却水管上的阀门开度，按计算流量通水。这种人工的测量、计算和调节的方法过于繁琐，且温度控制不及时，准确性差，另外，还需要操作人员长时间在坝后工作，由于现场环境复杂，存在一定安全隐患。

鉴于上述原因，通过长时间的研究，提出了“一种大体积混凝土冷却通水智能控制新方法”，该方法在雅砻江锦屏一级水电站工程上进行了试验验证和推广应用，效果令人满意。

2 大体积混凝土冷却通水智能控制新方法简介

2.1 特点

冷却通水智能控制新方法与现有方法相比截然不同，具有以下特点:

（1）自动采集混凝土温度，更加准确、稳定。

（2）自动控制冷却水流的通断，更加及时、有效。

（3）无线传输控制指令，更加适应复杂、恶劣的施工环境。

（4）混凝土温度可在预设时间到达设定值，为坝块间温度梯度协调控制提供了基础。

（5）可随时通过互联网远程监控，系统运行透明化，保障了数据的真实性。

（6）系统的自动化程度高，降低了工人的劳动强度，缩短了工人在危险环境下的工作时间。

2.2 原理

冷却通水智能控制新方法的原理为:根据设计和施工要求，预先设置一条混凝土温度变化过程线，定时自动采集混凝土温度，将采集到的温度与预设温度对比，若高于预设温度则打开冷却水管的阀门通水，否则就关闭阀门，使混凝土温度在预设温度线的导引下逐步降至规定温度。整个过程，无需测量流量，直接用温度指标产生决策，以达到简化系统、及时控制的目的。

列举一条预设的混凝土温度变化过程线见图1。曲线上的主要节点包括起始控温点、预设温峰点、一期降温结束点、中期降温结束点、二期降温结束点等。规划这条温度过程线时，只需先设置这些节点，然后，相邻节点之间用直线相连即可。如果在控制期间需要调整曲线，仍然通过重新设置关键节点来实现，设置方便、灵活。过程线中的第一个点为起始控温点，是通水控制的时间和温度起点；温峰点的温度设置通常要低于允许最高温度值，以防止超温现象出现，比如允许最高温度为28℃时，可以设置为26.5℃，外界温度高时设置值可低一些，外界温度低时，设置值可高一些，温峰点的时间通常设置在起始点后的5～7天，或者参照已有的工程资料和经验；其他节点的设置参考设计要求和施工进度安排，如最大降温速率、最小降温时长和灌浆工期等。

图1 预设的混凝土温度变化过程线

此外，温度过程线的设置还需要兼顾上下相邻坝块之间的温度梯度，从而使更大范围内的温度场协调变化。

2.3 系统构成

冷却通水智能控制新方法的系统构成包括:服务器、客户端、局域网、温度采集装置、无线控制终端、电动阀门和测控管理软件，具体情况见图2。

图2 冷却通水智能控制新方法的系统构成

温度自动采集装置测得混凝土的温度，传输给测控服务器，服务器中的测控管理软件运行，产生控制指令，通过无线局域网传输至无线控制终端，控制终端控制电动阀门的开合，实现对冷却水流的控制。客户端可以登录服务器，实现对系统察看和操控。客户端可以包括远程客户端和局域网内的客户端。无线控制终端包括多个通道，一台控制终端可以实现对多路水管的控制。电动阀门通过电缆与控制终端相连，可以接收控制终端发来的指令使冷却水管中的水流通断。安装在坝后栈桥上的无线控制终端有18路通道，可以控制18个阀门。每台终端可以分配1个IP地址，能够以无线方式接收服务器发来的指令，并通过电缆控制电动阀门。终端经航空插头和快速接头与电缆连接，便于拆装。控制终端背面设有管卡，通过管卡固定在栈桥的钢管上，易于拆装，且固定牢靠。

测控管理软件是新方法系统中的重要组成部分，通过管理软件，系统中的各部分硬件才能协调工作，共同实现通水功能。测控管理软件中的一个界面，如图3所示。通过这个界面可以对冷却水管、温度计和控制终端进行定义，前面提到的预设温度变化曲线就是在定义水管时设置的。另外，通过点击图中 “监控”栏下的 “温度计”和 “控制电路”可以查看温度计和控制终端的运行记录，通过 “报表”可以查看温度采集和控制指令的执行情况，通过选定 “冷却水管”，还可以显示出选中水管的预设温度过程线和实测温度过程线。

图3 测控管理软件界面

3 冷却通水智能控制方法的使用情况

冷却通水智能控制方法通过前期小范围的测试后，自2013年7月底开始在锦屏一级工程右岸大坝大面积推广使用，现在已有约300根冷却水管使用新方法控制运行，运行结果表明:①系统能够在复杂施工环境下长时间稳定工作；②混凝土温度能够在预设温度过程线的导引下逐步下降；③混凝土温度控制能够满足设计和施工要求。

典型坝段的温度控制曲线如图4所示，从图4可以看出:

（1）14号坝段的温度控制曲线中，浅黑色细线为预设温度曲线，黑色粗线为实测温度曲线，温度已经进入二期降温阶段，可以看到实测温度线与预设温度线较为吻合。

（2）15号坝段的温度控制曲线中，实测温度能够沿着预设曲线变化，只是在一期降温结束时段与预设值相比偏低。原因在于该冷却水管所在坝段既有常规坝块，也有牛腿坝块，常规坝块的温度受到了牛腿坝块的水管影响。

（3）19坝段的温度控制曲线与前两个典型坝段不同，这是一种1拖3的情况。这支水管关联了3支温度计，这3支温度计都受这支水管的影响。图中3条粗线代表3条实测温度线，都能按照预设温度曲线的趋势随时间逐步降至规定的温度，起初3个温度值离散较大，但到最后归于一致。诸如该图中用多支温度计共同控制1支水管的情况，用以产生通断指令的温度值为多支温度计采集到的温度平均值，理想状态下，图中实测曲线的前段也应与预设温度线尽可能贴合，之所以未贴合可归结为该水管的通水降温能力相对不足。

（4）24坝段的支水管关联了2支温度，实测温度线能随预设曲线的趋势变化，总体走势比较理想。图中温度陡降段是为了满足施工要求刻意修改预设曲线后产生的，不是系统本身存在的问题。

4 结语

图4 典型坝段温度控制曲线

锦屏一级水电站大坝通水实践进一步证明了大体积混凝土冷却通水智能控制新方法的实用性和优越性，智能控制系统可自动完成原本人工操作的繁琐的冷却通水工作，且更加及时、准确、安全可靠，这是大体积混凝土温控技术的一次飞跃。但是从已有的使用效果看，还存在不足，比如实测温度曲线和预设温度曲线还有不尽贴合的情况，还存在温度的小幅波动，相信随着新方法应用地不断深入，将会积累越来越多的实践经验，从而使温度控制效果越来越好。

［1］王衡，谭恺炎，燕乔，等.大体积混凝土冷却通水智能控制系统研制与应用[J].三峡大学学报:自然科学版，2013，35（3）:12-15.

［2］谭恺炎，陈军琪，马金刚.大体积混凝土冷却通水数据自动化采集系统研制与应用 [C]//2012年中国水力发电工程学会大坝安全监测专委会年会暨学术交流会论文集，2012.