白鹤滩水电站泄洪洞混凝土智能保湿养护技术研究

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 研究背景

混凝土浇捣后，之所以能逐渐凝结硬化，主要是因为水泥水化作用的结果，而水化作用则需要适当的温度和湿度条件，因此，为了保证混凝土有适宜的硬化条件，使其强度不断增长，必须对混凝土进行充分养护。

混凝土的养护目的，一是创造各种条件使水泥充分水化，加速混凝土硬化；二是防止混凝土成型后暴晒、风吹、寒冷等条件而出现的不正常收缩、裂缝等破损现象。影响混凝土养护效果的因素包括养护环境的温度和湿度，根据规范要求对于标准养护室其温度为20℃±2℃，相对湿度为95%以上。

目前常用的混凝土养护手段包括蓄水养护法、覆盖保湿养护法、洒水养护法、喷涂养护液等，对于水利水电工程混凝土建筑物来说，通常规模巨大且结构复杂，其垂直外露面是无法采用蓄水养护的，如果采用覆盖养护则所需覆盖材料多，同时由于施工环境的复杂性，对覆盖材料的保护难度也较大。因此，目前在水利水电工程中比较常用的仍然是混凝土表面洒水养护，传统的洒水养护需要投入专人负责，难以保证由于养护人员的素质问题而带来的养护不到位，因而在溪洛渡、乌东德等大型水利水电工程中广泛应用了花管自流水养护工艺，该工艺实现了混凝土表面的常流水养护，同时也节约了人工洒水养护的成本，且规避了施工人员登高作业的安全风险，但是单纯的花管长流水养护极大地增加了养护用水量，相应也增加了养护废水的抽排费用，不利于节约施工成本和环保。因此，本文依托金沙江白鹤滩泄洪洞工程，在借鉴花管常流水养护工艺的基础上，从混凝土养护机理出发，研究一套更具数字化、智能化、简单易操作同时更经济的养护工艺显得十分必要。

2 应用工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，上游为乌东德水电站，下游为溪洛渡水电站。枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、二道坝及水垫塘、泄洪洞、引水发电系统等建筑物组成。混凝土双曲拱坝坝顶高程834m，最大坝高289m；电站总装机容量16000MW，左、右岸地下厂房各布置8台单机容量1000MW的水轮发电机组。白鹤滩水电站是目前在建的世界第一大水电站，建成后仅次于三峡水电站位于世界第二。

泄洪洞共三条均布置在左岸，三条泄洪洞采用去弯取直“一”字行平行布置，采用挑坎挑流冲坑消能。单条洞室由进水塔、渐变段、上平段、龙落尾、挑流鼻坎组成，洞室最长2.3km，洞室群长6.7km。泄洪洞进口工作闸门下游接明流上平段，洞身断面为城门洞形，上平段底坡为0.015，泄洪洞洞高考虑掺气后的水深及通气面积要求，断面尺寸为15m×18m(宽×高)，直墙高14m，洞室底板及边墙衬砌混凝土强度等级为C40，顶拱衬砌混凝土强度等级为C30，衬砌厚度有1m、1.2m、1.5m、2.5m四种。

白鹤滩坝址所在区域属于亚热带季风气候区，天气晴朗干燥，且全年盛行大风，最大风速可达30.2m/s，这种气候条件对大体积混凝土温控带来了极大的挑战。

白鹤滩水电站泄洪洞具有洞室群长、断面大、衬砌厚度厚、衬砌混凝土强度等级高、运行流速高(25m/s～47m/s)等特点，为了有效控制大体积衬砌混凝土温度裂缝的产生，本工程全部采用低热水泥作为胶凝材料，而低热水泥混凝土早期强度低、强度增长慢，为了防止混凝土水化凝结过程中失水干裂，就必须在其强度增长过程中进行有效养护，养护龄期达到90d以上。

3 智能养护系统

3.1 养护系统组成

泄洪洞洞身边墙混凝土自动养护控制系统由供水系统和电气控制系统、环境数据采集系统组成。具体组成如图1所示。

图1 智能养护系统组成

供水系统包括：主供水管、次供水管、仓位供水支管、仓位养护花管、加压泵，其中主供水管采用DN80的钢管自供水点沿衬砌工作面架设，布置在洞室开挖底板上。次供水管及仓位养护支管采用直径32mm的聚乙烯塑料管，管路沿着边墙衬砌混凝土顶部铺设，利用衬砌钢筋进行固定，次供水管与仓位供水支管间采用快速三通接头连接，同时在连接部位设置电磁阀进行水流开关的控制。养护花管同样采用直径32mm的聚乙烯塑料管布置在衬砌边墙顶部外缘，为了形成均匀的水幕，在塑料管上间隔5cm进行开孔，孔径2mm，梅花型布置，这样即能进行边墙垂直面和水平面的流水养护。

电气控制系统包括：漏电保护开关、稳压器、可编程脉冲控制仪、继电器、接线端子，接线端子与仓位养护支管上的电磁阀相连。漏电保护开关及稳压器主要是为了整个控制系统的安全可靠，脉冲控制仪用于设定电流脉冲持续时间和间隔时间，以相应的控制与之相连的各支路继电器的通断电，继电器主要控制与之相连的电磁阀的电流开关，从而控制养护水流的开和关。

图2 电气控制系统组成

本系统所用电动脉冲控制仪以220V电源作为能源，输出电动脉冲信号，与其配套使用的是电磁阀，适应性好、使用可靠和调节容易，并且可做远距离控制。脉冲控制仪上的输出指示二极管依次显示每路驱动电压的输出状态，使控制仪输出状态直观清晰；数码管显示区显示每个参数运行的计时时间和在参数设定时显示参数设定值；脉冲控制仪器件采用集成电路提高了产品的稳定性和可靠性；外部采用挂式透明PC外壳，外形美观，防尘性能好；接线位置、脉冲控制仪安装孔位置设计合理，便于现场接线安装使用；脉冲控制仪面板上设有数字显示，能依次显示电磁阀工作顺序，可根据养护要求调整脉冲间隔、脉冲宽度、输出路数和周期间隔，控制电磁阀的开启和关闭，对混凝土定时洒水养护。

同时为更方便自由组合所控制电磁阀的个数，采用扩展输出模块，可随意增加或减少控制数量。QYM-ZC-36A可编程脉冲控制仪的控制参数见表1。

表1 QYM-ZC-36A可编程脉冲控制仪的控制参数

序号参数名称技术指标1额定输入电压240VAC-50Hz2额定输出电压DC24V3耗电≤8W4输出脉冲间隔调节范围1S～99S5输出脉冲宽度调节范围1S～9999S6脉冲周期范围1min～255min7周期间隔调节范围1S～9999S8控制电磁阀的个数1～369控制方式定时10使用环境工作温度-20°C～+55°C;空气的相对湿度不超过85%;无严重的腐蚀气体和导电尘埃;无剧烈震动或冲击。

3.2 养护系统工作原理

该系统的工作原理是通过风速测定仪、温湿度感应探头测定已浇筑混凝土表面的温度、湿度、风速参数，并将测定数据反馈给电脑，经过电脑分析确定混凝土在特定时间内所需的喷水量和喷水持续时间两个参数，通过调整脉冲控制仪电流脉冲持续和间隔时间来达到调整喷水时间的目的，通过调整主供水管与次供水管间的连接阀门来达到调整喷水水幕大小的目的。具体工作原理见图3。

养护曲线见图4。图中横轴为时间坐标，竖轴表示环境风速、温度、湿度值，竖向柱体表示电磁阀的通电时间即养护水的喷洒时间，可以看出柱体宽度是一致的，这表示预设的单仓单次喷水时间是一致的，柱体与柱体之间的间隔时间表示未喷水的间隔时间，从图中可以看出环境风速越大，温度越高柱体分布越密集，表示喷水频率越高，环境湿度越大喷水频率越低。

图3 养护系统工作原理

图4 养护曲线

图5 智能养护整体效果

4 结语

本套系统原理简单，所用设备都很常见，系统建立投入成本低，但是其应用效果和产生的经济效益是非常显著的，目前该系统已经在白鹤滩泄洪洞工程中得到了广泛应用，且浇筑的混凝土获得了质量专家组专家的高度赞扬，经过分析总结表明，该系统具有以下三个方面的优势:其一是该系统喷出的水幕均匀，能及时有效地完成混凝土保湿养护；其二是该系统可自动监测和记录环境参数和养护数据，更能实现混凝土的科学养护；其三是该系统极大地节约了养护人工和登高设备的投入，同时也极大地节约了养护用水量和养护废水的抽排量，根据实地量测，采用该系统相较于常流水养护可节约养护用水约70%。

白鹤滩泄洪洞在衬砌之前对洞室进出口以及施工支洞洞口进行了挂帘封闭，这就有效地避免了大风天气对洞内环境的影响，使得洞室衬砌作业环境相对比较稳定，养护参数也比较固定，通过本工程的实践，相对于作业环境更加复杂的室外大体积混凝土结构而言，该系统的应用前景是非常广阔的，产生的经济效益也会更加显著。