碾压混凝土坝仓内温度控制及智能冷却技术

李清伟

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

1 工程概况

黄藏寺水利枢纽工程规模为Ⅱ等大（2）型，坝体为碾压混凝土重力坝，坝顶高程2 631 m，河床坝段最低建基面高程2 508 m，坝顶长度210 m，分为9个坝段，1～3号为左岸挡水坝段（28+25+25=78 m）、4号为溢流坝段（21 m）、5号为泄流底孔及小机组发电引水坝段（27 m）、6号为大机组发电引水坝段（23 m）、7～9号为右岸挡水坝段（20+20+21=61 m）。

工程区位于青藏高原东北侧的祁连山腹地，为高原高寒半干旱气候，多年平均气温0.7 ℃，12月平均气温为-12.2 ℃，极端最低气温可达-30 ℃，且冬季漫长，一般从10月持续到次年5月；夏季昼夜温差大，7月平均气温为10.7 ℃，极端最高气温可达30 ℃。

2 温度控制标准

2.1 基础容许温差

（1）黄藏寺大坝碾压混凝土基础容许温差：强约束区及弱约束区均为15 ℃。

（2）黄藏寺大坝常态混凝土基础容许温差：强约束区为18 ℃；弱约束区为20 ℃。

2.2 上下层温差

越冬层面上下层温差控制为12 ℃；普通层面上下层温差控制为15 ℃。

2.3 内外层温差

基岩强约束、水温变动区和越冬层的内外层温差不大于15 ℃；弱约束区内外层温差不大于16 ℃；自由区内外层温差不大于18 ℃。

2.4 容许最高温度

碾压混凝土容许最高温度如表1所示[1]。

表1 碾压混凝土容许最高温度 单位：℃

2.5 混凝土浇筑温度

黄藏寺大坝工程冬期（11月至次年3月）停工。低温季节浇筑温度不低于7 ℃，高温季节浇筑温度不高于16 ℃。

2.6 相邻坝段高差控制

碾压混凝土施工时采用大仓面、薄层、连续均衡上升的方式。受大坝结构限制、混凝土供应能力不足、施工资源配备不足等特殊情况，在影响分仓浇筑时，相邻坝段最大高差应控制在12 m以内，整个大坝最大高差应小于30 m。

3 碾压混凝土仓内温度控制措施

3.1 合理控制浇筑层厚及间歇期

强约束区基础常态混凝土浇筑层厚应控制在1.5 m以内。间歇时间不小于7 d。碾压混凝土浇筑层厚3.0～4.5 m，热升层层面间隔时间按4～6 h控制。连续浇筑期间应严格控制混凝土层间歇期，尽量实现薄层连续施工。除冬休期外，层间歇期一般控制在3～10 d，最大层间歇不宜超过28 d。

3.2 高温季节仓内施工温控措施

（1）采取综合温控措施降低入仓温度和浇筑温度。

①利用4月～6月、9月～10月低温季节的有利时段浇筑混凝土，充分发挥碾压混凝土大仓面连续快速浇筑的特点，能浇尽浇、多浇、快浇；高温季节尽量安排在16：00～次日11：00低温时段浇筑，减少运输及浇筑过程中的温度回升。

②优化混凝土运输方案，加快混凝土入仓速度，尽量采用汽车直接入仓。当采用皮带机或满管溜槽时，尽量减少混凝土中间倒运次数，减少混凝土温度回升系数。

③加强现场组织管理，充分利用科技手段，采用车辆管理系统对车辆实时跟踪。根据拌和系统生产情况、路况、仓面进度情况进行动态调控，确保混凝土及时入仓，降低混凝土仓面等待时长及运输车辆的等待时间。

④充分利用遮阳隔热设施，减少太阳辐射及环境温度倒灌。运输混凝土用自卸汽车加设防风、防雨、遮阳棚，运输过程中全程覆盖密闭；车厢箱体立面加设2.5 cm厚橡塑海绵板；水平运输皮带机加设遮阳保温棚；满管溜槽包裹2.5 cm厚橡塑海绵，减少太阳辐射，保温隔热。

⑤合理规划仓号，提高施工速度，及时覆盖，减少仓面暴露时间。碾压混凝土通过水平及垂直运输设备进入仓号后，加强仓内施工组织管理，充分发挥碾压混凝土连续快速施工的特点，混凝土从出机到碾压完毕应控制在2 h以内，层间间隔时间应控制在4～6 h 之内，尽量减少太阳辐射及环境温度倒灌。

⑥仓面小气候营造。高温时段浇筑时，应利用固定式喷雾机、高空悬挂喷雾网、手持式移动喷雾枪等设备进行仓面喷雾降温保湿，形成有利于碾压混凝土浇筑的小环境，减少温度倒灌和VC值损失。喷雾时应根据现场小气候数据监测仪数据，动态调整喷雾设备风量和水量，雾滴直径应达到毫米级“细雾”，能够长时间漂浮在仓面上空，既能有效降低太阳辐射及局部环境温度，又不至于形成“雨滴”致使混凝土表面出现明水改变VC值[2]。

（2）冷却水管铺设。

黄藏寺大坝冷却水管埋设部位包括坝体基础约束部位、新老混凝土约束区、接触灌浆部位、高温时段浇筑的混凝土及其他需要采取通水降温措施的混凝土。

大坝混凝土盖重固结灌浆部位，冷却水管采用内径28 mm、外径32 mm的钢管，其他部位冷却水管采用外径32 mm的HDPE塑料水管。冷却水管垂直横缝纵向布置，蛇形铺设，水平间距1.5 m，垂直间距1.5 m，单根长度不超过300 m。接头主要采用热熔连接，为防止水管移位，用U型锚筋固定。距上、下游坝面的距离为0.8～1.5 m，局部不应小于0.5～1 m；距横缝面的距离大于0.8 m；距廊道、孔口、电梯井等内壁面的距离大于0.5 m。

3.3 冬期施工低温时段仓内施工温控措施

黄藏寺大坝位于西北高原高寒区，每年10月下旬～11月上旬昼夜温差较大，夜间时常出现负温，冬季施工期间每层碾压完成后，需要及时采用保温被或橡塑海绵进行临时覆盖保温。同时，上下游需要永久保温及时跟进，减少不同时段施工坝体内外温差。

3.4 越冬部位温控措施

（1）大坝顶部水平越冬面保温层由下至上为：1层塑料薄膜（厚0.6 mm）+9层2.5 cm厚橡塑海绵+1层三防布，保温层压盖采用5 cm厚马道板（或钢管）或沙袋，按照3 m×3 m的网格连续压盖，同时，越冬上、下游和侧面用沙袋设置防风墙，墙高0.8 m。

（2）大坝上游永久外露面按照永久保温防渗方案施工，增加2 mm厚的手刮聚脲涂层后，在聚脲涂层上喷涂80 mm硬泡聚氨酯。

（3）大坝下游永久外露面按照永久保温方案喷涂80 mm硬泡聚氨酯进行保温。

（4）大坝上下游临时外露面直接喷涂80 mm聚氨酯作为临时越冬保温防护，无须进行基础面处理，在进行永久防渗保温施工前对其进行拆除。

（5）廊道口、泄流底孔进出口、引水发电进水口等孔口采用脚手架悬挂一层保温被及一层三防帆布制作的保温帘进行封堵保温。

4 智能冷却通水温控技术

4.1 智能冷却通水的意义

为保证混凝土及冷却水温度数据的真实性、水管流量的准确性及温控过程的实时监控和自动干预，结合黄藏寺碾压混凝土坝的特点及大体积混凝土防裂要求，运用大坝施工期温控防裂智能监控系统，实现温控信息实时自动采集、海量温控数据实时传输、信息管理与温控效果实时评价、开裂风险实时预警、智能保温决策支持、温控防裂智能控制、温控信息智能发布与干预等，达到防止危险裂缝发生的目的。

4.2 智能冷却通水温控系统的组成

智能温控系统主要由智能通水分控站、水管流量测控装置、温度信息实时采集系统、数据传输网络及监控设备等组成。智能温控系统组成及原理如图1、图2所示。

图1 智能温控系统组成

图2 智能温控原理

4.3 智能冷却通水温控系统模块及功能

（1）温控信息实时自动采集。

平台能够为各种关键温控要素提供实时、全面、准确的数据信息。温控要素包括拌和站出机口、入仓、浇筑、小环境温度及坝体内温升过程、温度梯度、通水冷却进水水温、出水水温、通水流量等。其中，出机口、入仓、浇筑温度可使用手持式设备通过半自动方式采集。坝体内温升过程、温度梯度、通水流量、水温、太阳辐射、气温、湿度、风速等可通过自动监测仪器获取。

（2）信息管理与温控效果实时评价。

平台的主要功能是为大坝混凝土温控施工提供实时评估，建立温控实时评估模型，完成温控施工信息的实时评估，通过图形和表格的方式对温控信息进行统计、评价和分析。温控要素的评价内容主要包括气温信息、机口入仓浇筑温度、最高温度、通水信息、养护保护信息、降温速率、气象信息等十多种重要的图形和表格。

（3）开裂风险实时预警。

运用无线传输技术、网络与数据库技术、信息挖掘技术，根据数据库中的预警准则进行预警，发布给参建各方。预警信息主要包括外部环境温度、拌和站出机口温度、入仓温度、浇筑温度、坝体内温度峰值、降温速率、通水流量、通水水温等预警。

（4）智能保温决策支持软件。

运用天气预报、网络与数据库技术和数值仿真技术，进行混凝土应力快速仿真计算，对需要保温的部位或时间段进行智能发布提醒。根据实测温度，包括保温材料内外的温度，推求混凝土温度梯度，进而推求混凝土表面保温系数和设计混凝土表面保温系数对比，得出保温效果，评判混凝土表面保温效果。

（5）智能通水。

智能通水冷却的总体流程是根据给定的理想温度过程、实时监测温度、气象和通水冷却信息，评估下一时刻的通水冷却指令，按照指令由自动控制设备完成自动通水冷却。

（6）智能小环境。

仓面小环境采集系统可以实现仓面气候（温度、湿度、太阳辐射热等）的自动采集。

（7）温控信息智能发布与干预。

通过电脑网络方式实现对施工要素的智能控制及干预；通过面向对象的人机互动方式对预警信息进行实时查询及处理，对施工要素（通水流量等）等进行调节，对现场进行实时干预。

4.4 分期通水

（1）一期通水：根据智能通水反馈数据实行个性化通水，冷却水水温控制在5～13 ℃，混凝土最高温度出现前，通水流量不小于2 m3/h；混凝土最高温度出现后，一期通水温度与混凝土最高温度之差控制在20 ℃以内，通水流量1.2～1.5 m3/h，使混凝土的最高温度不超过允许的最高值。一期冷却从混凝土下料浇筑开始时，即可通制冷水或者河水。一期冷却时间应控制在15～21 d。冷却水方向24 h调换一次。

（2）二期通水：一期通水结束后，混凝土温度未降至15 ℃，越冬前需要进行二期通水冷却，将混凝土内部温度降至15 ℃，冷却水水温控制在5～13 ℃。

（3）降温速度：冷却通水时坝体混凝土温度与冷却水之间的温差一期不超过20 ℃，二期不超过15 ℃，二期通水冷却时，坝体降温速度每天不得大于0.7 ℃，月降温控制在5～10 ℃。

5 温度测量

（1）碾压混凝土温度测量，浇筑过程温度按照坝段每100 m2选取3个测点，每浇筑层、每坝段不少于3个测点。测点应均匀分布在仓面上，测温深度10～15 cm。

（2）碾压混凝土浇筑后3 d内应每天观测外部混凝土最高、最低温度，内部混凝土4～8 h观测一次；3～28 d宜12 h观测一次，直至内部温度达到峰值后，逐步降低观测频率。

（3）选择具有代表性的部位进行保温层内外的温度观测和测点风速观测，同一部位测温点不少于2个测点。观测频次为每天1次，每个月选2～3 d每小时观测1次。

6 结语

结合黄藏寺水利枢纽工程坝址区气候特点、设计温控指标，提出了控制温度回升、温度回灌及越冬保护等一系列温控措施。在浇筑过程中，高温时段局部混凝土浇筑温度略有超标，采用通水冷却，对混凝土内部温度进行控制。2021年越冬期间，最低气温出现在2021年1月11日8：00，最低气温为-22.3 ℃，日平均气温为-16 ℃。越冬保温期间环境温度最低时，坝体内部最低温度21.75 ℃，最高温度23.75 ℃，混凝土表面最低温度14.81 ℃，最高温度20.68 ℃，越冬期混凝土表面温度大于8 ℃，内外温差小于15 ℃，实测结果满足温控设计要求，保温效果良好，2021年4月揭被后，未发现危害性裂缝，大坝温控效果显著，保证了大坝混凝土质量。