陳志遠，譚愷炎，王振振

（葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

混凝土內(nèi)部水化熱溫升會導致混凝土中的裂縫，進而破壞結構的整體性，使混凝土的耐久性能下降，甚至危及建筑物的安全。為此，人們采用冷卻通水的辦法來解決混凝土內(nèi)部溫升問題。然而，冷卻通水不是隨意為之，需要遵循一定的規(guī)則，比如，溫峰、降溫速率、通水時長等指標都要滿足要求才可實施，冷卻通水前通常需要人工測量混凝土溫度、冷卻水管中的水流量，然后根據(jù)測得的溫度和流量數(shù)據(jù)，憑經(jīng)驗人工計算次日的通水流量，最后手工調(diào)節(jié)冷卻水管上的閥門開度，按計算流量通水。這種人工的測量、計算和調(diào)節(jié)的方法過于繁瑣，且溫度控制不及時，準確性差，另外，還需要操作人員長時間在壩后工作，由于現(xiàn)場環(huán)境復雜，存在一定安全隱患。

鑒于上述原因，通過長時間的研究，提出了“一種大體積混凝土冷卻通水智能控制新方法”，該方法在雅礱江錦屏一級水電站工程上進行了試驗驗證和推廣應用，效果令人滿意。

2 大體積混凝土冷卻通水智能控制新方法簡介

2.1 特點

冷卻通水智能控制新方法與現(xiàn)有方法相比截然不同，具有以下特點:

（1）自動采集混凝土溫度，更加準確、穩(wěn)定。

（2）自動控制冷卻水流的通斷，更加及時、有效。

（3）無線傳輸控制指令，更加適應復雜、惡劣的施工環(huán)境。

（4）混凝土溫度可在預設時間到達設定值，為壩塊間溫度梯度協(xié)調(diào)控制提供了基礎。

（5）可隨時通過互聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控，系統(tǒng)運行透明化，保障了數(shù)據(jù)的真實性。

（6）系統(tǒng)的自動化程度高，降低了工人的勞動強度，縮短了工人在危險環(huán)境下的工作時間。

2.2 原理

冷卻通水智能控制新方法的原理為:根據(jù)設計和施工要求，預先設置一條混凝土溫度變化過程線，定時自動采集混凝土溫度，將采集到的溫度與預設溫度對比，若高于預設溫度則打開冷卻水管的閥門通水，否則就關閉閥門，使混凝土溫度在預設溫度線的導引下逐步降至規(guī)定溫度。整個過程，無需測量流量，直接用溫度指標產(chǎn)生決策，以達到簡化系統(tǒng)、及時控制的目的。

列舉一條預設的混凝土溫度變化過程線見圖1。曲線上的主要節(jié)點包括起始控溫點、預設溫峰點、一期降溫結束點、中期降溫結束點、二期降溫結束點等。規(guī)劃這條溫度過程線時，只需先設置這些節(jié)點，然后，相鄰節(jié)點之間用直線相連即可。如果在控制期間需要調(diào)整曲線，仍然通過重新設置關鍵節(jié)點來實現(xiàn)，設置方便、靈活。過程線中的第一個點為起始控溫點，是通水控制的時間和溫度起點；溫峰點的溫度設置通常要低于允許最高溫度值，以防止超溫現(xiàn)象出現(xiàn)，比如允許最高溫度為28℃時，可以設置為26.5℃，外界溫度高時設置值可低一些，外界溫度低時，設置值可高一些，溫峰點的時間通常設置在起始點后的5～7天，或者參照已有的工程資料和經(jīng)驗；其他節(jié)點的設置參考設計要求和施工進度安排，如最大降溫速率、最小降溫時長和灌漿工期等。

圖1 預設的混凝土溫度變化過程線

此外，溫度過程線的設置還需要兼顧上下相鄰壩塊之間的溫度梯度，從而使更大范圍內(nèi)的溫度場協(xié)調(diào)變化。

2.3 系統(tǒng)構成

冷卻通水智能控制新方法的系統(tǒng)構成包括:服務器、客戶端、局域網(wǎng)、溫度采集裝置、無線控制終端、電動閥門和測控管理軟件，具體情況見圖2。

圖2 冷卻通水智能控制新方法的系統(tǒng)構成

溫度自動采集裝置測得混凝土的溫度，傳輸給測控服務器，服務器中的測控管理軟件運行，產(chǎn)生控制指令，通過無線局域網(wǎng)傳輸至無線控制終端，控制終端控制電動閥門的開合，實現(xiàn)對冷卻水流的控制。客戶端可以登錄服務器，實現(xiàn)對系統(tǒng)察看和操控。客戶端可以包括遠程客戶端和局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端。無線控制終端包括多個通道，一臺控制終端可以實現(xiàn)對多路水管的控制。電動閥門通過電纜與控制終端相連，可以接收控制終端發(fā)來的指令使冷卻水管中的水流通斷。安裝在壩后棧橋上的無線控制終端有18路通道，可以控制18個閥門。每臺終端可以分配1個IP地址，能夠以無線方式接收服務器發(fā)來的指令，并通過電纜控制電動閥門。終端經(jīng)航空插頭和快速接頭與電纜連接，便于拆裝。控制終端背面設有管卡，通過管卡固定在棧橋的鋼管上，易于拆裝，且固定牢靠。

測控管理軟件是新方法系統(tǒng)中的重要組成部分，通過管理軟件，系統(tǒng)中的各部分硬件才能協(xié)調(diào)工作，共同實現(xiàn)通水功能。測控管理軟件中的一個界面，如圖3所示。通過這個界面可以對冷卻水管、溫度計和控制終端進行定義，前面提到的預設溫度變化曲線就是在定義水管時設置的。另外，通過點擊圖中 “監(jiān)控”欄下的 “溫度計”和 “控制電路”可以查看溫度計和控制終端的運行記錄，通過 “報表”可以查看溫度采集和控制指令的執(zhí)行情況，通過選定 “冷卻水管”，還可以顯示出選中水管的預設溫度過程線和實測溫度過程線。

圖3 測控管理軟件界面

3 冷卻通水智能控制方法的使用情況

冷卻通水智能控制方法通過前期小范圍的測試后，自2013年7月底開始在錦屏一級工程右岸大壩大面積推廣使用，現(xiàn)在已有約300根冷卻水管使用新方法控制運行，運行結果表明:①系統(tǒng)能夠在復雜施工環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作；②混凝土溫度能夠在預設溫度過程線的導引下逐步下降；③混凝土溫度控制能夠滿足設計和施工要求。

典型壩段的溫度控制曲線如圖4所示，從圖4可以看出:

（1）14號壩段的溫度控制曲線中，淺黑色細線為預設溫度曲線，黑色粗線為實測溫度曲線，溫度已經(jīng)進入二期降溫階段，可以看到實測溫度線與預設溫度線較為吻合。

（2）15號壩段的溫度控制曲線中，實測溫度能夠沿著預設曲線變化，只是在一期降溫結束時段與預設值相比偏低。原因在于該冷卻水管所在壩段既有常規(guī)壩塊，也有牛腿壩塊，常規(guī)壩塊的溫度受到了牛腿壩塊的水管影響。

（3）19壩段的溫度控制曲線與前兩個典型壩段不同，這是一種1拖3的情況。這支水管關聯(lián)了3支溫度計，這3支溫度計都受這支水管的影響。圖中3條粗線代表3條實測溫度線，都能按照預設溫度曲線的趨勢隨時間逐步降至規(guī)定的溫度，起初3個溫度值離散較大，但到最后歸于一致。諸如該圖中用多支溫度計共同控制1支水管的情況，用以產(chǎn)生通斷指令的溫度值為多支溫度計采集到的溫度平均值，理想狀態(tài)下，圖中實測曲線的前段也應與預設溫度線盡可能貼合，之所以未貼合可歸結為該水管的通水降溫能力相對不足。

（4）24壩段的支水管關聯(lián)了2支溫度，實測溫度線能隨預設曲線的趨勢變化，總體走勢比較理想。圖中溫度陡降段是為了滿足施工要求刻意修改預設曲線后產(chǎn)生的，不是系統(tǒng)本身存在的問題。

4 結語

圖4 典型壩段溫度控制曲線

錦屏一級水電站大壩通水實踐進一步證明了大體積混凝土冷卻通水智能控制新方法的實用性和優(yōu)越性，智能控制系統(tǒng)可自動完成原本人工操作的繁瑣的冷卻通水工作，且更加及時、準確、安全可靠，這是大體積混凝土溫控技術的一次飛躍。但是從已有的使用效果看，還存在不足，比如實測溫度曲線和預設溫度曲線還有不盡貼合的情況，還存在溫度的小幅波動，相信隨著新方法應用地不斷深入，將會積累越來越多的實踐經(jīng)驗，從而使溫度控制效果越來越好。

［1］王衡，譚愷炎，燕喬，等.大體積混凝土冷卻通水智能控制系統(tǒng)研制與應用[J].三峽大學學報:自然科學版，2013，35（3）:12-15.

［2］譚愷炎，陳軍琪，馬金剛.大體積混凝土冷卻通水數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)研制與應用 [C]//2012年中國水力發(fā)電工程學會大壩安全監(jiān)測專委會年會暨學術交流會論文集，2012.