大體積混凝土冷卻通水智能控制方法的應(yīng)用

陳志遠(yuǎn)，譚愷炎，王振振

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)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(huì)導(dǎo)致混凝土中的裂縫，進(jìn)而破壞結(jié)構(gòu)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(shí)長(zhǎng)等指標(biāo)都要滿足要求才可實(shí)施，冷卻通水前通常需要人工測(cè)量混凝土溫度、冷卻水管中的水流量，然后根據(jù)測(cè)得的溫度和流量數(shù)據(jù)，憑經(jīng)驗(yàn)人工計(jì)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(jì)算流量通水。這種人工的測(cè)量、計(jì)算和調(diào)節(jié)的方法過于繁瑣，且溫度控制不及時(shí)，準(zhǔn)確性差，另外，還需要操作人員長(zhǎng)時(shí)間在壩后工作，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，存在一定安全隱患。

鑒于上述原因，通過長(zhǎng)時(shí)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(jí)水電站工程上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和推廣應(yīng)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(jiǎn)介

2.1 特點(diǎn)

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(diǎn):

（1）自動(dòng)采集混凝土溫度，更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

（2）自動(dòng)控制冷卻水流的通斷，更加及時(shí)、有效。

（3）無線傳輸控制指令，更加適應(yīng)復(fù)雜、惡劣的施工環(huán)境。

（4）混凝土溫度可在預(yù)設(shè)時(shí)間到達(dá)設(shè)定值，為壩塊間溫度梯度協(xié)調(diào)控制提供了基礎(chǔ)。

（5）可隨時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)運(yùn)行透明化，保障了數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

（6）系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了工人在危險(xiǎn)環(huán)境下的工作時(shí)間。

2.2 原理

冷卻通水智能控制新方法的原理為:根據(jù)設(shè)計(jì)和施工要求，預(yù)先設(shè)置一條混凝土溫度變化過程線，定時(shí)自動(dòng)采集混凝土溫度，將采集到的溫度與預(yù)設(shè)溫度對(duì)比，若高于預(yù)設(shè)溫度則打開冷卻水管的閥門通水，否則就關(guān)閉閥門，使混凝土溫度在預(yù)設(shè)溫度線的導(dǎo)引下逐步降至規(guī)定溫度。整個(gè)過程，無需測(cè)量流量，直接用溫度指標(biāo)產(chǎn)生決策，以達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)、及時(shí)控制的目的。

列舉一條預(yù)設(shè)的混凝土溫度變化過程線見圖1。曲線上的主要節(jié)點(diǎn)包括起始控溫點(diǎn)、預(yù)設(shè)溫峰點(diǎn)、一期降溫結(jié)束點(diǎn)、中期降溫結(jié)束點(diǎn)、二期降溫結(jié)束點(diǎn)等。規(guī)劃這條溫度過程線時(shí)，只需先設(shè)置這些節(jié)點(diǎn)，然后，相鄰節(jié)點(diǎn)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(shè)置關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，設(shè)置方便、靈活。過程線中的第一個(gè)點(diǎn)為起始控溫點(diǎn)，是通水控制的時(shí)間和溫度起點(diǎn)；溫峰點(diǎn)的溫度設(shè)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(shí)，可以設(shè)置為26.5℃，外界溫度高時(shí)設(shè)置值可低一些，外界溫度低時(shí)，設(shè)置值可高一些，溫峰點(diǎn)的時(shí)間通常設(shè)置在起始點(diǎn)后的5～7天，或者參照已有的工程資料和經(jīng)驗(yàn)；其他節(jié)點(diǎn)的設(shè)置參考設(shè)計(jì)要求和施工進(jìn)度安排，如最大降溫速率、最小降溫時(shí)長(zhǎng)和灌漿工期等。

圖1 預(yù)設(shè)的混凝土溫度變化過程線

此外，溫度過程線的設(shè)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(chǎng)協(xié)調(diào)變化。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

冷卻通水智能控制新方法的系統(tǒng)構(gòu)成包括:服務(wù)器、客戶端、局域網(wǎng)、溫度采集裝置、無線控制終端、電動(dòng)閥門和測(cè)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(gòu)成

溫度自動(dòng)采集裝置測(cè)得混凝土的溫度，傳輸給測(cè)控服務(wù)器，服務(wù)器中的測(cè)控管理軟件運(yùn)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(dòng)閥門的開合，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水流的控制。客戶端可以登錄服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)察看和操控。客戶端可以包括遠(yuǎn)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(gè)通道，一臺(tái)控制終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路水管的控制。電動(dòng)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(gè)閥門。每臺(tái)終端可以分配1個(gè)IP地址，能夠以無線方式接收服務(wù)器發(fā)來的指令，并通過電纜控制電動(dòng)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(shè)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(cè)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(shí)現(xiàn)通水功能。測(cè)控管理軟件中的一個(gè)界面，如圖3所示。通過這個(gè)界面可以對(duì)冷卻水管、溫度計(jì)和控制終端進(jìn)行定義，前面提到的預(yù)設(shè)溫度變化曲線就是在定義水管時(shí)設(shè)置的。另外，通過點(diǎn)擊圖中 “監(jiān)控”欄下的 “溫度計(jì)”和 “控制電路”可以查看溫度計(jì)和控制終端的運(yùn)行記錄，通過 “報(bào)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(yù)設(shè)溫度過程線和實(shí)測(cè)溫度過程線。

圖3 測(cè)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(cè)試后，自2013年7月底開始在錦屏一級(jí)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(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明:①系統(tǒng)能夠在復(fù)雜施工環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；②混凝土溫度能夠在預(yù)設(shè)溫度過程線的導(dǎo)引下逐步下降；③混凝土溫度控制能夠滿足設(shè)計(jì)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(hào)壩段的溫度控制曲線中，淺黑色細(xì)線為預(yù)設(shè)溫度曲線，黑色粗線為實(shí)測(cè)溫度曲線，溫度已經(jīng)進(jìn)入二期降溫階段，可以看到實(shí)測(cè)溫度線與預(yù)設(shè)溫度線較為吻合。

（2）15號(hào)壩段的溫度控制曲線中，實(shí)測(cè)溫度能夠沿著預(yù)設(shè)曲線變化，只是在一期降溫結(jié)束時(shí)段與預(yù)設(shè)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(gè)典型壩段不同，這是一種1拖3的情況。這支水管關(guān)聯(lián)了3支溫度計(jì)，這3支溫度計(jì)都受這支水管的影響。圖中3條粗線代表3條實(shí)測(cè)溫度線，都能按照預(yù)設(shè)溫度曲線的趨勢(shì)隨時(shí)間逐步降至規(guī)定的溫度，起初3個(gè)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(jì)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(jì)采集到的溫度平均值，理想狀態(tài)下，圖中實(shí)測(cè)曲線的前段也應(yīng)與預(yù)設(shè)溫度線盡可能貼合，之所以未貼合可歸結(jié)為該水管的通水降溫能力相對(duì)不足。

（4）24壩段的支水管關(guān)聯(lián)了2支溫度，實(shí)測(cè)溫度線能隨預(yù)設(shè)曲線的趨勢(shì)變化，總體走勢(shì)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(yù)設(shè)曲線后產(chǎn)生的，不是系統(tǒng)本身存在的問題。

4 結(jié)語

圖4 典型壩段溫度控制曲線

錦屏一級(jí)水電站大壩通水實(shí)踐進(jìn)一步證明了大體積混凝土冷卻通水智能控制新方法的實(shí)用性和優(yōu)越性，智能控制系統(tǒng)可自動(dòng)完成原本人工操作的繁瑣的冷卻通水工作，且更加及時(shí)、準(zhǔn)確、安全可靠，這是大體積混凝土溫控技術(shù)的一次飛躍。但是從已有的使用效果看，還存在不足，比如實(shí)測(cè)溫度曲線和預(yù)設(shè)溫度曲線還有不盡貼合的情況，還存在溫度的小幅波動(dòng)，相信隨著新方法應(yīng)用地不斷深入，將會(huì)積累越來越多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)用[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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?dāng)?shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)研制與應(yīng)用 [C]//2012年中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)大壩安全監(jiān)測(cè)專委會(huì)年會(huì)暨學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2012.