淺談桐子林水電站廠壩混凝土冷卻水系統(tǒng)設計及通水冷卻

摘 要：桐子林水電站廠壩段溫控混凝土總量大，且工程所在地晝夜溫差大，一旦混凝土內(nèi)部溫度變化過快，最高溫度超標，將有可能引發(fā)深層裂縫甚至貫穿裂縫，危害大壩安全，通過對冷卻水削減澆筑層水化熱溫升，控制混凝土內(nèi)部最高溫度不超過設計容許值，將會對混凝土防裂起到良好效果。

關鍵詞：水電站廠壩；混凝土；冷卻水系統(tǒng)

1 工程概況

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)的雅礱江干流上，是雅礱江干流下游最末一級梯級電站，其上游梯級為已建成的二灘水電站。桐子林水電站由河床式發(fā)電廠房、泄洪閘及擋水壩等建筑物組成，電站總裝機為600MW。桐子林水電站以發(fā)電任務為主，水庫正常蓄水位為1015.00m，總庫容0.912億m3，水庫具有日調(diào)節(jié)性能，工程屬二等大（2）型工程。

2 混凝土通水冷卻的必要性及溫度控制標準

2.1 混凝土通水冷卻的必要性

桐子林水電站廠壩混凝土總量約130萬m3，溫控通水混凝土總量約92.3萬m3，其中河床泄洪閘壩段約21.7萬m3，主廠房、安裝間及左岸擋水壩部位約63.7萬m3，明渠泄洪閘及右岸擋水壩段部位約6.9萬m3。廠壩基礎混凝土澆筑塊尺寸大、高寬比小，約束區(qū)溫度應力大，且桐子林水電站工程所在地晝夜溫差大，一旦混凝土內(nèi)部溫度變化過快，最高溫度超標，將有可能引發(fā)深層裂縫甚至貫穿裂縫，危害大壩安全，因此通過通冷卻水控制混凝土內(nèi)部最高溫度是本工程的一個重點兼難點。

本工程混凝土通水冷卻主要針對主廠房、泄洪閘、擋水壩段等部位大體積混凝土，通過對冷卻水削減澆筑層水化熱溫升，控制混凝土內(nèi)部最高溫度不超過設計容許值，從通水冷卻方面來研究如何降低混凝土內(nèi)部最高溫度，為類似工程提供借鑒。

2.2 廠壩混凝土溫度控制標準

根據(jù)本工程混凝土溫控技術要求和溫控防裂仿真試驗成果，大壩及廠房混凝土基礎允許溫差為16℃；基礎約束區(qū)長間歇情況，老混凝土上新澆混凝土，按基礎強約束區(qū)考慮；自由區(qū)范圍內(nèi)，在間歇期超過28d的老混凝土面上繼續(xù)澆筑混凝土時，當上層短間歇均勻上升的高度大于0.5塊長時，上下層溫差不大于16℃，當上層混凝土上升的高度小于0.5塊長時，上下層溫差不大于14℃；不同高程大壩及廠房混凝土的內(nèi)外溫差≤18℃。混凝土允許最高溫度見表1。

表1 大壩混凝土允許最高溫度表（單位：℃）

3 混凝土冷卻水供水系統(tǒng)設計

3.1 冷卻水供水系統(tǒng)制冷容量

本工程混凝土冷卻水采用移動式冷水站供應，發(fā)包人提供的三套移動式冷卻機組冷卻水制冷容量為350m3/h。根據(jù)混凝土施工溫控技術條款的要求以及混凝土溫控計算結(jié)果，廠壩段大體積混凝土冷卻水疊加供水強度為315m3/h，發(fā)生在2013年5月，發(fā)包人提供的三套移動式冷卻機組冷卻水制冷容量滿足冷卻水供水強度要求。

3.2 移動式冷水站的布置

根據(jù)施工進度及現(xiàn)場的具體情況，大體積混凝土移動式冷卻機組分部位進行布置，具體的布置情況為：

二期混凝土施工冷卻機組位置：二期混凝土施工主要為左岸擋水壩段、主廠房壩段和河床泄洪閘壩段。結(jié)合現(xiàn)場混凝土施工安排及冷卻水供水系統(tǒng)布置的經(jīng)濟、合理性，在上游圍堰背水側(cè)左岸1010高程布置三套移動式冷卻機組，主要供1#～9#左岸擋水壩段、主廠房壩段和河床泄洪閘壩段冷卻水，系統(tǒng)水接入點為左岸供水系統(tǒng)主管。

三期混凝土施工冷卻機組位置：三期混凝土施工主要為明渠泄洪閘壩段及右岸擋水壩段，在15#壩段壩后回填平臺上布置1套移動式冷卻機組，主要負責明渠泄洪閘及右岸擋水壩段等部位的大體積混凝土冷卻水生產(chǎn)與供應，系統(tǒng)水接入點為右岸供水系統(tǒng)主管。

移動式冷水站安置時做混凝土墊墩并架設鋼架底座，避免移動式冷水站和地面直接接觸，對移動式冷水站采用彩鋼材料搭遮陽棚，防止太陽暴曬和雨水侵蝕，確保其正常運行。

3.3 冷卻水管布置

3.3.1 冷卻水供回水主管

本工程大體積混凝土通水冷卻分部位集中供應，采用供水主管將冷卻水引上游門機平臺，回水主管和供水主管同步布置，供回水主管外包橡塑保溫材料，盡可能減少冷水管與外界進行熱交換，其他部位采用在壩體橫縫處布置立管聯(lián)結(jié)主管，壩體內(nèi)的冷卻水管靠每層的供水包和支管與立管聯(lián)結(jié)。

3.3.2 壩體冷卻水管

壩體冷卻水管用HDPE塑料管，主管規(guī)格：內(nèi)徑32.60mm，壁厚3.70mm，外徑40.00mm，支管規(guī)格：內(nèi)徑28.00mm，壁厚2.00mm，外徑32.00mm。HDPE冷卻水管為專用塑料管材，除應滿足給水用高密度聚乙烯管材相關國家標準外，還應具有較高的導熱性能，其導熱系數(shù)應≥1.6 kJ/（m·h·℃）。

冷卻HDPE塑料水管指標見表2。

表2 冷卻HDPE塑料水管指標

大壩基礎約束區(qū)冷卻水管水平間距為1.5m，垂直間距1.5m；自由區(qū)冷卻水管水平間距1.5m，垂直間距3.0m；閘墩混凝土冷卻水管水平間距1.0m，垂直間距1.5m。廠房發(fā)電機層（高程1002.7m）以下部位水管間排距均為1.5m，其他部位冷卻水管垂直間距為3.0m，水平間距為1.5m。冷卻水管采用“U”形鋼卡固定牢固，防止位移。冷卻水管支管采用單回路蛇形布置，每個回路長度不超過300m。冷卻水管距上、下游面的距離一般為0.8～1.5m，局部不應小于0.5～1.0m；冷卻水管距橫縫面的距離一般為0.8m；冷卻水管距廊道、孔口等內(nèi)壁面的距離不應小于0.5m；伸出混凝土的管頭應加以保護，并編號標識。

3.4 冷卻水管的連接與封堵

連接：冷卻水管同一主管上不允許超過6個接頭，以防止接頭漏水。混凝土塊體外供水管與各冷卻水管出口間的連接應隨時有效，能快速安裝和拆除，能具備水流方向變換功能，同時能可靠地控制其中一條水管的流量而不影響其他冷卻水管的循環(huán)水。所有水管的進、出端均應做好明確的標記以保證整個通冷卻水的過程中冷卻水能按正確的方向流動。總管的布置應便于調(diào)換冷卻水管中水流方向，通水方向每24小時調(diào)換一次，冷卻水管中循環(huán)水壓力應不低于通水壓力的1.1倍。

封堵：當混凝土接縫（觸）灌漿完成，通水冷卻結(jié)束后，對冷卻水管進行封堵。冷卻水管封堵采用M30膨脹水泥砂漿，封堵時采用循環(huán)式，先由進漿管進水泥濃漿，同時將回漿管敞開，用以漿趕水方式將冷卻水管殘留水排出管外，直至回漿管的漿液濃度達到要求，將回漿管扎死，最后用純壓式封堵，直至不進漿時結(jié)束。封堵完成后切除冷卻水管的外露部分，并處理至滿足混凝土外觀質(zhì)量要求。

3.5 冷卻水管的通水檢測

在澆筑混凝土之前進行通水試驗，檢測水管是否堵塞或漏水，若發(fā)現(xiàn)漏水必須及時予以修復，堵塞時用高壓水進行疏通，無法修復或嚴重堵塞的情況下及時進行更換；在混凝土澆筑或混凝土澆筑后的其他工作中必須對冷卻水管細心保護，不致使其移位或破壞。

4 混凝土通水冷卻

4.1 一期通水冷卻

混凝土下料澆筑即開始一期通水冷卻。基礎約束區(qū)一期通水冷卻用12℃制冷水，自由區(qū)用14℃制冷水，天然河水若滿足水溫要求可以加以利用。冷卻水流量1.2～2.5m3/h，通水21天，同時要求溫度峰值過后的降溫階段最大日降溫速率≤0.5℃/天，通水溫度與混凝土溫度溫差不大于20℃～25℃。

4.2 中期通水冷卻

3～10月澆筑混凝土，在進入低溫季節(jié)前進行中期通水冷卻，混凝土內(nèi)部溫度控制在25～26℃。中期通水用深層天然河水，通水流量為1.2m3/h～2.0m3/h。最大日降溫速率≤0.5℃/天，通水時間約2個月，通水水溫與混凝土內(nèi)部溫度之差不超過15℃。

4.3 后期通水冷卻

后期通水冷卻適用于需進行接觸灌漿的壩段，后期通水溫度與混凝土溫度之差控制在15℃以內(nèi)。大壩建基面需進行接觸灌漿的陡坡壩段，在接觸灌漿前進行后期通水，使混凝土溫度降低至壩體穩(wěn)定溫度，以滿足接觸灌漿的要求。1#～4#壩段和14#～15#壩段穩(wěn)定溫度為17℃，同時降溫階段日降溫速率≤0.5℃/天。后期冷卻降溫開始時，混凝土的齡期不小于120天。

4.4 悶水測溫

采用悶水測溫的方法檢查混凝土通水冷卻是否到達要求，根據(jù)測溫結(jié)果調(diào)整水管進水口水溫、通水時間和是否需要繼續(xù)通水，悶溫時間5～6天，悶溫時間根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整。

4.5 溫度觀測

采用埋設在混凝土中的電阻式溫度計或熱電偶測量混凝土溫度，并對其提供的成果進行對比分析。澆筑塊未預埋監(jiān)測儀器的混凝土內(nèi)部最高溫度臨時測量可以采用簡易測溫管測量。

觀測頻次：開始澆筑～澆后7天，每6h測1次，溫度出現(xiàn)高峰期間要加密觀測，第7天～上層混凝土覆蓋期間，每天測1次。每個壩段在基礎約束區(qū)每2～3個澆筑層要布置一個混凝土內(nèi)部溫度臨時測點，在非約束區(qū)每3～5個澆筑層要布置一個混凝土內(nèi)部溫度臨時測點。在混凝土冷卻過程中，應至少每4h測量一次大體積混凝土冷卻水的溫度，并做好記錄。大體積混凝土澆筑后3天內(nèi)加密觀測溫度變化：外部混凝土每天觀測最高、最低溫度；內(nèi)部混凝土8h觀測一次。3天以后宜12h觀測一次。氣溫驟降和寒潮期間，增加溫度觀測次數(shù)。

5 結(jié)束語

混凝土施工過程中典型壩段的長期溫度監(jiān)測結(jié)果以及混凝土施工完成后大壩混凝土的裂縫普查結(jié)果顯示，通過通冷卻水降低混凝土內(nèi)部溫度，結(jié)合其他混凝土溫控措施，廠壩段混凝土溫控防裂效果顯著，未出現(xiàn)影響大壩安全的深層或貫穿裂縫，混凝土施工質(zhì)量優(yōu)良。