大藤峽水利樞紐工程通水冷卻效果探討

◎ 董立安 廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司

董玉樂 河南德匯投資集團(tuán)有限公司

劉歡歡 信陽學(xué)院

1.工程概況

大藤峽水利樞紐位于珠江流域西江水系的黔江河段，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°02′，北緯23°28′。黔江流域地處我國(guó)低緯度地帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，大部分地區(qū)的氣候特點(diǎn)是春季陰雨連綿，雨日較多；夏季高溫濕熱，暴雨頻繁；秋季常受臺(tái)風(fēng)入侵影響；冬季嚴(yán)寒天氣少。

流域多年平均氣溫14℃～22℃，其中上游地區(qū)一般為14℃～18℃，中、下游地區(qū)一般為17℃～22℃。壩址附近多年平均氣溫21.5℃，極端最高氣溫39.2℃，極端最低氣溫-3.3℃。

大藤峽工程樞紐建筑物主要包括泄水、發(fā)電、通航、擋水、灌溉取水、過魚建筑物等。工程建成后水庫正常蓄水位61.0m，汛限水位47.6m，水庫總庫容為34.3×108m3，其中防洪庫容15×108m3；電站裝機(jī)160×104kW，多年平均發(fā)電量61.3億度。2019年汛后下閘，2020年汛前發(fā)電，大藤峽水利樞紐混凝土施工總量約700×104m3。

2.混凝土出機(jī)口溫度影響因素

利用熱平衡原理，混凝土的總比熱為：

式中：Gi為每立方米混凝土中第i類材料的重量，kg；Ci為第i類材料的比熱，kJ/（kg·k）；Gc為每立方米混凝土的加冰量，kg；C水為水的比熱，kJ/（kg·k）；C冰為冰的比熱，kJ/（kg·k）。

為保證混凝土充分水化，混凝土出機(jī)口溫度一般＞3℃，此時(shí)拌合用冰已全部融化，上公式中，計(jì)算混凝土總比熱容時(shí)已將冰的比熱替換成水的比熱。

各種巖石及混凝土組成材料的熱學(xué)特性，表1數(shù)據(jù)僅供無試驗(yàn)資料時(shí)參考。

3.大藤峽水利樞紐工程通水效果

表2為大藤峽水利樞紐實(shí)際采用的抗沖耐磨混凝土配合比及對(duì)應(yīng)的比熱容統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1 各種巖石及混凝土組成材料的熱學(xué)特性

表2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：大藤峽7月溫度最高，達(dá)28.7℃，其余溫度數(shù)據(jù)均采用大藤峽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，混凝土組分為大藤峽抗沖磨混凝土（二級(jí)配）。

大藤峽水利樞紐工程主要采用卵石骨料，主要成分為二氧化硅，C30抗沖磨混凝土總比熱為2501[kj·（m3·℃）-1]，2017年9月、10月，通過倉號(hào)的溫控?cái)?shù)據(jù)，混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到30℃左右時(shí)，2m3/s的制冷水（進(jìn)水水溫10℃）進(jìn)出水的水溫差普遍在3℃～4℃，在2m3/s的流量基礎(chǔ)上繼續(xù)加大通水流量，進(jìn)出水水溫差增加不大，尤其是超過3m3以后流量增大，熱交換的時(shí)間減小，進(jìn)水口水溫差基本上沒有變化。

按照4℃計(jì)算，每天制冷水帶出的熱量：4.2×1000×4×2×24=806400kj。1m×1.5m對(duì)應(yīng)的混凝土的總比熱：50×1×1.5×2501=937882.5kj·℃-1。帶出的熱量除以混凝土總比熱暨消峰效果，最高每天可消峰約0.86℃，基本上第一天因混凝土溫度距最高溫度較遠(yuǎn)，混凝土和冷卻水的溫度梯度不大，進(jìn)出水水溫差偏低，約1℃～2℃，按照高峰的40%匡算，第二天在2℃～3℃左右，按照80%匡算，普通硅酸鹽水泥3d左右達(dá)到最高溫度，暨1m×1.5m的水管間距可消峰0.86×2.2=1.89℃。大藤峽水利樞紐工程大體積混凝土主要使用中熱水泥，最高溫度出現(xiàn)時(shí)間基本上第4d～5d，按照理想的5d計(jì)算，第一、第二天按照高峰的40%匡算，第三、第四天按照高峰的80%匡算，最后一天按照100%匡算，1m×1.5m的水管間距可消峰0.86×3.4=2.92℃。大藤峽水利樞紐大體積混凝土均采用中熱水泥，實(shí)際冷卻水管間排距1.5m×1.5m，混凝土高峰到來前通過冷卻水可降低溫度約2℃。

混凝土達(dá)到最高溫度，意味著混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度和混凝土散發(fā)的溫度達(dá)到平衡，若不通冷卻水、自然散熱，最高溫度的出現(xiàn)時(shí)間將進(jìn)一步推后，按照推后兩天計(jì)算，1m×1.5m水管間距可進(jìn)一步消峰0.86×2=1.72℃，1m×1.5m水管間距可進(jìn)一步消峰0.86×2=1.15℃。

4.結(jié)束語

經(jīng)本次研究，得出以下結(jié)論：

（1）溫控混凝土通水效果和水化速度關(guān)系敏感，優(yōu)選低熱、中熱水泥，延長(zhǎng)最高溫度出現(xiàn)時(shí)間，便于混凝土充分散熱而消減最高溫度。

（2）管長(zhǎng)、進(jìn)出水水溫差一致的情況下，通水冷卻帶出的熱量效率主要和冷卻水管的間排距離的積成正比，在條件允許的情況下盡量減少減排距。

（3）在大流量通水的情況下，流量和進(jìn)出水的水溫差變化不大，超過3m3后流量增大，熱交換的時(shí)間減小，單純?cè)黾油ㄋ髁浚ㄋ鋮s效果改善不明顯。

（4）大藤峽水利樞紐在采用1.5m×1.5m排水管、中熱水泥進(jìn)行溫控的情況下，可消峰約3.15℃，混凝土溫控是系統(tǒng)工程，需同步做好出機(jī)口溫度、環(huán)境溫度控制等工作。