楊房溝水電站拱壩結構混凝土溫控改進研究與實踐

劉濤 宋濤

摘要：

為了解決楊房溝水電站拱壩結構混凝土澆筑初期出現內部溫差及最高溫度合格率低、總體溫度控制水平低的問題，通過調查分析和數理統計，確定了溫控超標的原因，并提出了相應的改進方案。結果表明：通過混凝土配合比優化、智能通水設備保護、通水調控和智能溫控網絡系統升級，拱壩結構混凝土溫度控制指標合格率大幅提高，滿足設計要求。研究成果可為大壩混凝土澆筑過程中的混凝土內部溫度控制提供參考。

關鍵詞：

結構混凝土； 混凝土澆注； 智能通水； 溫度控制； 楊房溝水電站

中圖法分類號：TV544

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.004

文章編號：1006-0081（2023）S1-0009-04

0 引 言

楊房溝水電站混凝土雙曲拱壩的壩身布置1個生態泄放孔、3個泄洪中孔和4個泄洪表孔，中、表孔結構澆筑C35二級配混凝土，中、表孔面主要為C18030四級配混凝土，并依靠智能化手段進行混凝土內部溫度控制。經統計，生態泄放孔結構混凝土澆筑初期內部溫差控制合格率僅為64%，最高溫度合格率僅為83.0%，不滿足混凝土內部溫差合格率不低于85.0%、混凝土內部最高溫度合格率不低于95.0%的要求。拱壩結構混凝土溫度超標屬于工程常見問題，但是溫度超標原因及采取的改進措施與工程所在地氣候環境、混凝土所用原材料、澆筑環境、人員素質、通水系統可靠性等密切相關。因此，混凝土內部溫差及最高溫度超標問題需要結合工程實際情況研究解決。

1 混凝土溫度控制現狀

楊房溝水電站拱壩的生態泄放孔區域結構復雜、鋼筋分布密集，為保證混凝土施工質量，多采用低級配、高坍落度混凝土進行澆筑，是混凝土溫度控制的重難點。

為確保拱壩中、表孔混凝土的溫度控制滿足要求，對已施工完成的生態泄放孔結構混凝土溫度控制情況進行了統計分析［1］，如表1所示：內部溫差控制合格率僅為64.0%，最高溫度合格率為83.0%，不符合設計要求。

對生態泄放孔結構混凝土溫度控制超標頻次及頻率統計如表3所示。

從表3可知，混凝土內部溫差和最高溫度超標頻次共111次，累計頻率達85%，占統計樣本比重較大。因此，內部溫差、最高溫度超標是拱壩結構部位混凝土溫度控制的最主要問題，需要降低內部溫差、最高溫度超標頻率，使其合格率滿足設計要求，進而提高結構混凝土內部溫度總體合格率。

2 超標原因分析

結合類似工程經驗以及該工程實際，從人員、原材料、施工機具及儀器設備、方法、施工作業環境、檢測6個方面進行分析，發現可能導致生態泄放孔混凝土內部溫差及最高溫度超標的原因共有15項：① 質量標準、技術要求交底不到位；② 施工人員責任意識不強、質量獎懲考核不到位；③ 混凝土水泥用量大；④ 骨料預冷不到位；⑤ 智能通水設備異常［2］；⑥ 冷卻供水系統異常；⑦ 冷卻水管布置不合理；⑧ 管路保護不到位；⑨ 通水調控不到位；⑩ 坯層覆蓋時間過長；B11 保溫、保濕不到位；B12 溫度計位置偏移；B13 氣溫過高；B14 智能溫控系統運行不正常；B15 測量儀器故障或數據錯誤。

2020年5月9～18日，結合以上15個方面的潛在原因，對可能導致

楊房溝水電站拱壩

生態泄放孔混凝土內部溫差及最高溫度超標的原因進行以下分析，確認其主要原因。

（1） 質量標準、技術要求交底方面。查閱了拱壩混凝土溫控施工作業人員的相關溫控培訓資料，調查了現場溫控施工管理人員對溫度控制重難點和標準的熟悉情況。結果表明：交底培訓內容全面細致，無缺失，滿足規范要求；相關溫控作業人員對技術標準掌握情況較好。

（2） 施工人員責任意識與質量獎懲考核方面。經查閱總承包部及工區溫控質量獎懲考核記錄資料，確認施工單位嚴格執行了質量考核制度，獎懲考核兌現及時、記錄資料齊全，獎懲兌現率100%。

（3） 混凝土水泥用量方面。由于混凝土溫度升高主要受水泥水化熱影響［3］，因此，研究小組重點對每方混凝土水泥的用量進行調查，拱壩結構混凝土部分材料用量統計如表4所示，結果表明：結構區域每方混凝土水泥用量比非結構區域多180 kg，是造成內部溫差和最高溫度超標的原因。

（4） 骨料預冷方面。查閱了骨料預冷終溫測量記錄，并現場對骨料砸石溫度進行抽檢。結果表明：相關測量記錄完善，骨料預冷終溫均滿足《預冷混凝土原材料溫度控制參數》相關要求。

（5） 智能通水設備。跟蹤調查現場溫控智能通水設備運行情況，查閱了設備運行維護記錄，發現智能通水設備開度、流量不匹配及智能控制模塊損壞的情況時有發生，進而導致混凝土冷卻通水不連續，對混凝土最高溫度及內部溫差影響較大，是造成超標的原因之一。

（6） 冷卻供水系統。楊房溝水電站共6臺冷水機組，分別布置于壩后左、右岸坡位置，每升高20 m左右布置一臺，機組有效揚程能達到40～60 m，滿足現場供水壓力需求。壩后各級棧橋冷卻供水主管布置均滿足施工方案和現場施工要求。機組運行情況穩定，且定期進行維護保養，工況良好，未出現因冷卻供水系統故障導致混凝土冷卻通水無法正常開展的情況。

（7） 冷卻水管布置。倉內大面無結構部位4級配混凝土澆筑區域，主要采用外徑32 mm高密度聚乙烯（HDPE）管，水管間距1.5 m（豎向）×1.5 m（水平）；結構部位2級配混凝土澆筑區域主要采用外徑40 mm高密度聚乙烯（HDPE）管，水管間距1.0 m×1.0 m或1.0 m×0.8 m。此外，倉面設計根據不同澆筑倉結構形式差異和實際溫度控制效果，對冷卻水管布置形式不斷優化調整［4］，并經監理機構審批后實施。因此，冷卻水管布置滿足設計要求。

（8） 管路保護。經查詢施工記錄、監理旁站記錄及影像資料，確認在施工過程中對現場澆筑過程中冷卻水管的保護到位，未出現打斷、破損、接頭漏水等現象，滿足設計要求。

（9） 通水調控。對溫控系統中的結構倉混凝土冷卻通水調控記錄進行調查分析，發現部分結構倉通水調控操作存在不合理及調控響應滯后等情況，主要表現為：工程施工前期，主要依托于智能溫控系統進行自動化混凝土冷卻通水，必要時采取人工干預的方式；但對于出現溫差較大的復雜結構倉號，智能溫控系統未能實現較好的自動化通水控制，對混凝土內部溫度及溫差控制的影響較大。因此，通水調控不到位是超標的原因之一。

（10） 坯層覆蓋時間。結構倉混凝土坯層覆蓋時間最多6.7 h，最少4.6 h，平均5.6 h，超過一般要求的4.0 h，但實際澆筑過程中未出現混凝土初凝現象，且對混凝土澆筑溫度復核表明，澆筑溫度合格率為100%。因此，混凝土坯層覆蓋時間影響程度較小，滿足設計要求。

（11） 保溫、保濕情況。檢查混凝土表面保溫、保濕情況，確認倉面已及時進行保溫被覆蓋，上、下游壩面及模板背側均采用苯板或卷材等保溫材料進行保溫隔熱，保溫被覆蓋嚴密，苯板粘貼牢固；橫縫混凝土面花管養護覆蓋均勻、養護及時，能有效防止高溫時段外接氣溫倒灌和幫助混凝土散熱。因此，保溫、保濕措施到位。

（12） 溫度計位置情況。對結構倉混凝土澆筑施工過程中溫度計的位置偏移情況進行了跟蹤調查。溫度計均按批準的倉面設計均勻分布于倉內上、中、下游各部位，采用Φ14 mm螺紋鋼進行固定；且開倉前已做警示標識，澆筑過程中安排了專人看護，有效避免了溫度計與倉內其他施工設備發生碰撞。

（13） 氣溫情況。對現場溫控施工的高溫天氣應對措施進行了檢查。混凝土運輸車的車廂防曬、隔熱等措施落實到位，混凝土澆筑倉噴霧覆蓋完整，噴霧降溫效果滿足設計要求。此外，施工中根據現場實際情況，盡量避開高溫時段澆筑混凝土、充分利用低溫季節和早晚氣溫低的時段澆筑。因此，對高溫天氣的應對措施到位，不屬于溫控超標的主要原因。

（14） 智能溫控系統。對拱壩現場智能溫控網絡系統運行情況進行了調查。受壩體結構遮擋影響，網絡覆蓋不完整，個別分控站信號較弱，且個別拱壩監控設備占用溫控網絡資源，溫控網絡中斷情況時有發生。因此，智能網絡對溫控系統的正常運行和通水調控影響較大，屬于主要原因之一。

（15） 測量儀器或數據問題。對拱壩混凝土溫控施工中溫度計、流量計等監測儀器使用情況進行了調查。相關儀器質量證明文件及率定記錄完整、儀器配備數量充足、定期維護保養記錄完善，滿足現場施工需求，未發生測量儀器故障或數據錯誤現象。

綜上所述，最終確認了導致結構倉混凝土內部溫差及最高溫度超標的4個主要原因：① 混凝土水泥用量大；② 智能通水設備異常；③ 通水調控不到位；④ 智能溫控系統網絡不穩定。

3 方案實踐

根據分析結果，針對4個主要原因制定了解決方案：① 優化配合比，在保證混凝土澆筑質量的前提下，盡量減少高流態、低級配混凝土用量，減少水泥用量，進一步降低混凝土內部水化熱；② 加強維護保養，在備足相關配件的基礎上，落實設備防水措施，提升智能設備用電穩定性；③ 針對重點結構倉建立通水調控臺賬，加密觀測及調控頻次；④ 形成溫控系統專用網絡，對現有網絡基站分布進行優化。

3.1 改進目標

綜合工程現場實際、技術要求規定，并參考同類工程經驗，認為解決70%的混凝土內部溫差和最高溫度超標問題具有技術和經濟可行性，拱壩（中、表孔）結構部位混凝土溫度控制整體合格率能提升至95%，見式（1）。

A={1-［（a+b）×（1-c）+d］/S}×100% （1）

式中：A為以生態泄放孔結構混凝土溫度控制統計值為基數，采取改進措施后期望可達到的中、表孔結構混凝土溫控總體合格率，即總體目標值；a為生態泄放孔結構混凝土內部溫差頻次；b為生態泄放孔結構混凝土內部最高溫度超標頻次；c為以生態泄放孔結構混凝土內部溫差、最高溫度超標頻次為基數的期望改進值，取70%；d為降溫速率超標頻次；S為生態泄放孔結構混凝土溫度控制監測總頻次，取1 050次。根據表2可知a=76、b=35、d=19，計算得到A=95%。

因此，根據現狀調查和目標測算分析，確定改進研究目標，將拱壩結構部位混凝土溫度控制整體合格率提高至95%。

3.2 改進方案

3.2.1 混凝土配合比優化

針對混凝土水泥用量大的問題，經過現場試驗發現：根據孔口倉實際結構形式差異，大部分孔口部位可采用110～130 mm坍落度的C35二級配混凝土進行澆筑，局部可采用90～110 mm坍落度的C35三級配混凝土澆筑，每立方米混凝土水泥使用量較原160～180 mm坍落度的C35二級配混凝土分別減少17 kg和52 kg，優化前后的混凝土配合比見表5。在實際實施過程中，加強倉面設計編制及審核，細化孔口倉混凝土澆筑區域劃分，并在現場落實專人對混凝土澆筑區域進行監督，嚴格控制低級配、高坍落度混凝土澆筑范圍和使用量。

通過以上優化，降低了水泥水化熱，進而降低了初期冷卻通水階段控溫壓力，對孔口倉混凝土最高溫度及內部溫差控制起到關鍵作用。

3.2.2 智能通水設備保護

根據對現場智能溫控通水設備異常情況的全面檢查結果，分析出現異常的主要原因是設備接線端口外露使其容易遇水受潮短路，以及施工電壓不穩定導致設備受損。因此，除了要求設備維護人員加強對設備的日常維護保養外，還需組織現場溫控施工班組對所有設備接線端口部位采用保護罩、防水膠帶及覆蓋薄膜等防水措施。同時，為現場溫控智能通水設備單獨配置配電柜，采取專電專供，嚴禁其他施工用電混接，在配電柜前段增設電壓穩定裝置，并在各個分控站外側加裝斷電信號指示燈及報警器，當出現電路跳閘時立即報警，以便于電工能及時發現和修復故障。

通過以上措施，現場智能通水設備故障發生的概率明顯降低。

3.2.3 通水調控

針對結構混凝土溫度控制，建立了冷卻通水調控臺賬，主要用于對重點結構倉通水調控情況進行跟蹤記錄，要求現場安排專人按照系統觀測頻率（1次/4 h）對結構倉混凝土溫度及通水情況進行重點監控和記錄，并及時發布臺賬。同時，相關溫控管理人員每天在現場指揮中心結合智能溫控系統和通水調控臺賬對調控效果進行檢查復核，并對后續通水計劃提出建議，指導現場實施。將原智能溫控系統自動調控的1次/d調控頻次提升至由人工和系統共同調控的3～4次/d。

通過實施上述對策，拱壩孔口倉混凝土通水調控工作在及時性、準確性和針對性等方面均得到不同程度的提高，為混凝土最高溫度及內部溫差的控制提供了有利條件。

3.2.4 完善智能溫控網絡系統

對現場溫控系統網絡進行了多次專項檢查，經討論、分析確定了采取有線和無線相結合的網絡布置方式，將相關非溫控設備從溫控網絡中移除，確保專網專用。對現場無線網絡基站位置進行統籌規劃和調整，保證溫控網絡無死角覆蓋，且針對受壩體結構遮擋可能存在信號衰弱的部位增設了中繼路由裝置，以進一步提升溫控網絡質量。

通過對智能溫控系統網絡的升級改造，網絡質量及數據傳輸穩定性得到明顯的提高，保障了智能溫控工作的順利開展。

3.3 改進效果

對實施改進措施后的拱壩中、表孔結構倉混凝土溫度控制情況進行統計，見表6～7。

拱壩孔口部位混凝土內部溫差合格率由64.0%提至83.5%，內部最高溫度合格率由83.0%提至98.6%，整體合格率由改進前的88.0%提至95.6%，高于預期目標值（95%），改進效果良好。

4 結 語

該研究指導了楊房溝水電站拱壩孔口部位的混凝土內部溫控工作，使孔口部位混凝土內部最高溫度、內部溫差等監測指標的合格率有了大幅提高。研究成果可用于該工程后續澆筑的混凝土內部溫控工作，為類似工程提供參考。

參考文獻：

［1］ 郭傳科，劉西軍，殷亮，等.雅礱江楊房溝水電站拱壩混凝土溫控防裂設計研究［J］.水利水電快報，2021，42（6）：31-34.

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