中小型水电站大体积混凝土温控风险分析.pdf

第 3 9卷第 1 0期 2 0 1 3 年1 0 月 水 力 发 电 中 小 型 水 电 玷 大 俸 积 混 凝 土 温 控 风 险 分 析 王 晓 鹏 ( 四川 1 大 学水利水 电学院 ，四川成都6 1 0 0 6 5 ) 摘要 ：对 于中小型水 电工程 ，由于基础部位 大体积混凝土方量 占总体混凝土方量 比例较小 ，施工持 续时段不长 ， 若建立一套完整 的温控 系统及设备 ，利用率不高 ，混凝土 的摊销成本较 大。为此 ，以安谷 水电站工程为例 ，通过对 混凝土温控风险 因素进行分析 ，找 出导致混凝土温升最主要 因素 ，并提 出有针对性 的温控措施 ，以解决 中小型水 电 工程温控措施与投资之间的矛盾 。 关键词 ：温度控制 ；风险分析 ；大体 积混凝土 ；中小型水 电站 Ri s k An a l y s i s o n M a s s Co n c r e t e Te m p e r a t u r e Co n t r o l i n S m a l l a n d M e u m Hy d r o p o we r S t at i o n s W ANG Xi a o p e n g ( C o l l e g e o f Hy d r a u l i c a n d Hy d r o - e l e c t r i c En g i n e e r i n g , S i c h u a n Un i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， S i c h u a n ， C h i n a ) Ab s t r a c t B e c a u s e t h e ma s s c o n c r e t e i n f o u n d a t i o n o f s m a l l a n d me d i u m h y d r o p o w e r p r o j e c t s o n l y a c c o u n t s a s m a l l e r p r o p o r t i o n t o t o t a l c o n c r e t e a n d t h e p o u r i n g d u r a t i o n o f f o u n d a t i o n c o n c r e t e i s n o t l o n g, a c o mp l e t e t e mp e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m a n d e q u i p me n t w i l l n o t b e f u l l y u s e d a n d t h e c o s t w i l l b e h i g h e r T a k i n g A n g u H y d r o p o w e r S t a t i o n p r o j e c t a s a c a s e s t u d y ， t h e r i s k f a c t o r s o f c o n c r e t e t e mp e r a t u r e c o n t r o l a r e a n a l y z e d t o i d e n t i f y t h e mo s t i mp o r t a n t f a c t o r w h i c h l e a d i n g c o n c r e t e t e mp e r a t u r e r i s e ， a n d t h e n c o r r e s p o n d i n g t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s a r e p r o p o s e d t o e l i mi n a t e t h e c o n t r a d i c t i o n b e t we e n t e mp e r a t u r e c o n t r o l r e q u i r e me n t a n d i n v e s t me n t o f s ma l l a n d me d i u m h y d r o p o we r p mi e c t s Ke y W o r d s ： t e mp e r a t u r e c o n t r o l ； r i s k a n aly s i s ； ma s s c o n c r e t e ； s ma l l a n d me d i u m h y d r o p o we r s t a t i o n 中图分类号 ： T V 5 2 3 ；T V 7 4 2 文献标识码： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 4 1 0 3 0 引言 在水 电工 程 的建 设 中 混凝 土 温 度 控 制是 一 项 必 不 可少 的工 作 ，在 特 大 型 、大型 水 电项 目的建 设 中 ，有 较 为 完 善 的管 控 体 系 和设 施 ，仿 真计 算 及 技 术 研究 也 较 多 。但 在 中小 型项 目中 ， 由于基 础 部 位 大 体积 混 凝 土 方量 占总 体 混凝 土方 量 比例较 小 ，总 量 不大 ，且 基 础部 位 混 凝 土施 工 持 续 时 段不 长 ，一 般 经历 1 2个 高 温季 节 就 可完 成 ，因 此 。若 建 立 一 套完 整 的温 控 系统 及 设 备 ，则 利 用 率 不 高 ，混 凝 土 的摊 销 成本 较 大 。本 文 以安 谷 水 电站 为例 ，结 合 项 目 条 件 ，进 行 温 控 风 险 分 析 ， 确 定 风 险 应 对 措 施 。 提 出针 对 中小 型 项 目的 温控 措 施 即在 质 量 需 要 的 同时 ，能 够有效 降 低经 济成 本 。 1 工程概 况 安 谷 水 电 站位 于 四川 省乐 山市 沙 湾 区 。是 大渡 河 梯 级 开 发 的 最 后 一 级 电 站 以 发 电 为 主 并 兼 顾 环 境 生 态用 水 要 求 。水 库 正 常 蓄水 位 3 9 8 O 0 i n，总 库 容 约 6 3 3 0万 1T I ，电站 总 装机 容 量 7 7万 k W。工 程 枢 纽 由混 凝 土 闸 坝 、非 溢 流 坝 、 电 站 厂 房 、船 闸 、 副 坝 及尾 水 渠 等建 筑 物 组成 。枢 纽混 凝 土 总 方量 约 2 0 0万 in ，其 中 ，基 础 大体 积 混 凝 土方 量 约 7 0万 in。 ， 根 据进 度 计 划 安排 ，基 础 部位 大 体 积 混凝 土将 在 4月 9月 浇 筑 完 成 ，经 历 一 个 高 温 季 节 。 2 大体积混凝土 温控风 险管理计划及风 险 识别 混 凝 土 温 控 风 险 管 理 计 划 主 要 包 括 以 下 几 方 面 ： 分 析 混凝 土 浇 筑 过程 中导 致 温升 的主 要过 程 或 环 节 ； 对 过程 或 环 节 中各 影 响 因 素 进行 分 析 研 究 ； 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 4 1 1 作者简 介 ：王晓鹏 ( 1 9 7 5 一 ) ，男 ，四川达 州人 ，高 级工 程师 ， 建设部注册监 理工程师 ，注册 总监 ，博士研 究生 ，主要从事水 电工 程监理工作 W tr t e r P o w e r V o 1 3 9 N o 1 0 口 建立 相应 数 学模 型 ； 找 出主要 敏 感 因子 ； 根 据 主要 敏感 性 因素 ，提 出降低 温 度 裂缝 的有效 措 施 和方法 ； 建议及 经验 总结 。 混 凝 土 温 升 的 来 源 主 要 有 混 凝 土 的 拌 制 和 生 产 、 混 凝 土运 输 过程 中温 度 回升 ，浇 筑 温 度 ，水 化 热 引 起 的 绝 热 温 升 等 。 主 要 体 现 为 出 机 口 温 度 、入 仓 温 度 、浇 筑温 度 、绝 热 温 升 ，因此将 这 些参 数 作 为 风 险 识 别 因 素 进 行 分 析 。 3 风险分析 3 1 温控 风 险分析 3 1 1 混凝 土 出机 口温度 结 合 文 献 1 ， 2 】 及 现 场 试 验 给 出 出 机 口 温 度 计 算 公 式 如下 = ( G+ C Q ) +( + Q ) + ( 一 Q 一 ) ( c s + C + ( 1 ) W ) + 4 2 P t V ( c s W + C 。 W。 + W ) 式 中 ， 为 混 凝 土 自然 拌 和 出 机 口 温 度 ， ； G、 c 、 、 分 别 为 砂 、石 、水 泥 和 水 的 比 热 ；Q 、 分 别 为 砂 、 石 的 含 水 量 ， ； w 、 w 、 w 、 w 分别 为单 位体 积混 凝土 中砂 、石 、水泥 和水 的质量 ； 、 、 、 分 别 为 砂 、石 、水 泥 和水 的 初 始 温 度 ；P为搅 拌 机 电动 机 功 率 ，k W ；t为搅 拌 时 间 ， mi n； V为 搅 拌 机 容 量 ，i n ，按 有 效 出 料 容 积 计 。 根 据式 ( 1 ) 计算 出 的出机 口温度 为 2 3 7 6 o C，实 测 混 凝 土 出 机 口 温 度 为 2 4 5 计 算 值 与 实 测 值 较 为接 近 ，表 明用 式( 1 )计算 是可 行 的 。根 据安 谷项 目各项 实测 数据 ，进行 温 升计算 。 假 设 其 他条 件 不 变 的情 况 下 ，砂 子 、石 子 、水 泥 、 水 的 温 度 每 升 高1 o C出 机 口 温 度 分 别 升 高 0 3 4、0 5 3、0 0 7、0 0 1 6。从 上 述 分 析来 看 ，同 等 条 件 下 原 材 料 温 度 变 化 对 出 机 口温 度 变 化 敏 感 的 因素 依次 为粗 骨料 、砂子 、水 泥 、水 。 3 1 2混凝 土入仓 温度 混 凝 土 入 仓 温 度 ，根 据 文 献 f 1 1 中 的 经 验 公 式 确 定 = T o +( + 一 T o ) ( 1 + 2 + 3 + ) ( 2 ) 式 中 ， 。 为 混 凝 土 的人 仓 温 度 ； 为 当时 气 温 ；R 为太 阳辐 射 热 ； 3为 表 面放 热 系 数 ；T o 为 混凝 土 出 机 口温 度 ； 为经验 系数 。 根 据 安谷 项 目气 温条 件 出机 口温度 取 平 均气 温 ，即 T o = 3 0 ，外界 气 温 变 化 、太 阳辐 射 影 响及 装卸 、运 输 时 间变 化 对入 仓 温 度 的影 响如 下 ：当外 界温 度 升高 1时 ，混凝 土 入仓 温 度升 高 约 0 1 ； 有 无 太 阳 辐 射 影 响 时 混 凝 土 入 仓 温 度 变 化 1 0 2 ：装 卸 次 数 每 增 加 1次 混 凝 土 入 仓 温 度 升 高 囫W a t e r P o e r V o z 3 9 N o 1 0 0 3 2 ：混 凝 土 运 输 时 间每 增 加 1 mi n，入 仓 温 度 升 高 0 0 2 2 。 3 1 3混凝土 浇 筑温度 混凝 土 浇 筑 温度 根 据文 献 1 】 中提 出公 式 进行 计 算 = 4 - ( R 一 ) ( + 咖z ) ( 3) 式 中 ， 为 浇 筑 温 度 ；T 1 为 入 仓 温 度 ； T o 为 气 温 ； R 为 太 阳 辐 射 热 ； 3为 表 面 放 热 系 数 ；( b 为 平 仓 以 前 的温度 系数 ；西： 为平仓 以后 的温度 系数 。 根据 安 谷 工程 现 场实 测 资料 ，混 凝 土入 仓 温 度 取 3 2，根 据计算 ，外 界气 温 、太 阳辐射 热 、平 仓 以 前 的 温 度 系 数 、平 仓 以 后 的 温 度 系 数 对 混 凝 土 浇 筑 温度 的影 响如 下 ：当外 界气 温 升 高 1 ，浇筑 温 度 升高 0 1 3 ：有 无太 阳辐射 热影 响 ，浇 筑 温 度 的 影 响 变 化 0 2 4 ： 从 混 凝 土 人 仓 到 平 仓 前 的 时 间 每 增加 1 0 rai n，浇 筑温 度 升高 0 2 4 o C；平 仓 以后 每 增 加 1 h，浇 筑 温 度 升 高 0 2 4 。 从 上 述分 析 看 ，同等 条 件下 对 混 凝 土浇 筑 温 度 变化 敏 感 的 因素 依次 为 ：平 仓 以前温 度 系 数( 平 仓 时 间 变 化 ) 、平 仓 以后 温 度 系 数( 上 层 混 凝 土 覆 盖 时 间 ) 、外 界 气 温 及 太 阳 辐 射 热 。 3 1 4混凝土 水化 热及 绝热 温升 绝热 温升根 据文 献【 3 】 中的公 式进行 计算 =Qo 1 - e x p ( 一 m ) 】 C( 1 - 0 7 5 P) ( e p) ( 4 ) 式 中 ，Q0 为最终 水化 热 ，k J k g ；t 为龄 期 ，d ；m、n 为 常 数 ；C为 包 括 水 泥 及 粉 煤 灰 等 胶 凝 材 料 用 量 ， k g m ；P为 粉煤 灰 掺量 的百 分 数 ；c为混 凝 土 比热 ； P为 混 凝 土 容 重 。 根 据 安谷 工 程 常态 混凝 土配 合 比 ，根 据 上 述公 式 ，混 凝土 龄期 、单位 体积 混凝 土 中胶 凝 材料 用量 、 粉 煤 灰 用 量 对 混 凝 土 绝 热 温 升 的 影 响 主 要 为 ：混 凝 土 龄 期 从 3 d增 至 7 d后 ，绝 热 温 升 升 高 4 3 3 ； 单位体 积混 凝土 胶凝材 料每 增加 1 0 k g，绝 热 温升 升 高 1 0 4 ；单 位 体 积 混 凝 土 煤 灰 掺 量 每 增 加 5 ， 绝热 温升 降低 1 2 1 。 根 据 上 述 温 控 风 险 分 析 ，列 出 主 要 风 险 因素 ， 并 对 其 进 行 统 计 见 表 1 。 3 2温控风 险敏 感度 分析 从 安 谷 水 电 站 混 凝 土 浇 筑 温 度 和 水 化 热 温 升 情 况 统计分 析 ，两者对 最高 温度 的影 响各 占 5 0 左右 ， 故 在 风 险 敏 感 度 计 算 中假 设 两 影 响 因子 比例 均 为 0 5 0 。而 浇 筑 温 度包 含 人 仓 温度 对 其 影 响 ，根 据 实 测 数 据 统 计 结 果 入 仓 温 度 对 其 影 响 因 子 比例 为 0 9 5。其 余 因素 对 其 影 响 因 子 比例 为 0 0 5；入 仓 温 度包 含 出机 口温 度 对 其 影 响 ，根 据 实 测 数 据 统 计 ， 可设 出机 口温度 对人仓 温度 的影 响 因子 比例 为 0 9 5， J7口 l u 上 珊 ： i I 、 芏， J 埘 J 表 1 温控风 险因素排 列统计 主 要 因 素 主 要 风 险 因 子 鐾 星 对 混 凝 土 温 升 影 响 其 余 冈 素对 人 仓 温 度 的影 响 因子 比例 为 0 0 5则 可 根 据上述 风 险 因素列 出风 险敏 感度 见 表 2。 表 2风险敏感度排列 从 表 2可 知 ， 主 要 风 险 敏 感 度 因 素 对 混 凝 土 最 高 温度 的影 响从 高 到低 排列 如 下 ：混凝 土水 化 热 龄 期 从 3 d到 7 d的 增 加 ；煤 灰 掺 量 的 减 少 ：水 泥 用 量 的 增 加 ；粗 骨 料( 石 子 ) 温 度 的 影 响 ；砂 子 温 度 的 影 响 ： 浇 筑 过 程 中太 阳 辐 射 热 的 影 响 ；水 泥 温 度 的 影 响 ；人 仓 过 程 中 太 阳 辐 射 热 的 影 响 。 上 述 风 险 敏感 度 达 到其 余 风 险 因素 的 3 4倍 以上 ，甚 至 个别 主要 风 险 因素 达 到数 十倍 以上 因此 。对 混凝 土 温 控 可 主 要 从 这 几 方 面 着 手 。 4 风险应对措施 4 1 采取 的主要 措施 ( 1 )原 材料 的选 择 。为 减 少 由于水 泥 水 化 作 用 产 生 的 温 升 ，安 谷 工 程 采 用 了“ 峨 胜 ” 、“ 嘉 华 ” 两 种 品 牌 的 低 热 硅 酸 盐 水 泥 ，有 效 降 低 了 水 化 热 作 用 在 温度 峰值 的叠加 ，降低 绝热温 升 。 ( 2)配合 比的 选取 。 煤 灰掺 量 的选 取 。根 据 文献 4 中规定 ，安 谷工 程在 上述 规 范规定 范 围 内 ， 将大 体积 混凝 土煤 灰 掺量 调整 至 2 5 3 0 。 水泥 用 量 的 选 取 。 为 减 少 水 泥 用 量 ， 同 时 满 足 混 凝 土 在 高 温季 节 的施 工 需 要 ，在 配 合 比试 验 设 计 时 ，选 取 了缓 凝 高效 减 水 剂 ，使 单 位 用 水 量 减 水 率 达 2 5 。 在 满 足 规范 对 于 最 大骨 料 粒 径 与钢 筋 净 间距 要 求 的 前 提 下 ，针 对 工 程 特 点 ， 在 一 些 闸 室 、 大 坝 基 础 等 部 位 ，采 取 了高 级 配 的混 凝 土 配合 比 ，一定 程 度 上 ， 减 少 了 胶 凝 材 料 用 量 ，增 强 了 混 凝 土 的 抗 裂 性 能 。 ( 3 )原材 料 温 度 的控 制 。 骨料 温 度 控 制 。根 据 工程 特 点 ，主要 从 骨 料 堆 高 、地 弄廊 道 取 料 、料 仓 及输 送 皮 带 遮 阳等 方 面采 取 一 定 措施 。 水 泥 温 度 控 制 。加 强进 场 水 泥 温度 的控 制 ，确 保 水 泥 入罐 温 度 低 于 6 0 ( 4 )运 输 及 浇筑 过 程 中温度 控 制 。 运输 过 程 中温 度 控 制 。采 取 运 输 车辆 遮 阳蓬 、尽 量 减 少混 凝 土运 输 距 离及 转 运 和 装卸 次 数 等 措施 。 浇 筑过 程 中温 度 控 制 。采 取 仓 面 喷雾 降 温 、尽 量 缩 短 台 阶法 浇 筑 宽 度 、振 捣 完 毕 料 头 进 行 覆 盖 遮 阳 、 终 凝 部 位 表 面 覆 盖 及 洒 水 等 措 施 。 ( 5 )其 他 。浇 筑 完 成后 ，在 混凝 土 表 面采 用 塑 料 薄 膜 或 草袋 进 行 遮 盖 。利 用 不 间断 洒 水养 护 在 混 凝 土达 到龄期 前 ，始终 保持 混凝 土 面的湿 润状 态 。 4 2措 施实 施后 的效 果 通 过风 险预 测 ，取消 了冰楼 、风冷 等 温控 措施 ， 针 对 主要 风 险 因 子制 定 相 应 温控 措 施 ，安谷 水 电站 基 础 部位 大 体 积 混凝 土 浇 筑 温度 控 制 取 得 了较 好 的 效 果 ，在 高 温 季 节 浇筑 的情 况下 ，除局 部 外 ，无 大 面 积 及 危 害 性 裂 缝 出 现 ，保 证 了 工 程 质 量 ，降 低 了 工 程 造 价 。 5 建议及总结 混 凝 土 温 控 是 一 个 较 为 复 杂 而 系 统 的 问 题 不 仅涉 及 技 术 ，而 且 涉 及 到投 资 。对 于一 些 大 型 、特 大 型水 电工程 而 言 ，对 温 控 问题 的考 虑 相 对较 为 完 善 ，投 入 也相 对 到 位 。但 对 于 一些 中 、小 型水 电站 工 程 而 言 ，该 部 分 的 投 入 有 限 ， 因( 下 转 第 7 5页 ) Wg e r P o w e r V o 1 3 9 N o 1 0 囚 厢 j 世 厢 l u批 口 7 、 J I 旦， 习 = ： 莱 I 如 日 U l 廿 L 1 屯任 巾 休 ： 叠 ? 臣 力校 正 ，使前 池 水 位 恢 复 到运 行 高 水 位 ，提高 水 资 源 的利用 率 ，增加 电站 的经济 效益 。 3 实例分析 以河 南 省 某 小 型 明渠 引 水 式 水 电站 为 例 。 电站 装 机 容 量 为 ( 1 ) ， 主 要 利 用 径 流 进 行 发 电 ，渠 道 来 水 主 要 受 农 田灌 溉 的 影 响 。 其 压 力 前 池 型 式 为 开 敞 式 ， 尺 寸 为 m 1 ( 长 宽高 ) 。其 引水 布 置形 式如 图 2所示 。 图 2某 电 站 引 水 布 置 示 意 以 电站 某 年 实 测 径 流 进 行 前 池 水 位 控 制 计 算 ， 通 过 对 电站前 池 水 位 进行 优 化 控 制 ，实 际运 行 结 果 与 优 化 运 行 结 果 见 表。 由表 1知 ，电站通 过对 前池 水 位进 行优 化 控制 ， 水 电站 年 发 电量 增 加 了 ，一 定 程 度 上 提 高 了 水 资源 的利 用 率 ，增 加 了电站 的经 济效益 。 4 结语 本 文 通 过 对 明 渠 引 水 式 电 站 的 前 池 水 位 优 化 控 制 的 探 讨 提 出 了 在 实 际 运 行 中 操 作 可 行 的 壅 高 前 池 水位 的发 电 方式 ，在 壅 高 前 池水 位 的工 况 下 ，又 导 出 了 电 站 出 力 偏 差 的 计 算 公 式 。 对 明 渠 引 水 式 电 站 实 施 前 池 水 位 的 优 化 运 控 制 有 较 强 的 针 对 性 ，简 单 易行 ，可 供 同类 水 电站 实施 前 池水位 控 制参 考 。 表 1 实测数据与优化运行数据 比较 参考文献 ： 李钰心 水电站经济运行 M 北京 ：中国电力出版社， 马跃先 小型水 电站优化运行与管理 M 郑州 ：黄河水利 出版 社 3 常黎 ，梁年生 ，金 和平 引水式水 电站前池水 位及有 功负荷最 优分配的综合控 制 J 水电能源科学 ， () ： 一 4 邵 文权 ，南海鹏 ，王涛 引水式 电站 恒前池水 位控制 系统的稳 定 分析 J 大电机技术 ， ( 1 ) ： 一 5 周 中建 前池水 位调 节模式 下的水 轮机调 节系统 仿真研 究 J 水 电站设计 ， ， () ： 一 南海鹏 ，邵文权 ，罗兴锖 水位调节 模式下水 轮机调节 系统调 节 参数最优配置 J 水力发电学报 ， ( 5 ) ： 一 ( 责任 编辑高 瑜 ) (上 接 第 4 3页 ) 此 ，做 好 混凝 土 的温 控 防裂 的控 制 难 度 较 大 。通 过 温 控 风 险分 析 ，抓 住 重点 风 险控 制 要 素 提 出 具 有 针 对 性 的 应 对 措 施 ， 可 以 有 效 地 解 决 温控 与投 资 之 间的矛 盾 ，可供 其他 工 程参 考 。 参考 文献 ： 朱伯芳 大 体积混凝 土温 度应力 与温 度控制 M 北京 ：中国电 力 出 版社 一 水利水 电工程混凝 土预冷 系统设计导则 一 水工混凝土结构设计规范 s S l L 址 址 址 址 址 址 址 址 4 一 水工混凝土掺用 粉煤灰技术规范 S 5 杨萍 ，朱伯芳 ，刘毅 ，等 混凝 土拱坝 温控措施 仿真敏感性 分 析 J 水 力发 电 ， ， () ： 一 何建辉 大体 积混凝 土温 度应 力与 裂缝 的探讨 J 大众科技 ， ) ： 一 7 张金华 大体积混凝 土温控计 算方法的探讨 J 水 利水 电快报 ， ， ( ) ： 一 8 徐伟 ，吴春萍 大体 积混凝 土温 度裂缝 控制及 分析 D 合 肥 ： 合肥工业大学土木建筑工程学院 ( 责 任编 辑焦雪梅 ) ( 上 接 第 6 0页 ) 京：水利电力出版社， 2 徐猛 公 共建 筑空 调系 统效 能 比的探讨 J 四川 建材 ， ( ) ： 一 3 贺婷婷 白莲河抽水蓄能电站通风空调设计 J 水力发 电， 3 6f ) ： 一 D G _r J 0 8 8 0 2 2 O 0 5 通风 与空调 系统性能检测规程 s 5 薛殿华 空气调节 M 北京 ：清华 大学 出版社 张治 龙 滩地下水 电站 热环境特性研究 D 重 庆 ：重 庆大 学 ， 7 胡凤 山 ，刘胜 全 水 电站通风设计 中的几个 技术 问题 J 东北 水 利水 电 () ： 8 温建 军 ，李 安桂 ，董宇 坝体 廊道 通 风换 热性 能 的解析 研究 J 制冷空调与电力机械， ， () ： 一 ( 责 任编辑王 琪 ) 困