彭水电站航建标船闸砼通水冷却.doc

彭水电站航建标船闸混凝土通水冷却

摘要：彭水电站航建标船闸砼通水冷却对预防砼温度裂缝，成功实施宽槽回填很关键，它既关系到工程质量，同时对2007年的渡汛产生制约，需科学组织通水，适时检测砼内部温度，把握结束通水的最佳时间。
关键词：彭水电站 船闸 温度 通水冷却
1．概况
彭水电站航建标船闸砼通水冷却分为初期通水、中期通水和后期通水。初期通水主要是起削减混凝土内部最高温升的作用，使其温度不超过设计允许的最高值。在高温季节浇筑的砼块，尽管采用了预冷砼，砼内部最高温度仍可能超过设计允许最高温度，应采取初期通水。对高温季节采用预冷砼浇筑的基础约束区，即使砼内部最高温度不超过设计允许最高温度，也应采取初期通水，把砼内部最高温度控制在适当的范围内。中期通水主要是起削减混凝土的内外温差作用，进一步降低砼内部温度，使坝体在冬季不产生裂缝。后期通水是对1#坝段岸坡接触灌浆和宽槽回填部位，在灌浆和回填前必须进行后期通水冷却。
彭水船闸设计允许最高温度 单位：oC
部 位
月 份
12～2
3、11
4、10
5、9
6～8
闸室，下闸首底板
26
28
32
35
35
闸首底板
26
28
32
33
33
船闸
侧墙
强约束区
26
28
32
34
34
弱约束区
26
28
32
35
37
脱离约束区
26
28
32
35
39
左非
1#坝段
强约束区
26
28
322
34
34
弱约束区
26
28
32
35
37
脱离约束区
26
28
32
35
39
强约束区:建基面～0.2L，弱约束区: 0.2L～0.4L，脱离约束区:0.4L以上，L为浇筑块最长边。
2．冷却通水
2.1 水源
　　由左岸F1断层渗水及左岸系统水供应船闸一线的冷却通水的用水。
2.2 冷却水管选材
按照设计，船闸冷却水管可选用黑铁管，也可以用塑料高密聚乙烯类管材。我们重点比选了黑铁管和塑料管。塑料管导热性能不如黑铁管，但塑料管购买价格低，安装铺设费用低，本身可弯曲接头少。选用塑料管作为砼块体的冷却水管，对于相同的块体温度要求，中后期冷却时间较使用黑铁管会延长一周左右，占总通水时间的比例不到10%。因此，我们选择了塑料管作为砼块体的冷却水管。经检测，主要参数为：公称内径￠28，公称壁厚2mm，公称压力0.8MP，导热系数1.62KJ/(m.h. oC)
2.3管线布置
在每一浇筑层中预埋蛇形冷却水管，冷却水管采用塑料管。仓内按2.0(浇筑层厚)×1.5(水管间距)布置，埋设的冷却水管距块体边线2～2.5m，水管在层面埋设，埋设时应特别注意间距和拐弯处的固定。凡砼结构尺寸大于6m的均按此埋设。12月份至次年3月份浇筑的砼仓内不埋设（左非1#坝段和宽槽部位除外）。
2.4 通水要求
2.4.1 初期通水
初期通水在砼浇筑收仓后12h内进行, 结束标准是砼内部温度已降到最高允许温度以下。由于气温高达40 oC,且通的是水温为18 oC的F1断层渗水,初期通水时间长达20天。在正式通水前，先对冷却部位的冷却管进行检查、疏通，并作好管路进出口的挂牌标识。在水压0.2MPa时流量大于15L/min为通畅，用“田”表示，8～15L/min为半通畅，用“日”表示，小于8L/min为微通或不通用“口”表示。对于微通或不通的情况则延长相邻上下层冷却管的通水时间并加大流量。由于仓面在300m2以内，且在浇筑中，我们特别注意了仓内管路的观察保护，供水管路全部通畅。挂牌标识的内容包括：部位、分层高程、浇筑日期、通水开始时间、通水结束时间、责任人。通水期间，每天测定冷却水管进出口水温，测定通水流量并记录，结合仓内埋设温度计监测结果，指导现场通水流量控制。初期通水流量为大于20L/min。
2.4.2中期通水
在九月初，我们启动了中期通水。九月初开始中期通水的对象是当年5～8月份浇筑的砼；十月初开始中期通水的对象是当年4月份和9月份浇筑的砼；十一月份开始中期通水的对象是当年10月份浇筑的砼。水源是工地系统水。通水前，先进行3天闷温，掌握砼块体内部温度。中期通水流量为大于20L/min，每三天换调一次进出水口。中期通水的结束标准是砼内部温度降到20℃～22℃。中期通水一个半月后，结合仓内埋设温度计的监测结果，择机进行5天闷温，测定砼内部温度，若未达标则继续通水冷却，并加密冷却水管进出口水温测定。
2.4.3后期通水
由于左非1#坝段有岸坡接触灌浆，船闸EL275以下有宽槽，所以还需在灌浆和宽槽回填前进行后期通水。左非1#坝段后期通水的结束标准是砼内部温度达到或接近基岩温度，宽槽部位后期通水的结束标准是砼内部温度降到13℃～15℃。后期通水流量为25L/min并保持连续通水，通水期间每2天调换一次进出水口，并且每天对通水情况进行测定记录。后期通水砼降温速率为0.25℃/d。当砼块体接近达到灌浆温度或宽槽回填温度时，应停止通水，控制误差在+1℃和-2℃之间。通水前及通水过程中，加强对已埋仪器的观测，开始每3天观测一次，接近或达到设计要求温度期间，每3天观测2次。通水过程中，每隔30天左右进行一次抽样闷温。塑料管闷温5天，测温时用高压风将管内积水缓缓吹出，接于小桶内，立刻用温度计测若干次，剔除相差2℃以上的异常测值后，取其平均值。
2.4.4冷却水管的回填
通水后,对确认不再需要通水的水管采用0.5:1水泥浆封堵。
3 后期通水的计算及其效果
3.1 通水时间计算
后期通水一般属无内热源的通水，混凝土的水化热基本消失。彭水航建工程冷却水管呈井形布置，每一冷却水管所担负的冷却范围为一空心圆筒。因此，砼块体的通水冷却变为若干迭合的空心圆筒的冷却，空心圆筒的内径为冷却管的直径2r，圆筒的外径为等效圆直径2R，2R=1.21(S1*S2)1/2 =1.21(1.5*2.0)1/2=2.10m,(式中:S1，S2为冷却水管的水平间距及垂直间距)。
假设混凝土初始温度为TO，冷却水管进口水温为Tw，混凝土平均温度为TM,
TO，冷却水管进口水温为Tw，混凝土平均温度为TM,
则TM= Tw+X(TO-Tw)。
式中：X即通水冷却函数,与砼导温系数、导热系数、冷却水管直径及长度、冷却水比热及比重、流量等有关。
a——混凝土导温系数(0.003132m2/h)。
　　t——通水时间(h)
　　D——通水冷却等效圆直径(m)
　　λ——混凝土导热系数(2.087kcal/m·H·℃)
　　L——单层冷却水管长度(≤250m)
　　Cw——水的比热 (1 kcal/kg·℃)
　　ρw——水的比重
qw——通水流量(m3/h)
根据上述公式，我们可以测算出后期通水需要的时间，从而倒推出为满足07年渡汛要求的后期通水最迟的启动时间。
若船闸EL275以下砼块体经中期通水后温度为22℃（由闷温测得），宽槽回填前须进行后期冷却通水，冷却水为江水，假定从12月21日开始后期通水, 冷却水管进口水温为Tw=13℃，水温每十天降2℃,通水流量为20L/min，要达到设计要求的准稳定温度15℃，计算通冷却水的时间。
已知砼块体初始温度TO=22℃，冷却水管内径2r=2.8cm，间距1.5×2.0m，混凝土平均温度为TM＝15℃，混凝土导温系数a=0.0833m2/d，通水冷却等效圆直径D=2R=2.1m，λ＝2.50W/m·℃， L=150m， Cw＝4.17 Kcal/kg·℃，P=1000kg/m3，通水流量qw=20L/min＝1.2m3/h。假定从12月21日开始后期通水, 冷却水管进口水温为Tw=13℃，水温每十天降2℃,求通水天数。
D/2r＝2.1×100/2.8 =75≠100
因此，导温系数a须作变换：
等效导温系数a'=a×ln100/ln(D/2r)=0.0833×ln100/ln75=0.0833×1.067=0.0889
a't/D2＝0.0889t/2.1×2.1=0.0202t
λL/Cwρwqw＝2.5×3.6×150/4.17×1000×1.20=0.2691
X的值由a't/D2和λL/CwρwqW的值查相关资料确定。
Tw
(℃)

TO-Tw

a't/D2

X
时 间(月.日)
12.21
12.31
1.10
1.20

13
9
0.202
0.71

6.39
4.59
3.15
11
2
0.404
0.51

1.42
1.02
9
2
0.606
0.35

1.42
X(TO-Tw)

6.39
6.01
5.59
TM

22
19.39
17.01
14.59
经测算,由于是通温度较高的江水,所以要到元月下旬（1.20）即近一个月的时间,才能达到宽槽回填所需温度。当然，把后期通水时间再往后推一些，因气温水温更低，通水效果会更好，所需通水时间更短，但通水结束的绝对工期会后拖，对后续工作安排也是不利的。
　4 结论
通过现场实践，我们对砼通水冷却有以下认识：
（1）挂牌标识很重要。以前对这些细节问题是存在认识偏差的。如果责任不到位，通水搞不好；如果搞混了，监测资料与砼块体不能一一对应，对通水的整体安排是不利的，有的部位可能发生欠冷，而有的部位则可能发生超冷，在冷却过程中，还可能发生相邻块体之间温差过大的不利现象，不能统筹兼顾，尤其仓面大，管路甩头多的情况下更得留意。
（2）三期通水各有侧重，最终目的是确保砼建筑产品质量。初期通水控制最高温度，中期通水削减内外温差，后期通水减少砼收缩。各期通水时间是可预测的。
（3）各种温控措施综合利用，才能达到较好效果。
（4）通水管的长度，壁厚导热性能，仓内布置等都对通水的冷却效果有影响。增加单根水管长度，虽可减少水管根数，减小供水量，提高冷却效率，但也会使冷却水在管中的水力损失增加，降低冷却效果；管壁在水管能承受内水压力和外部砼骨料冲击的条件下，应尽量薄，以利传热；黑铁管在通水效果上优于塑料管，但差异有限；水管铺在浇筑层中比铺在层面效果更好，若砼入仓强度能满足平铺法施工，应采取层中铺设。
（5）通水流量应保证在管中形成紊流，并满足降温要求。单根水管的流量应大于20L/min，并根据检测结果调整流量。
（6）管路的通畅程度是冷却通水的基本保证。在浇筑过程中，除加强保护外，采用0.1MP水压通水,可在管路覆盖时通过出口水流情况及时发现问题,及时予以处理。
（7）后期冷却通水有三个问题，将决定通水成败。一是要根据中期通水的效果，确定切合实际合理可行方案，尽量不用制冷水以降低成本；二是要确保砼与制冷水之间温差不超过25℃，降温速率小于1℃/天；三是要确定通水时间，通过测算和监测分析，及时终止通水，防止超冷。
陈家万（1965-） 男 四川资中、 高级工程师 七局副总工程师 担任彭水项目部副经理兼总工程师，长期从事施工技术及管理工作。