三河口碾压混凝土拱坝通水冷却施工工艺及效果研究

罗 畅 吴学谦 常耀孔

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710100)

随着水利大坝工程施工技术的不断提高，碾压混凝土越来越多地被应用到工程中。在碾压混凝土的施工阶段，确保坝体按照设计要求高质量施工，是大坝长久安全运行的基本保证[1]。因此，在碾压混凝土的施工过程中，研究大体积混凝土温度控制和防裂措施具有十分重要的实践意义。

碾压混凝土拱坝在施工中通常采用通仓浇筑，坝块长、基础约束和新老混凝土约束强，应力控制困难，极易产生裂缝，施工期温控防裂难度更大[2]。在目前的水利工程施工中，通水冷却是进行混凝土施工温度控制和防止裂缝产生的重要措施，通过控制冷却水管中冷却水的流动，将混凝土的热量转移走，可以有效降低由于混凝土水化热而带来的温度应力，同时实现预防开裂的目的[3]。

通水冷却的效果会受到冷却水管布置方式、冷却水温、通水冷却分期、冷却时间间隔等多种因素影响[4]，因此，选择合适的通水冷却施工工艺，将有效保障通水冷却施工的有效性，本文对引汉济渭工程三河口水利枢纽通水冷却施工工艺进行相关分析研究，并通过对引汉济渭工程大坝混凝土智能温控监控管理系统中坝体通水冷却保温子系统的相关数据进行分析研究，验证了通水冷却施工效果。

1 工程概况

三河口水利枢纽地处陕西省佛坪县大河坝乡上游约3.8km处的子午河峡谷下游段，作为引汉济渭工程的两个水源之一[5]，三河口水利枢纽水库总库容为7.1亿m3，调节库容6.5亿m3。三河口水利枢纽拱坝坝顶高程为646m，坝顶上游弧长472.153m，分10个坝段施工。其中拦河大坝为1级建筑物，抽水电站建筑物级别为2级，泄水消能防冲建筑物级别为2级，枢纽其他次要建筑物级别均为3级，临时建筑物级别为4级。工程大坝主体、消力塘及导流洞封堵等大体积混凝土总量约为109.8万m3，其中碾压混凝土约为90.68万m3。建设过程中温控难度大，要求高。

大坝地属子午河流域，属于北亚热带湿润、半湿润气候区，四季分明，夏无酷热，冬无严寒，春季升温迅速、间有“倒春寒”现象，秋凉湿润多连阴雨[6]。多年平均气温12.3℃，极端最高气温37.4℃，最低气温-16.4℃；多年平均降水量903mm，多年平均蒸发量1209mm，多年平均风速1.2m/s，风向多SSW，多年平均年最大风速9.1 m/s，最大风速12.3m/s，风向SSW，土层冻结期为11月到次年3月，最大冻土深度13cm。大坝区域逐月平均气温见表1。

表1 三河口水库工程坝址各月多年平均气温

2 通水冷却施工工艺

在进行通水冷却时，大坝在坝后布置3台冷水机组，通过供水干管进行冷却通水。混凝土内部埋设蛇行(φ25)冷却水管,每套长度不大于250m，上游防渗层局部加密至间距1m×1.5m，三级区冷却水管间距为1.5m×1.5m；铺设过程中，距上游面、横缝、廊道、孔口等特殊部位2m。

在混凝土浇筑过程中开始连续通水，水管通水流量1.5～1.8m3/h，每24h更改一次通水方向，同时进行两次测温，当混凝土内部温度稳定后，开始进行闷温5～7天，结束初期通水，随即进行中、后期通水冷却。

通过坝体的冷却水经过移动式冷水站换热后循环使用，移动式冷水站具有循环使用功能，冷水从坝体回收率为90%。冷水供回水具有自动换向功能，通过水温传感器、水管流量控制装置、水管流量测控装置、自动换向阀门、智能压力计等实现。

通水冷却施工工艺流程如图1所示。

图1 通水冷却施工工艺流程

2.1 初期通水冷却施工工艺

为了降低浇筑层混凝土初期水化热温升，通过进行初期通水冷却施工，可以确保混凝土的温度一直位于允许的最高温度之下，同时，还可以对坝体混凝土内外温差进行控制，减小温度应力。

a.在每一仓混凝土进行开仓浇注前，都必须对冷却铁管及上引铁管的畅通性进行有效检查并进行相关标注，确保冷却铁管等达到通水冷却施工的要求。

b.当冷却水管全部检查并确保畅通后，及时按《陕西省引汉济渭工程三河口水利枢纽碾压混凝土施工温度控制技术要求》所规定的参考流量及进水温度进行调节，每24h对水流方向进行一次变换。

c.成立温控班组专职对通水冷却施工过程进行操控，由于不同季节下温度、气候等天气条件均不相同，因此需要对各时段的冷却通水流量进行分段调整，见表2。

表2 不同季节不同时段通水流量控制

d.需要对通水冷却施工过程中典型坝段测温仪器的监测数据进行实时分析，同时将监测数据与闷温检测数据对照分析，研究出通水冷却初期施工中各时段的各类施工参数规律，为其他部位的施工提供参考。

2.2 中期通水冷却施工工艺

中期通水冷却的目标在于有效缓解初期冷却闷温结束后坝体混凝土内部温度回升情况，保障后期冷却开始时的温度。

a.严格按照《陕西省引汉济渭工程三河口水利枢纽碾压混凝土施工温度控制技术要求》进行相关施工，参考通水流量1.5～1.8m3/h，冷却水管入口处水温10±2℃。

b.中期通水为天然河水或冷却水，采用间歇通水的方式进行中期通水循环冷却施工。

2.3 后期通水冷却施工工艺

为了控制坝体混凝土内部温度达到设计要求的封拱灌浆温度，从而进行接缝灌浆，需要进行后期通水冷却施工。

a.在每一批次后期通水冷却开始前，要对该批次全部的冷却水管进行畅通性检查，对可能出现的各类问题进行实时处理，并组织参建各方进行施工交底会，确认各方均知晓该批次后期通水施工的各项参数。

b.后冷区自下而上分批次进行冷却，坝段内第一冷却批次自下而上包括两个冷却区、一个冷却过渡区、一个盖重区。第二冷却批次自下而上应包括一个冷却保温区、一个冷却区、一个冷却过渡区、一个盖重区。

c.后期通水冷却一般候冷通水历时为30天，根据进水温度随时调整流量控制。

3 混凝土通水冷却温度控制指标

3.1 设计容许最高温度

混凝土容许最高温度控制性指标见表3～表4。

表3 坝体碾压混凝土容许最高温度

表4 坝体常态混凝土容许最高温度

3.2 坝体通水冷却要求

初期冷却：5—9月要求采用10℃的人工制冷水初期冷却，10月—翌年4月采用天然河水进行初期冷却，通水时间为不少于20天，要求每24h变换一次通水方向，通水流量为1.2～1.8m3/h，控制每天降温速率不大于1.0℃/d。

中期冷却：中期冷却采用天然河水或制冷水，通水温度为14℃，通水时间不少于15～30天，每24h变换一次通水方向，使混凝土块体均匀冷却，通水流量为1.2～1.5m3/h，使混凝土内部温度冷却至20℃。

后期冷却一般在中期冷却后接缝灌浆前30天进行，通水水温不高于8℃，每24h变换一次通水方向，使坝体均匀冷却，通水流量控制在20～25L/min，控制每天降温速率不大于0.5℃/d。

4 通水冷却施工成果及分析

4.1 冷却通水平台与设备布置

根据施工现场情况，为满足大坝后续冷却通水需要，在大坝下游侧坝后坡514m、533m、546.5m、565m、602m、646m高程布置钢结构操作平台，相邻两层平台在分缝位置安装交通爬梯，用于连接上下平台，平台随大坝浇筑同步施工。

本工程冷水机组选用ACW3840冷水机组，可向上下80m范围供水，单台冷水机组生产冷水量为170m3/h，根据大坝施工计划，冷水机组共分三期布置，一期在大坝消力塘514.0m高程底板布置1台ACW3840冷水机组，主要为大坝504.8～553.0m高程供冷却水；二期在坝后左岸546.5m高程马道布置2台ACW3840冷水机组，主要为大坝553.0～602m高程供冷却水，三期在大坝左岸646m高程平台(左、右岸坝顶平台)布置各1台ACW3840冷水机组，主要为大坝602m高程以上供冷却水。

坝后供水主、支管均采用焊接钢管，主管采用DN200钢管由原有供水系统管道接入冷水机组，由冷水机组冷却后经由供水主管DN200供给每层冷却操作平台(主冷却水管沿坝后坡布置，每层冷却操作平台支管与主管对应连接)。在冷却平台设置供水包。供水管管路适当位置设控制阀，以控制水流方向。裸露的主冷却水主管和储水罐包裹1～2cm厚隔热保温材料。

大坝混凝土通水冷却出水选用移动式冷水站进行循环利用，该冷水站采用保温集装箱作为冷水站的装载外箱，整体运输和移动。移动式冷水站均采用国内先进的螺杆制冷压缩机组，能效比COP值超过6.0，采用滑阀式卸载装置，能在100%～10%负荷范围内无级调节。移动式制冷机组控制系统以工业级可编程序控制器PLC为核心，实现自动化控制，最大限度地发挥了集装式制冷水站的优势。

4.2 典型坝段温度计布置

为全面掌握施工期坝体碾压混凝土温升规律，检验温控措施，进一步指导温控工作开展，全面了解施工期坝体温度应力分布状态，在坝体监测断面按不同高程梯级网格布置温度计，在5个主监测断面的527m、545m、560m、574m、586m、598m、610m、628m、634m、637m、640m、643m、645m高程布置了温度计。温度计直接安装在新碾压混凝土表面，电缆敷设采用钢管保护，温度计现场施工埋设如图2所示。在此，选取坝体典型断面温度作为监测温度数据进行分析。

图2 温度计埋设施工

4.3 施工成果分析

为了验证通水冷却施工效果，本节选取大坝574m高程的Ⅱ断面、Ⅳ断面和Ⅴ断面的实测温度进行分析。每个断面均埋设4支温度计，温度监测布置如图3所示，坝体574m高程温度计最高温度统计见表5。

图3 574m高程监测断面监测仪器布置

表5 坝体574m高程温度计最高温度统计

每个断面中各温度计温度过程线如图4、图5、图6所示。

图4 574m高程Ⅱ断面温度计温度过程线

图5 574m高程Ⅳ断面温度计温度过程线

图6 574m高程Ⅴ断面温度计温度过程线

574m高程温度计于2018年6月安装，通过数据分析可见，各温度计监测温度逐渐升高，在第5～15天左右时，达到最高温度。此时进行初期通水冷却施工，坝体的温度开始逐渐回落，最高温度出现在T2-3、T2-4、T4-21测点，分别为35.4℃、34.8℃、36℃，基本小于或等于设计值，其余测点低于容许最高温度。从分布规律来看，574m高程各断面靠近上游侧的温度计最高温度较高。这是因为虽然高温季节浇筑时，靠近上、下游部位受外界气温和太阳辐射热影响都较大，但上游由于二级配碾压混凝土的水化热温升较高，因此温度较高。

混凝土最高温度整体控制情况较好，表面温度计初期主要受到混凝土水化热影响，温度上升，在混凝土到达最高温度后，随着冷却通水的进行，坝体温度逐渐降低，全过程各测点温度均低于容许最高温度。通过对日降温速率进行分析可知，除了T4-22测点在初冷期间存在个别天数日降温速率超过1℃的情况，其余测点日降温速率均低于1℃，满足设计要求，证明该仓混凝土温控措施较好。

5 结 论

本文针对碾压混凝土拱坝施工期温控防裂难度大的问题，验证了通水冷却温控施工的冷却水管布置方式、冷却水温、通水冷却分期、冷却时间间隔等施工工艺及相关参数。通过在坝体预埋温度计测量施工过程的坝体温度，将实际温度与混凝土通水冷却温度控制指标对比，验证了通水冷却施工的成果与有效性。

选取大坝574m高程的Ⅱ断面、Ⅳ断面和Ⅴ断面的温度实测情况进行研究，结果证实随着冷却通水的进行，坝体温度会逐渐降低，全程温度与降温速率均满足相关温控要求，通水冷却温控施工效果良好。

本文探索了碾压混凝土拱坝通水冷却温控施工工作措施，并通过实际数据对比验证了施工的有效性，为碾压混凝土施工温控提供了依据，本文的施工成功经验，也为后续国内外类似碾压混凝土工程施工应用提供了一定理论支撑与实验依据。