清远枢纽二线船闸混凝土通水冷却智能控制

张润德，段亚辉，方朝阳，陈秋凡，钟东丽，黎锦钊

（1.广东省源天工程有限公司，广州511340；2.武昌理工学院城市建设学院，武汉430023；3.武汉大学水利水电学院，武汉430072）

0 引 言

通水冷却是大体积混凝土特别是大坝混凝土温度控制最常采用的施工措施之一，以朱伯芳院士为带头人的团队对此进行了深入的研究，提出了“小温差早冷却缓慢冷却”以及初期、后期冷却的科学方法［1-4］。司政、杨丹等进一步研究了小温差冷却对大体积混凝土温度应力的影响效应［5］，叶敏、叶志强等研究了基于遗传算法的通水冷却系统参数优化［6］，商桑、赵春菊、周宜红等结合某高拱坝研究了中期通水冷却降温影响因素及最优温控措施［7］，刘小萍、杨志刚等将通水冷却用于实际工程提出混凝土施工温控措施方案［8，9］。通水冷却在船闸、消力池、地下工程等领域都广泛采用［10，11］。

近期，为了更科学控制混凝土内部温度及其变化过程，陈军琪、许娜研究了混凝土冷却通水数据自动化处理系统，并在工程中应用［12］，张磊、张国新，刘毅等研究了数字黄登大坝混凝土温控智能监控系统［13］，段亚辉、樊启祥等提出了“衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法以及系统”［14］，并在白鹤滩水电站泄洪洞初步应用。在此基础上，结合清远枢纽二线船闸工程特点，提出其结构混凝土通水冷却自动化控制参数和技术方法，通过在闸首等工程部位应用，论证了通水冷却自动化管控的科学性和适用性。

1 工程背景

清远二线船闸为Ⅲ级通航建筑物，设计最大船舶等级1 000 t 级，船闸规模：220 m×34 m×4.5 m。上、下闸首采用钢筋混凝土整体式结构，平面外轮廓50 m×65 m（长×宽），孔口宽度34.2 m，扣除钢护木后净宽34 m。闸室采用钢筋混凝土整体式结构，净宽34.0 m，总长220 m。主体结构采用C25 三级配混凝土。

船闸混凝土体积大，结构复杂，主要混凝土浇筑在高温季节，而且没有生产低温制冷混凝土的条件，出机口温度高。据早期浇筑混凝土温度观测成果，内部最高温度达到近70 ℃，超过设计允许值60 ℃。如此高的内部温度，势必导致大的温度应力。如果不采取通水冷却等有效温控措施，可能会产生温度裂缝。砂基上大型船闸结构，一旦产生裂缝，特别是贯穿性裂缝，就会严重危及工程安全。

通水冷却程序较为复杂，人工完成，劳动强度大，人为性强，通水冷却效果在极大程度上受到工作人员影响。因此，在过去成功经验的基础上，针对船闸混凝土的温控特点，研究专门的通水冷却参数，利用机械原理和信息化技术研究开发自动化通水冷却技术，并在工程中应用，对于更好、更有保障进行通水冷却和温控防裂，提高混凝土质量具有重要意义。

2 船闸混凝土通水冷却智能控制参数确定

根据混凝土的水化热温度发生发展过程和通水冷却控制参数有关研究成果，船闸混凝土通水冷却时机与控制参数应该包括：通水冷却分期；各期的通水时间、冷却水温、温降速率，以及流量。

船闸混凝土，厚度相对大坝而言较小，分层浇筑，混凝土温升温降快，因此只需要一期通水冷却，但其控制目标包括降低内部最高温度和控制内表温差。为有效降低内部最高温度，混凝土覆盖冷却水管即开始通水冷却，所以通水冷却时间即为通水冷却的总时长。通水冷却流量（亦即流速），是多年工程经验参数，宜为0.6～0.7 m/s；水流方向，应每24 h 调换1 次［1-3］。因此，根据与船闸工程有关规范技术要求和工程经验，确定混凝土通水冷却通水时间、冷却水温、温降速率3个参数如下：

（1）通水时间Td。根据水工混凝土施工规范规定［15］，初期冷却可取10～20 d，中期通水冷却宜为1～2 个月左右。船闸混凝土通水冷却只有一期，但要求达到两期的温控效果，因此取Td=20 d。

（2）冷却水温（亦即冷却水与混凝土内部温度的差值［∆Tcw］）。各规范控制值基本一致，混凝土温度与冷却水之间温差不宜超过20～25 ℃［15-18］。由于控制中，水温差最大的是最高温度发生时。而这时是温升温降分界线，即使是温降初期，混凝土内部仍然处在受压状态，所以可以采取较大的水温差，实际控制中取混凝土温度与冷却水之间温差不超过25 ℃。

（3）温降速率。根据《混凝土结构工程施工规范GB50666-2011》，混凝土降温速率平均不宜大于2.0 ℃/d。对于混凝土内部温度刚达到最高温度开始下降的初期，内部温度仍然明显高于表层混凝土温度，内表温差较大，不利于防止表面裂缝，宜尽快减小内表温差，即这一时期（最高温度出现时间Tmd至最大内表温差出现时间△Tmd，大约2d）宜较大的温降速率，如2.5～3.0 ℃/d。

对于船闸混凝土通水冷却时间控制，由于船闸结构厚度相对较小，内部温度在超过最高温度后一定时间不会再回升，在温降已经有一定时间、温降速度已经由环境温度控制（即，不通水温降速度已经大于允许值）后，为了节约施工成本，在智能控制时，采取如果连续24 h 不需要通水情况温降速度大于允许值（2 ℃/d），则终止通水冷却。

3 通水冷却智能控制技术方法

根据“早冷却”原则［2］，混凝土覆盖冷却水管即开始通水冷却。根据温度作用机理，内部温度曲线控制需要分为温升和温降两个阶段。温降阶段，为了有效控制混凝土内表温差和温降速度，又具体又分为3个分阶段控制，见图1。

图1 船闸混凝土温度曲线控制过程示意图Fig.1 Control process of concrete temperature curve of ship lock

温升阶段（0≤T≤Tmd，Tmd为最高温度出现时间），尽可能采取制冷水大流量通水冷却，把混凝土内部最高温度Tmax控制在允许最高温度［Tmax］范围。

温降阶段（Tmd＜T≤Td，Td终止通水冷却时间），则控制水温和混凝土温降速度。混凝土温降速度按照平均≤2.0 ℃/d 控制，通过间歇性通水冷却实现混凝土温降速度的控制。

温降阶段通水冷却水温尽可能满足小于［∆Tcw］=25 ℃要求。当只布置一套制冷水供水系统而且水温差大于25 ℃时，智能控制应采取小间隔控制通水冷却时间（流量）实现埋设在混凝土内部水管水温和混凝土温降速度的控制。

通水冷却智能控制，由智能控制器（专利产品）通过温度计实时采集混凝土内部温度；计算判别混凝土温升、温降过程和温降速率；按照温升阶段全时通水、温降阶段依据温降速率通过联接电缆智能控制电磁阀开关实现间歇通水，具体控制方法及其过程见图2。

图2 船闸混凝土通水冷却智能控制方法Fig.2 Intelligent control method of concrete water cooling in ship lock

4 上闸首底板混凝土通水冷却智能控制与效果分析

4.1 通水冷却智能控制系统布置与安装

（1）温度计埋设安装。2支南瑞电阻式温度计，用铅直钢筋固定在底板结构和厚度中心，电缆沿钢筋引出仓面（图3）至智能控制器安装柜。一支与智能控制器联接检测内部温度；一支人工监测检验智能控制器观测值（用于验证）。

图3 混凝土温度计安装Fig.3 Installation of concrete thermometer

（2）通水冷却水管布置。二线船闸施工供水主管沿船闸轴线布置，从供水主管Φ50 mm 引出一根Φ30 mm 通水冷却水管，在上闸首底板混凝土仓面如图4布置。水管间距1.5 m，5.0 m厚度底板混凝土在层底、1/3、2/3层高各布置一层。

图4 通水冷却水管布置Fig.4 Layout of water cooling water pipe

（3）电磁阀布置安装。考虑到施工人员安全，选用低压（24 V）电磁阀，安装在进水口前端，连接于施工供水管与通水冷却水管之间。电磁阀电缆与智能控制器连接，由智能控制器控制开关，如图5所示。

图5 电磁阀安装Fig.5 Installation of solenoid valve

（4）智能控制器（专利产品）及其电路开关与电缆的布置安装。为安全、防水，制作专柜集中安装在右岸高台、进水口前端，由电工安装，如图6。

图6 通水冷却智能控制系统Fig.6 Water cooling intelligent control system

4.2 上闸首底板混凝土浇筑

上闸首底板混凝土于2018年11月28日8∶00 时开始浇筑，11月28日11∶00完成。全过程对环境温度、混凝土入仓温度和浇筑温度进行了监测，结果列于表1。设计要求浇筑温度低于28 ℃，允许内部最高温度60 ℃。通水冷却采用供水系统的常温水。

表1 上闸首底板混凝土温控检测成果 ℃Tab.1 Test results of temperature control for concrete at the floor of upper gate head

4.3 通水冷却智能控制实施情况

通水冷却智能控制系统全部于2018年11月27日下午安装就位，并全面安全检查与通水冷却调试。28日9∶00 混凝土覆盖温度计，智能控制器开始实时测量混凝土温度数据，自动判别温升、温降，控制电磁阀通水冷却与温降速度。于2018年12月3日10∶06时结束通水冷却，历时122 h。

智能控制器实时观测和控制混凝土内部温度历时曲线如图7实线，人工测量混凝土内部温度历时曲线如图7虚线。混凝土覆盖时温度计的温度26.7 ℃，历时31 h 达最高温度56.5 ℃，最大温升29.8 ℃。

图7 上闸首底板混凝土温度历时曲线Fig.7 Temperature duration curve of concrete at the floor of upper gate head

4.4 上闸首混凝土通水冷却内部温度控制效果

通过对上闸首底板混凝土采用通水冷却智能控制，混凝土内部最高温度和温降速度等都得到有效控制。具体表现在：

（1）上闸首底板为厚度5 m 的C9025 混凝土，通水冷却采用自来水，即常温水，实测12月平均水温Tw=14.6 ℃，Tmax-Tw=56.5-14.6=41.9 ℃≥［∆Tcw］，在混凝土温降过程通过智能控制器间歇性通水控制温降速度。

（2）实测混凝土内部最高温度56.5 ℃，在31 h 出现，小于设计允许最高温度60 ℃，混凝土内部最高温度得到有效控制。

（3）混凝土内部最高温度出现后的2 d，实测温降速度2.4 ℃/d，小于温降初期允许温降速率2.5 ℃/d。

（4）从31 h 开始温降，至122 h 停止通水冷却，历时91 h，总温降5 ℃，实测温降过程的温降速度1.32 ℃/d，小于2.0 ℃/d，平均温降速度得到有效控制。

（5）终止通水冷却的龄期，实际控制终止龄期为98 h，智能控制器控制终止时间为98+24 h（即连续24 h“不需要通水冷却，则终止通水冷却”），在混凝土内部最高温度出现后的91 h。

（6）为了进一步核实上闸首底板混凝土内部温度智能控制的效果、原理的正确性，在内部温度下降、终止通水冷却后仍然进行温度监测（人工监测、智能监测），直至2018年12月4日10∶00时，上闸首底板混凝土内部温度没有再回升，一直保持小于1.0 ℃/d下降，最终进入环境气温控制阶段。

根据以上结果，并结合混凝土内部温度曲线，可以获得如下结论。

（1）上闸首底板混凝土通水冷却Tmax-Tw≥［∆Tcw］，采取间歇性通水智能控制温降速度，温降初期2 d实测温降速度2.4 ℃/d，历时91 h；总温降5 ℃，实测温降过程的温降速度1.32 ℃/d；均有效实现温控目标。同时说明，“温降初期（Tmd＜T≤∆Tmd，大约2 d）按照≤2.5 ℃/d 控制温降速度，降温的全过程（Tmd＜T≤Td）按照平均速率≤2.0 ℃/d控制”的参数是合理的。

（2）采取“连续24 h 不需要通水冷却，则终止通水冷却”的方式进行终止通水冷却控制，实际效果与建议终止理论值“最大内表温差出现后”一致，既验证了理论分析的正确性，也证实了终止通水冷却控制方法的科学性与实用性。

（3）上闸首底板混凝土采取通水冷却智能（自动化）控制，混凝土内部最高温度和温降速度等都得到有效控制，运行至今没有发生任何裂缝，证实了智能控制方法的科学性、智能控制设备与技术的实用性。 □