劉 剛

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，530200，南寧）

一、工程概述

大藤峽水利樞紐位于珠江流域西江水系黔江河末端。 黔江地處我國(guó)低緯度地帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，大部分地區(qū)的氣候特點(diǎn)是春季陰雨連綿，雨日較多；夏季高溫濕熱，暴雨頻繁；秋季常受臺(tái)風(fēng)入侵影響； 冬季嚴(yán)寒天氣很少。 流域多年平均氣溫14～22℃。壩址附近多年平均氣溫21.5℃， 極端最高氣溫39.2℃， 高溫天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。 庫(kù)區(qū)黔江水溫全年都在13℃以上，年平均水溫21.3℃，與年平均氣溫接近，歷年最高水溫30℃。

船閘工程混凝土總量達(dá)到170.8萬(wàn)m3, 全部為溫控混凝土， 施工強(qiáng)度高，溫控難度較大；冷卻供水系統(tǒng)供水高程為-15.0～65.0 m， 供水高差很大。閘室中間底板結(jié)構(gòu)復(fù)雜且沒有空間布置冷水機(jī)組， 閘室邊墻外側(cè)處于土石方回填區(qū)也沒有空間布置冷水機(jī)組，閘室上、 下游航道底板及邊墻因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工干擾可提供冷卻供水系統(tǒng)設(shè)備及管道的布置場(chǎng)地非常有限。

二、溫控主要技術(shù)指標(biāo)

船閘混凝土溫控技術(shù)要求明確，全年澆筑混凝土需布設(shè)冷卻水管進(jìn)行通水冷卻， 水管間距為： 基礎(chǔ)約束區(qū)1.5m×1.5m(層間距×水平間距)，脫離基礎(chǔ)約束區(qū)1.5 m×2.0 m(層間距×水平間距)。 冷卻水管采用高強(qiáng)度聚乙烯塑料管（主管直徑40 mm，壁厚2 mm，支管直徑32 mm，壁厚2 mm），單根長(zhǎng)度不大于250 m?；炷敛捎脙善谕ㄋ?。一期通水冷卻， 混凝土澆筑開始時(shí)即開始通水，水溫9～15℃，最大流量1.5m3/h，連續(xù)通水時(shí)間不少于20 天，混凝土內(nèi)部溫度與通水水溫之差不超過25℃，每24 小時(shí)改變一次水流方向，混凝土溫度降幅小于0.7℃/d， 使混凝土塊體均勻冷卻。 二期通水， 每年10 月下旬—11 月上旬對(duì)當(dāng)年高溫季節(jié)（4—10 月）澆筑的船閘混凝土進(jìn)行二期通水冷卻， 水溫13～15℃， 最大流量1.5 m3/h， 連續(xù)通水時(shí)間不少于30 天，混凝土內(nèi)部溫度與通水水溫之差不超過20℃， 每24 小時(shí)改變一次水流方向，混凝土溫度降幅小于0.5℃/d， 使混凝土塊體均勻冷卻。 冷卻水管采用高強(qiáng)度聚乙烯塑料冷卻水管。

三、設(shè)計(jì)思路

船閘混凝土冷卻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：①根據(jù)船閘混凝土溫控技術(shù)要求，混凝土最大冷卻水通水流量根據(jù)氣溫、河水溫度、船閘混凝土施工方案、 混凝土月施工強(qiáng)度等資料確定。②制冷系統(tǒng)容量根據(jù)船閘分期通水水溫、最大通水流量、供水溫度資料確定。 ③冷卻供水系統(tǒng)的制冷設(shè)備、水泵型號(hào)、冷水系統(tǒng)形式和管道及附件布置方式， 根據(jù)船閘結(jié)構(gòu)布置、船閘周圍地形情況、 最大通水流量、通水高程、制冷系統(tǒng)容量等資料確定。

四、混凝土最大通水流量確定

船閘全年澆筑的混凝土，需布設(shè)冷卻水管進(jìn)行通水冷卻， 水管間距為：基礎(chǔ)約束區(qū)1.5 m×1.5 m(層間距×水平間距)， 脫離基礎(chǔ)約束區(qū)1.5 m×2.0 m(層間距×水平間距)。單根支管長(zhǎng)度不大于250 m。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)倉(cāng)位冷卻水管布置圖計(jì)算出每1 m3混凝土需要冷卻水管支管的長(zhǎng)度為0.45 m。 船閘混凝土一期通水需要同時(shí)通水冷卻的最高強(qiáng)度按照10 萬(wàn)m3/月，冷卻通水流量富裕系數(shù)按照1.35 的考慮，最大通水流量為1.5 m3/h。 根據(jù)上述條件計(jì)算一期通水最大流量Q1為：

式中，Q1為混凝土一期最大通水流量，m3/h；Fmax為混凝土澆筑強(qiáng)度10 萬(wàn)m3/月；L0為1 m3混 凝 土 需 要 冷 卻 水管支管的長(zhǎng)度為0.45 m；K2為冷卻通水流量富裕系數(shù)為1.35；L 為單根支管最大長(zhǎng)度為250 m；K1為支管最大通水流量為1.5 m3/h。

每年10 月下旬—11 月上旬對(duì)當(dāng)年高溫季節(jié)（4—10 月）澆筑的船閘混凝土進(jìn)行二期通水冷卻， 水溫為13～15℃，最大流量1.5 m3/h。 通水溫度和流量基本同一期通水，考慮到施工期進(jìn)度安排，二期通水時(shí)段有可能在全年進(jìn)行，這樣會(huì)造成一期通水與二期通水同時(shí)進(jìn)行，因此二期通水最大強(qiáng)度按照一期通水強(qiáng)度考慮。 計(jì)算出冷水系統(tǒng)同時(shí)供水最大流量為一期通水和二期通水流量之和為729 m3/h。

五、制冷系統(tǒng)容量及設(shè)備確定

制冷系統(tǒng)容量計(jì)算應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鉁囟?，系統(tǒng)取水處河水溫度等條件確定，為保證全年足夠的系統(tǒng)制冷量，選取夏季大氣溫度和河水溫度多年平均值作為制冷系統(tǒng)容量計(jì)算依據(jù)。 船閘附近夏季平均河水水溫為26.4 ℃，極端最高河水水溫為27.2 ℃，冷卻通水水溫13～15 ℃， 損耗系數(shù)取1.2。 一期通水夏季選擇河水溫度為26.4 ℃。 13 ℃冷卻水制冷容量M1為：

式中，M1為一期通水冷水機(jī)組最大制冷容量，Kcal/h；K1為冷量損耗系數(shù)取1.2；K2為單位換算系數(shù)取0.1；T1為冷水機(jī)組進(jìn)水溫度取26.4℃；T0為冷水機(jī)組出水溫度取13℃。 二期通水為低溫季節(jié)，河水溫度相對(duì)較低，為保證制冷系統(tǒng)在夏季也具備二期通水能力，因此二期通水冷水機(jī)組最大制冷容量邊界條件選擇同一期通水，所需要的制冷容量M2=M1=586.1 Kcal/h。一、 二期冷水機(jī)組總制冷容量為：

制冷系統(tǒng)水泵選擇須根據(jù)船閘供水高度確定，本工程建基面最低高程為-15.0 m，頂部高程為65.0m，最大高差為75.0 m。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件及場(chǎng)地情況將冷水泵站布置在25.0 m高程平臺(tái)，所選擇的水泵水頭最小為（25.0～65.0m）40.0 m，考慮到水流受管道中的能量、 水量損失等因素影響，所選水泵水頭應(yīng)大于40.0 m。 根據(jù)制冷系統(tǒng)容量及水泵揚(yáng)程、流量等主要參數(shù)委托設(shè)備生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)建造移動(dòng)式冷水站。 移動(dòng)式冷水站體積小，安裝拆除方便，一體化程度高，冷水站運(yùn)行基本上為自動(dòng)控制， 性能穩(wěn)定且各項(xiàng)指標(biāo)按照所需參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有自動(dòng)化程度高、管理方便、溫度控制效果好等優(yōu)點(diǎn)， 本工程所選擇移動(dòng)式冷水站配置見表1。

六、供水系統(tǒng)形式選擇

在水電站大體積混凝土澆筑施工中，冷卻水的供水形式分為開放式和閉環(huán)式兩種。 開放式與閉環(huán)式供水系統(tǒng)的區(qū)別在于，開放式供水系統(tǒng)循環(huán)管路是在循環(huán)管路中留有功能性開口，而閉環(huán)式供水系統(tǒng)循環(huán)管路是封閉、完整的循環(huán)管路。

閉環(huán)式冷卻水供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：管路布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 系統(tǒng)運(yùn)行效率高，系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行成本較低。 缺點(diǎn)：運(yùn)行管理不直觀，難控制；各管路水流關(guān)聯(lián)性大，不易掌握。

開放式冷卻水供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：分支管路流量易控制；管路運(yùn)行維護(hù)較直觀，容易。 缺點(diǎn)：管路布置較為復(fù)雜；因設(shè)有回水管路系統(tǒng)，冷卻水水溫?fù)p耗、管路水能的損耗大，運(yùn)行效率低； 系統(tǒng)建設(shè)因有附加設(shè)備成本高，運(yùn)行管理費(fèi)用也大。

本工程冷卻用水在黔江主河道取水，取水口距離船閘較遠(yuǎn)，取水成本高；船閘冷卻用水廢水收集后需要集中抽排至黔江主河道，也需要成本投入，因此船閘冷卻水供水系統(tǒng)優(yōu)先采用閉環(huán)式形式。 閉環(huán)式冷卻水供水系統(tǒng)冷水循環(huán)使用，補(bǔ)水量少，使用成本低，能耗低，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保型供水系統(tǒng)，但因使用運(yùn)行管理難度較大，一直困擾著該系統(tǒng)在水電站大體積混凝土施工中的應(yīng)用。

表1 移動(dòng)式冷水站配置

七、供水系統(tǒng)管路布置

1.供水管路布置要明晰簡(jiǎn)潔

根據(jù)管道用途將水管分為：主水管、干水管、分水管、支水管4 類。 主水管的作用是匯流，根據(jù)工程施工環(huán)境、條件，一般布置在邊墻施工棧橋上，具備條件的地方可以布置在邊坡馬道上；干水管的作用是將主水管水流合理分配到閘室各高程棧橋、馬道上。 分水管、支水管的作用是分流，再分流。 分水管將干水管水流進(jìn)行再分流到各澆筑壩段。支水管是將分水管水流再分流到各澆筑壩塊，并與混凝土塊體內(nèi)部鋪設(shè)塑料冷卻水管相連接。冷卻供水系統(tǒng)管道布置如圖1 所示。

干水管的水平輸水距離不宜過長(zhǎng)，超過500 m 時(shí)要考慮管路損耗問題， 管路布置要結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)形式，考慮到施工進(jìn)度安排，盡量布置在不干擾施工的閘室底板或閘室邊墻施工棧橋上。 各類管道連接處應(yīng)布置彎頭、變通、三通等管路附件。 管路布置線路要短、平直，盡量避免直角彎頭以減少水頭損失。

2.管材及管路附件的選擇要合理

混凝土塊體外冷卻水輸水管主要功能是向混凝土塊體輸送冷卻水，其材料選擇上應(yīng)考慮材料可重復(fù)利用和可回收性，宜于選用水壓試驗(yàn)強(qiáng)度不小于2 MPa 低壓流體輸送焊接鋼管GB/T 14291—1992。 為減少輸水過程中的冷能量的流失，鋼管的外層須采取保溫措施；混凝土塊體內(nèi)冷卻水管主要功能是將混凝土中的水化熱，通過冷卻水管管壁熱交換相互傳導(dǎo)， 實(shí)現(xiàn)降低混凝土水化熱的作用。其材料應(yīng)滿足技術(shù)要求中規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)；管徑大小對(duì)管道輸水效率影響很大，管徑大，管損小，成本大；管徑小，管損大，成本小。 在保證合理通水流量條件下，選擇合理管徑。 其管徑選擇根據(jù)四類管道內(nèi)設(shè)計(jì)平均通水流量，并結(jié)合行業(yè)管路通水合理流量標(biāo)準(zhǔn)選擇管徑。 支管管徑由設(shè)計(jì)最大通水流量確定；分管、干管、主管管徑應(yīng)分別由其上接入管的最大總流量確定。

在閉環(huán)式管路系統(tǒng)常用管路附件主要包括有五類，分別是控制類元件、監(jiān)視類元件、安全防護(hù)類元件、連接類元件、功能類元件。 控制類元件主要有：閘閥、蝶閥、截止閥、球閥等。小流量部位采用球閥、截止閥；大流量部位采用蝶閥、閘閥；監(jiān)視類元件主要有：流量計(jì)、溫度計(jì)、壓力計(jì)及水表等， 根據(jù)需要安裝在管路上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管路內(nèi)水流狀態(tài)； 安全防護(hù)類元件主要有：安全閥、減壓閥等，可視使用部位安全要求選擇；連接類元件主要有：法蘭、膠墊、螺栓、彎頭、直通、變通、活接頭等，大管徑宜選擇法蘭連接，小管徑宜選擇管絲類連接； 功能類元件主要有：空氣閥、平衡閥、逆止閥等，根據(jù)需要管路設(shè)置。 管路附件的選擇除了應(yīng)滿足各自元件的功能性要求外，壓力等級(jí)的選擇也應(yīng)予以重視。 不同高程元件的壓力環(huán)境也不同， 按照壓力等級(jí)靈活的選擇。

圖1 冷卻供水系統(tǒng)管道布置示意圖

冷卻水供水系統(tǒng)設(shè)備、管路的安裝非永久性安裝，施工中冷水設(shè)備的布置和管路的走向，隨施工環(huán)境變化的影響較大。 應(yīng)預(yù)先編制冷水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備管路安裝規(guī)劃， 總體部署、指導(dǎo)設(shè)備、管路及管路附件安裝應(yīng)做到以下幾點(diǎn)要求：①冷水設(shè)備的布置位置要根據(jù)設(shè)備的供水能力，按照施工生產(chǎn)年生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行分層設(shè)置，分層要少，且距混凝土塊體要近。 ②冷水設(shè)備考慮多臺(tái)設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)滿足同揚(yáng)程，同流量，同機(jī)型的條件，冷水設(shè)備水泵揚(yáng)程應(yīng)滿足分層供水需要。 ③管路的安裝順序?yàn)橹魉堋伤堋炙堋堋?管徑大小滿足實(shí)際管路最大流量條件，依照管路安裝順序由大到小。 ④控制閥在安裝前，應(yīng)有良好的密閉性。 特別是管路中的倒水換向閥的密閉性檢查，以防止水流短路。 ⑤冷水設(shè)備出水口和回水口均要安裝控制閥、止回閥、壓力表、溫度計(jì)、流量計(jì)；此外，回水管路要設(shè)置回水過濾器。 各路干水管入水口和回水口（或各路分水管入水口和回水口）也應(yīng)安裝控制閥、流量計(jì)、壓力表、溫度計(jì)。 支路水管水流量宜采用超聲流量計(jì)進(jìn)行檢查。 ⑥考慮到溫控過程中系統(tǒng)的漏水損失和棄水損失， 補(bǔ)水管路與冷水設(shè)備補(bǔ)水箱相通，最大補(bǔ)水量宜不小于設(shè)備最大供水量的30%。 ⑦各冷卻水管均應(yīng)采用30mm 厚黑色橡塑海綿進(jìn)行保溫處理。水溫沿途損失不大于1℃。⑧管道轉(zhuǎn)彎、變徑處應(yīng)安裝彎頭、變通。 彎頭、變通變化曲率，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)際條件， 依照選小不選大原則進(jìn)行，以降低管路損失。 ⑨閉環(huán)式循環(huán)管路中，除冷水機(jī)內(nèi)動(dòng)力水泵外，不宜另行隨意加設(shè)動(dòng)力水泵。

八、系統(tǒng)運(yùn)行與管理

1.管路各處水流監(jiān)視

水流監(jiān)視包括冷水設(shè)備、輸水管路、冷卻管路水流監(jiān)視三類。 水流監(jiān)視需要定時(shí)檢測(cè)指定部位的流量、溫度、儀表壓力值。

（1）冷水設(shè)備監(jiān)視

冷水設(shè)備監(jiān)視主要目的是監(jiān)視冷水設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，滿足混凝土塊體所需冷負(fù)荷要求。 其監(jiān)視的內(nèi)容有：出水流量、回水流量、補(bǔ)水流量、出水溫度、回水溫度、設(shè)定溫度、溫度差、出水壓力、回水壓力、壓力差。

（2）輸水管路監(jiān)視

輸水管路監(jiān)視主要是通過監(jiān)視管路水流量、水溫、壓力，鑒別冷卻水狀態(tài)的合理性。其監(jiān)視內(nèi)容有：各干水管路、分水管路的進(jìn)回水流量、溫度、壓力。

實(shí)際應(yīng)用中， 因其結(jié)構(gòu)形式很多，也很復(fù)雜，對(duì)于混凝土塊體施工澆筑臨時(shí)冷卻供水系統(tǒng)，管路隨混凝土塊體澆筑時(shí)刻在變化。 在實(shí)際應(yīng)用分析管路壓力損失變化時(shí)，只做影響因素的定性分析。

（3）冷卻管路水流監(jiān)視

冷卻管路水流監(jiān)視主要是監(jiān)視混凝土塊體冷卻效果。 通過監(jiān)視支路水管水流實(shí)現(xiàn)。 其內(nèi)容有支水管進(jìn)水流量、回水流量、溫度、壓力。

2.冷卻水的生產(chǎn)與分配

混凝土塊體冷卻分為一期冷卻、二期冷卻兩個(gè)時(shí)期，不同的冷卻期要求冷卻水通水量的大小和冷卻降溫的速率也是不同的。 另外，不同季節(jié)或不同的氣候條件，對(duì)通水流量的大小也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。 因此，冷卻水的生產(chǎn)、分配是確保閉環(huán)式冷水系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。 冷卻水生產(chǎn)量是由混凝土塊體負(fù)荷決定，即在冷水機(jī)設(shè)計(jì)允許最大供水量條件下，混凝土塊體冷卻時(shí)需要多少冷卻水流量，冷水機(jī)就生產(chǎn)多少冷卻水流量與之相匹配。 冷卻水的供應(yīng)量應(yīng)大于等于混凝土塊體冷卻負(fù)荷所需冷卻水量。 具體操作是由冷水機(jī)組運(yùn)行人員，根據(jù)冷卻水供水指令所要求的供水溫度和供水流量，將冷水機(jī)的出水溫度設(shè)定在指令供水溫度，同時(shí)將供水閥打開，調(diào)整開度大小，使得出水流量計(jì)為指令供水流量。 冷卻水需要流量的增加與減少，均應(yīng)通過指令單通知冷水機(jī)操作人員， 進(jìn)行溫度、流量的增減。

冷卻水所需通水總流量，要根據(jù)各壩塊、壩段、壩高程不同冷卻期各支水管流量總和來估算確定。 實(shí)際應(yīng)用中，估算總量與實(shí)際需用量有一定的差距，可以通過最遠(yuǎn)、最高支管流量檢測(cè)修正。 具體調(diào)整方法是在支管上加裝流量計(jì)， 聯(lián)系冷水機(jī)組運(yùn)行人員，逐漸緩慢開啟或關(guān)閉水閥，調(diào)整輸出水量，滿足支管流量即可。支管流量的調(diào)整會(huì)對(duì)其他支管流量產(chǎn)生影響，須通過多次調(diào)整逐步實(shí)現(xiàn)。 各高程干管流量和分管流量的估算與調(diào)整方法基本同總流量的估算與調(diào)整。

九、冷卻供水系統(tǒng)應(yīng)用中常見問題

1.冷卻水管破損

閉環(huán)式冷卻供水系統(tǒng)屬于內(nèi)循環(huán)供水，整個(gè)循環(huán)通水管路沒有開口。因灌漿或混凝土澆筑打斷冷卻水管，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)壓力影響很大， 會(huì)造成各壩塊、壩段支水管流量發(fā)生改變，嚴(yán)重影響總體通水冷卻效果。因此，灌漿打孔位置要認(rèn)真核定， 冷卻水管破損后要立即采用封堵器進(jìn)行封堵。

2.支管回水口開口放水

新澆筑混凝土前期由于混凝土水化熱釋放較集中，混凝土的溫升很快。 為了控制最高溫度，實(shí)際應(yīng)用中常打開支管回水口開口放水，以增加通水流量，達(dá)到控制混凝土最高溫度的目的。 這種做法不僅破壞整個(gè)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)， 實(shí)際控溫效果也不明顯，還會(huì)造成大量冷卻水的浪費(fèi)。 應(yīng)采取增大冷水機(jī)供水流量、增加冷卻水傳熱面積、隔斷外熱輻射源、降低預(yù)冷混凝土澆筑溫度等措施去實(shí)現(xiàn)。

十、結(jié) 語(yǔ)

大藤峽船閘工程混凝土體積大，施工強(qiáng)度高， 高溫季節(jié)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，混凝土冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行好壞直接影響溫控效果。 本文根據(jù)船閘結(jié)構(gòu)布置、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、場(chǎng)地條件、溫控技術(shù)要求等資料分析，經(jīng)過對(duì)大藤峽水利樞紐船閘工程冷卻供水系統(tǒng)施工設(shè)計(jì)研究， 決定采用閉環(huán)式冷卻供水系統(tǒng)。 閉環(huán)式冷水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行效率高、成本低，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制元件較多，這就要求在系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、安裝、使用中，做到管路設(shè)計(jì)布置要簡(jiǎn)潔、 管徑選擇要合理、流量監(jiān)測(cè)要到位、水流的調(diào)整要及時(shí)、設(shè)備儲(chǔ)量要保證等，運(yùn)行過程中要重點(diǎn)關(guān)注冷卻系統(tǒng)制冷能力和水管流量關(guān)系，主管、支管流量應(yīng)均勻且流量便于控制調(diào)節(jié)， 嚴(yán)格控制進(jìn)水溫度、流量大小、溫降速度等設(shè)計(jì)指標(biāo)， 通過在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不足， 及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造以達(dá)到建設(shè)一套先進(jìn)的冷卻供水系統(tǒng)，保證大藤峽船閘大體積混凝土溫度控制效果。