真納水電站大體積混凝土制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工

1混凝土外部溫濕度真納水庫(kù)位于巴基斯坦-伊斯蘭共和國(guó)附近的米楊瓦里地區(qū)卡拉巴市下游，印度河真納河行政審查長(zhǎng)凳的右岸。利用真納河港形成的水位下降，挖一條明渠，建造工廠。樞紐工程由引水渠、廠房、尾水渠和開關(guān)站等組成。巴基斯坦位于南亞次大陸西北部,氣候炎熱干燥,總體上屬熱帶季風(fēng)氣候。工程所在地周圍的氣候總體上是夏季很干熱而冬季寒冷,晝夜溫差大。據(jù)米揚(yáng)瓦里氣象站(距真納水電站42km)1964—1985年的氣溫資料統(tǒng)計(jì),夏季6月的極端最高日平均氣溫是42.6℃。日平均最低氣溫在3.5℃和27.7℃之間變化,月平均氣溫變化的最高和最低值在0℃和32.0℃之間。我們知道,控制和減少混凝土內(nèi)外溫差,使大體積混凝土內(nèi)外形成一個(gè)溫差小、變化均勻的溫度場(chǎng)是防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的關(guān)鍵。從氣溫資料比較國(guó)內(nèi)夏季,巴基斯坦的夏季要炎熱得多,因此,真納水電站的大體積混凝土溫控,主要是控制夏季高溫下的混凝土內(nèi)部溫升,以此來(lái)減少混凝土的內(nèi)外溫差,這也是該項(xiàng)目施工的難題之一。2降低溫度應(yīng)力真納水電站大體積混凝土主要為廠房基礎(chǔ)、機(jī)坑混凝土以及尾水框架混凝土。廠房基礎(chǔ)混凝土橫縫為32.5m,縱縫為32.0m,基礎(chǔ)坐落在砂礫石上。對(duì)廠房大體積混凝土來(lái)說(shuō),控制溫差是降低溫度應(yīng)力的主要手段。對(duì)于高氣溫地區(qū)澆筑大體積混凝土,為防止和減少溫度裂縫產(chǎn)生,必須采取有效措施,限制最高溫度。根據(jù)電站設(shè)計(jì)方提供的《真納水電站土建通用技術(shù)規(guī)范》要求,以及對(duì)混凝土溫升的估算,要求各月大體積混凝土澆筑溫度應(yīng)低于21℃。3混凝土冷卻方式在我國(guó)水電站大體積混凝土施工中,用于降低混凝土溫升的主要措施之一是在混凝土中埋設(shè)鋼管,通冷水進(jìn)行冷卻。真納水電站廠房大體積混凝土配設(shè)了大量鋼筋,且斷面較薄,不宜采用埋設(shè)冷卻水管的措施;而且這種冷卻方式弊端較多,如設(shè)施費(fèi)用高、施工時(shí)間長(zhǎng)、管子接頭多、在澆筑混凝土?xí)r容易脫落導(dǎo)致水管漏水影響混凝土質(zhì)量等。因此,在排除了埋管通冷水冷卻的方案后,經(jīng)研究分析決定主要采用預(yù)冷骨料和加冰、加冷水拌合控制混凝土出機(jī)口溫度和澆筑溫度的方案來(lái)解決混凝土的溫升問(wèn)題。3.1出機(jī)口溫度設(shè)定溫控要求混凝土澆筑溫度應(yīng)低于21℃,則必須首先計(jì)算出滿足這一混凝土澆筑溫度要求的出機(jī)口溫度。因此,整個(gè)混凝土制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備配置都要圍繞混凝土出機(jī)口溫度來(lái)進(jìn)行,這也是該電站混凝土溫控工作的重中之重。在構(gòu)成混凝土的材料中,膠凝材料和細(xì)骨料顆粒較細(xì),穿透性差,使冷卻困難,且膠凝材料易吸濕變質(zhì)、砂子還有不易脫水等問(wèn)題。因此,生產(chǎn)滿足上述出機(jī)口溫度要求的混凝土,無(wú)論是從成本控制的角度出發(fā),還是質(zhì)量控制的角度出發(fā),選擇冷卻效率高的粗骨料和拌合水進(jìn)行預(yù)冷,無(wú)疑是正確的方案。經(jīng)研究分析,將粗骨料、拌合水和碎冰的預(yù)冷溫度分別設(shè)定為7℃、5℃和-2℃較為經(jīng)濟(jì)合理,也以此作為出機(jī)口溫度計(jì)算的引用數(shù)據(jù)。選取一年中最熱的6月份溫度為混凝土出機(jī)口溫度計(jì)算值,根據(jù)熱平衡原理公式:計(jì)算大體積混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C25(其配合比見表1)的出機(jī)口溫度,計(jì)算成果見表2。Ti———組成混凝土第i類材料的平均進(jìn)料溫度,℃;通過(guò)以上計(jì)算表明,采取對(duì)粗骨料、拌合水進(jìn)行預(yù)冷,高溫時(shí)段加碎冰拌和等綜合制冷措施后,常態(tài)混凝土出機(jī)口溫度可達(dá)到15.9℃。經(jīng)估算和經(jīng)驗(yàn),采用有效的降溫措施后,混凝土經(jīng)過(guò)運(yùn)輸、平倉(cāng)、振搗等過(guò)程出機(jī)口溫度回升值不超過(guò)5℃,兩者相加小于21℃,從而滿足了混凝土澆筑溫度要求。3.2過(guò)渡季節(jié)的選擇混凝土制冷系統(tǒng)的生產(chǎn)能力,按滿足預(yù)冷混凝土生產(chǎn)能力50m3/h和溫度為16℃進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置。在過(guò)渡季節(jié),可根據(jù)外界氣溫及混凝土出機(jī)口溫度要求,選擇采用風(fēng)冷骨料、加冰、冷水拌和混凝土其中一種或幾種措施。真納水電站整個(gè)混凝土制冷系統(tǒng)包括冷風(fēng)、冷水、制冰三個(gè)子系統(tǒng),冷風(fēng)系統(tǒng)生產(chǎn)用于預(yù)冷混凝土粗骨料用的冷氣,冷水系統(tǒng)生產(chǎn)用于提供給混凝土拌和用的冷水,制冰系統(tǒng)生產(chǎn)用于提供給混凝土拌和用的碎冰。3.3螺桿式氨泵機(jī)組c冷風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)冷氨壓縮車間和風(fēng)冷料倉(cāng)組成,據(jù)計(jì)算,骨料需冷量約10919kcal/m3,按預(yù)冷混凝土生產(chǎn)率50m3/h估算,骨料總需制冷量為Q=54.6萬(wàn)kcal/h,所需制冷設(shè)備制冷能力為Q0=87.36×104kcal/h=1020kW,配置3臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)工況制冷量為450kW的螺桿式氨泵機(jī)組,其總制冷量為1350kW,完全可滿足制冷要求。螺桿式氨泵機(jī)組主要參數(shù)見表3。冷風(fēng)機(jī)由3臺(tái)螺桿式氨泵機(jī)組提供氨液。風(fēng)冷骨料倉(cāng)容量G2(大石)、G3(中石)、G4(小石)各120m3,總?cè)萘繛?60m3,有效冷卻區(qū)內(nèi)骨料達(dá)250t以上,按50m3/h預(yù)冷混凝土生產(chǎn)時(shí)骨料預(yù)冷時(shí)間可達(dá)到2.5h以上,完全可以滿足風(fēng)冷骨料冷卻時(shí)間要求,各倉(cāng)冷風(fēng)機(jī)配置見表4。3.4冷水機(jī)組主要參數(shù)混凝土拌和用水量約為10~15m3/h,采用1臺(tái)LSBLG115冷水機(jī)組,其制冷水能力為20m3/h,完全可滿足冷水使用需要。冷水機(jī)組主要參數(shù)見下表5。根據(jù)冷水機(jī)組冷水量,配置冷水供應(yīng)水泵1臺(tái),型號(hào)為GSL80-250,流量25m3/h,揚(yáng)程20m,電機(jī)功率3kW。3.5冷卻水主要參數(shù)冷風(fēng)和冷水系統(tǒng)共需配置DBNL3-650T冷卻塔1臺(tái),總處理水量為650m3/h,冷卻塔主要參數(shù)見表6。冷卻塔處理水量為650m3/h,配置冷卻循環(huán)用水泵1臺(tái),型號(hào)為GSL250-315,流量640m3/h,揚(yáng)程28m,電機(jī)功率18.5kW。3.6加冰能力及損耗補(bǔ)償系數(shù)據(jù)計(jì)算,混凝土拌和加冰在高溫時(shí)段最大加冰量為66kg/m3,所需制冰能力則可按如下公式進(jìn)行計(jì)算:式中Q———制冰能力,t/d;Gi———混凝土單位加冰量,kg/m3;Qi———混凝土日澆筑平均強(qiáng)度,m3/d;η———冰的損耗補(bǔ)償系數(shù),取1.35。計(jì)算得Q=31.05t/d,按30t/d配置制冰設(shè)施,設(shè)冰溫為-3℃。4混凝土的主要加熱措施混凝土溫控需貫穿整個(gè)混凝土施工過(guò)程,包括分層分塊、原材料溫度控制、配合比優(yōu)化和混凝土的生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑和養(yǎng)護(hù)等全過(guò)程。4.1混凝土澆筑高度真納水電站廠房大體積混凝土的分塊設(shè)計(jì)遵循溫控要求,即橫縫小于或等于32.5m,縱縫小于或等于32.0m。為利于混凝土澆筑塊散熱,在基礎(chǔ)約束區(qū)和老混凝土約束區(qū)澆筑層高為1.2~1.5m,其它部位最大澆筑層高控制在3m以內(nèi)?；炷辽?、下層澆筑間歇時(shí)間,一般按7~9d控制。4.2原材料溫度控制與配合比優(yōu)化4.2.1骨料溫度對(duì)骨料溫度的影響設(shè)計(jì)骨料倉(cāng)儲(chǔ)料堆高12m,堆存時(shí)間7d以上、采用在骨料堆底部設(shè)取料廊道取料,以減少外部氣溫變化對(duì)骨料溫度影響。在骨料堆取料廊道口至骨料風(fēng)冷料倉(cāng)之間和風(fēng)冷料倉(cāng)至拌和站之間所有膠帶機(jī)、拌和站外部、水泥和礦渣粉的儲(chǔ)存罐體周圍以及輸送拌合冷水的管道均安裝良好的隔熱保溫設(shè)施,防止原材料在輸送和拌制過(guò)程中升溫。4.2.2細(xì)度為0.425mm方孔篩篩量的減水劑真納水電站采用ASTMC150Z型中熱水泥,水泥的入罐溫度控制在65℃以下,使用散裝運(yùn)輸直接入罐。摻合料使用的是ZEALPAK水泥廠生產(chǎn)的礦渣粉,細(xì)度(0.045mm方孔篩篩余量)小于或等于20%,摻入率為25%。該電站使用了兩個(gè)廠家生產(chǎn)的減水劑,南寧豐瑞公司生產(chǎn)的YF-Ⅱ型緩凝高效減水劑,其減水率達(dá)到25%;SIKA公司生產(chǎn)的SIKAMENT520BA型緩凝高效減水劑,其減水率達(dá)到23.5%。通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比,C25強(qiáng)度等級(jí)的混凝土每立方用水量減少7kg,水泥用量減少了20kg,礦渣粉減少了3kg,因此,使混凝土拌合物的和易性得到了改善,混凝土泌水量減少,降低了混凝土的水化熱溫升。4.3混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)(1)混凝土澆筑盡量避開高溫時(shí)間。夏季澆筑混凝土盡量安排在早晨或晚間進(jìn)行。當(dāng)中午時(shí)段澆混凝土?xí)r,分層澆筑面采用土工布或草袋覆蓋,防止外界氣溫倒灌,必要時(shí)采用澆筑倉(cāng)面噴霧等降溫措施。(2)從拌和站運(yùn)輸混凝土至倉(cāng)面的時(shí)間不超過(guò)30min,在白天運(yùn)輸混凝土?xí)r自卸汽車要裝上遮陽(yáng)蓬遮擋陽(yáng)光,到達(dá)卸料點(diǎn)后盡快吊料入倉(cāng),停留時(shí)間超過(guò)30min的必須先檢測(cè)溫度,如超過(guò)允許的澆筑溫度時(shí)則按廢料處理。(3)盡量減少混凝土層面暴露時(shí)間,采用臺(tái)階法澆筑而不用通倉(cāng)平澆。(4)加強(qiáng)混凝土外露面的保護(hù)?；炷翝仓戤吅?在其表面覆蓋保溫材料并灑水養(yǎng)護(hù),保持混凝土表面處于濕潤(rùn)狀態(tài)。禁止噴灑溫度過(guò)低的水,否則會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差驟然增大。(5)當(dāng)氣溫超高時(shí)(45℃以上),采取倉(cāng)面噴水霧的措施,據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),可降低倉(cāng)面的環(huán)境溫度約3℃。5加熱效果5.1混凝土澆筑溫度真納水電站共澆筑了近17萬(wàn)m3的混凝土,主體混凝土澆筑施工時(shí)間跨越了3個(gè)夏季,這也是巴基斯坦近十年來(lái)最熱的3個(gè)夏季,極端溫度達(dá)53℃?；炷翝仓┕と客瓿珊?我們對(duì)全部的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得出混凝土出機(jī)口溫度超溫率為0.2%,澆筑溫度超溫率僅為1.1%。結(jié)果表明,我們?cè)诳刂瞥鰴C(jī)口溫度和澆筑溫度這兩項(xiàng)關(guān)鍵溫控指標(biāo)上取得了較好效果,通過(guò)了夏季酷熱的考驗(yàn)。5.2統(tǒng)計(jì)結(jié)果的描述真納水電站建成后,我們對(duì)混凝土裂縫的數(shù)量和所在位置進(jìn)行了全面的統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果的詳細(xì)情況見表7。從表7中可知,真納水電站混凝土共發(fā)現(xiàn)45條裂縫,其中表面裂縫43條,深層裂縫僅2條。這表明,上述溫控措施對(duì)減少混凝土裂縫成效明顯。6混凝土澆筑溫度大體積混凝土溫控是一門綜合性學(xué)科問(wèn)題,涉及到結(jié)構(gòu)、原材料和施工等學(xué)科。為了防止混凝土溫度裂縫,必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料選擇和施工措施等方面上綜合考慮,并分主次實(shí)施。因此,為控制混凝土出機(jī)口溫度和澆筑溫度,我們?cè)O(shè)計(jì)和配置了足夠的制冷設(shè)備,并結(jié)合