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水管冷却降温系统在平家闸混凝土闸墩中的应用

2024-09-02 56 上传者：管理员

摘要：介绍了水管冷却降温系统的工作原理及其在秦口河综合治理工程平家闸混凝土闸墩浇筑过程中的应用，通过对温度和流量的监测，效果较好。该水管冷却降温系统成本低、结构简单牢固、内外温差控制方便，可在水工建筑物冷却降温中广泛应用。

关键词：
平家闸
水管冷却降温系统
流量监控
混凝土
骨干排水河道
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秦口河是滨州市海河流域重要骨干排水河道，虽经多年治理，仍存在部分主槽断面窄小、淤积，行洪排涝能力降低等现象。为改善治理河段的生态环境。新建平家闸作为秦口河综合治理工程中的重要水闸，桩号61+914，设计排涝流量36.50 m3/s。该闸总长137.5 m，由上游连接段、铺盖段、闸室段、消力池段、下游连接段组成，闸孔总净宽15.0 m，共设3孔，每孔净宽5.0 m，闸门尺寸5.0 m×5.0 m（宽×高），闸墩厚1.2 m，该闸设计防洪流量63.30 m3/s，相应闸上水位5.19 m，排涝流量36.50 m3/s，对应闸上水位3.64 m。闸墩属于大体积混凝土，构件截面大，其内部水泥水化所放出的热量不能及时释放，从而使混凝土内部温度急剧升高，一般在2～3 d达温度峰值，内外温差达到最大。为防止混凝土因温差应力过大而开裂，造成质量问题，此次施工采用水管冷却降温系统解决该问题。

1、工作原理

混凝土为不良导热体，内外温差过大，将引起混凝土温度变形的自约束，表面产生拉应力，也会直接导致大体积混凝土由表及里发展的裂缝。

水化过程分为5个阶段：诱导前期、诱导期、加速期、中间期、后期，5个阶段的放热速率因水泥的水化速度变化而不同。水泥水化的一般规律是温度升高，水泥的各矿物组份加速水化反应，在反应过程中，又放出大量的热，水泥的水化进一步加速。因此，大体积混凝土在浇筑后，温度会在极短的时间（水泥水化中期，2～3 d）上升到峰值。但如果在水泥水化反应时，将水泥水化的部分热量排走，则温度上升就会减慢，其水化速度相应的也减慢，水化放热速率也减缓。

水管冷却法通过在大体积混凝土内部铺设冷却水管，利用水循环减少水泥在水化加速期的水化热，降低混凝土内部温度，减缓水化的增长速度，同时减少单位时间内的放热，达到了降低混凝土内外温差，阻止温度裂缝产生的目的。同时，还能减弱混凝土水化热过大而产生水分蒸发，避免出现初始裂缝的危险，增强混凝土耐久性能和稳定性能。

2、水管冷却降温系统设计

水管冷却降温系统主要由3部分构成：冷却管安装、流量控制、温度监控。

2.1 冷却管安装设计

本工程闸墩高6.09 m，厚1.2 m，水管实行单层布置，以混凝土闸墩浇筑体平面图对称轴线为水管布置区，设置6层冷却管，呈弓形布置，间距1.0 m，冷却水管两端距挡板均为0.5 m，每个闸墩独立循环，设入水口及出水口各1个，冷却水管采用直径25 mm的普通钢管，纵横向布置均采用弯头连接。冷却水管通过加工的固定支架设立，不能同主筋接触，以防锈蚀。冷却水管的入口放置在侧面，出口放置在顶面，循环水流方向自下而上。钢管冷却水管之间连接接头采用橡胶管套接绑扎式接头。为降低冷却费用，春、秋、冬季通河水进行冷却，夏季通12～16℃制冷水。冷却水管布置平面图及剖面图如图1、图2所示。

图1 冷却水管布置平面图

2.2 流量控制设计

水管冷却降温系统是通过水泵使水在冷却水管中流动，根据混凝土反应阶段，通过流量控制混凝土的温差，管道流量需要准确可控。因此，在每个入水口均安装转子流量计，实时显示流量，并通过管道阀门控制流速。

2.3 温度监控设计

采用建筑电子测温仪测温，每个闸墩分别设置3个测温仪，2个测温仪埋设在闸墩上下部的中心，1个测温仪埋设在闸墩中部的表面，如图3所示。

图2 冷却水管布置剖面图

图3 温控仪布置图

3、实施效果

3.1 温度测量

闸墩混凝土浇筑完成后，混凝土终凝时间为10 h，同时为水化热诱导前期，水化热反应速度慢，放热少，表里温差小，为避免冷却管通水影响混凝土凝结，在终凝结束后开始通水。从浇筑完成开始每隔2 h记录一次表里温度并计算温差，同时根据表里温差调节流量，绘制流量、温差随时间变化图，如图4所示。

图4 流量、温差时间变化图

3.2 结论分析

混凝土反应诱导前期、诱导期、水化加速期、中间期、后期，5个阶段的放热速率因水泥的水化热反应速度变化而不同。混凝土浇筑完成后0～10 h为诱导前期，混凝土表里温差较小，而且为避免冷却管通水影响混凝土凝结，无需通水；10～24 h为诱导期，混凝土表里温差增大，需通水冷却，控制混凝土温差；24～48 h为水化加速期，混凝土表里温差急剧增大，管道流量增加到最大；48～72 h为中间期，混凝土表里温差减小，需降低流量；72～96 h为后期，混凝土表里温差继续减小，可进一步降低流量。

最终经外观检测和超声波检测，平家闸闸墩混凝土表面平整光滑，表面及内部无裂缝、孔洞等缺陷。

根据观测结果可知：对于1.2 m厚的水工混凝土墙可采取水管冷却内部降温法降低混凝土内外温差，冷却水管采用直径25 mm的普通钢管，间距1.0 m呈弓形布置。根据混凝土各反应期水化热反应速度，调整流速如下：诱导期（10～24 h）为0.8 m3/h，加速期（24～48 h）为1.6 m3/h，中期（48～72 h）为1.2 m3/h，后期（72～96 h）为0.8 m3/h，可确保混凝土内外温差保持在10℃以内，避免混凝土内外温差过大造成初始裂缝的危险。

4、结语

平家闸目前已通过各单位联合验收，工程运行状况良好，混凝土表面平整光滑，未发现裂缝、孔洞等缺陷。通过本工程运行状况表明，水管冷却的应用对降温效果有显著影响，通过实施水管冷却技术进行混凝土施工过程中温度控制，取得了良好的效果。

参考文献:

[1]刘宸岩.大体积混凝土水管冷却效果影响因素分析[J].四川水泥,2015(2):126.

[2]蒋昊楠.循环冷却水管降温技术在碾压混凝土施工中的探索与应用[J].人民黄河,2024,46(z1):148-150.

文章来源:卢宁,李旭东,范俊航.水管冷却降温系统在平家闸混凝土闸墩中的应用[J].山东水利,2024,(08):34-36.