第２８卷第６期 ２ ００９年１ ２月 四川水力发电 Ｖｏｌ＿２８．Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．，２ ０ ０ ９ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 大体积混凝土通水冷却实用性计算 王 波， 肖志辉 （中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都摘６１００８１） 要：大体积混凝土温度控制要求严格，通水冷却是保证其施工质量的有效方法之一。在投标阶段如何确定其通水时间 及通水量以指导合理的报价是一个很大的问题。就混凝土通水冷却问题从混凝土冷却水管埋管冷却原理、非金属冷却水管 等效换算、混凝土一期、二期通水冷却计算等几个方面进行说明，为混凝土通水冷却计算提供了一定的经验。 关键词：通水冷却；冷却原理；等效换算；一期通水；二期通水；混凝土初温 中圈分类号：ＴＶ５４４；ＴＶ５２；ＴＶ４３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１（３０１－２１８４（２００９）０６－０００４－０３ １ 概述 水利水电工程施工中的混凝土多为大体积混 凝土，为保证大体积混凝土的浇筑质量，防止温度 应力产生的混凝土裂缝，一般采用通水冷却的方 式予以解决。根据混凝土不同时期表现的不同特 点，通水冷却分期进行，通常情况下分为两期：一 期冷却和二期冷却。一期冷却是在混凝土刚浇筑 完甚至正浇筑时就开始进行，以削减水化热温升； 二期冷却是在接缝灌浆前进行，主要目的是为了 图１梅花形布置示意图 把混凝土温度降低到坝体稳定温度，即达到接缝 灌浆要求的温度。也可以进行三期冷却，即在入 冬前对高温混凝土进行一次中期冷却，以减小其 内外温差。笔者主要从混凝土冷却水管埋管冷却 原理人手，重点阐述了混凝土一期、二期冷却施工 阶段的实用计算方法，以确定其具体的通水时间。 ２冷却水管的敷设及冷却范围 在现实的混凝土施工过程中，冷却水管的布置 排列形式主要分两种：梅花形布置（图１）和井字形 布置（图２）。 图２井字形布置示意图 ［ ｌ＿＿ ＿＿Ｊ 作井字形布置时，其水平间距等于垂直间距， 即Ｓ ＝Ｓ 。每根冷却水管承担的冷却范围为一个 正方形，这个正方形也近似的以一个圆形来代替， 计算模型可取为一空心圆柱体，半径为尺，直径为 Ｄ，由面积相等，可知： Ｄ＝２Ｒ＝１．１２Ｓ１＝１．１２ Ｓ２ 在铅直断面上，如果把冷却水管布置成梅花 形，如图１所示，其水平间距为．ｓ。，铅直间距为 －ｓ２，显然，Ｓ２＝Ｓｌｃｏｓ３０。，即Ｓｌ＝１．１５４ ７ Ｓ２。这时， 每根冷却水管承担的冷却范围为一正六角形棱柱 体，六角形的边长为Ｉｓ：／１．５，六角形的面积为 ｓ ｓ 。这个正六角形近似的以一个等面积的圆形 来代替，计算模型可取为一空心圆柱体，半径为 Ｒ，直径为Ｄ，由面积相等，可知： Ｄ＝２Ｒ：２、 收稿日期：２００９－１０—１２ ＝１．２１２ ８ Ｓ２ 从冷却效果上讲，梅花形布置优于井字形布 置，因为它出现冷却不到的死角不像井字形布置 那样大，但在实际施工过程中，井字形布置施工时 容易掌握，且受钻孔灌浆等作业的影响，一般冷却 水管都以井字形布置为多。 ■Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 王 波等：大体积混凝土通水冷却实用性计算 ２００９年第６期 ３ 非金属冷却水管的等效换算 作为混凝土内预埋冷却水管，就材质来说，钢 管和铝管的冷却效果是最好的，但钢管接头多，施 工较费事，而铝管施工方便，但价格昂贵。目前广 至正在浇筑时就开始进行，以削减水化热温升。 二期冷却是在接缝灌浆前进行，主要目的是为了 把混凝土温度降低到坝体稳定温度，即达到接缝 灌浆要求的温度。通水冷却计算中，如何确定两 期通水前混凝土的初温是一个很关键的问题，初 泛采用的是高密度聚乙烯塑料管（ＨＤＰＥ），该管 外径３２ ｍｍ，内径２８ ｍｍ，其重量轻、运输方便、接 温的高低直接影响通水时间的长短。通水时间过 头少、施工便捷，使用技术较为成熟。 金属水管导热系数大，采用金属水管时，可以 忽略水管本身的热阻。假定混凝土内表面温度等 于水温，而非金属水管热阻较大，不能忽略，其混 凝土内表面温度不等于水温。 以非金属冷却水管及冷却水管所冷却的混凝 土范围为一体建立一个计算模型。水管内表面与 冷却水接触，温度等于冷却水温度。以水温作为 温度坐标的起点，故水管内表面温度为零，水管外 表面温度等于混凝土内表面温度 ，因此，水管 的边界条件为：当ｒ＝ｒ。时，Ｔ＝０；当ｒ＝Ｃ时，Ｔ＝ 。在ｒ：Ｃ表面，水管径向热流量ｑ为： ｑ一 一 一，ｒｒ 式中 为水管的导热系数；Ｃ为冷却水管的外 半径；ｒ 为冷却水管的内半径。 在实际冷却计算过程中，对于金属水管冷却 的空间问题以及ｂ／ｃ、ｎ ／ｂ特征根的情况，已有详 细的资料及图表表示，因此，只需要用混凝土的等 效导温系数ｎ代替。即可。 ｎ ＝ｎ（ ） ＝ｌ・９４７（ａｔ ６） 然后利用金属水管冷却特征根（即ｂ／ｃ）进 行计算，上式中Ｏｌ ｂ为非金属水管冷却的特征根。 其计算步骤为：首先计算各参数值，由菲金属水管 冷却的特征根表（表１）查得ａ．ｂ，再由上式计算出 等效导温系数ｏ ，然后利用金属水管冷却的方法 进行计算；ｎ为混凝土的导温系数。具体的计算 虚用详述于后。 表１非金属水管冷却特征根Ｏｌ，ｂ表 ４混凝土通水冷却计算 混凝土通水冷却一般分两期进行，即一期冷 却和二期冷却。一期冷却是在混凝土刚浇筑完甚 短就达不到预期的冷却效果，影响混凝土的质量。 通水时间过长将造成过度冷却，亦可能会造成混 凝土内外温差超标而严重影响混凝土的质量，同 时造成资源浪费，使冷却成本升高。 一般一期通水冷却开始时间为混凝土浇筑后 立即进行，有时甚至在浇筑混凝土时即同时进行 通水冷却。那么，在这种情况下需要分析此时混 凝土的温度由哪些因素造成：水泥作为混凝土的 主要胶凝材料，其水化热引起的水化热温升是一 个重要的温度组成部分，同时，混凝上的其他组成 成份，如砂石、水等在拌和初期已经具有一定温 度，从出机口下料到入仓浇筑就有一个浇筑温度。 混凝土的实际初温主要由这两部分组成。下面以 实例说明混凝土一期通水冷却的计算方法 在混凝土一期通水冷却计算时需要了解若干 参数，具体为：转换为空间问题的单根冷却水管长 度，Ｊ（一般不超过３００ ｍ）；空间中单根冷却水管 的冷却范围，即冷却外半径ｂ；冷却内半径Ｃ ；混 凝土的导热系数入；冷却水管的导热系数 ；冷却 水的比热Ｃ ；冷却水的密度Ｐ；通水流量ｇ ；混凝 土的初温Ｔｏ；进水【＝ｌ水温 具体算例如下： 假定：空间问题混凝土冷却柱体的长度Ｌ＝ ２６０ Ｉｌｌ，采用外径３２ ｍｍ，内径２８ ｍｍ的高密度聚 乙烯塑料冷却水管，冷却水管布置方式为井字形， 水平垂直问距均为１．５ ｍ，则ｂ＝（１．１２ Ｘ １．５）／２ ＝０．８２５（ｍ），Ｃ。＝０．０１６ ｍ。对混凝土而言，ａ＝ ０．００４ ｍ ／ｈ，入＝８．３７ ｋＪ（ｍ・ｈ・ｃ【＝）。对冷却水 管而言，Ｃ＝】．６ ｅｍ，ｒｎ＝１．４ ＣＩＴＩ， １＝１．０ ｋＪ（ＩＴＩ・ｈ ・℃），ｃ ．＝４．１８７ ｋＪ（ｋｇ・℃）。Ｐ＝】０００ ｋｇ／ｍ ， ｑ ＝１．２ ｍ ／ｈ，Ｔｏ＝２５ ， ＝８℃。计算从０～ ２０ ｄ的混凝土的平均温度 计算步骤如下： 首先进行冷却水管径向热流量系数ｋ的计 算， ＝Ａｌ／［ｃｌｎ（ｃ／ｒ。）］＝４６８．０５；同时Ａ／（ｋｂ）＝ ０．０２１ ７；ｂ／ｃ＝５１．６；由表ｌ可得， ，ｂ＝０．７７；ｎ ： Ｏｌ ｂ ． Ⅱ（ ） ＝１．９４７（ ｂ） ｎ：０．００４ ６２ ｍ ／ｈ。 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ日 第２８卷总第１３３期 四川水力发电 ２００９年ｌ２月 再通过混凝土平均温度计算公式进行计算，假定 其为无热源情况，计算公式如下： ＝ ，ｌ＝１．６２；ｓ＝１．０３， ＝ｅｘｐ（一 ｌｚ ）；可表达为 ＝ｅｘｐ（一 】ｚ ）＝ｅｘｐ（一１．６２（０．００３ ９３ｒ） 。 ）， ＋（ 一 ） 么，混凝土平均温度的计算公式可表示为： ＝其中函数的表达式为 ＝ｅｘｐ（一ｋｌｚ ）。 ＝口 ｒ／Ｄ ，．『为冷却水通水时间天数，Ｄ为冷却柱体的 直径，即Ｄ＝２ ｘ ｂ＝１．６８（ｍ）。ｋ１＝２．０８—１．１７４ｓｃ ＋０．２５６ ，ｓ＝０．９７１＋０．１４８ ５ —ｏ．０４４ ５ ， ＝ ８＋（２５—８）ｅｘｐ［一１．６２（ｏ．ｏｏ３ ９３ｒ） 。 ］ 把不同的时间天数 代入上式，即可得到混 凝土的平均温度，计算结果见表２。 实际应用计算过程中，计算结果与混凝土的 初温（水化热温升＋混凝土浇筑温度）、所采用冷 。各种参数计算为： ＝０．４３３ １；ｚ＝ａ＂ｒ／Ｄ ＝０．００３ ９３下： ｃ＂Ｐ ｑ” 却水管的导热系数、进水口水温等都有很大的关 系。混凝土初温中的水化热温升与其所冷却部位 ∈＝— 表２混凝土平均温度计算结果表 采用的混凝土中胶凝材料、水泥的特性有很大关 系，混凝土的浇筑温度与其出机口温度、运输过程 中的保温措施及施工所处的季节温度等均有关。 如果采用相同外半径的钢管，依照以上的计算 方法计算并与高密度聚乙烯水管相比，要达到同样 的混凝土平均温度所需的冷却时问要增加近２Ｏ％。 实际情况下，因为混凝土有绝热温升的存在， 混凝土通水冷却应该是有热源的水管冷却问题， 随着通水冷却时间的增加，绝热温升增量也在不 幅的限制，通水时间大大加长。 ５ 结语 混凝土温度控制问题是一个复杂的、系统的 问题，涉及的内容、采取的方法多而杂，通水冷却 就是现今电站建设最为常用的一个温度控制方 法。近年来，许多电站设计都涉及到通水冷却，如 已建的三峡电站、小湾电站，在建的大岗山水电 站、锦屏电站等均采用了通水冷却方式进行温度 控制。笔者撰写的此文对于解决投标阶段及施工 断的变化，由于通水冷却的原因，绝热温升增量从 开始通水到结束的这段时间是以时间积分函数形 式变化。在实际工程中，采用假定无热源的水管， 阶段经常涉及到的通水冷却相关问题方面具有一 定的参考价值。 参考文献： ［１］朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制［Ｍ］．北京：中 国电力出版社，２００３． 冷却问题基本上都可以达到指导施工的要求。 二期通水冷却的主要目的是为了把混凝土温 度降低到坝体稳定温度，即达到接缝灌浆要求的 温度。一般工程中，接缝灌浆大多数都是在混凝 ［２］朱伯芳，王同生，丁家瑛，郭之章．水工混凝土结构的温度应 力与温度控制［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９７６． 【３］郭之章，傅华．水工建筑物的温度控制［Ｍ］．北京：水利电 土浇筑完成过后６个月左右开始施工，在这段时 间里，混凝土的水化热温升在一期通水冷却后基 力出版社．１９９０． 本处于一个相对稳定的程度，受外界气温等的影 响不是很大，这样就为二期混凝土通水冷却的初 温值提供了一个较为理想的参考。关于二期混凝 作者简介： 王波（１９７４，），男，四川内江人，工程师，从事水利水电工程施工 技术与管理工作； 肖志辉（１９７８．），男，陕西眉县人，工程师，学士，从事水利水电工 程施工技术与管理工作． （责任编辑：李燕辉） 土通水冷却的计算方法同一期通水冷却，这里不 在累赘叙述，只是在确定混凝土初温和进水口温 度方面有一定的差异。同时，受混凝土Ｅｌ温度降 ■Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ