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1、三峡工程塑料冷却水管现场试验与研究黎汝潮摘摘 要要 将塑料水管作为大坝混凝土的冷却水管在国外已得到较广泛的使用，而国内仅在二滩水利枢纽中普遍使用。在三峡工程中进行塑料水管替代黑铁管作为混凝土冷却水管现场试验，分析比较其冷却效果，以便在满足三峡工程实际应用的前提下，寻找合适的塑料管材、施工方法与施工工艺。此次试验表明：三峡工程采用塑料水管代替黑铁管作为坝体冷却水管将在简化施工、进度和温控效果上带来一定效益。关键词关键词 塑料水管 混凝土 冷却 试验 三峡水利枢纽三峡水利枢纽工程主要由大坝、电站厂房和通航建筑物组成，主体工程混凝土量约 28m 万 m3，其中大坝混凝土量达 16m 万 m3。在混凝
2、土施工过程中，为了满足混凝土温控及接缝灌浆要求，需在大坝混凝土内埋设冷却水 管对混凝土进行通水冷却。初步估算，三峡大坝需埋设水管总长达 500 万 m。在国内以往的工程 施工中，多埋没直径 2.54cm 的黑铁管对混凝土坝体通水冷却，施工经验较多，施工方法成熟，水 管导热性能好，但水管需要在工地附属加工厂进行加工制作，制作安装不便，且费时较多，接头 渗漏或堵管时有发生，材料及制安费用也较高，特别不利于浇筑 3m 层厚混凝土时层间水管埋设。 塑料冷却水管的材料主要特点是铺设省时省力，施工费用较低；本身可弯曲、接头较少；但导热 性能不如黑铁管。国外有许多工程都成功地使用了这种水管，国内运用较少，仅
3、在二滩工程大规 模采用。1 1 试验目的试验目的塑料冷却水管导热性能较差是混凝土大坝埋设塑料冷却水管进行通水冷却的难点。一般来说， 在满足通水要求的前提下，冷却水管导热性能越好，管材对通水冷却效果的影响就越小。三峡工 程混凝土的导热系数为 2.5W/m，二滩拱坝采用的塑料冷却水管的导热系数为 0.450.50W/m，三峡工地现场采用的铁质冷却水管的导热系数约为 16.0w/m。为此，需 寻找一种导热性能尽可能接近混凝土热学性能又满足冷却水管施工要求的材料。在长江委设计院对三峡工程采用软冷却水管研究与分析的基础上，开展塑料水管替代黑铁管 现场试验研究，通过现场试验来验证塑料冷却水管的技术可行性、
4、经济性和可靠性。结合三峡二 期工程实际应用要求，通过对几种塑料水管进行材质性能、接头漏水、水管抗冲击、水管冷却效 果及冷却水管在混凝土中埋设工艺试验，验证塑料水管代替黑铁管作为冷却水管在三峡工程使用 的可行性；同时，优选出质量和性能较好的塑料水管。2 2 试验方式及时间安排试验方式及时间安排选择攀枝花市塑料厂、贵阳塑料厂、葛洲坝塑料二厂等三厂家生产的塑料水管，长江科学院 对其材质热、力学性能指标进行测试后，于 1999 年 1 月 21 日3 月 10 日在泄 17#坝段下块进行 试验。试验部位混凝土采用 CC-200 胎带机运送混凝土入仓浇筑。试验中分别在42.0m、43.5m、45m 三个
5、混凝土浇筑层面靠下游分别布置攀枝花塑料厂、贵阳塑料厂、葛 洲坝塑料厂生产的塑料水管，各层的上游布置黑铁管。水管的布设间距为 1.52.0m(垂直水平)。3 3 试验项目及其试验成果试验项目及其试验成果3.13.1 材质性能试验材质性能试验长江科学院对材质的热学性能、力学性能指标测试结果如表 1。表 1 各种材料的热学性能指标及力学性能指标序号类别(生产厂家)外径(mm)壁厚(mm)容重(kg/m3)比热(J/kg)导热系数(W/m)导温系数(m2/h)屈服点拉力P1(kN)屈服强度(MPa)破坏内水压力备注1攀枝花塑料厂样品322.00.4720.3白色2贵阳塑料厂样品32322.752.01
6、130950126916830.5080.440.001280.001044.820.893.0白色黑色3葛洲坝塑料厂样品322.0攀枝花管材做了不同温度、不同环向应力下的液压试验，样品试验结果合格，冲击试验中在 高度 1.5m 下，10 次均无破裂；贵阳管材冲击试验是选用 50kg 大骨料和特大骨料从 1.5m 高度冲 击和单粒大骨料(重 3.0kg)在 1.5m 连续两次冲击试件，观察试件的变形情况，均能满足试验规程 的控制标准。3.23.2 塑料管及连结接头漏水检查试验塑料管及连结接头漏水检查试验分别将三种塑料水管及各类型的连结接头在仓外拼成环形，进水管安装水压计，水压从 O.2MPa
7、开始，级数为 0.05MPa，每级稳压 5min，终压 0.40.6MPa。每种塑料水管和接头均测试 两次。观察各种塑料水管及接头有无漏水现象。攀枝花塑料厂生产的塑料水管接头有直型、肘型和 T 型三种，采用加热后与水管进行套接式 连结；贵阳塑料厂和葛洲坝塑料厂生产的塑料水管接头有直型和 T 型两种，采用扣丝连结件与水 管连结。从仓内、仓外两次连结后通水的结果看，攀枝花和贵阳两厂生产的接头密封性均能满足 要求。3.33.3 塑料水管抗冲击试验塑料水管抗冲击试验将试验的塑料水管连结成环状铺在老混凝土面上，将胎带机下料高度调整到 3.8m 左右，三级 配的混凝土直接冲击塑料水管，刨开混凝土，观察其受
8、损情况。三厂家的塑料水管除在拔出混凝土的过程中其表面形成部分擦痕外，均无明显的破损变形。 其抗冲击性能均可满足目前三峡的混凝土浇筑工况要求。3.43.4 塑料水管铺设工艺试验塑料水管铺设工艺试验混凝土开仓前，将塑料水管在混凝土仓面弯曲成蛇形，按水平间距 2.0m 铺设在混凝土面上后， 为保证在混凝土浇筑时不位移，使用带有铁钉的塑料“U”形卡将其固定在混凝土层面上，在弯管 段采用不少于 3 个“U”形卡固定。水管回路形成后，进行通水，检查塑料水管和接头有无漏水。 混凝土浇筑过程中，塑料水管一直保持通水。从通水的情况看，塑料水管在混凝土层面的铺设是 成功的。3.53.5 塑料水管通水冷却效果试验塑
9、料水管通水冷却效果试验因该试验块的混凝土浇筑在 1、2 月(低温季节)进行，所以取消了中期通水试验，只进行初期 通水效果的测试。施工现场不具备制冷水，改通河水，在混凝土浇筑过程中即以不低于 18L/min 的流量开始通水，连续通水至混凝土内部最高温度降低 45。试验分为 3 组，共埋设 48 支温度计，分别对每层的钢管和塑料水管冷却效果进行对比观测， 每组温度计沿混凝土厚度布置 8 支，测量水管冷却对浇筑块温度梯度的影响。观测过程：通水前观测一次，在通水的前 17 天每天观测三次，第 8 天后每天观测一次，混 凝土内部最高温度下降 45后即停止通水，但仍继续监测 3 天。4 4 通水冷却效果分
10、析通水冷却效果分析4.14.1 冷却效果整理分析冷却效果整理分析4.1.1 平均温度比较部分仪器冷却效果特征值见表 2，45.0m 面上实测塑料水管与钢管的冷却效果见图 1。表 2 各种塑料水管与钢管冷却效果特征值高程 42.0m高程 43.5m高程 45.0m塑管钢管塑管钢管塑管钢管备注浇筑温度()12.612.415.013.614.815.8测试值通水测试峰值() 23.523.627.622.426.824.7测试值通水计算峰值()23.422.924.724.226.726.2计算值通水历史(d)111113*1113*11测试值峰值出现时间(d)544434测试值注：*为因故中途间
11、断通水。图图 1 1 葛洲坝塑料水管与钢管冷却效果对比葛洲坝塑料水管与钢管冷却效果对比现场试验的测试温度结果规律性不强，但总体来说：钢管比塑料水管冷却效果好，在同一高 程，钢管冷却温度较塑料水管冷却部位的混凝土温度低 0.51，在42.0m 面上塑料水管冷 却的混凝土最高温度比钢管冷却后的最高温度低主要是通水不正常造成的；高程 43.5m 层面上塑 料水管冷却的混凝土最高温度比钢管冷却的混凝土温度高出较多，主要是塑料水管的管壁较厚， 且高程 43.5m 和 45.0m 埋设的冷却水管在试验初期通水过程中有停止通水现象，测试数据表明， 停止通水后，混凝土温度明显回升。4.1.2 点温度比较将部分
12、温度计所在点的温度进行计算与实测试作比较：在水管附近的仪器受通水影响较大， 测试结果主要反映出通水时水管外壁温度，而靠近混凝土表面的仪器测试的温度值受气温影响明 显。下面分别选取钢管和塑料水管冷却部位部分仪器点温度结果分析。(1)钢管冷却部位： T-2、T-7 两仪器均埋在钢管冷却部位。 T-2 埋设在42.10m，贴水管 埋设，因受通水水温影响较大，测出的温度值较低，计算值比实测值高，主要原因是计算值为水 管全长范围内水管外壁平均值，而 T-2 埋设在靠近水管进口位置，该处水温比平均值低；T-7 埋 设在 42.75m，测试结果比计算值高 12，主要是计算时气温取旬均气温 11.4，而 1
13、月 2325 日气温为 12.713.9，且 T-7 埋设位置距混凝土表面仅 0.75m(测试结果与该点理论 计算温度值见图 2)，受气温影响较大，从 1 月 28 日以后温度过程线看，实测值与计算值过程线 基本平行，说明两者降温速度基本一致，仅实测值温差较大，降温速度稍快。图图 2 2 测试与计算结果对比曲线测试与计算结果对比曲线(2)塑料水管冷却部位 T-26、T-29、T-31 三仪器均埋在塑料水管冷却部位。T-26 埋设在43.60m，贴管埋设，实测值基本上为水管外壁温度，实测值与计算值差异原因与 T-2 相同，即 埋设位置所致，2 月 16 日2 月 19 日因没有通水，温度明显上升
14、；T-29 埋设在43.95m，处于 浇筑层中间，总体测试结果与计算值相差 0.5左右，基本一致；T-31 埋设在44.60m(测试结 果与该点理论计算温度值见图 3)，离该浇筑层顶面只有 40cm，2 月 6 日及 810 日气温为 10.011.8，比旬均气温 9.5略高，温度实测值比计算值高 1左右，基本一致。图图 3 3 T-31T-31 测试与计算结果对比曲线测试与计算结果对比曲线从以上几支温度计的实测值与计算值看，两者基本一致。4.24.2 模拟计算模拟计算4.2.1 初期冷却塑料冷却水管不同布置及埋设位置高温季节浇筑的基础约束区混凝土平均最高温度计算结果 见表 3。表 3 不同浇
15、筑情况的混凝土平均最高温度管材浇筑层厚水管布置水管理设部位混凝土平均最高温度1.5m1.52.0m层面埋设31.6铁管 1.5m1.52.0m层面埋设32.0塑料1.5m1.52.0m层面埋设31.4冷却3.0m1.52.0m层中层面各一层31.7水管2.0m1.02.0m层中层面各一层31.0采用塑料冷却水管代替铁管进行初期冷却，在水管尺寸、水管布置、通水流量等均相同时， 夏天浇筑基础约束区其最高温度约为 31.532.0，比铁管略高 0.30.4，若将水管理在 浇筑层中，其最高温度比铁管稍低，可以达到和铁管相同的冷却效果。加大浇筑层厚，在浇筑层 中间埋设塑料冷却水管，其最高温度基本不会升高
16、，但须进行现场试验研究解决与塑料冷却水管 在浇筑层中间的铺设方法相应的施工工艺。4.2.2 中后期冷却招标文件规定中期通水每年 9 月初开始对当年 58 月浇筑的大体积混凝土块体、10 月初开 始对当年 4 月及 9 月浇筑的大体积混凝土块体、11 月初开始对当年 10 月浇筑的大体积混凝土块 体进行中期通水冷却，削减混凝土内外温差。中期通水采用江水进行，通水时间 1.52.5 个月， 以混凝土块体温度达到 2022为准，水管通水流量应达到 2025L/min。招标文件规定后期通水一般从 10 月初开始，通水时间以坝体温度达到灌浆温度为准；应根据 坝体接缝灌浆进度和坝体温度计算确定各部位通水类别(制冷水或江水)，为保证必要的灌浆时段， 对于各灌浆年度开始进行接缝灌浆的部位应通制冷水，制冷水水温 810，水管通水流量通 制冷水时不小于 18L/min，通江水时应达到 2025L/min。坝体的中期通水冷却，一般通江水将
