利用地下水进行大体积混凝土温控的冷却系统及控制方法

摘要

利用海边地下水进行挡潮闸大体积混凝土温控的冷却系统及控制方法，混凝土结构物中设置有管路系统、输水排水系统、温度流量测控系统及终端控制系统；管路系统包括冷却水管、左连接管、右连接管、三通管、左排水管、右排水管及进水管，通过回路循环连接；输水排水系统设有：海水抽水井、高压分水管、管道增压泵、减压阀、低压输水管、无压集水井；所述温度流量测控系统包括混凝土温度计、左水管温度计、右水管温度计、左三通电磁阀、右三通电磁阀、流量电磁阀、进水管温度计以及数据采集线构成；并与终端控制系统连接，实现管路循环变换通水及流量的智能控制。本发明解决了沿海淡水缺乏等诸多问题，在沿海大体积混凝土工程中有较好应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及水工混凝土技术领域，具体地涉及一种利用海边地下水进行挡潮闸大体积混凝土温控的冷却系统及控制方法。

背景技术

《大体积混凝土施工规范》（GB50496—2009）中指出，大体积混凝土是混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。混凝土硬化初期，水泥与水发生化学反应，放出较多的热量，混凝土的温度逐步升高。普通尺寸混凝土构件散热条件好，混凝土内外温差较小，整个构件变形基本一致，不致产生严重的水化热裂缝。而大体积混凝土由于尺寸较大，散热较慢，水化热使混凝土内部温度明显升高。混凝土内部水化热温升会导致混凝土中的裂缝，进而破坏结构的整体性，使混凝土的耐久性能下降，甚至危及建筑物的安全。为此，工程上通常采用冷却通水的办法来解决混凝土内部温升问题。

在沿海地区，建设挡潮闸之类的水工建筑物时，需要对大体积混凝土进行降温冷却。采用海边地下水作为冷却用水是一个思路，其有以下优势：一方面，海边抽取上来的地下水温度较低，一般在15℃~18℃之间，冷却效率高；另一方面，在沿海地区淡水资源十分缺乏，若按照常规方法采用淡水进行通水冷却，势必造成费用成倍增加，且通过管道输送或汽车运输至海边的淡水温度较高，夏天通常在33~36℃之间，冷却效率大大减弱。因此，抽取海边地下水进行通水冷却，不仅可以提高冷却效果，还可以节约淡水资源，降低工程造价。然而，由于工农业固体沉积物、内河泥沙等长期沉积作用，海边地下水的盐浓度很高，甚至大于海水浓度。若采用常规的铁管作为冷却水管，处理不当势必会导致后期锈蚀，从而导致混凝土后期碳化；此外，采用铁管作为冷却水管，将不可避免的存在焊接问题，而这些焊接部位极易产生渗漏，一旦发生渗漏，不但影响冷却效果，海水中的氯离子还会进一步腐蚀混凝土材料，对混凝土耐久性产生极其不利的影响。因此，目前有关利用海边地下水进行大体积混凝土冷却的工程案例尚未有报道。另一方面，冷却通水不是随意为之，需要遵循一定的规则，比如，温峰、降温速率、通水时长等指标都要满足要求才可实施，冷却通水前通常需要人工测量混凝土温度、冷却水管中的水流量，然后根据测得的温度和流量数据，凭经验人工计算次日的通水流量，最后手工调节冷却水管上的阀门开度，按计算流量通水。这种人工的测量、计算和调节的方法过于繁琐，且温度控制不及时，准确性差；此外，还需要操作人员长时间工作，由于现场施工条件复杂，势必存在一定安全隐患。

近年来，随着海岸工程的兴起，需要兴建大量挡潮闸以防止海水倒灌破坏淡水河。因此，如何利用海边地下水对挡潮闸大体积混凝土进行冷却，并实现简单、快捷、智能地控制成为了一个值得关注的现实问题。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种利用海边地下水进行挡潮闸大体积混凝土温控的冷却系统及其控制方法，突破现有技术中无法利用海边地下水进行挡潮闸大体积混凝土施工冷却瓶颈，在此基础上提出冷却通水的智能控制技术。本发明解决了现有技术中的诸多难题：1、解决了沿海地区淡水资源缺乏的难题；2、解决了远程运输至海边的淡水温度较高，冷却效率低下的问题；3解决了常规的铁管作为冷却水管后期锈蚀问题；4、比现有技术相比，工程成本可大幅度降低。

为了完成上述发明任务，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种利用海边地下水进行挡潮闸大体积混凝土温控的冷却系统，混凝土结构物由大体积混凝土块和分缝构成；该混凝土结构物中设置有管路系统、输水排水系统、温度流量测控系统及终端控制系统；其特征在于，所述管路系统包括冷却水管、左连接管、右连接管、三通管、左排水管、右排水管及进水管，各水管通过回路循环连接；所述输水排水系统按照顺序设有：海水抽水井、高压分水管、管道增压泵、减压阀、低压输水管及无压集水井；所述温度流量测控系统包括混凝土温度计、左水管温度计、右水管温度计、左三通电磁阀、右三通电磁阀、流量电磁阀、进水管温度计以及数据采集线构成；并与终端控制系统连接，实现管路循环变换通水及流量的智能控制。

其中，所述高压分水管通过管道增压泵与海水抽水井连接，用于输送低温海水，在高压分水管末端设置两个分水阀，用于调节冷却水管后期通水流量，低温冷却海水通过均匀分布的进水管将冷却水输送到大体积混凝土内部。

所述的高压分水管长度需保证与挡潮闸长度一致；所述高压分水管与抽水井之间设置管道增压泵，使高压分水管内的压力能够满足若干混凝土块同时通水的流量要求；所述高压分水管末端设置两个减压阀以控制后期通水速率。

所述低压排水管与无压集水井连接，回收冷却尾水，并通过抽水泵将无压集水井内的高含盐量海水排至挡潮闸围堰之外，确保主体混凝土浇筑不受海水影响。

所述冷却水管采用HDPE材料，或采用高强度、高导热的PE材料，混凝土结构内的同一根冷却水管需保证完整长度，整体无焊接接头，呈蛇形等间距布置在大体积混凝土内。

所述冷却水管在混凝土左右两侧出口处与水管温度计连接，所述左、右水管温度计用于测量左右水管的进水或出水温度，并通过连接管分别与左、右三通电磁阀连接。

所述的冷却水管出水通过低压输水管排出，并统一排至无压集水井内；所述无压集水井内的海水应及时排至挡潮闸围堰之外，确保冷却水管排出的海水不会对挡潮闸主体混凝土浇筑造成不利影响。

所述混凝土内部布置有温度传感器，用于测量混凝土内部温度，所述温度传感器等间距分布在冷却水管之间。

所述左、右三通电磁阀通过三通管与流量电磁阀连接，通过左、右排水管与低压输水管连接。

所述流量电磁阀通过进水管与高压分水管连接，并在进水管与高压分水管之间设置有进水管温度计，用于测量水管的进水温度。

所述的海水抽水井用于抽取海边地下低温水，抽水井尺寸（深度和直径）通过抽水试验确定，要求达到冷却系统的设计最大通水流量。

本发明还提供一种利用海边地下水进行挡潮闸大体积混凝土温度冷却的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将管路系统、输水排水系统、温度流量测控系统、终端控制系统连通，测试各个量测器件的工作形态，保证各个部件能够正常运行；

步骤2：混凝土浇筑前确保进行不短于1个小时的加压通水试验，当确定管路系统不存在渗漏后，进行大体积混凝土的浇筑，施工过程中应避免混凝土直接落到冷却水管上；

步骤（3）：将混凝土内部温度计记录的混凝土温度变化和冷却水管进出口温差（T_出-T_进）反馈至终端控制系统5，并根据设计的混凝土通水要求，通过流量电磁阀对冷却水的进水流量进行实时动态控制；

步骤（4）：根据设计的混凝土通水要求自动调节三通电磁阀的开关方向，对冷却系统的进出水方向进行对换，保证冷却系统对混凝土冷却的均匀性；

步骤（5）：待冷却水管停止循环水冷却，监测温度达到设计要求后，先用空压机将水管内残余水压出并吹干冷却水管，然后用压浆机向水管压注水泥浆进行灌浆封堵；

所述步骤1中所述的冷却水管呈蛇形螺旋式布置，通过混凝土结构物内部的钢筋骨架固定。

所述冷却水管采用HDPE材料，整体无焊接接头，同一根冷却水管具有完整的长度，一方面避免铁管腐蚀和接头渗漏的隐患，另一方面采用HDPE材料可降低成本，并有利于缩短水管布置的施工时间。

所述步骤3中T_进指的是进水管温度计测得的温度；当水流从左流向右时，T_出指的是右水管温度计测得的温度，当水流从右流向左时，T_出指的是左水管温度计测得的温度；（T_出-T_进）的控制阈值根据实际设计或施工要求确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供了一种可以利用地下海水进行挡潮闸大体混凝土降温冷却的方法，并实现管路循环变换通水及流量的简单、快捷和智能控制。本发明解决了现有技术中的诸多难题：1、解决了沿海地区淡水资源缺乏的难题；2、解决了远程运输至海边的淡水温度较高，冷却效率低下的问题；3解决了常规的铁管作为冷却水管后期锈蚀问题；4、比现有技术相比，工程成本可大幅度降低。在沿海地区的大体积混凝土工程中具有较好的应用前景。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明利用海边地下水进行挡潮闸大体积混凝土温控的冷却系统布置图。

图2-1、图2-2是本发明冷却水循环控制方法示意图（以单个冷却单元为例）。

图中：1、混凝土结构物；2、管路系统；3、输水排水系统；4、温度流量测控系统；5、终端控制系统；11、大体积混凝土块；12、分缝；21、冷却水管；22、左连接管；23、右连接管；24、三通管；25、左排水管；26、右排水管；27、进水管；31、海水抽水井；32、高压分水管；33、低压输水管；34、无压集水井；35、管道增压泵；36、减压阀41、混凝土温度计；42、左水管温度计；43、右水管温度计；44、左三通电磁阀；45、右三通电磁阀；46、流量电磁阀；47、进水管温度计；48、数据采集线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和图2-1、图2-2所示，一种利用海边地下水进行大体积混凝土温控的冷却系统，包括混凝土结构物1、管路系统2、输水排水系统3、温度流量测控系统4和终端控制系统5；所述混凝土结构物1主要由大体积混凝土块11和分缝12构成；所述管路系统2包括冷却水管21、左连接管22、右连接管23、三通管24、左排水管25、右排水管26和进水管27通过回路循环连接而成；所述输水排水系统3包括海水抽水井31、高压分水管32、低压输水管33、无压集水井34、管道增压泵35和减压阀36组成；所述温度流量测控系统4包括混凝土温度计41、左水管温度计42、右水管温度计43、左三通电磁阀44、右三通电磁阀45、流量电磁阀46、进水管温度计47以及数据采集线48构成，并与终端控制系统5连接，实现管路循环变换通水及流量的简单、快捷和智能控制。其中，所述冷却水管21采用HDPE材料，整体无焊接接头，呈蛇形等间距布置在大体积混凝土块11内；所述混凝土内部布置有温度计41，用于测量混凝土内部温度，所述混凝土温度计41等间距分布在冷却水管21之间；所述冷却水管21在混凝土左右两侧出口处与水管温度计42和43连接，所述左、右水管温度计41、42用于测量左右水管的进水或出水温度，并通过连接管22和23分别与左、右三通电磁阀44和45连接，所述左、右三通电磁阀44和45通过三通管24与流量电磁阀46连接，通过左排水管25、右排水管26与低压输水管33连接；所述流量电磁阀46通过进水管27与高压输水管32连接，并在进水管27与高压输水管32之间设置有进水管温度计47，用于测量水管的进水温度。所述高压输水管32通过管道增压泵35连接到海水抽水井31，用于输送低温海水，低温冷却海水通过均匀分布的进水管27将冷却水输送到大体积混凝土块11内部；所述高压输水管32末端设置两个减压阀36控制后期通水速率；所述低压输水管33与无压集水井34连接，集中回收冷却尾水，并通过水泵排至围堰之外。

其中：大体积混凝土块11的尺寸为26m×12.5m×2.5m；冷却水管21、左连接管22、右连接管23、三通管24、左排水管25、右排水管26和进水管27均采用Φ40×2.5mm的HDPE管；高压分水管32、低压输水管33采用Φ150×8.0mm的HDPE管；海水抽水井31深度10m，直径50cm；管道增压泵35采用ISG立式管道泵，流量25m³/h，扬程20m；冷却水管21水平、竖直间距均控制0.6m，水管到混凝土表面或侧面的距离不小于0.8m。

如图2所示，本实施例提供一种利用海边地下水进行挡潮闸大体积混凝土温度冷却的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将管路系统2、输水排水系统3、温度流量测控系统4、终端控制系统5连通，测试各个量测器件的工作形态，保证各个部件能够正常运行；

步骤2：对冷却水管21进行整体压水试验，试验压力1.5MPa，试验时间确保不短于1个小时，当确定管路系统不存在渗漏后，进行大体积混凝土的浇筑；

步骤3：将混凝土内部温度计41记录的混凝土温度变化和冷却水管21进出口温差（T_出-T_进）反馈至终端控制系统5，并根据设计的混凝土通水要求，通过流量电磁阀46对冷却水的进水流量进行实时动态控制；

步骤4：根据设计的混凝土通水要求自动调节三通电磁阀44和45的开关方向，对冷却系统的进出水方向进行对换，保证冷却系统对混凝土冷却的均匀性，图2示意了切换水流方向后的两种水管水流状态；

步骤5：完成冷却过程，监测温度达到设计要求后，先用空压机将水管内残余水压出并吹干冷却水管，然后对冷却水管21进行灌浆封堵。

所述步骤1中所述的冷却水管呈蛇形螺旋式布置，通过混凝土结构物内部的钢筋骨架固定。

所述冷却水管2为HDPE管，整体无焊接接头，同一根冷却水管具有完整的长度，一方面避免了接头渗漏的隐患，另一方面采用HDPE材料可降低成本，并有利于缩短水管布置的施工时间。

所述步骤3中本实施例设计的混凝土通水要求如表1所示。

所述步骤4中T_进指的是进水管温度计47测得的温度；当水流从左流向右时，T_出指的是右水管温度计43测得的温度，当水流从右流向左时，T_出指的是左水管温度计42测得的温度。

表1