为降低导流投资成本，保障大坝汛期施工，碾压混凝土坝建设中常采用坝体预留缺口与导流洞联合导流的度汛方式，导流洞尺寸仅需按枯水期设计，大幅减小导流工程量。近年来，随着中非共建“一带一路”在水电开发领域的合作，中方承建了赞比亚下凯富峡、坦桑尼亚Julius Nyerere水电站等一批碾压混凝土坝项目。但受非洲热带地区炎热气候影响，坝体混凝土最高温度显著高于国内类似工程，导流缺口过水时表面将产生较大温度应力，同时碾压混凝土早期抗裂能力较低，温控难度大、开裂风险高。
对该问题的现有文献主要针对碾压混凝土坝导流缺口在温带、亚热带气候条件下的温度应力仿真分析，而对热带地区全年高温条件下大坝温度及应力演化特性的影响研究尚未见诸文献，同时也缺乏对导流缺口进行智能化温度监测与反馈控制的研究。
近10多年来，大体积混凝土通水冷却方式实现了从人工向智能化的跨越，智能温控方法与系统不断升级换代，促进了水利工程安全、优质、高效与绿色建造。目前智能通水技术已成为大坝精细化温度控制和防止温度裂缝的重要技术手段，形成行业共识。
研究方法
本文依托东非最大的水电站坦桑尼亚Julius Nyerere水电站工程，在汛期前采用三维有限元温度应力仿真方法，研究了过水阶段不同通水冷却方案下坝体导流缺口部位的温度及应力演化特性，提出了智能通水温控方法，采用清华大学林鹏教授Wedam课题组自主研发的智能通水温控系统2.0跟踪监测与调控大坝温度，结合汛期监测及汛后检查成果，探讨了推荐通水方案的实施效果。研究成果可供热带地区同类工程参考。
成果简介
本文依托坦桑尼亚Nyerere水电工程，针对热带地区的气候特征，开展了碾压混凝土坝预留缺口导流智能通水温控仿真与控制研究，主要结论如下：
1. 揭示了缺口导流阶段大坝温度场及应力场变化规律，过水面3 m以内区域中将产生较大的温度梯度，不采取通水冷却温控措施情况下表面温度应力最大可达2.04 MPa，超出容许拉应力，通过降低坝体内部温度可有效减小开裂风险。
2. 提出了针对炎热气候条件下的智能温控策略，建议对大坝EL 77～95 m区域进行至少7 d通水冷却，在过水前将过水面以下2 m处温度冷却至34.0 ℃以下。
3. 智能通水温控系统2.0，可智能调控冷却机组水温与流量供应，定时改变冷却水流向，有效提高混凝土冷却效果，降低制冷能耗，成功在过水前将大坝温度冷却至目标温度范围。
汛后坝面监测结果显示无温度裂缝产生，通过智能通水温控系统与温控仿真的联合温控方案可有效解决坝体导流缺口的温度裂缝问题，使Nyerere大坝安全度汛得到保障，可供国内外同类工程参考。
图文导读
仿真分析中考虑了分层浇筑施工过程的影响，通过将度汛前碾压混凝土浇筑过程细分为64 个浇筑步骤，进一步提高计算精度。模型主要考虑C15、C12和C10 3种碾压混凝土的材料分区，并采用弱化弹性模量的薄层单元模拟横缝作用。
四种通水工况下过水面以下不同深度处混凝土温度过程线如图1。在不通水冷却条件下，过水面与过水面以下3 m处最高温度分别可达33.6和40.9 ℃，在假定的开始过水时间2处的混凝土温度分别为32.3和36.7 ℃。过水时段的水温仅为24.5～27.1 ℃，开始过水后混凝土温度出现突降，在过水面以下3 m区域中将产生较大的温度梯度，而混凝土尚处于100 d龄期左右，抗裂能力未完全发展，易产生温度裂缝。
对大坝EL 77～95 m区域进行通水冷却后，混凝土过水面温度降低不明显，但混凝土内部温度明显降低。4种工况下初期冷却阶段混凝土温度差异最大，初期通水停止后温度差异逐渐缩小。在分别进行7、14、21 d初期通水的条件下，开始过水时过水面温度分别为32.0、31.9、31.8 ℃，过水面以下3 m处温度分别为34.8、33.4、32.4 ℃，比不通水冷却的温度降低1.9～4.3 ℃。
图1 过水面以下不同深度处混凝土温度过程线
为保障大坝在缺口导流阶段不出现温度裂缝，克服传统人工通水冷却方法中的存在的数据监测反馈不及时、控制精度低和信息化程度低等缺陷，混凝土温度控制采用智能通水温控系统2.0。如图2a为智能通水温控系统2.0的硬件架构，由蓄水池、制冷机组、自动换向模块、一体流温集成控制柜、水工数字温度计、气象站和数据采集反馈集成控制柜组成。图2b为智能温控云平台界面及主要功能。该系统实现了对混凝土温度、冷却水流量与水温、环境温度、制冷机组运行状态和供水流向的实时在线监测与控制。图2c展示了智能通水温控系统2.0的现场布置情况。
与以往的智能通水系统相比，该系统实现了智能通水设备和制冷机组与自动换向模块的联调控制，扩展了通水冷却的控制范围。依据不同龄期不同温控阶段的混凝土温控需求，实时分析计算全坝最优水温范围与冷却水需求量和智能调控冷却机组水温与流量供应，定时改变冷却水流向，可有效提高混凝土冷却效果，降低制冷能耗，提高经济环境效益。
图2 智能通水温控系统2.0的系统架构与布置
课题组简介
清华大学水利系林鹏教授的WEDAM课题组专注于大型水电工程智能建造的理论、装备与应用研究。研发了大坝仿真、智能温控、智能安全、智能振冲等智能建造系统，创建了全面感知、真实分析、实时控制和持续优化的智能建造理论与方法，致力于实现工程关键建设管理过程的智能化管控。已授权相关发明专利40余项，获省部级一等以上奖励15项, 中国专利奖优秀奖1项。主要成果被企业、行业标准采用，成为国内外15座高拱坝，西拉沐沦、龙门等特大桥、大型水工隧道等重大工程的设计和施工依据之一。
文章信息
李明,林鹏,李子昌等.缺口导流期碾压混凝土坝智能通水温控[J/OL].清华大学学报(自然科学版):1-8[2023-05-08].https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.005.
期刊介绍
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清华大学学报（自然科学版）》被多家国际性文献检索机构如Ei、CA、MR、РЖ、INSPEC、Zbl等及国内多家全国性文献检索机构如中文核心期刊要目总览、CSCD、CNKI 等收录。1999、2003年荣获第一、二届国家期刊奖，2005年荣获第三届国家期刊奖提名奖，2010、2013年荣获第二、三届中国出版政府奖期刊提名奖，2009年被评为“新中国60年有影响力的期刊”，2013、2015、2017年荣获全国百强科技期刊。