說出來你可能不信，連大壩的命都是“冰箱”給的

中國研制的智能通水系統，相當于給大壩裝上了性能良好的“智能冰箱”，可實時、自動并精確地完成對大壩各部分混凝土的溫度控制，有效防止大壩溫度裂縫的產生。用上了智能通水系統的大壩，“降火去燥”后內心os可能是這樣的：我這條命都是冰箱給的。

       （一）大壩混凝土“火氣太旺”，裂縫成一大難題

　　現在的大壩主要使用混凝土，混凝土是由砂石、水泥和水攪拌而成，具有材料來源廣、可塑性強、耐久性好、強度高等優點，而且它還防水抗滲，是修大壩的絕佳材料。
但萬事無絕對，混凝土也有個很大的缺點：在攪拌、澆筑完成后，有28天左右的硬化過程，這個過程中混凝土（尤其是大體積混凝土）很脆弱，需要精心養護，以維持一定的濕度和溫度條件。
一旦養護出問題，就容易出現裂縫，而一旦出現裂縫，外觀難看事小，萬一影響結構承載力和防水功能那事情就大了。所以，大壩混凝土澆筑完成后，工程師們最關心的問題之一就是如何防止裂縫產生。
那么，混凝土究竟為什么會產生裂縫呢？
原因很多，但其中非常重要的原因就是——溫度。
我們都聽過熱脹冷縮，舉例來說，我們用瓷碗先裝100℃的沸水后倒掉，再馬上倒入接近0℃的冰水，則瓷碗很容易裂開。
這是因為裝入開水后，瓷碗表面和內部的溫度都會慢慢升高，把熱水倒出，立刻倒入冷水，瓷碗表面溫度降低快，而內部溫度降低慢，在熱脹冷縮的作用下，表面收縮程度大，而內部收縮程度小，從而產生了一股拉力，使得脆性的瓷碗馬上開裂。這股拉力的學名叫“溫度應力”，它與溫度梯度成正比，即溫差越大，溫度應力越大。
混凝土產生溫度裂縫的過程也是如此。混凝土也是脆性材料，硬化過程中水泥的水化反應會釋放大量的熱量，由于混凝土表面散熱比內部快，內部溫度比表面更高，內外溫差作用下產生了溫度應力，從而導致了混凝土開裂。
這一問題，在中國的水電開發中顯得尤為突出。
中國的水電資源集中在西南的高海拔地區，無論是年際溫差還是日內溫差，都非常大，并且往往伴有風雪等惡劣天氣，使得混凝土溫控成為非常棘手的問題。

　　（二）解決混凝土裂縫的方法——給大壩 “裝冰箱”

　　不過，這難不倒中國水電人，他們在艱難的實踐中想出了一種妙招，給大壩裝上穩定的“冰箱”，便解決了“裂縫”這個大難題。
雖然“此冰箱非彼冰箱”，但原理卻和冰箱大同小異——我們的冰箱是通過制冷劑吸收冰箱內物體的熱量，達到降溫效果；而給大壩“裝冰箱”則是在澆筑混凝土時預埋好冷卻水管，硬化過程中給水管中注入冷水，吸收水泥水化反應產生的熱量，從而給大壩降溫。
通過調節注入冷水的溫度、流量和時間，可以控制大壩內部冷卻的速率，進而控制大壩內部的溫度差，防止較大的溫度應力導致混凝土開裂。

（三）給大壩“裝冰箱”可是一門技術活

　　給大壩“裝冰箱”可不一件容易的事情，要面臨很多具體的技術問題。
比如：怎么才能探測大壩各部分的溫度？怎么確定大壩各部分混凝土的熱學參數（只有知道了熱學參數，才能根據混凝土可以承受的溫度應力計算出溫度控制的目標）？根據大壩目前的溫度狀態，如何確定給大壩不同部分通水的水溫、流量和時間，以達到預期的溫控目標？
此外，給大壩“裝冰箱”還有許多復雜的考慮因素和限制條件，比如影響大壩溫度變化的因素眾多（如天氣、地質條件等）、不能驟冷驟熱、溫度變化率要小、大體積混凝土的溫度變化滯后性強等。

既然給大壩“裝冰箱”有這么多問題，那在工程實踐中怎么解決呢？
傳統解決方法都是根據以往經驗，估計出工程中通水冷卻的標準，包括水溫、流量、通水時長等，并人工觀測預埋的測溫儀器，根據觀測的溫度人為調節通水流量——溫度降得慢就加大流量，溫度降得快就降低流量——保證混凝土的最高溫度不超標，以及溫度變化率控制在一定范圍內。
但是，傳統方法往往是對大壩“一刀切”，各部分采用同一標準，而實際上，大壩的不同澆筑倉（即不同的大壩部位）有不同的熱學參數，溫度控制目標也不盡相同，且人工觀測溫度需要消耗大量人力，并會造成觀測和調節的滯后性，無法做到對溫度的精細化控制。
所以，給大壩“裝冰箱”聽上去簡單，但在實踐中卻是一門技術活，一不留神可能就會產生裂縫。

　　（四）“實操指導”：如何給大壩“裝冰箱”？

　　隨著科技的發展，中國的科研人員自主研發出了一套智能通水系統，可實現對大壩“冰箱”的實時監測和自動控制。
這套系統包括：通水管內的數字測溫裝置、澆筑時預埋入混凝土中的數字溫度傳感器、智能控制箱、控制服務器、一體流溫控制裝置，如下圖所示。
　

　　（通水智能溫度控制系統結構示意圖1.內插數字測溫裝置；2.澆筑時預埋入混凝土塊中的數字溫度傳感器；3.智能控制箱；4.控制服務器； 5.雙向智能控制閥；6.雙向渦輪流量計；7.一體流溫控制裝置）
通水管內的數字測溫裝置用于探測進出水管的溫度，預埋混凝土塊中數字溫度傳感器用于探測大壩混凝土內部的溫度，測溫裝置和傳感器將實時的溫度數據傳送給智能控制系統（包括智能控制箱和控制服務器）。控制系統根據大壩混凝土和冷卻水的溫度，實時計算出適合的通水流量，并對一體流溫控制裝置發出指令，通過內部的雙向智能控制閥門進行開度控制，從而調節通水流量。
在工程實踐中，大壩常常采用分倉澆筑，應用智能通水系統，不同的澆筑倉可以經過智能學習選定個性化的、符合實際的熱學參數。熱學參數不同，混凝土溫度減低的速率和最高溫度的要求也就不同，智能通水系統可以針對不同的要求設定不同的溫度控制準則，從而實現對不同澆筑倉個性化的流量調節策略。
也就是說，從前給大壩“裝冰箱”，需要人工觀測冰箱內的溫度，而后人工對冰箱檔位進行調節，并且冰箱內各部分的檔位都一樣。而智能通水系統卻相當于一個“智能冰箱”，它不僅可以自動探知冰箱內不同部位的溫度，還能夠根據溫度實時調節冰箱檔位。
更高級的是，考慮到冰箱內不同部位的溫度要求不一樣，有需要冷藏的，也有需要冷凍的，為此它還可以根據不同的要求給冰箱的不同部位設定個性化的制冷檔位。

　　（溪洛渡水電站）

　　（五）溪洛渡拱壩——“世界最聰明的大壩”

　　溪洛渡水電站是“西電東送”的骨干工程，位于四川和云南交界的金沙江上，該電站最大壩高285.5米，屬于特高拱壩。在大壩的建設過程中，上述智能通水系統得到了應用。

　　（智能通水系統在溪洛渡拱壩現場布置圖1.冷卻水管進水管和出水管的溫度計；5.雙向智能控制閥；6.雙向渦輪流量計）
采用該系統后，工程師們可以實時采集溫度數據，采集頻率為兩秒一次。根據大壩各澆筑倉不同的熱學和力學參數，對不同澆筑倉設定不同的溫度設計曲線（即“溫度控制準則”）。
根據混凝土的溫度變化，系統每2小時自動對通水流量進行調整，有效地減少了人工成本并避免了人工干擾。以某智能控制倉為例，冷卻水流量和內部溫度變化曲線就像下圖：

　　（冷卻水流量以及內部溫度變化曲線圖）
與人工通水相比，智能通水的溫控曲線有以下特征：
（1）對混凝土最高溫度的控制效果基本一致，可以有效控制設計最高溫度；
（2）智能通水比人工通水的溫度曲線更加平滑，能有效控制混凝土的溫度更加均勻、協調地變化，溫度偶爾波動在0-1℃范圍內；
（3）智能通水比人工通水的流量控制曲線波動更大，因為智能通水控制平臺是根據混凝土的溫度變化情況實時調節流量，流量變化幅度大，但總的通水流量相比于人工通水能節約20-30%。

　　實踐證明，相比于傳統的人工通水方法，中國的智能通水系統給大壩裝上了性能良好的“智能冰箱”，不僅數據采集可靠，而且可以實時、自動并精確地調整對大壩各部分混凝土的溫度控制，大大降低了人工成本和通水成本，有效地防止了溫度裂縫的產生。

大壩 溫度 混凝土

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