衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法

本发明属于混凝土温控防裂
技术领域：
，具体涉及一种衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法。
背景技术：
：借鉴大体积混凝土埋设冷却水管通水冷却，降低混凝土最高温度和控制内外温差成功温控防裂经验，为有效控制温度裂缝，在三峡水利枢纽右岸地下电站发电引水洞至溪洛渡、白鹤滩、乌东德等巨型水电站水工隧洞衬砌混凝土大量采取通水冷却措施。但水工隧洞设计规范，条文中没有关于衬砌混凝土通水冷却水温和温降速率控制等方面的规定。经常是参考混凝土重力坝设计规范规定，坝体混凝土与冷却水之间的温差不宜超过25℃，坝体降温速度不宜大于1℃/d；或者混凝土拱坝设计规范规定，通水冷却时坝体降温速度不宜大于1℃/d，混凝土温度与冷却水之间温差不宜超过20℃～25℃；以及水工混凝土施工规范规定，混凝土温度与水温之差不应超过25℃，日降温不应超过1℃。根据模拟混凝土浇筑过程对高混凝土拱坝一期水冷温度对水管周边混凝土的影响研究：对于水管下部(层)老混凝土，这一水管通水冷却前，混凝土温度较高(20℃)，通水冷却时，水管周边混凝土从较高温度迅速向水温靠近，离水管越近，温降速度越快，在水管周边形成较大的温降幅度的梯度，且水温越低，温降幅度的梯度越大；对于水管上部的新浇混凝土，混凝土浇筑的同时进行通水冷却，水管周边的混凝土未升至较高温度(初期为入仓温度)，保持与水温较为接近的温度。虽然与水管距离的不同也有一定的温度梯度，但是这些部位的温度与温度梯度一直保持不变，并没有发生大的变化。温度降低产生收缩变形，温降幅度不均匀就会使得这一变形不均匀，从而产生自生约束，因此，水管下部的老混凝土由于温降幅度的不均匀从而产生拉应力，而水管上部的新浇混凝土由于没有明显的温降过程，拉应力不大。所以，多层浇筑大坝等大体积混凝土的通水冷却水温(即与内部混凝土温差)由下层老混凝土管周不产生温度裂缝控制，允许水温差和温降速度较小。薄壁衬砌结构混凝土厚度小，一次性浇筑，混凝土覆盖冷却水管即开始通水冷却，与上部新浇混凝土情况相当，管周没有明显的温降过程，拉应力不大。因此，对应薄壁衬砌结构混凝土的通水冷却，应该是通过获得最优的温控防裂效果(称为衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温)确定水温差。而且，衬砌结构的厚度不同、混凝土的强度不等，通水冷却优化控制水温差可能有较大差异。但是，目前水工隧洞等有关规范条文并中没有科学计算水温差，并根据此来优化调控衬砌混凝土通水冷却水温的方法。技术实现要素：本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法，可客观准确地得到适用于不同衬砌结构混凝土的水温差，并基于此对衬砌结构进行通水冷却，科学合理地实现通水冷却温控防裂。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：如图2所示，本发明提供衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.获取衬砌结构混凝土的通水冷却温控用资料；步骤2.计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温差△twy(℃)：△twy＝2.62-3.19h+0.61c+0.12hc(公式1)式中：h为衬砌结构混凝土的厚度(m)；c为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级(mpa)，若衬砌结构混凝土强度是28d龄期强度，则需要按照规范换算成90d设计龄期；步骤3.估算衬砌结构混凝土通水冷却条件下内部最高温度tmax(℃)：tmax＝10.91h+0.051c+0.712t0+0.13tg+0.51ta-0.138h×tg-0.0061t0×tg+0.0335h×c-0.178h×ta-0.0295h(ta-tmin)+3.89(公式2)式中，t0为混凝土浇筑温度(℃)，tg为通水冷却效应值(℃)，ta为混凝土浇筑期环境温度(℃)，tmin为洞内气温年变化冬季最低温度(℃)；步骤4.计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温twy(℃)：twy＝tmax-△twy(公式3)步骤5.根据通水冷却优化控制水温twy优化衬砌结构混凝土的通水冷却措施。优选地，本发明提供的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：在步骤5采取的通水冷却措施中，应控制水温大于(twy-1℃)并且小于(twy+2℃)。优选地，本发明提供的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，tg＝35℃-tw，tw为优化前拟定方案要求或设计的通水冷却水温度(℃)。由公式2计算内部最高温度tmax时，如果已经有拟定通水冷却措施方案(或者设计技术要求)，则取tw为该拟定方案或者设计技术要求通水冷却水温、t0为该拟定方案的浇筑温度(步骤7则是对通水冷却水温的进一步优化)；如果没有拟定通水冷却措施方案(或者设计技术要求)，考虑到实际工程tw一般在12～22℃之间，则可以取tw＝17℃，取t0为当月平均气温+2℃估算。这样估算的tmax值的误差一般小于1.0℃，基本不影响在第5步优化通水冷却水温。如果需要进一步提高优化精度，也可以在第5步确定施工通水冷却优化水温后再返回步骤3计算tmax，以及第4步计算优化控制水温twy，接着再进入步骤5修正优化通水冷却措施。优选地，本发明提供的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：采用控制处理装置执行步骤2至步骤4，计算通水冷却优化控制水温差△twy、最高温度tmax、水温twy。优选地，本发明提供的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：还采用控制处理装置执行步骤5，根据通水冷却优化控制水温差△twy、最高温度tmax、水温twy确定通水冷却措施，并控制通水冷却系统对衬砌结构混凝土进行通水冷却养护。优选地，本发明提供的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：还采用控制处理装置执行步骤1，让用户根据提示输入衬砌结构混凝土通水冷却温控用资料，并进行存储。优选地，本发明提供的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：还采用控制处理装置根据用户指令对输入的信息、计算的结果和优化的通水冷却措施进行显示。优选地，本发明提供的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：还采用控制处理装置根据用户指令对通水冷却系统的运行情况进行显示。另外，上述步骤2所提出的计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温差△twy的公式1，是以溪洛渡、白鹤滩、乌东德等巨型水电站泄洪洞工程为例，采用三维有限元法进行城门洞型断面不同厚度、不同强度等级衬砌混凝土在不同通水冷却水温条件的温度与温度应力仿真计算，整理分析全过程衬砌混凝土温控防裂效果，以获得全过程抗裂安全系数最大化为原则，求得不同厚度、不同强度等级衬砌混凝土的通水冷却最优水温差。例如，1.0m厚度采取结构(图1)边墙c9030强度混凝土，通过表1中8～22℃不同水温tw情况仿真计算，求得衬砌混凝土全过程的抗裂安全系数k，整理两个k值最小的养护期和冬季的k1、k2，然后作出k1、k2与水温tw的关系曲线见图3。同样可以整理内部最高温度tmax与水温tw差值(即水温差△tcw)与水温tw的关系见图4。由于k1随着tw增大、k2随着tw减小，则两曲线的交点为能够获得全过程抗裂安全系数最大化的水温twy。与此对应值，以下称为通水冷却综合优化抗裂安全系数ky。与ky对应的通水冷却水温称为优化控制水温twy、温降速率称为优化控制温降速率vy、水温差称为优化控制水温差△twy。根据不同厚度c9030衬砌混凝土的仿真计算，作出水温差△tcw与tw的关系示于图4。由图3中k1(tw)与k2(tw)交点确定twy值，则可以由twy值在图4确定△twy，汇总不同厚度h、不同强度等级衬砌混凝土的△twy值见表2。然后对这些数据进行分析研究得到通水冷却优化控制水温差△twy计算公式1。表11.0m衬砌c9030混凝土不同水温通水冷却温控特征值表2不同厚度、不同强度等级衬砌混凝土的通水冷却优化控制水温差△twy步骤3估算衬砌结构混凝土通水冷却条件下内部最高温度tmax的公式2，是以三峡、溪洛渡、白鹤滩、乌东德等断面，以及其衬砌混凝土参数和施工温控方案为代表典型概化，共进行表3和表4中175个方案温度场仿真计算。根据表3和表4，边墙高度、分缝长度、围岩变形模量、通水时间、气温年变幅、浇筑日期不影响内部最高温度tmax，对tmax与衬砌厚度h、混凝土强度c、浇筑温度t0、通水冷却水温tw、浇筑期洞内气温ta的关系进行研究分析，得到公式2。表3衬砌混凝土温度裂缝机理与因素影响计算工况注：通水冷却情况的水管间距1.0m，单根水管长度100m，流量35l/min，下同。表4城门洞形断面衬砌混凝土温控防裂仿真计算补充方案发明的作用与效果本发明所提供的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法的优点是：(1)本方法可以适用于任何衬砌结构(包括不同土木工程类型、不同结构形式、不同厚度、不同强度等)，进行衬砌混凝土通水冷却及其水温优化控制。(2)本发明方法科学性强。通水冷却水温差计算公式1综合反映了衬砌结构混凝土厚度、强度等级对通水冷却效果的影响，是对应获得全过程抗裂安全系数最大值的水温差。内部最高温度计算公式2，科学反映了与衬砌厚度h、混凝土强度c、浇筑温度t0、通水冷却水温tw、浇筑期洞内气温ta的关系。因此，将公式1和2的计算结果，带入公式3中计算得到的通水冷却水温，是能够获得最大抗裂安全系数的水温值，依据该水温值进行通水冷却，能够科学取得温控防裂的最佳效果。附图说明图1为水工隧洞城门洞型衬砌混凝土的结构断面图(图中尺寸单位：m)；图2为本发明涉及的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法的流程图；图3为本发明涉及的c9030混凝土不同厚度养护期k1和冬季k2与通水冷却水温tw的关系图；图4为本发明涉及的c9030混凝土水温差△tcw与通水冷却水温tw的关系图；图5为本发明涉及的白鹤滩水电站泄洪洞上平无压段衬砌结构断面图(图中尺寸单位：cm)；图6为本发明涉及的2#泄洪洞洞口段第2单元左侧边墙实测内部温度历时曲线图；图7为本发明涉及的145单元衬砌混凝土内部温度历时曲线图。具体实施方式以下结合附图，以白鹤滩水电站泄洪洞工程不同部位衬砌结构混凝土为例，对本发明涉及的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法的具体实施方案进行详细说明。<白鹤滩水电站泄洪洞工程衬砌结构混凝土温控资料>白鹤滩水电站装机容量16000mw，是全世界第2大水电站(仅次于三峡)。枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。泄洪设施包括大坝的6个表孔、7个深孔和左岸的3条泄洪隧洞。3条泄洪洞布置在左岸，采用无压泄洪洞型式，均由进水口(闸门室)、无压缓坡段、龙落尾段和出口挑流鼻坎组成，1#、2#泄洪洞龙落尾反弧直接接挑流鼻坎，3#洞因地形条件限制，反弧末端接一段坡度为8％的下平段，再接出口挑流鼻坎。泄洪洞洞身段包括泄无压段和龙落尾段，均为为城门洞形断面，根据衬砌厚度和围岩不同等特点，分成1.0m、1.2m、1.5m、2.5m四种厚度基本衬砌类型。泄洪洞衬砌混凝土设计允许最高温度见表5。表5泄洪洞衬砌混凝土施工期允许最高温度单位：℃工程部位5～9月3、4、10、11月12、1、2月上平段1.0m383634上平段1.5m413937上平段2.5m434139龙落尾1.2m403836龙落尾1.5m424038在混凝土浇筑和养护的全过程对混凝土进行温度控制，避免混凝土开裂，设计要求温控措施包括：(1)优化混凝土配合比、提高混凝土抗裂能力。(2)合理安排混凝土施工程序和施工进度，并努力提高施工管理水平。(3)控制混凝土内部最高温度。有效措施包括降低混凝土浇筑温度、减少胶凝材料水化热温升、初期通水等。通水冷却时间，要求混凝土表面温度达到隧洞空气温度，一般要求10～20d。控制衬砌混凝土浇筑温度，4～9月为20℃；10月～次年3月为18℃。运输混凝土工具应有隔热遮阳措施，缩短混凝土暴晒时间，减少混凝土运输浇筑过程中的温度回升。尽量避免高温时段浇筑混凝土，应充分利用低温季节和早晚及夜间气温低的时段浇筑。<实施例一>2#泄洪洞洞口段第2单元衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温2#泄洪洞洞口段第2单元，城门洞形衬砌，边墙衬砌厚度2.5m，沿泄洪洞轴线方向每隔12m设置环向施工分缝，ⅲ类围岩，衬砌结构的底板和边墙为c9040混凝土，如图5所示(衬砌后断面尺寸不变，厚度为2.5m)。混凝土分3期浇筑：先边墙、后顶拱、最后底板。这里介绍边墙衬砌混凝土浇筑通水冷却优化控制水温计算。温控基本资料同上。采用常温自来水保湿养护90d，通水冷却控制混凝土内部温度。如图2所示，本实施例提供的薄壁衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温计算方法包括以下内容：步骤1.分析衬砌结构混凝土通水冷却温控有关资料，包括：收集与衬砌混凝土温控防裂有关的资料，分析衬砌混凝土温控防裂的重要性，分析衬砌混凝土温控设计技术要求。白鹤滩水电站泄洪洞为1级建筑物，水流流速近50m/s，混凝土温控防裂非常重要。依据设计要求，需要采取有效措施包括通水冷却进行温控。混凝土温控、允许最高温度、温控防裂措施等技术要求如上。根据以上工程资料，泄洪洞进口段第2单元衬砌混凝土，需要控制浇筑温度、采取通水冷却措施。于2017年8月5日浇筑，浇筑温度≤20℃，依据以上表2的设计要求2.5m厚度衬砌混凝土的允许最高温度为43℃。有限元法仿真计算推荐高温季节浇筑温控措施：18℃浇筑+12℃通水冷却+冬季保温16℃；计算内部最高温度43℃，抗裂安全系数1.56，通水冷却时间10d。洞内气温夏季最高26℃，冬季最低14℃，通过保温冬季最低为16℃。步骤2.计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温差△twy：将h＝2.5m，c＝40mpa，代入公式1计算△twy＝31℃。步骤3.估算衬砌结构混凝土通水冷却条件下内部最高温度tmax：根据前面的说明，由于工程资料中有限元法仿真计算推荐有温控措施方案，这里是优化控制，所以浇筑温度和通水冷却水温取推荐值，t0＝18℃，tw＝12℃。将h＝2.5m，c＝40mpa，t0＝18℃，tw＝12℃，计算tg＝35-12＝23℃，ta＝26℃，tmin＝16℃，代入公式2计算得tmax＝43.29℃。可以看出公式2计算tmax值，与有限元法仿真计算值43℃非常接近，精度高。步骤4.计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温twy：将tmax＝43.29℃，△twy＝31℃，代入公式3，计算twy＝12.29℃。取twy＝12℃。与有限元法仿真计算推荐值完全一致。步骤5.优化衬砌混凝土通水冷却温控方案，包括：基于公式1～3计算优化水温通水冷却，进行混凝土养护期温度控制。基于公式1～3计算结果，建议通水冷却水温twy＝12℃。为获得最优化的温控防裂效果，水电5局在泄洪洞洞口设置专门的冷却水制冷系统，可供水温实时优化控制。在本结构段确定施工温控方案通12℃制冷水通水冷却。分析衬砌混凝土温控效果。2#泄洪洞洞口段第2单元，2017年8月5日浇筑，在左侧边墙下部2m和中部各埋设1支温度计。通水冷却时段：8月5日-8月15日。通水冷却水温12℃。实测浇筑温度15.4℃，历时77小时50分钟达到最高温度分别为41.0℃、38.1℃，日降温速度最大值1.41℃/d，温度历时曲线见图6。现场检查，无任何温度裂缝。结果表明，混凝土tmax为41.0℃、38.1℃，小于设计允许最高温度43℃；温降速度最大值1.41℃/d，远小于允许值2.0℃/d。现场检查，无任何温度裂缝，温控防裂取得很好的效果。综合以上分析，采用上述方法(公式1～3)计算通水冷却水温与有限元法仿真计算推荐值完全一致；公式2估算内部最高温度与有限元法仿真计算值仅差0.29℃(0.7％)，精度高；按此水温通水冷却，获得最佳的温控防裂效果，最高温度小于有限元法仿真计算值和估算值2℃，抗裂安全系数提高。公式1～3科学反映了衬砌结构厚度、强度与通水冷却水温的关系，实现了通水冷却控制混凝土内部最高温度和最大内表温差的目标，使得温控效益和经济效益最大化。<实施例二>1#泄洪洞上平段第145单元衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温1#泄洪洞上平段洞身第145单元，城门洞形衬砌，边墙衬砌厚度1.0m，沿泄洪洞轴线方向每隔12m设置环向施工分缝，ⅲ类围岩，衬砌结构的底板和边墙为c9040低热水泥混凝土，如图5所示。混凝土分3期浇筑：先边墙、后顶拱、最后底板。这里介绍边墙衬砌混凝土浇筑混凝土水温差优化控制通水冷却控温。温控基本资料同上。采用常温自来水保湿养护90d，通水冷却控制混凝土内部温度。如图2所示，本实施例提供的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法包括以下内容：步骤1.分析衬砌结构混凝土通水冷却温控有关资料：收集与衬砌混凝土温控防裂有关的资料，分析衬砌混凝土温控防裂的重要性，分析衬砌混凝土温控设计技术要求。白鹤滩水电站泄洪洞为1级建筑物，水流流速近50m/s，混凝土温控防裂非常重要。依据设计要求，需要采取有效措施包括通水冷却进行温控。混凝土温控、允许最高温度、温控防裂措施等技术要求如上。根据以上工程资料，1#泄洪洞上平段洞身第145单元衬砌混凝土，需要控制浇筑温度、采取通水冷却措施。将于5月25日浇筑，浇筑温度≤20℃，依据以上表2的设计要求上平段1.0m厚度衬砌混凝土的允许最高温度为38℃。有限元法仿真计算推荐高温季节浇筑温控措施：18℃浇筑+12℃通水冷却+冬季保温16℃；计算内部最高温度34.17℃，抗裂安全系数1.65，通水冷却时间10d。洞内气温夏季最高26℃，冬季最低14℃，通过保温冬季最低为16℃。步骤2.计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温差△twy，是由公式1计算。将h＝1.0m，c＝40mpa，代入公式1计算△twy＝28.63℃。步骤3.估算衬砌结构混凝土通水冷却条件下内部最高温度tmax，是由公式2计算。根据前面的说明，由于工程资料中有限元法仿真计算推荐有温控措施方案，这里是优化控制，所以浇筑温度和通水冷却水温取推荐值，t0＝18℃，tw＝12℃。将h＝1.0m，c＝40mpa，t0＝18℃，tw＝12℃，tg＝35-12＝23℃，ta＝26℃，tmin＝16℃，代入公式2计算得tmax＝35.05℃(低热水泥计算)。可以看出公式2计算tmax值，与有限元法仿真计算值34.17℃非常接近，精度高。步骤4.计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温twy：将tmax＝35.05℃，△twy＝28.63℃，代入公式3，计算twy＝6.42℃。取twy＝7℃。低于有限元法仿真计算推荐值12℃，通水冷却效果将提高。步骤5.优化衬砌混凝土通水冷却温控方案，包括：基于公式1～3计算优化水温通水冷却，进行混凝土养护期温度控制。基于公式1～3计算成果，建议通水冷却水温twy＝7℃。为获得最优化的温控防裂效果，水电5局在泄洪洞洞口设置专门的冷却水制冷系统，可供水温实时优化控制。在本结构段确定施工温控方案通7℃制冷水通水冷却。145单元衬砌混凝土温控效果：145单元混凝土浇筑时段：2019年5月25日15:00时～2019年5月27日01：30时。施工期施工单位进行了温控相关检测：平均浇筑温度18.41℃(取4支温度计混凝土覆盖时实测温度的平均值)；通水冷却平均水温7℃。混凝土覆盖温度计开始混凝土内部温度观测，混凝土浇筑覆盖温度计开始通水冷却。左侧边墙最高温度tmax＝34.12℃，出现时间1.98d，δtmax＝4.37℃，出现时间3.22d；右侧边墙，最高温度tmax＝32.56℃，出现时间2.83d，δtmax＝4.81℃，出现时间3.98d。温度历时曲线见图7。现场检查，无任何温度裂缝。结果表明，混凝土tmax为34.12℃、32.56℃，小于设计允许最高温度38℃；最大内表温差4.37～4.81℃，相对较小。抗裂安全系数在1.7以上，不会发生温度裂缝。温度和温控防裂效果，与现场实测结果一致。实际内部最高温度低于有限元法仿真计算值，是因为采取了更优化得通水冷却水温，同时获得更高抗裂安全性即防裂效果。采用上述方法(公式1～3)计算通水冷却水温更优于有限元法仿真计算推荐值；公式2估算内部最高温度与有限元法仿真计算值误差小，精度高；按此水温通水冷却，获得最佳的温控防裂效果，最高温度小于有限元法仿真计算值和公式估算值，抗裂安全系数提高。公式1～3科学的反映了衬砌结构厚度、强度与通水冷却水温的关系，实现了通水冷却控制混凝土内部最高温度和最大内表温差的目标，使得温控效益和经济效益最大化。以上实例结果表明，本发明方法可以适用于任何衬砌结构(包括不同土木工程类型、不同结构形式、不同厚度、不同强度，以及不同温控措施方案等)，进行衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温，即实际施工温控措施方案通水冷却水温优化。本发明方法科学性强。衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温，综合反映了衬砌混凝土结构厚度、强度、环境条件和温控措施等主要参数的影响。依据公式1计算薄壁衬砌结构混凝土通水冷却水温差控制值，优化合理，是获得最大抗裂安全系数的水温值，科学实现通水冷却控制混凝土内部最高温度和最大内表温差的目标，温控效益和经济效益最大化。上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的衬砌结构混凝土水温差优化控制通水冷却控温方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。当前第1页12