混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统及其冷却方法与流程

本发明涉及工程建设领域，具体涉及一种混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统及其冷却方法。

背景技术：

大体积混凝土在现代水电工程建设中占有重要地位。在水电界，高混凝土坝内部温度过高或分布不均会引起诸多问题，成为大体积混凝土施工期过程中裂缝产生的主要因素之一。因此，在大体积混凝土的施工过程中必须采取人工冷却措施，降低最高温度，根据实际需要控制并调整混凝土的温度过程以及分布情况，尽可能控制裂缝的产生，保证大坝的安全。

通水冷却作为混凝土坝温度控制的一个有效手段，在高混凝土坝建设中发挥着重要的作用。它有着很强的适用性和灵活性，能够控制混凝土的整个温度过程，包括初期控制最高温度，中期控制温度梯度及内外温差，后期降低内部混凝土至灌浆温度等。因此在大体积混凝土的施工中被广泛使用。

当前业界普遍采用在大体积混凝土内部将冷却水管铺设成传统的蛇形形状，并按矩形排列。管子每卷长度通常在200～300m，水管间距一般1.5～3.0m，局部区域可根据需要加密至0.75m～1.0m。对于大体积混凝土而言，由于水管相对较长，水管内水温沿程将会逐渐上升，如果水流始终保持同一方向，冷却结束后出口端的混凝土温度将明显高于入口端的混凝土温度，并在混凝土内部形成额外的温差应力，对温控防裂不利。为使冷却结束时混凝土温度尽可能均匀，现在一般在冷却过程中采用每半天或一天改变一次水流方向的方式，使各部位降温尽可能比较均匀。但频繁的变换进出口水温，不仅对通水的控制和管理提出了更高的要求，还会对进出口部位混凝土造成多次冷击，特别是当混凝土温度过高或进出口水温差别较大时，控制不当也有可能会引起裂缝的产生。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统及其冷却方法，克服传统冷却水管布置的缺点，在整个通水过程中无需改变水流方向，使各部位混凝土温降幅度更为均匀，有效减小混凝土各部位温差及温度应力，降低发生温度裂缝风险。

为实现上述目的，本发明所设计的混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统，包括铺设在混凝土内的第一冷却水管和第二冷却水管，所述第一冷却水管呈蛇形布置形成若干个交替排列的第一凸起结构和第一凹陷结构，所述第二冷却水管均呈蛇形布置形成若干个交替排列的第二凸起结构和第二凹陷结构，所述第二凸起结构内径大于所述第一凸起结构内径，所述第一凹陷结构内径大于所述第二凹陷结构内径，所述第一冷却水管和第二冷却水管相互嵌套在一起，所述第一凸起结构依次插入对应的第二凸起结构内，所述第一冷却水管的第一进水口和第一出水口分别位于所述混凝土的两端，所述第二冷却水管的第二进水口和第二出水口分别位于所述混凝土的两端，且所述第一进水口和第二出水口位于所述混凝土的同一端，所述第一出水口和第二进水口位于所述混凝土的另一端，所述第一进水口和第二进水口同时通水可使所述混凝土各部位温降幅度基本均匀。

优选地，所述第一凹陷结构内径为所述第一凸起结构内径的三倍，所述第二凸起结构内径等于所述第一凹陷结构内径，所述第二凹陷结构内径等于所述第一凸起结构内径，所述第二凸起结构与插入其中的第一凸起结构同轴，所述第一凸起结构的顶端与所述第二凸起结构的顶端留有间隙，所述间隙等于所述第一凸起结构内径，提高冷却效率，且使混凝土温降幅度更为均匀。

优选地，所述第一冷却水管和第二冷却水管的长度相同，所述第一凸起结构和第二凸起结构的长度相同，使所述第一冷却水管和第二冷却水管更完全地嵌套在一起。

优选地，所述第一进水口和第二出水口连通，形成只有一个进出口的双蛇形冷却布置方式，可以在混凝土仓面较小或有特殊降温要求时使用。

优选地，所述第一出水口和第二进水口连通，形成只有一个进出口的双蛇形冷却布置方式，可以在混凝土仓面较小或混凝土中后期需要维持温度稳定或缓慢降温时时使用。

一种混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统冷却方法，包括如下步骤：

a)在所述混凝土中布置系统；

b)需要冷却时，通过所述第一进水口和第二进水口同时通水，且保持相同的通水流量，对所述混凝土进行冷却。

优选地，所述步骤b)中，将位于所述混凝土其中一端的进水口和出水口连通，对所述混凝土另一端的进水口通水。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、在有效降低混凝土内部温度的同时，改善了采用预埋冷却管方法的大体积混凝土冷却过程中的温度均匀性，在不需要频繁改变通水方向的同时能有效减小混凝土内部温度差异，各部位通水水温分布更为均匀，不会出现某一部位的通水水温整体偏高或偏低的现象，有利于混凝土各部位均匀降温，减小因混凝土内部温差而产生的温度应力，对混凝土温控防裂起到积极作用；

2、由于冷却水管本身是对称布置，通水方向不需经常换向，降低了通水冷却控制难度，冷却水管运行管理更容易实施，节省了人力，减轻了因频繁换向造成的管路维护等负担；

3、传统蛇形布置方案内部埋设的冷却水管一旦有任何一根发生堵塞或失效，将难以进行修复，会导致该冷却水管控制区域的混凝土温度难以控制，而本发明提供的布置方案，在单根冷却水管堵塞或失效时，仍可依靠另外一根冷却水管进行工作，可有效降低因冷却水管堵塞或损坏而造成的风险或损失；

4、在混凝土仓面较小或混凝土中后期需要维持温度稳定或缓慢降温时，可通过将并联的两根冷却水管首尾相接串联到一起，形成一根冷却水管，可有效降低混凝土通水冷却过程中的降温速率，达到所需降温目的。

附图说明

图1为本发明混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统的布置示意图；

图2为实施例混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统布置通水15天后的混凝土温度场云图；

图3为实施例混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统布置通水15天后混凝土内部平均温度分布图。

图中各部件标号如下：

混凝土1、第一冷却水管2、第二冷却水管3、间隙4、第一凸起结构21、第一凹陷结构22、第一进水口23、第一出水口24、第二凸起结构31、第二凹陷结构32、第二进水口33、第二出水口34。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统，包括铺设在混凝土1内的第一冷却水管2和第二冷却水管3，第一冷却水管2呈蛇形布置形成若干个交替排列的第一凸起结构21和第一凹陷结构22，第二冷却水管3均呈蛇形布置形成若干个交替排列的第二凸起结构31和第二凹陷结构32，本实施例中，第一凹陷结构22内径为第一凸起结构21内径的三倍，第二凸起结构31内径等于第一凹陷结构22内径，第二凹陷结构32内径等于第一凸起结构21内径，第一冷却水管2和第二冷却水管3相互嵌套在一起，第一凸起结构21依次插入对应的第二凸起结构31内，第二凸起结构31与插入其中的第一凸起结构21同轴，第一凸起结构21的顶端与第二凸起结构31的顶端留有间隙4，间隙4等于第一凸起结构21内径，第一冷却水管2的第一进水口23和第一出水口24分别位于混凝土1的两端，第二冷却水管2的第二进水口33和第二出水口34分别位于混凝土1的两端，且第一进水口23和第二出水口34位于混凝土1的同一端，第一出水口24和第二进水口33位于混凝土1的另一端。

本实施例中，第一冷却水管2和第二冷却水管3的长度相同，第一凸起结构21和第二凸起结构31的长度相同，使第一冷却水管2和第二冷却水管3更完全地嵌套在一起。

另外，在其它实施例中，当混凝土1仓面较小或混凝土1中后期需要维持温度稳定或缓慢降温时，可以将第一进水口23和第二出水口34连通或者将第一出水口24和第二进水口33连通，形成只有一个进出口的双蛇形冷却布置方式，可有效降低混凝土1通水冷却过程中的降温速率，达到所需降温目的。

一种混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统冷却方法，包括如下步骤：

a)在混凝土1中布置系统；

b)需要冷却时，通过第一进水口23和第二进水口33同时通水，且保持相同的通水流量，对混凝土1进行冷却。

当混凝土1仓面较小或混凝土1中后期需要维持温度稳定或缓慢降温时，在步骤b)中，将位于混凝土1其中一端的进水口和出水口连通，形成一根冷却水管，对混凝土1另一端的进水口通水，可有效降低混凝土1通水冷却过程中的降温速率，达到所需降温目的。

本实施例中，采用有限元方法对混凝土1通水过程中温度变化情况进行仿真模拟。该浇筑块长42m，宽20m，浇筑层厚度1.5m。按图1布置方式在浇筑块中间布设一层冷却水管，水管水平间距即第一凸起结构21内径为1.5m。浇筑时外界气温20℃，底部基础初温为16℃，浇筑温度12℃，初期通12℃制冷水15天，通水流量1.5～2.0m³/h，冷却水分别从第一进水口23和第二进水口33进入，通水过程中不再改变水流方向。计算中，混凝土密度为2400kg/m³，导热系数为8.37kj/m·h·℃，比热容为1.05kj/kg·℃，混凝土绝热温升计算式取为t＝24.4·t/(t+1.9)。

图2和图3给出了利用本发明的混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统通水15天后的温度计算结果，分别为混凝土温度场云图和混凝土内部平均温度分布图。可以看出由于水管较长，沿程水温逐渐升高，距水管进水口越远的地方通水冷却效果越弱，但由于两根冷却水管相互交错布置，总的来说各部位混凝土1降温幅度相对较为均匀。由图3看出，通水15天后，混凝土1内部温度基本降低至20℃左右，浇筑块首尾两端区域平均温度最大变幅约±0.5℃，而平均温度差别不大，表明本发明提出的冷却水管布置方案能够有效改善混凝土1整体冷却效果的均匀性。

本发明混凝土双蛇形冷却水管并行布置系统及其冷却方法在有效降低混凝土1内部温度的同时，改善了采用预埋冷却管方法的大体积混凝土冷却过程中的温度均匀性，在不需要频繁改变通水方向的同时能有效减小混凝土1内部温度差异，各部位通水水温分布更为均匀，不会出现某一部位的通水水温整体偏高或偏低的现象，有利于混凝土1各部位均匀降温，减小因混凝土1内部温差而产生的温度应力，对混凝土1温控防裂起到积极作用；同时，由于冷却水管本身是对称布置，通水方向不需经常换向，降低了通水冷却控制难度，冷却水管运行管理更容易实施，节省了人力，减轻了因频繁换向造成的管路维护等负担；另外，传统蛇形布置方案内部埋设的冷却水管一旦有任何一根发生堵塞或失效，将难以进行修复，会导致该冷却水管控制区域的混凝土温度难以控制，而本发明提供的布置方案，在单根冷却水管堵塞或失效时，仍可依靠另外一根冷却水管进行工作，可有效降低因冷却水管堵塞或损坏而造成的风险或损失；且在混凝土1仓面较小或混凝土1中后期需要维持温度稳定或缓慢降温时，可通过将并联的两根冷却水管首尾相接串联到一起，形成一根冷却水管，可有效降低混凝土1通水冷却过程中的降温速率，达到所需降温目的。