中热衬砌混凝土温差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：
，具体涉及一种中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法。
背景技术：
：混凝土温控目标是控制温差，一是基础温差，二是内外温差(对于衬砌混凝土我们建议是内表温差)。因为基础温差不便于施工过程中控制，而最高温度＝基础温差+稳定温度便于检测和控制，所以设计和施工均是控制最高温度代替基础温差控制。埋设冷却水管通水冷却，是温控措施之一，目的自然也是控制内部最高温度和内外温差，同时还必须控制通水冷却水温差(混凝土温度与水温差)避免温降过快导致温度裂缝。重力坝、拱坝等等大体积混凝土，对于通水冷却实现控制温差目标有明确的规定。一般要求：初期通制冷水或低温河水，降低混凝土最高温度；中期可通河水降温，控制内外温差。初期通水冷却，时间应计算确定，可取10～20d，混凝土温度与水温之差不应超过25℃。中期通水冷却，宜为1～2个月左右，通水水温与混凝土内部温度之差不应超过20～25℃。日降温不超过1.0℃。即，通水冷却控制温差，需要控制水温差和温降速率。衬砌混凝土水温差和温降速率等控制，水工隧洞等有关规范条文中没有相关规定。目前工程建设中只好参考采用混凝土重力坝(或者拱坝)设计、水工混凝土施工等规范规定。但是，中热、低热等水泥配制混凝土热学、力学性能有显著差异，因此温差控制的通水冷却控制参数值也应有显著差异，才可以达到优化温控防裂的目的，但目前未有根据混凝土情况来客观、准确地确定水温差、温降速率的方法。技术实现要素：本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，可客观准确地得到水温差、水温、温降速率，并基于此对中热衬砌混凝土进行通水冷却，科学合理地实现温控防裂。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：如图1所示，本发明提供中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.收集中热衬砌混凝土温控用资料，包括：收集与中热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、设计技术要求及施工温控措施方案；步骤2.计算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为衬砌混凝土结构的厚度(m)；c为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级(mpa)；步骤3.计算中热衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温twy：twy＝tmax-△twy(公式2)式中：tmax为中热衬砌结构混凝土内部最高温度(℃)；步骤4.计算优化控制温降速率vy(℃/d)：vy＝0.73h+0.28c-0.026hc-0.12h2-0.0022c2-4.03(公式3)步骤5.根据通水冷却优化控制水温twy和优化控制温降速率vy优化衬砌中热混凝土通水冷却措施。优选地，本发明提供的中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，还根据收集的温控用资料确定通水冷却时间tj。优选地，本发明提供的中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，通水冷却时间tj取7～10d，衬砌厚度1.0m及以下取7d，2.0m及以上取10d。优选地，本发明提供的中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，对于tmax的取值，在尚未开展混凝土浇筑时，依据设计允许最高温度【tmax】或者根据类似工程经验值取值；在已经开展过混凝土浇筑后，应依据本工程中相同或者类似结构的内部最高温度实测值取值。优选地，本发明提供的中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，取设计允许最高温度【tmax】时，计算twy值偏大，宜取低3～5℃；依据内部最高温度实测值取值时，可直接采用，即tmax＝内部最高温度实测值，但若内部最高温度实测值低于当月自来水温度过多，可以适当提高0～3℃。优选地，本发明提供的中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，当设计允许最高温度【tmax】和内部最高温度实测值同时存在时，twy取值范围为：依据【tmax】计算得到的tw1与依据内部最高温度实测值计算得到的tw2两者的平均值-3℃～平均值+3℃，平均值＝(tw1+tw2)/2。优选地，本发明提供的中热衬砌混凝土温差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，应使通水冷却后中热衬砌混凝土的温降速率不超过优化控制温降速率vy。当内部最高温度低于允许最高温度不会发生温度裂缝时，即使实际温降速率仅优化控制温降速率的50％也是可行的。因为，在最高温度得到控制的情况下，温降速率越小越有利。优选地，本发明提供的中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，根据通水冷却时间tj、通水冷却优化控制水温twy和优化控制温降速率vy优化衬砌中热混凝土通水冷却措施。优选地，本发明提供的中热衬砌混凝土温差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，确定通水冷却时间tj，计算中热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温差△twy、通水冷却优化控制水温twy和优化控制温降速率vy。优选地，本发明提供的中热衬砌混凝土温差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，根据通水冷却时间tj、通水冷却优化控制水温twy和优化控制温降速率vy确定通水冷却措施，并控制通水冷却系统执行通水冷却措施，对中热衬砌混凝土结构进行通水冷却养护。另外，上述步骤2所提出的计算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强度中热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，求得不同强度最优通水冷却水温和水温差，然后对这些数据进行分析和研究得到。例如，1.0m厚度采取结构(图2)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k值最小的养护期k1和冬季的k2，然后作出k1、k2与水温tw的关系曲线见图3。由于k1随着tw增大、k2随着tw减小，k1(tw)与k2(tw)两曲线的交点(图3)称为通水冷却综合优化抗裂安全系数ky(是包括养护期和冬季在内全过程的最大值)，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。不同厚度c9030混凝土水温差△tcw与tw的关系示于图4，根据与ky对应的tw(即twy)则可以由图4确定△twy，汇总c9030、c9040、c9025不同厚度h中热衬砌混凝土的值见表2。然后对△twy与强度c、厚度h的关系进行分析研究，得到中热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温差△twy的计算公式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不同强度与不同厚度中热衬砌混凝土的最优通水冷却水温差△twy关于计算优化控制温降速率vy的公式3，同于公式1，同样是采用三维有限元法进行城门洞型断面c9030、c9040、c9025不同强度中热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，求得不同强度优化控制温降速率，然后对这些数据进行分析和研究得到。例如，1.0m厚度衬砌结构(图2)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，求得中热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。由于k1随着tw增大、k2随着tw减小，k1(tw)与k2(tw)两曲线的交点(图3)称为通水冷却综合优化抗裂安全系数ky(是包括养护期和冬季在内全过程的最大值)、优化控制水温twy。与ky对应的通水冷却温降速率称为优化控制温降速率vy。不同厚度c9030混凝土温降速率tsd(表1)与tw的关系示于图5，根据与ky对应的tw(即twy)则可以由图5确定最优温降速率vy，汇总c9030、c9040、c9025不同厚度h中热衬砌混凝土的最优通水冷却温降速率vy见表2，然后对这些数据进行分析研究得到优化控制温降速率vy的计算公式3。发明的作用与效果本发明所提供的中热衬砌混凝土温差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中热衬砌混凝土结构，进行衬砌中热通水冷却控温措施方案与参数优化。(2)本发明方法科学性强。通水冷却优化控制水温差、水温、温降速率计算公式，反映衬砌结构及中热混凝土性能对通水冷却效果的影响，并全面给出了其优化控制参数。(3)依据公式1～3计算薄壁衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温差△twy、水温twy、温降速率vy，能够获得衬砌混凝土温控防裂的最佳效果，切实保证中热衬砌混凝土结构的安全性。附图说明图1为本发明涉及的中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法的流程图；图2为水工隧洞城门洞型衬砌结构断面图(图中尺寸单位：m)；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c9030混凝土温降速率tsd(℃/d)与通水冷却水温tw的关系图；图6为本发明实施例涉及的乌东德泄洪洞有压段a型断面图；图7为本发明实施例涉及的乌东德泄洪洞有压段b型断面图；图8为本发明实施例涉及的2#泄洪洞有压段第10仓边顶拱1.0m厚度衬砌混凝土温度历时曲线图；图9为本发明实施例涉及的1#泄洪洞有压段第35仓0.8m厚度底拱衬砌混凝土温度历时曲线图。具体实施方式以下结合附图，以乌东德水电站泄洪洞工程有压段圆形断面中热衬砌混凝土为例，对本发明涉及的中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法的具体实施方案进行详细地说明。<乌东德水电站泄洪洞工程中热衬砌混凝土温控资料>乌东德水电站以发电为主，兼顾防洪、航运和拦沙等作用。电站装机容量10200mw。大坝为混凝土双曲拱坝，泄洪采用坝身泄洪为主，岸边泄洪洞为辅的方式。三条泄洪洞均采用有压洞后接门洞型隧洞，由进水口、有压洞段、工作闸门室、无压洞段、出口段、消能水垫塘组成，出口采用挑流消能。泄洪洞有压洞为圆形断面，内径14m，衬砌厚度为0.8m、1m，见图6、图7，洞周围岩类别分别为ⅱ、ⅲ类围岩，衬砌结构使用c9030泵送中热混凝土。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)混凝土原材料质量控制及配合比优化控制混凝土细骨料的含水率6％以下，且含水率波动幅度小于2％。优化混凝土配合比，降低混凝土胶凝材料用量；加强施工管理，提高施工工艺，改善混凝土性能，提高混凝土防裂性能。在满足设计要求的混凝土强度、耐久性、和易性以及混凝土浇筑质量的前提下，经监理人批准，尽量采用较大骨料粒径，改善混凝土骨料级配。乌东德水电站泄洪洞采用低热水泥混凝土浇筑。(2)合理安排混凝土施工程序和施工进度合理安排混凝土施工程序和施工进度是防止基础贯穿裂缝，减少表面裂缝的主要措施之一。应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应采取必要的温控措施，使最高温度不超过设计允许最高温度(表3)。其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、初期通水冷却等。混凝土生产系统提供满足出机口温度要求的拌制混凝土。本合同承包人负责出机口之后的混凝土运输、入仓浇筑和养护期间的混凝土温度控制。根据计算成果分析，乌东德水电站泄洪洞缓坡段混凝土浇筑温度建议按表7控制。如果实测温度不能满足设计允许最高温度，需要埋冷却水管通水冷却。(4)合理控制浇筑层厚和层间间歇期各部位混凝土浇筑时，如果已入仓的混凝土浇筑温度不能满足有关要求时，应立即通知监理人，根据监理人指示进行处理，并立即采取有效措施控制混凝土浇筑温度。表3泄洪洞衬砌混凝土施工期允许最高温度和浇筑温度单位：℃月份12、1月2、11月3、10月4、9月5～8月允许最高温度4041424344允许浇筑温度自然入仓自然入仓182022<实施例一>2#泄洪洞有压段第10仓边顶拱1.0m厚度a型衬砌混凝土通水冷却优化控温泄洪洞有压段1.0m厚度a型衬砌结构见图6，圆形断面，沿泄洪洞轴线方向每隔9m设置环向施工分缝，ⅲ类围岩。混凝土分2期浇筑：先边顶拱、后底拱。边顶拱混凝土强度c9030，这里介绍边顶拱衬砌混凝土浇筑通水冷却优化控制。如图1所示，本实施例提供的中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，包括以下步骤：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、设计技术要求及施工温控措施方案。乌东德水电站泄洪洞基本资料如前所述，泄洪洞为1级建筑物，泄洪流速高，衬砌混凝土温控防裂非常重要。依据设计要求，高温季节3月浇筑需要控制浇筑温度≤18℃，采取通水冷却等温控措施。最高温度控制≤42℃。2#泄洪洞有压段第10仓边顶拱1.0m厚度a型衬砌混凝土，衬砌厚度1.0m，单元高程el912.5-925，设计编号t2x04，c9030混凝土计划浇筑日期2017.3.22～3.24日。通水冷却时间，根据衬砌厚度h＝1.0m，确定通水冷却时间tj为7d。步骤2.计算通水冷却优化控制水温差△twy：将h＝1.0m，c＝30mpa，代入上文公式1中，计算得△twy＝21.33℃。步骤3.计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温twy：根据前面的说明，tmax取2016年12月22日浇筑3#泄洪洞有压段1.0m第10仓(相同结构与混凝土)实测内部最高温度32.12℃计算，△twy＝21.33℃，代入上文公式2中，计算得twy＝10.79℃，宜取高于11℃。说明，如果取3月份浇筑衬砌混凝土允许最高温度【tmax】＝42℃，则计算得twy＝20.67℃，由于允许最高温度【tmax】大，所以计算水温值twy也大。即应该低于取允许最高温度【tmax】计算tw值。根据前面的说明，实际控制水温twy可以取二者平均值±3℃，平均值为(10.79+20.67)/2＝15.73℃，可以取12.73～18.73℃。步骤4.计算优化控制温降速率vy：将h＝1.0m，c＝30mpa，代入上文公式3计算得vy＝2.22℃/d。宜取小于2.2℃/d。步骤5.按衬砌结构厚度优化混凝土通水冷却控温方案：按照设计技术要求和上述确定通水冷却时间和计算优化控制水温、温降速率，进一步优化施工温控通水冷却方案。根据以上计算和设计技术要求，确定优化通水冷却温控方案为：浇筑温度≤18℃；通水冷却水管单列间距1.5m布置，通水时间7d；温降速率按小于2.2℃/d控制。水温宜高于12.73℃，低于18.73℃，实际工程采用自来水大约13℃，在此范围内，可直接使用。效果：2#泄洪洞有压段第10仓边顶拱，实际工程2017.3.22～3.24日，浇筑期洞内温度22.96℃。采用商品混凝土自然入仓浇筑，浇筑温度18.18℃，稍微高于设计要求18℃；通水冷却水管按要求单列间距1.5m布置，通水时间取7d，自来水水温现场达到13.4℃，在12.73～18.73℃范围。通过以上温控，实测混凝土内部温度历时曲线见图8，内部最高温度34.77℃，远小于42℃；温降速率1.97℃/d，小于2.2℃/d。即：最高温度、温降速率均得到很好的控制，取得最为经济有效的温控防裂效果。以上结果表明：1)内部最高温度34.77℃小于设计允许值42℃，温降速率小于但非常接近优化控制温降速率。特别是在施工浇筑温度稍微超过设计允许值的情况下，取得内部最高温度显著低于设计允许值的温控效果，充分说明本发明方法和计算公式推荐的通水冷却时间、水温是非常优化的。2)在实现有效控制内部最高温度目标的情况下，通水冷却水温13.4℃稍高于优化控制水温，可以节约制冷费用，避免不必要的过度冷却。3)通水冷却优化时间7d，明显短于大体积混凝土有关规范要求值10～20d，节约工程施工费。4)本发明的通水冷却优化控制水温差△twy、水温twy、温降速率vy计算公式1～3，科学反映了衬砌结构特性和混凝土特性以及施工温控措施，是获得最佳温控防裂效果(获得最大抗裂安全系数值)的通水冷却控制参数。5)按照本发明方法计算通水冷却参数进行温控措施方案优化，最高温度、温降速率均得到很好的控制，远小于控制值，取得最为经济有效的温控防裂效果。<实施例二>1#泄洪洞有压段第35仓b型0.8m厚度底拱衬砌混凝土通水冷却优化控温1#泄洪洞有压段第35仓b型0.8m厚度底拱衬砌结构见图7，圆形断面，沿泄洪洞轴线方向每隔9m设置环向施工分缝，ⅱ类围岩。混凝土分2期浇筑：先边顶拱、后底拱。混凝土强度c9030，这里介绍底拱衬砌混凝土浇筑通水冷却优化控制。如图1所示，本实施例1提供的中热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，包括以下步骤：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、设计技术要求及施工温控措施方案。乌东德水电站泄洪洞基本资料如前所述，泄洪洞为1级建筑物，泄洪流速高，衬砌混凝土温控防裂非常重要。依据设计要求，高温季节6月浇筑需要控制浇筑温度≤22℃，采取通水冷却等温控措施。最高温度控制≤44℃。1#泄洪洞有压段第35仓b型0.8m厚度底拱衬砌混凝土，设计编号t2x08，c9030混凝土浇筑将于2017.6.2～6.4日进行。根据衬砌厚度h＝0.8m确定通水冷却时间tj为7d。步骤2.计算通水冷却优化控制水温差△twy将h＝0.8m，c＝30mpa，代入公式1中，计算得△twy＝21.25℃。步骤3.计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温twy：根据前面的说明，tmax取2016年5月3日浇筑3#泄洪洞无压段0.8m第1仓衬砌混凝土实测内部最高温度32.8℃计算，△twy＝21.25℃，代入公式2中，计算得twy＝11.55℃，宜取高于12℃。说明，如果取6月份浇筑衬砌混凝土允许最高温度【tmax】＝44℃，则计算得twy＝22.75℃，由于允许最高温度【tmax】大，所以计算水温值twy也大。即应该低于取允许最高温度【tmax】计算twy值。实际水温取(11.55+22.75)/2±3℃＝14.15～20.15℃，并尽可能接近按实测内部最高温度计算值。步骤4.计算优化控制温降速率vy：将h＝0.8m，c＝30mpa，代入公式3计算得vy＝2.22℃/d。宜取小于2.2℃/d。步骤5.按衬砌结构厚度优化混凝土通水冷却控温方案：指按照设计技术要求和上述计算优化通水冷却时间、水温、温降速率，进一步优化施工温控通水冷却方案。根据以上计算和设计技术要求，确定优化通水冷却温控方案为：浇筑温度≤22℃；通水冷却水管单列间距1.5m布置，通水时间7d；温降速率按小于2.2℃/d控制。水温宜高于14.15℃，低于20.15℃，实际工程夏季采用制冷水大约14～16℃，在14.15～20.15附近，并更接近按本工程相同结构实测最高温度计算值14.15℃。效果：1#泄洪洞有压段第35仓b型0.8m厚度底拱，实际工程2017.6.2～6.4日，浇筑期洞内温度23.92℃。采用商品混凝土14℃出机口，运输至仓浇筑温度19.95℃，低于设计要求22℃；通水冷却水管按要求单列间距1.5m布置，通水时间取7d，制冷水温14.2℃。通过以上温控，实测混凝土内部温度历时曲线见图9，内部最高温度33.76℃，远小于44℃；温降速率1.35℃/d，小于2.2℃/d。即：最高温度、温降速率均得到很好的控制，取得最为经济有效的温控防裂效果。以上结果表明：1)内部最高温度33.76℃远小于设计允许值44℃，温降速率1.35℃/d小于优化控制值2.2℃/d。取得内部最高温度和温降速率都显著低于设计允许值的温控效果，充分说明本发明方法和计算公式推荐的通水冷却时间、水温是非常优化的。2)通水冷却优化时间7d，明显短于大体积混凝土有关规范要求值10～20d，节约工程施工费。3)本发明的通水冷却优化控制水温差△twy、水温twy、温降速率vy计算公式，科学反映了衬砌结构特性和混凝土特性以及施工温控措施，是获得最佳温控防裂效果(获得最大抗裂安全系数值)的通水冷却控制参数。4)按照本发明专利方法计算通水冷却参数进行温控措施方案优化，最高温度、温降速率均得到很好的控制，远小于控制值，取得最为经济有效的温控防裂效果。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、不同厚度等)，进行衬砌混凝土通水冷却优化控温，实现通水冷却温控防裂最大优化和经济效益。本发明方法科学性强。通水冷却优化控制水温差△twy、水温twy、优化控制温降速率vy计算公式，科学反映了衬砌结构混凝土特性，是获得最佳温控防裂效果的通水冷却控制参数。依据上述方法优化衬砌混凝土温控防裂通水冷却方案，通水冷却时间、水温、温降速率控制值优化合理，能够科学实现通水冷却控制混凝土内部最高温度目标，在保障结构安全性、避免裂纹的前提下使得温控措施更加合理，减少不必要的过度养护，实现温控防裂效益最大化。上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的中热衬砌混凝土温差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