衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法与流程

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低热水泥混凝土的温控防裂方法。

背景技术：

衬砌是土木工程广泛采用的一种结构。衬砌混凝土由于水泥等胶凝材料的水化热作用会升温而产生很高的内部温度，如三峡水利枢纽永久船闸中输水洞衬砌混凝土内部最高温度达到近60℃，小浪底水电站输水洞衬砌混凝土内部最高温度达到70℃余。衬砌结构的厚度小，大多强度高(如大型水电站泄洪洞强度达到c50、c60)，内部温度高，温降幅度大，温升温降速度快，受到围岩和支护结构等极强约束的薄壁衬砌，在施工期容易发生温度裂缝,而且大多是贯穿性危害裂缝。内部最高温度值大，发生龄期早，意味温降也发生早，而且温降幅度大，容易发生早期温度裂缝。因此，内部最高温度发生龄期也是评价衬砌结构温控防裂性能的重要指标。

早期裂缝的处理严重影响工程的进度工期和造价，未能修复完善的贯穿性裂缝(一般都难以达到原混凝土结构性能)严重影响衬砌结构的耐久性和寿命，甚至导致渗漏和威胁工程安全。喷射状态的漏水(东深供水雁田隧洞)还直接危害人的健康与舒适度。如图1是三板溪水电站泄洪洞衬砌混凝土早期裂缝情况。

衬砌混凝土(包括中热、低热、普通硅酸盐等水泥)内部最高温度发生龄期，一般都是在进行温度、温度应力的计算分析时，顺便进行内部最高温度发生龄期的简要介绍，并没有得到重视。

综合以上情况说明，衬砌结构低热混凝土内部最高温度发生龄期是关系到衬砌结构温控防裂性能的重要指标，但至今仍然没有相关的计算方法，相应的也无法根据该指标来进行有效地温控防裂。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法，可得到衬砌结构低热水泥混凝土内部最高温度发生龄期，并基于此对衬砌结构低热水泥混凝土进行温控防裂，以提高衬砌结构的耐久性和寿命。

如图2所示，本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.收集衬砌结构低热水泥混凝土温控用资料；

步骤2.计算衬砌结构低热水泥混凝土内部最高温度发生龄期dtm：

dtm＝1.42×h-0.0049×c-0.0009×t0+0.0183×tg+0.65(公式1)

上式中：dtm为衬砌结构低热水泥混凝土内部最高温度发生龄期(d)；h为衬砌结构低热水泥混凝土厚度(m)；c为衬砌结构低热水泥混凝土强度等级(mpa)；t0为衬砌结构低热水泥混凝土浇筑温度(℃)；tg为通水冷却等效水温值(℃)，tg＝35-tw，tw为通水冷却水温(℃)；

步骤3.基于dtm确定通水冷却时间dj，然后根据通水冷却时间dj对衬砌结构低热水泥混凝土进行通水冷却，实现温控防裂。

优选地，本发明提供的衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，当未进行通水冷却时，取tw＝35℃。

优选地，本发明提供的衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，dj＝dtm+dx(公式2)，dx＝1～4。dx是根据大量现场通水冷却经验和计算成果而确定的，在内部最高温度发生龄期dtm的基础上加dx天，可以避免混凝土内部温度发生回升，并能够获得有效的温控防裂效果。

优选地，本发明提供的衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，dx最佳值为2，可以达到最为经济有效温控防裂效果。

优选地，本发明提供的衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，通过控制处理装置基于dtm确定通水冷却时间dj，并根据通水冷却时间dj控制通水冷却系统对衬砌结构低热水泥混凝土进行通水冷却。另外，步骤2中也可通过控制处理装置实现。采用控制处理装置基于温控用资料计算出dtm进而计算出dj，然后再根据dj控制通水冷却系统对混凝土进行通水冷却，实现控温和防裂。通水冷却系统应事先铺设和安装在衬砌结构低热水泥混凝土上。通水冷却系统中的通水冷却管采用蛇形布置方法，从下至上布置，中心区应适当增加其布置密度。

另外，上述步骤2所提出的公式1是以白鹤滩、乌东德巨型水电站泄洪洞、发电洞工程低热水泥混凝土衬砌为例，采用三维有限元法进行不同断面形式和尺寸、不同衬砌厚度、不同强度等级、不同浇筑温度、不同通水冷却水温等251个方案仿真计算，获得低热水泥混凝土内部最高温度发生龄期(见下表1)，然后对这些数据进行创造性的分析和研究得到。

表1白鹤滩、乌东德水电站泄洪洞、发电洞衬砌低热水泥混凝土最高温度发生龄期

发明的作用与效果

本发明所提供的衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法，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)，进行衬砌混凝土内部最高温度发生龄期计算和早期温升温降特性分析，科学性强，温控防裂效果好。衬砌混凝土内部最高温度发生龄期dtm计算公式1，综合反映了衬砌混凝土结构厚度、强度等级、浇筑温度以及通水冷却及其水温等主要参数的影响，依据公式2计算推荐通水冷却时间，优化合理，科学保证衬砌混凝土内部温度不会回升，能够有效实现温控防裂。

附图说明

图1为背景技术中涉及的三板溪水电站泄洪洞衬砌混凝土裂缝情况图，其中(a)为整体图，(b)为局部放大图；

图2为本发明实施例中涉及的衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法的流程图；

图3为本发明实施例中涉及的白鹤滩水电站2^#泄洪洞139单元衬砌断面图；

图4为本发明实施例中涉及的白鹤滩2^#泄洪洞边墙衬砌第139单元衬砌混凝土温度历时曲线图；

图5为本发明实施例中涉及的白鹤滩水电站泄洪洞上平段第4单元断面图；

图6为本发明实施例中涉及的白鹤滩泄洪洞上平段2^#泄洪洞第4单元衬砌混凝土内部温度实测曲线图。

具体实施方式

以下结合附图，以白鹤滩水电站泄洪洞工程衬砌混凝土为例，对本发明涉及的衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法具体实施方案进行详细地说明。

<白鹤滩水电站泄洪洞工程衬砌混凝土温控基本资料>

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，是长江开发治理的控制性工程。电站装机容量14004mw，多年平均发电量602.41亿kw·h，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。拦河坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高289.0m。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。地下厂房系统采用首部开发方案，分别对称布置在左、右两岸，厂房内各安装8台水轮发电机组。

地下工程包括导流隧洞、泄洪洞、发电输水系统等。导流洞工程已经过水运行。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洪洞无压段和泄洪洞龙落尾段，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，全部采用低热水泥混凝土，设计允许最高温度见下表2。

表2泄洪洞衬砌低热混凝土施工期允许最高温度单位：℃

在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，可采用的措施包括(不限于)：

(1)优化混凝土配合比、提高混凝土抗裂能力。混凝土配合比设计和混凝土施工时，除满足混凝土标号及抗冻、抗渗、极限拉伸值值等主要设计指标外，还应满足施工匀质性指标和强度保证率。同时应加强施工管理，提高施工工艺，改善混凝土性能，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。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。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、初期通水等。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。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。

<实施例一>白鹤滩水电站2^#泄洪洞139单元衬砌结构低热水泥混凝土

2^#泄洪洞洞身第139单元，城门洞形衬砌，边墙衬砌厚度1.5m，沿泄洪洞轴线方向每隔12m设置环向施工分缝，iv类围岩，衬砌结构的底板和边墙为c9040低热水泥混凝土，顶拱为c9030低热水泥混凝土，如图3所示。设计混凝土浇筑温度18℃，边墙衬砌混凝土内部设计允许最高温度为41℃。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。衬砌混凝土分3期浇筑，先浇边墙(12m+2.5m)，30天后浇顶拱，然后浇筑底板(15m)。

2^#泄洪洞洞身第139单元，边墙衬砌混凝土通水冷却采用自动化控制。

施工单位全过程对混凝土浇筑时的环境温度、混凝土入仓温度和浇筑温度进行了监测，结果列于下表3。环境气温平均值为15.9℃，混凝土入仓温度平均值为12.8℃，混凝土浇筑温度平均值为14.6℃。通水冷却采用常温水。

表3白鹤滩水电站2^#泄洪洞洞身边墙衬砌第139单元温度统计表

2018年11月9日07:50开始浇筑混凝土，2018年11月9日9时混凝土开始淹没温度计，此时智能控制器开始实时测量混凝土温度数据，并开始智能控制电磁阀进行通水冷却。实际测量和控制混凝土内部温度历时曲线如图4实线，人工测量混凝土内部温度历时曲线如图4虚线自动化控制器通过电磁阀控制通水冷却过程如图4的点划线。2^#泄平洞洞身边墙衬砌第139单元混凝土覆盖时温度：左边墙为15.0℃，历时58小时达最高温度29.8℃，最大温升14.8℃。

如图2所示，本实施例所提供的衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法包括以下步骤：

步骤1.收集衬砌结构低热水泥混凝土温控用资料，包括：

步骤1-1.收集并分析衬砌结构工程基本资料。2^#泄洪洞洞身第139单元衬砌混凝土温控防裂有关资料如上。泄洪洞为ⅰ级建筑物，水流速度高，衬砌混凝土温控防裂非常重要。

步骤1-2.分析衬砌混凝土温控设计技术要求。混凝土温控、允许最高温度、温控防裂措施等方面的技术要求如上。

步骤1-3.分析施工温控措施方案。施工温控措施方案如上。

步骤2.计算衬砌结构低热水泥混凝土内部最高温度发生龄期dtm：

根据上述资料，h＝1.5m；c＝40mpa；t0＝14.6℃；通水冷却采用常温水，11月份大约16℃，即tw＝16℃，tg＝19℃。代入公式1计算得dtm＝2.92(d)。

步骤3.基于dtm确定通水冷却时间dj，然后根据通水冷却时间dj进一步优化和调整衬砌低热水泥混凝土温控防裂措施方案，包括：

步骤3-1.计算通水冷却时间dj：

将dtm＝2.92(d)代入公式2，取dx＝2，计算得dj＝4.92(d)，取dj＝5d。

步骤3-2.评价和优化衬砌低热水泥混凝土温控防裂措施方案：

2^#泄洪洞洞身第139单元边墙衬砌混凝土通水冷却采用自动化控制，实际通水冷却时间4.5d，与公式2计算确定通水冷却时间4.92d非常接近。一方面说明通水冷却自动化控制效果良好，另一方面说明发明方法公式2计算确定通水冷却时间是合理的。根据dj将通水时间调整为5d。

步骤3-3.评价分析温控防裂效果：

白鹤滩水电站2^#泄平洞洞身边墙衬砌第139单元混凝土，采用本方案进行温控防裂至今已经历冬季“可能产生温度裂缝期”，没有发生任何裂缝，取得温控防裂显著效果。

比较分析：

根据图4第139单元衬砌混凝土温度历时曲线，实测最高温度发生龄期58h，即2.42d开始温降。与公式1计算值dtm＝2.92(d)偏差小，满足工程施工要求。特别是采用推荐通水冷却时间dj进行自动化控制通水冷却，取得了非常好的温控防裂效果，充分说明了其科学性和高精度。

<实施例二>2^#泄洪洞第四单元衬砌结构低热水泥混凝土

如图5所示，2#泄洪洞上平段第四单元衬砌结构厚度为2.5m，为c9040低热混凝土。2#泄洪洞上平段第四单元衬砌结构低热水泥混凝土于2017年5月12日浇筑，施工中采取了通水冷却措施，并按照上文基本资料中所描述的温控方案和通水冷却时间10d进行通水冷却。

根据施工记录，整理主要实测温控资料见下表4所示，实测衬砌混凝土内部温度曲线示于图6实线。同时采用有限元法进行通水冷却7d的仿真计算，混凝土内部温度曲线如图6虚线所示。

表42^#第四单元衬砌混凝土浇筑实测数据

如图2所示，本实施例所提供的衬砌结构低热水泥混凝土的温控防裂方法包括以下步骤：

步骤1.收集衬砌结构低热水泥混凝土温控用资料，包括：

步骤1-1.收集并分析衬砌结构工程基本资料。2^#泄洪洞上平段第四单元衬砌结构基本资料，包括温控防裂及其通水冷却、设计技术要求等如上所述。由于白鹤滩水电站泄洪洞为1级建筑物，水流速度最大达到近50m/s，衬砌混凝土温控防裂非常重要。

步骤1-2.分析衬砌混凝土温控设计技术要求。根据以上白鹤滩水电站工程资料，2^#泄洪洞上平段第四单元衬砌混凝土，需要控制浇筑温度、采取通水冷却措施。于5月12日浇筑，依据上述表2设计要求，2.5m厚度衬砌混凝土的允许最高温度为42℃。

步骤2.计算衬砌混凝土内部最高温度发生龄期dtm

根据上述资料，h＝2.5m；c＝40mpa；t0＝16.4℃；通水冷却采用常温水，水温18℃，即tw＝18℃，tg＝17℃。代入公式1计算得dtm＝4.3(d)。

步骤3.基于dtm确定通水冷却时间dj，然后根据通水冷却时间dj进一步优化和调整衬砌低热水泥混凝土温控防裂措施方案，包括：

步骤3-1.计算通水冷却时间dj：

将dtm＝4.3(d)代入公式2，取dx＝2，计算得dj＝6.3(d)，取dj＝6.5d。

步骤3-2.评价和优化衬砌低热水泥混凝土温控防裂措施方案：

2^#泄洪洞上平段第四单元衬砌结构低热水泥混凝土施工实际通水冷却时间10d。有限元法计算建议7d。公式2计算确定通水冷却时间6.5d，与有限元法计算建议值非常接近。一方面说明发明方法公式2计算确定通水冷却时间是合理的，同时说明实际通水冷却时间较长，可以进一步缩短至6.5d优化。

步骤3-3.评价分析温控防裂效果：

至2019年3月观测表明，2^#泄洪洞上平段第四单元衬砌结构低热水泥混凝土采用本方案进行温控防裂没有任何裂缝发生，温控防裂取得很好的效果。

比较分析：

根据表2第4单元衬砌混凝土温控实测成果，实测最高温度发生龄期3.5d，与公式1计算值dtm＝4.3(d)，早0.8d，误差为19％，满足工程施工要求。公式3计算得dj＝6.3(d)，推荐dj＝6.5d，与有限元法计算推荐值7d非常一致，误差小，通水冷却时间优化合理，而且比实际通水冷却时间更短、更经济，充分说明了其科学性和高精度。

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低热水泥混凝土的温控防裂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。