一种混凝土坝理想温控曲线模型及利用其的智能控制方法
【专利摘要】本申请公开了一种混凝土坝理想温控曲线模型，运用有限元仿真分析方法，在已有规范及温控实践经验的基础上，研究各种坝型的温度场、温度应力分布规律，通过仿真计算获取不同部位、不同材料分区、不同季节浇筑的混凝土的理想温控曲线模型，其中理想温控曲线模型在同等温控标准条件下温度应力最小。另外，还提供了利用这种混凝土坝理想温控曲线模型的智能控制方法。
【专利说明】一种混凝土坝理想温控曲线模型及利用其的智能控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利水电工程中的混凝土结构监测与施工的【技术领域】，具体地涉及一种混凝土坝理想温控曲线模型，还提供了利用该模型的智能控制方法。
【背景技术】
[0002]大坝混凝土施工期裂缝问题是一直未能得到有效解决的难题之一，其主要原因除了施工阶段复杂的现场施工条件因素影响外，施工过程中很多温控措施的实施难免受到人为因素的干扰，其实际防裂作用达不到预期效果也另一重要的原因。很多出现裂缝的混凝土坝，是由于内部温度未能真正的按照设计要求进行冷却或进行表面保护，使得施工期坝体混凝土的抗裂安全储备不够、应力超标从而出现裂缝。
[0003]在以往的工程实践中，水管冷却的控制主要由人工来完成，通水控制的好坏与否完全取决于现场管理人员的经验，由于大坝内部同时通水的水管往往是成百上千条，仅仅依靠人工的方式去应对如此多的通水管路控制，其结果是很难避免出现人为失误多、温降过程偏离设计指导曲线的情况，这种传统的通水控制管理模式带来的最大问题就是通水成本高、温降过程随意性较大，开裂风险也常处于一种不受控的状态。因此，在现有的理论研究与工程实践基础上，充分利用现代的科技手段，研究开发相关的智能通水分析软件与控制设备，减小人为因素的干扰，实现混凝土内部温降全过程的智能控制显得非常有必要。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种混凝土坝理想温控曲线模型，在温降的不同阶段可以促使内部温度尽可能的全程沿着该模型进行降温，使得混凝土的开裂风险可全程控制在允许范围之内。
[0005]本发明的技术解决方案是:这种混凝土坝理想温控曲线模型，运用有限元仿真分析方法，在已有规范及温控实践经验的基础上，研究各种坝型的温度场、温度应力分布规律，通过仿真计算获取不同部位、不同材料分区、不同季节浇筑的混凝土的理想温控曲线模型，其中理想温控曲线模型在同等温控标准条件下温度应力最小。
[0006]还提供了利用这种混凝土坝理想温控曲线模型的智能控制方法，根据该混凝土坝理想温控曲线模型，通过调整施工期的通水流量来控制温度的变化过程。
[0007]通过这种混凝土坝理想温控曲线模型，运用有限元仿真分析方法，在已有规范及温控实践经验的基础上，研究各种坝型的温度场、温度应力分布规律，计算不同部位、不同材料分区、不同季节浇筑的混凝土的理想温控曲线模型，其中理想温控曲线在同等温控标准条件下温度应力最小，所以在温降的不同阶段可以促使内部温度尽可能的全程沿着该模型进行降温，使得混凝土的开裂风险可全程控制在允许范围之内。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1示出了根据本发明的混凝土坝理想温控曲线模型的一个优选实施例。[0009]图2示出了根据本发明的混凝土坝理想温控曲线模型的另一个优选实施例。【具体实施方式】
[0010]这种混凝土坝理想温控曲线模型，运用有限元仿真分析方法，在已有规范及温控实践经验的基础上，研究各种坝型的温度场、温度应力分布规律，通过仿真计算获取不同部位、不同材料分区、不同季节浇筑的混凝土的理想温控曲线模型，其中理想温控曲线模型在同等温控标准条件下温度应力最小。
[0011]优选地，理想温控曲线的确定包括最高温度和温降速率的确定，其中最高温度的确定与基础温差相关，基础温差通过规范或者有限元仿真计算分析来获取；其中温降速率通过有限元仿真计算分析来获取，并根据内外温差、上下温差和允许应力进行控制。
[0012]优选地，理想温控曲线包括一期控温、一期降温、中期降温和控温、二期降温、二期控温共五个阶段。
[0013]还提供了利用这种混凝土坝理想温控曲线模型的智能控制方法，根据该混凝土坝理想温控曲线模型，通过调整施工期的通水流量来控制温度的变化过程。
[0014]通过这种混凝土坝理想温控曲线模型，运用有限元仿真分析方法，在已有规范及温控实践经验的基础上，研究各种坝型的温度场、温度应力分布规律，计算不同部位、不同材料分区、不同季节浇筑的混凝土的理想温控曲线模型，其中理想温控曲线在同等温控标准条件下温度应力最小，所以在温降的不同阶段可以促使内部温度尽可能的全程沿着该模型进行降温，使得混凝土的开裂风险可全程控制在允许范围之内。
[0015]优选地，控制温度的变化过程分为以下阶段:
[0016](I)入仓温度控制，其中如果出机口温度高于设计值，而环境温度又高于出机口温度，通过加强表面保温，并降低混凝土拌和前各种组成配料的温度来控制入仓温度；如果环境温度低于出机口温度和设计值，通过散热的方式来降低混凝土至仓面时的温度；
[0017](2)浇筑温度控制，通过减小胚层覆盖时间来控制浇筑温度；
[0018](3)混凝土冷却阶段:在一期控温中，如果浇筑温度出现超标现象，采用适度降低冷却水温的方式或者提高通水流量来进行控制，如果浇筑温度低于设计值，则通过延迟通水或者采用高水温和低流量的方式进行控制；在一期降温中，通过降低通水流量或者提高冷却水温来控制；在中期降温和控温中，如果中期冷却开始时，混凝土未达到目标温度，那么加大每日通水流量，如果混凝土中期冷却开始时低于中期冷却开始温度，那么减小每日通水流量，如果出现停水现象，那么重新冷却时，冷却水水温先提高，然后降低冷却水温，流量采用由小逐渐增大的方式进行控制；在二期降温中，如果二期冷却开始时，混凝土未达到目标温度，那么加大每日通水流量，如果混凝土二期冷却开始时低于二期冷却开始温度，那么减小每日通水流量，如果出现停水现象，那么重新通水时采用先小流量再逐步加大流量的方式进行，水温采用逐渐降低的方式进行；在二期控温中，采用减小通水流量的方式来进行控温，且避免时断时续的通水方式。
[0019]以下具体说明本发明的优选实施方式。
[0020](一)不同坝型理想温度过程线的控制模型与确定方法
[0021]I)不同坝型理想温度过程线的控制类型
[0022]所谓理想温度过程线，是指大坝混凝土在冷却过程中所遵循的一条降温曲线，按照这条曲线进行降温，大坝混凝土由于温度变化导致的开裂风险相对最小，所选择的冷却方案相对最优。
[0023]一般而言，根据坝的类型及有无接缝灌浆需要这两种情况，理想温度过程线的类型主要有以下几种:
[0024](I)碾压混凝土重力坝:这种坝型一般无需接缝灌浆，施工期只有一期冷却，必要时入冬前或蓄水前为减小大坝混凝土内外温差，会对坝体内部温度相对较高的区域增加一次中期冷却，其冷却过程一般如图1所示，主要包括一期控温、一期降温和中期降温三个阶段。
[0025](2)常态混凝土重力坝:这种坝型一般设纵缝，有接缝灌浆需要，混凝土冷却时分为一期、中期和二期，典型温降曲线如图2所示，主要包括一期控温、一期降温、中期降温(有可能含中期控温)、二期降温及二期控温共五个阶段。
[0026](3)无封拱灌浆要求的碾压混凝土拱坝:这种坝型一般设置诱导缝，施工期一般有一期冷却和中期冷却，无强制性二期冷却，往往是温度尚未冷到封拱温度大坝开始蓄水，此后就自由降温，冷却过程线类似于图1所示，主要包括一期控温、一期降温和中期降温三个阶段。
[0027](4)常态混凝土拱坝和有灌浆要求的碾压混凝土拱坝:这种坝型一般设横缝，有封拱灌浆需要，混凝土内部温度需冷却至封拱灌浆温度，典型温降曲线如图2所示，主要包括一期控温、一期降温、中期降温(有可能含中期控温)、二期降温及二期控温共五个阶段。
[0028]2)理想温度过程线的获取方法
[0029]理想温度过程线的获取，一般考虑大体积混凝土温度控制特点，运用有限元仿真分析方法，在已有规范及温控实践经验的基础上，研究各种坝型的温度场、温度应力分布规律，提出不同部位、不同材料分区、不同季节浇筑的混凝土的理想温度控制曲线模型。理想温度控制曲线具有同等温控标准条件下温度应力最小的特点。
[0030]理想温度过程线的确定主要决定于两个关键指标:一是最高温度，二是温降速率。最高温度的确定取决于基础温差(最高温度与稳定温度之差)，对于任意一个大坝而言，其最终的稳定温度(或接缝灌浆温度)基本是固定的，基础温差的取值就决定了最高温度如何。而基础温差一般可通过规范，或者有限元仿真计算分析这两种方式获取。
[0031]关于温降速率的获取也主要是通过有限元仿真计算分析来获取，同时根据内外温差、上下温差和允许应力3个指标进行控制，温降速率的控制标准需根据大坝混凝土内部整体温度和应力分布情况进行综合考虑，不同坝型、不同部位、不同材料及不同季节浇筑的混凝土，其温降速率均有各自不同的要求。
[0032](二)混凝土降温过程主要影响及控制因素分析
[0033]对于大坝工程而言，现场温度控制的方式有很多，而影响降温过程的主要包括:水泥水化反应(一般用绝热温升公式来表示)、水管布置形式、冷却水温、通水流量、水管压差等几个关键因素。
[0034]在上述几个因素中，水泥水化反应特性(绝热温升)一般是相对稳定的，冷却水管一旦埋入混凝土后，其布置形式也不会变化，因此，这两个因素基本上属于固定因素；水管压差从理论上讲也是可以调的，这种可调性取决于制冷机组的配置功率，一般情况下，从减小故障和提高机组寿命的前提出发，扣除沿程阻力损失后，压差一般保持相对固定，而且压差的变化并不是直接影响到温度的变化，其影响是体现在对流量的影响，因此调整水管压差，相当于是调节流量参数；冷却水温则根据具体工程不同、冷却要求不同有较多的选择，对于一般的无接缝灌浆要求的坝，比如碾压混凝土坝，有时会采用江水进行冷却，水温受气温和季节影响随意性较大，且不受人为控制，此时如果要想控制混凝土温度沿着理想过程线走，那么只能靠调节通水流量来进行控制；对于有接缝(或封拱)灌浆要求的混凝土坝，冷却机组的水温也一般是相对固定，比如一冷控温阶段与二冷阶段的水温可能基本相同，采用较低的水温，中期冷却水温则采用相对较高的水温。
[0035]综合上述分析，在影响温降过程的几个因素中，最方便、最直接有效的方式就是通过调整施工期的通水流量来控制温度的变化过程，当然，必要时冷却水温也有调节的空间。
[0036](三)理想温度过程线分阶段智能控制措施与方法
[0037]大坝混凝土施工现场边界条件非常复杂，理想状态下获取的温度过程线到施工现场后往往受到很多外在因素的影响，如何让混凝土的温度尽可能的沿着理想过程线变化是实现智能通水控制的关键所在。为此，本部分内容重点解决在实际工程中，针对各个阶段温度控制过程中可能出现的问题，提出恰当的应对措施与方法。
[0038]根据实际控制需要，将混凝土温度控制过程分成以下几个阶段来进行论述:
[0039](I)第一阶段:入仓温度控制
[0040]混凝土从拌合楼出来时的温度叫出机口温度，通过皮带机或者缆机运输至仓面，到达仓面时温度叫入仓温度。在这个过程中，混凝土一般还不会开始水化反应放热，因此，混凝土温度的变化主要是与外界气温热交换所致，如果环境温度高于混凝土温度，那么就会存在热量倒灌现象，混凝土温度会升高，反之，混凝土入仓温度会降低。这个阶段控制温度变化的措施主要是表面保护，如果出机口温度高于设计值，而环境温度又高于出机口温度，那么只能通过加强表面保温来避免入仓温度超标太多，同时应采取措施尽可能降低混凝土拌和前各种组成配料的温度；如果环境温度相对较低，则可通过散热(无表面保护)的方式来适度降低混凝土至仓面时的温度，当然，入仓温度应尽量控制在设计允许范围之内。
[0041](2)第二阶段:浇筑温度控制
[0042]混凝土运输至仓面后，直至被上层混凝土覆盖时，规范规定距表面5-lOcm以内的混凝土温度称之为浇筑温度。以往的工程经验表明，浇筑温度对混凝土最高温度的影响较大，一般在有水管冷却的前提下，浇筑温度升高TC，最高温度会提升0.4-0.6°C左右，因此，如果想让混凝土温度沿着理想温度过程变化，那么，应尽可能将浇筑温度也控制在设计允许的范围内，否则，则需要调整其他温控措施来控制。
[0043]控制浇筑温度最有效的办法是减小胚层覆盖时间，气温较高时应当进行胚层表面保护，必要时增加仓面喷雾等措施，以减小热量倒灌现象；气温过低时，也应该适当的做好表面保护工作，以避免混凝土浇筑温度出现过低现象，否则实际温度曲线也有可能偏离理想过程线。
[0044]( 3 )第三阶段:混凝土冷却阶段
[0045]此阶段混凝土内部主要受三大因素的影响，包括:水化温升、表面散热和水管冷却。
[0046]水化温升是混凝土固有的特性，在气候条件差异不大的情况下，水化反应历程及其自身温度有相关性，但总体而言，差异不会太大。该因素对温度变化过程的影响系数是基本一定的；
[0047]表面散热对温度变化过程的影响也是如此，主要与其表面是否采取保温措施、采用保温材料的厚度和表面散热系数有关，一旦确定，那么这个因素对温度过程的影响权重也基本确定；
[0048]第三个关键影响因素是水管冷却，水管冷却效果主要与通水流量，冷却水温和水管布置形式有关。前面已经分析过，混凝土一旦完成浇筑，那么水管布置形式也基本上是不变的影响因素，由此可见，混凝土温降过程的控制主要是通过改变通水流量和冷却水温来实现。
[0049]混凝土进入实际冷却阶段后，由两种类型的理想过程线可以看出，一期冷却包括控温和降温两个阶段、另外还包括中期降温(中期控温)、二期降温和二期控温等几个阶段。对于两种类型的理想过程，相同阶段的温度控制措施基本上是相同的，因此，下面主要以第2类理想温降曲线各个阶段的控温措施选择为例进行分析。
[0050]①一期控温:控温阶段主要目的是削峰，使得混凝土内部最高温度控制在设计允许范围之内(或理想温度曲线的最高温度值之下)。在这个阶段，如果浇筑温度出现超标现象，必须在理想降温曲线相对应的控制措施及其参数的基础上，通过对其他措施或参数的调整来尽可能控制最高温度，此时可采用适度降低冷却水温的方式或者提高通水流量来进行控制。一般而言，降低冷却水温对最高温度的影响要比提高通水流量的效果更为显著，因此，降低冷却水温是相对更好的选择，如果水温调整余地不大，那么两种措施均需要综合考虑。
[0051]如果浇筑温度明显低于设计要求的情况，则可以通过适当延迟通水，或者采用高水温和低流量的方式进行控制，由于施工期水温的调整可能受到制冷机组及系统用水需要，此时应优化考虑采用低流量或者延迟通水的方式进行控制。
[0052]②一期降温:混凝土一期降温的目的是降低内部温度，减小内外温差，以避免早龄期混凝土由于内外温差较大而出现裂缝。此阶段温度过程的控制主要可通过采用降低通水流量或者提高冷却水温的方式来控制，具体如何选择可根据现场的实际情况并结合实时反馈分析进行确定。
[0053]一期降温异常情况处理:施工期如果出现采取所有可能的预备温控措施后，还是出现温度超标现象，那么就需要对温降速率进行必要的控制，一般而言，规范中要求每日降温不超过I°C，根据近年来的工程实践经验，每日降温一般可按照不超过0.5V /天进行控制，一冷时间可适度延长，直至混凝土重新与理想过程线交汇，然后再沿着理想过程线进行控制。
[0054]③中期降温:中期降温主要目的是减小内外温差或者降低后期二冷降温幅度，一般冷却时间较长，每日参考降温幅度可根据一冷目标温度与中冷目标温度的差值按时间进行插值获得，一般不超过0.3°C /天。如果中期冷却开始时，混凝土尚未达到目标温度，那么可适当加大每日通水流量，可按不超过0.5°C /天进行控制。如果混凝土中期冷却开始时已低于中期冷却开始温度，那么流量可适度减小，比如按0.1-0.2V /天的标准进行控制。需要注意的是，后期混凝土应尽量避免停水的情况出现，以降低重新通水后低温水冷击导致的开裂风险，如果万一出现停水现象，那么重新冷却时，冷却水水温应该适当高些，然后慢慢降低冷却水温，流量也应该采用由小逐渐增大的方式进行控制。[0055]④二期降温(后期降温):后期降温主要目的是让混凝土冷却至封拱温度，由于混凝土降温后期应力较大，因此，温降速率不宜太高，每日参考降温幅度可根据一冷目标温度与中冷目标温度的差值按时间进行插值获得，一般不超过0.3°C /天。如果二期冷却开始时，混凝土尚未达到目标温度，那么可适当加大每日通水流量，可按不超过0.5°C /天进行控制。
[0056]如果混凝土二期冷却开始时已低于二期冷却开始温度(中期冷却目标温度)，那么流量可适度减小，比如按不高于0.2V /天进行控制。
[0057]对于二期降温，必须尽量避免出现时断时续通水的情况，以减小冷击开裂风险，即便不得以停水(比如现场停电或者设备检修等)，重新通水时也应该采用先小流量，然后逐步加大流量的方式进行，水温也应采用逐渐降低的方式进行。
[0058]⑤二期控温:
[0059]混凝土达到二期冷却目标温度后，在接缝(封拱)灌浆之前，一般会有7-15天左右的控温时段，控温的目的是为了防止后期温度回升，减小缝的开合度，从而影响其可灌性。二期控温期间混凝土的残余水化热散发的速率相对较小，因此，这种情况下，一般采用减小通水流量的方式来进行控温相对较好，且应避免时断时续的通水方式。
[0060]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.一种混凝土坝理想温控曲线模型，其特征在于:运用有限元仿真分析方法，在已有规范及温控实践经验的基础上，研究各种坝型的温度场、温度应力分布规律，通过仿真计算获取不同部位、不同材料分区、不同季节浇筑的混凝土的理想温控曲线模型，其中理想温控曲线在同等温控标准条件下温度应力最小。
2.根据权利要求1所述的混凝土坝理想温控曲线模型，其特征在于:理想温控曲线的确定包括最高温度和温降速率的确定，其中最高温度的确定与基础温差相关，基础温差通过规范或者有限元仿真计算分析来获取；而温降速率通过有限元仿真计算分析来获取，并根据内外温差、上下温差和允许应力进行控制。
3.根据权利要求2所述的混凝土坝理想温控曲线模型，其特征在于:理想温控曲线包括一期控温、一期降温、中期降温和控温、二期降温、二期控温共五个阶段。
4.一种利用根据权利要求3所述的混凝土坝理想温控曲线模型的智能控制方法，其特征在于:根据该混凝土坝理想温控曲线模型，通过调整施工期的通水流量来控制温度的变化过程。
5.根据权利要求4所述的智能控制方法，其特征在于:控制温度的变化过程分为以下阶段: (1)入仓温度控制，其中如果出机口温度高于设计值，而环境温度又高于出机口温度，通过加强表面保温，并降低混凝土拌和前各种组成配料的温度来控制入仓温度；如果环境温度低于出机口温度和设计值，通过散热的方式来降低混凝土至仓面时的温度； (2)浇筑温度控制，通过减小胚层覆盖时间来控制浇筑温度； (3)混凝土冷却阶段:在一期控温中，如果浇筑温度出现超标现象，采用适度降低冷却水温的方式或者提高通水流量来进行控制，如果浇筑温度低于设计值，则通过延迟通水或者采用高水温和低流量的方式进行控制；在一期降温中，通过降低通水流量或者提高冷却水温来控制；在中期降温和控温中，如果中期冷却开始时，混凝土未达到目标温度，那么加大每日通水流量，如果混凝土中期冷却开始时低于中期冷却开始温度，那么减小每日通水流量，如果出现停水现象，那么重新冷却时，冷却水水温先提高，然后降低冷却水温，流量采用由小逐渐增大的方式进行控制；在二期降温中，如果二期冷却开始时，混凝土未达到目标温度，那么加大每日通水流量，如果混凝土二期冷却开始时低于二期冷却开始温度，那么减小每日通水流量，如果出现停水现象，那么重新通水时采用先小流量再逐步加大流量的方式进行，水温采用逐渐降低的方式进行；在二期控温中，采用减小通水流量的方式来进行控温，且避免时断时续的通水方式。
【文档编号】E02B1/02GK103603312SQ201310524712
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】刘有志, 张国新, 刘毅, 李松辉, 张磊, 王振红, 黄涛 申请人:中国水利水电科学研究院