混凝土坝下游面水膜智能保温方法与流程

本发明属于混凝土坝建设运行技术领域，具体涉及一种混凝土坝下游面水膜智能保温方法。

背景技术：

混凝土坝，是最重要的坝型之一，在世界范围内广泛分布，数量多，且一般坝高较高。混凝土坝在保障防洪安全、供水安全、粮食安全、能源安全和生态安全方面发挥了重要作用，确保水库水电站大坝安全对于国家和人民群众极端重要。

混凝土坝在施工和运行过程中，最常见的问题是混凝土开裂，几乎“无坝不裂”，这些裂缝会对结构工作性能、耐久性和安全度造成影响，有些甚至出现非常严重的裂缝，危及大坝安全和正常使用，如柯尔布莱恩拱坝等，因此减少甚至避免混凝土裂缝的出现一直是混凝土坝领域的一个重要问题。

在混凝土坝各种类型裂缝中，温度裂缝最为普遍，尤其是内外温差造成的表面裂缝，如我国的二滩拱坝，在运行期间下游面出现了不少表面裂缝，重要原因就是内外温差过大。为减少或避免大坝上下游面温度裂缝的出现，目前普遍采用保温措施，主要是采用粘贴保温板的方式。这种保温措施存在明显缺陷：一是经过水的浸泡冲刷、风吹日晒雨淋等，在运行过程中破损严重，短期运行后，一般会拆除，无法长期保温；二是保温板是塑料材料，长期大量使用对生态环境保护不利。

为防止混凝土坝下游面出现温度裂缝，并满足生态环保要求，亟需一种新的生态环保的保温方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对混凝土坝下游面容易出现温度裂缝的现象，提出一种保温措施以减小混凝土表面温差从而防止或减少大坝下游面混凝土开裂的方法，以改善大坝的工作状态。

本发明的实施例提供了一种混凝土坝下游面水膜智能保温方法，包括如下步骤：

步骤1，根据大坝相关情况，采用线性非线性有限元方法仿真计算确定大坝下游面应力时间和空间变化规律；其中，大坝相关情况包括结构布置、浇筑、封拱、蓄水、外界温度变化以及实测混凝土温度及应力情况；

步骤2，比较大坝下游面应力与允许抗拉强度关系，或者根据屈服区大小，得到大坝下游面混凝土拉应力大于允许抗拉强度的范围、深度以及出现的时间，确定可能开裂的范围、深度以及出现时间段；

步骤3，根据大坝下游面混凝土出现应力超标的时间、范围和深度，结合上游库水温度分布情况，初步确定下游面水膜保温的时间、范围、水温和流量；

步骤4，根据初步确定的水膜保温的时间、范围、水温和流量，基于步骤1和步骤2，计算保温后的大坝下游面应力时间和空间变化规律，并与混凝土允许抗拉强度进行对比，以确定应力是否超标，如应力仍超标，则调整水膜保温时间、范围、水温和流量，重复步骤1和步骤2，直至应力在允许抗拉强度范围内；

步骤5，根据确定的水膜保温时间、范围、水温和流量，结合上游水库水温分布和变化情况，确定不同时间段的取水深度；其中，水库水温采用实测方式或经验计算方法确定；

步骤6，根据确定的不同时间段的取水深度，在坝顶设置水泵或倒虹吸结构，利用管路从相应深度取水引至下游面，并在下游面不同位置设置流水装置，形成水膜保护层；其中，管道包括钢管、PCCP管等。

步骤7，在大坝下游面水膜保温区域(混凝土表面)设置温度测量装置(温度计)，实时监测水膜保温效果，并重复步骤1和步骤2，以确保大坝下游面应力在允许范围内。

进一步，步骤1中，为准确得到大坝下游面应力，采用基于大坝施工过程、温度控制过程、封拱过程、蓄水过程以及外界条件变化过程的有限元仿真计算方法计算。

进一步，步骤1中，线性非线性有限元方法仿真计算根据具体情况采用整体模型、单坝段模型或局部模型。

进一步，步骤2中，混凝土允许抗拉强度为随时间的变化量，龄期在180天以后采用长期允许抗拉强度，混凝土抗拉强度公式为：

R_t＝0.332R_c^0.60

其中，R_t为抗拉强度，R_c为抗压强度。

进一步，步骤3中，水膜保温的时间、范围和(取水)水温根据月或季度进行调整。

进一步，水膜保温后仿真分析需要考虑水膜保温的效果，步骤4还包括基于水膜保温后大坝下游面实际温度，采用现场实验确定不同水温和流量的保温效果。

进一步，步骤5还包括根据取水水温的变化改变取水深度，取水深度利用水库水温分布曲线确定。水库水温在长期运行后普遍处于准稳定状态，即同一深度同一年度时段内，水库水温基本相同，利于确定取水位置。

进一步，步骤6中，当流水装置的设置点位置高于上游水库取水高度时，采用水泵抽水方式，低于上游水库取水高度时，采用水泵抽水或倒虹吸方式。

进一步，步骤6中，取水装置的设计和布置基于水膜保温的范围、引水水量确定。

进一步，步骤7还包括根据实时监测的保温效果对取水水温和水膜流量进行相应调整。

与现有技术相比本发明的有益效果是：利用水膜保温，减小了大坝下游面混凝土表面温差，从而减小了大坝下游面拉应力量值和范围，能够减少或消除超标拉应力，防止大坝下游面混凝土的开裂，改善了大坝工作性态。

附图说明

图1是本发明混凝土坝下游面水膜智能保温方法的流程图；

图2是本发明一实施例中重力坝的横剖面示意图；

图3是本发明一实施例中计算得到的大坝部分坝段初始应力示意图；

图4是本发明一实施例中允许混凝土抗拉强度变化示意图；

图5是本发明一实施例中应力超标区域示意图；

图6是本发明一实施例中水膜保温范围示意图；

图7是本发明一实施例中水泵布置示意图；

图8是本发明一实施例中水泵及管道布置示意图；

图9是本发明一实施例中下游坝面集水坎及其导流管道的布置示意图；

图10是本发明一实施例中下游坝面集水坎的布置示意图。

图中标号：

附图2中21为重力坝；

附图5中51为重力超标区；

附图6中，1大于等于1.0m，2大于等于0.5m；

附图7中，71为坝体，72为水泵，73为水膜区，74为库水；

附图8中,81为水泵，82为钢管段，83为可换塑料管；

附图9中，91为坝面，92为竖直塑料管，93为水平塑料管，94为流水孔，95为集水坎，96为外接排水管；

附图10中,101为集水坎，102为坝面。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1所示，图1是本发明混凝土坝下游面水膜智能保温方法的流程图。

下面以一重力坝为例，对本发明进行详细说明：

实施例1

重力坝

步骤1，根据大坝坝体的结构特征、浇筑过程、重力坝纵缝灌浆过程等、混凝土及周边环境温度变化过程、库水水位上升过程以及线胀系数、弹性模量参数等，采用线性非线性有限元仿真分析方法得到大坝整体以及大坝下游面应力分布、屈服区分布以及随时间的变化规律。

重力坝横剖面如图2所示，大坝最大坝高162m，正常蓄水水位高度160m。

计算得到大坝部分坝段初始应力，如图3所示，阴影部分应力超过1.5MPa。

步骤2，根据大坝混凝土配比、浇筑情况，确定允许抗拉强度以及允许抗拉强度随时间变化过程，参图4所示的允许混凝土抗拉强度变化示意图；

步骤3，比较大坝下游面应力与允许抗拉强度关系或者根据屈服区大小，得到大坝下游面拉应力大于允许抗拉强度的范围，概化得到应力超标区域，如图5所示。

步骤4，根据计算得到的大坝下游面混凝土超出允许抗拉强度的范围，确定水膜保温的初步范围，水膜保温的范围应大于应力超标区域，水平方向两侧各有1m以上、上下游方向各有0.5m以上，水膜保温范围如图6所示。

步骤5，根据确定后的水膜保温范围，结合上游水库水温情况，拟定不同流水水温、流量，按照步骤1的要求，重新考虑各种条件，采用有限元方法或结构力学方法得到大坝下游面保温后的应力分布以及随时间的变化规律，最终选定一种应力不超标的水温和流量方案。

步骤6，根据选定的水温和流量方案，确定水泵台数、水泵性能和布置等。水泵布置在坝顶，前后两侧的引水管和泄水管可采用部分采用钢管，引水部分和下游面形成水膜部分可采用塑料管，如图7和图8所示。

步骤7，下游面水膜形成区域采用带孔塑料管，水膜形成的水流可沿下游面自流入下游河道；如有厂房等坝后建筑物不允许自流的，可在下游坝面布置挡水的集水坎，采用水管导流至下游河道，如图9和图10所示。

步骤8，下游面水流区域布置温度计，监测坝面温度情况，根据监测温度，采用步骤1，计算下游坝面应力，定期或不定期进行水温和流量的动态调整，确保坝面应力在允许范围内。

综上所述，本发明通过在下游坝面设置水膜智能保温，调整下游坝面应力量值和分布规律，改善大坝工作性态，防止坝体下游坝面出现裂缝，提高结构安全性。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。