泄洪洞衬砌混凝土施工期温控防裂方法与流程

本发明涉及一种泄洪洞衬砌混凝土施工期防裂方法。

背景技术：

随着国家对基础设施投入的加大和对清洁能源需求的重视，西南地区丰富的水资源逐渐得到开发利用，许多水利工程得以规划和建设。高山多峡谷的地理环境、昼夜温差大的自然气候，使得泄洪洞、渡槽、隧洞、水闸、泵站和溢洪道等各类薄壁混凝土结构不断出现，特别是泄洪洞的建设非常普遍。

随之而来的裂缝问题也不得不摆在工程建设者和相关学者面前，如何科学有效地防止隧洞、泄洪洞等薄壁混凝土结构产生裂缝是业内人士迫切需要解决的课题。

目前，现有的泄洪洞衬砌混凝土施工期温控防裂方法和标准都是参考混凝土大坝等大体积混凝土建筑施工期的温控方法和措施制定的，如内外温差、基础温差和降温速率，殊不知对泄洪洞衬砌混凝土这种薄壁结构来说，其厚度只有0.5-2.0m，如此薄的混凝土结构，用20m厚度的大坝混凝土内外温差、基础温差和降温速率来要求，是不科学的，所以，仍然导致很多泄洪洞衬砌混凝土施工期产生温度裂缝，泄洪洞衬砌混凝土开裂问题没有从根本上解决。

技术实现要素：

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种泄洪洞衬砌混凝土施工期温控防裂方法，该方法科学有效地防止泄洪洞衬砌混凝土产生裂缝。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种泄洪洞衬砌混凝土施工期温控防裂方法，其特征在于：流水养护和覆盖保温材料的表面保温相结合；

所述流水养护从拆模开始，结束时间以泄洪洞混凝土内部温度和环境气温差不大于10℃时为准；水温采取动态调控，根据实测混凝土内部温度温度来确定，水温和内部温度的差值不超过10℃为宜；流水量以保持混凝土表面湿润为主；

所述表面保温自所述流水养护结束至泄洪洞通水运行为止。

优选地，所述保温材料有聚苯乙烯板、苯板、彩条布等材料。

优选地，所述保温系数2.796～保温系数6.708，保温材料厚度3-5厘米。

附图说明

图1为计算机仿真的泄洪洞及周围基岩模型；

图2为选取的泄洪洞中间剖面及中间剖面典型点的计算机仿真网格模型；

图3a为仿真计算泄洪洞衬砌混凝土温度边界示意图；

图3b为仿真计算泄洪洞衬砌混凝土应力边界示意图；

图4a为仿真方案1泄洪洞衬砌混凝土中间剖面温度包络图；

图4b为仿真方案1泄洪洞衬砌混凝土中间剖面横河向应力包络图；

图5a为仿真方案2泄洪洞衬砌混凝土中间剖面温度包络图；

图5b为仿真方案2泄洪洞衬砌混凝土中间剖面横河向应力包络图；

图6a为仿真方案3泄洪洞衬砌混凝土中间剖面温度包络图；

图6b为仿真方案3泄洪洞衬砌混凝土中间剖面横河向应力包络图；

图7a为仿真方案4泄洪洞衬砌混凝土中间剖面温度包络图；

图7b为仿真方案4泄洪洞衬砌混凝土中间剖面横河向应力包络图；

图8a为仿真不同方案底板混凝土典型点t1温度过程曲线图；

图8b为仿真不同方案底板混凝土典型点t1应力过程曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

由于泄洪洞与混凝土大坝的功能不同，两者的结构、施工材料、施工工艺、和工程质量要求也完全不同，所以，用混凝土大坝施工期防裂方法防止泄洪洞衬砌混凝土产生裂缝是不科学、不合理的。

泄洪洞属于薄壁结构，受周围基岩约束非常强，为使其能够达到设计的强度要求，通常泄洪洞的边墙使用高标号、抗冲耐磨混凝土，这类混凝土具有水泥用量大、绝热温升高的特点，也具有温升快、温降快的典型特性。

针对泄洪洞的结构特点和施工材料的特性，本发明提供的泄洪洞衬砌混凝土施工期温控防裂方法是流水养护和表面保温相结合。

下面，以某重大工程的泄洪洞为例，采用三维有限单元法，对本发明公开的泄洪洞衬砌混凝土施工期温控防裂方法进行仿真计算，分析其对泄洪洞衬砌混凝土的温度及应力的影响，及防裂效果。

图1为计算机仿真的泄洪洞及周围基岩模型，泄洪洞的壁厚为1.7米，长度为12米。为便于分析泄洪洞不同剖面、不同点的温度和应力，将泄洪洞及周围基岩仿真模型网格化，网格剖分的单元和结点总数分别为22384和26550个。图2为选取的泄洪洞中间剖面及中间剖面典型点的计算机仿真网格模型。

图3a为仿真计算泄洪洞衬砌混凝土温度边界示意图，图3b为仿真计算泄洪洞衬砌混凝土应力边界示意图。在仿真计算泄洪洞衬砌混凝土温度时，泄洪洞两端面为绝热边界，泄洪洞内表面为热量交换边界，环境温度为多年平均气温。在计算泄洪洞衬砌混凝土应力场时，泄洪洞周围基岩左右两侧、顶面和底面均为三向约束，泄洪洞两端面为法向约束。

仿真计算泄洪洞衬砌混凝土内部温度公式为：

式中：t1(t)为t时间泄洪洞衬砌混凝土内部的平均温度；

tw为冷却水水温；

t0为泄洪洞衬砌混凝土当前温度；

k＝2.09-1.35ξ+0.32ξ²，ξ＝λl/cwρwqw

λ为泄洪洞衬砌混凝土导热系数；l为冷却管路长度，由于泄洪洞壁薄不可能预埋冷却水管，故本发明不预埋冷却水管，l＝0；cw为冷却水的比热，ρw

为冷却水的密度，qw为冷却水的流速；

a为泄洪洞衬砌混凝土导温系数，d为冷却管路的直径一般为0.028-0.032m，没有冷却水管，d＝0；

θ0为泄洪洞衬砌混凝土的最终水化热，通过试验确定；

当采用指数型绝热温升时：

式中m，p均为常数(试验时确定)；t为泄洪洞衬砌混凝土的时间龄期，天；

当采用双曲线性绝热温升时：

n是泄洪洞衬砌混凝土的半熟龄期，天；p＝ka/d²

式中：为误差函数，

h为测试点或测试面距离泄洪洞衬砌混凝土的深度；a为泄洪洞衬砌混凝土导温系数，t为泄洪洞衬砌混凝土的时间龄期，天；j为第j个时段，为1-n之间的自然数。

式中：(t1(t)-t0)<△t,△t为要求的泄洪洞衬砌混凝土降温速率，△t数值一般根据工程实际来定，一般为03-0.5℃/天。

仿真计算泄洪洞衬砌混凝土内部的应力的公式：

σ(t)为j个时段t时刻的泄洪洞衬砌混凝土应力，△tj(t)为t时刻温度变化量，α为泄洪洞衬砌混凝土热膨胀系数，e(t)为t时刻泄洪洞衬砌混凝土的弹性模量，t为泄洪洞衬砌混凝土的龄期，j为第j个时段。

对于泄洪洞衬砌混凝土结构而言，其内部钢筋密集、厚度较薄，埋设冷却水管不太现实，因此，本发明公开的泄洪洞衬砌混凝土施工期温控防裂方法采用流水养护和表面保温相结合的措施防止泄洪洞衬砌混凝土产生裂缝。

流水养护的水温可采取动态调控的方式，根据实测混凝土内部温度温度来确定，水温和内部温度的差值不超过10℃为宜。流水量以保持混凝土表面湿润为主，流水养护从拆模即可开始，结束时间以内部温度和环境气温差不大于10℃时为准。

流水养护结束时即可采用表面保温，保温采用长期保温直到泄洪洞通水运行。保温材料一般有聚苯乙烯板、苯板、彩条布等材料。

表面保温能减小环境温度骤变对衬砌混凝土的影响，降低混凝土内外温差，防止较大的收缩变形，流水养护的作用带走混凝土的热量，加快热量的散发，防止温度过高，同时可以保持混凝土的湿润，有利于混凝土的生长。

表面保温和流水养护要合理适中，过与不及都不能产生较好得温控防裂效果，为此，本发明设计了四种温控防裂方案，进行仿真计算，计算每种温控防裂方案对泄洪洞衬砌混凝土的温度和应力的影响。

泄洪洞的浇筑方式是先整体浇筑边墙及顶拱，间歇180d(即180天)，再浇筑底板。夏季的浇筑温度14℃，冬季的浇筑温度10℃。

温控防裂方案1-4如表1所示：

表1温控方案

仿真计算结果见表2和图4-图8所示。

表2泄洪洞表面保温措施底板混凝土典型特征点t1计算结果

注：3个安全系数里面的“/”两侧分别是按90天龄期和180天龄期强度考虑的安全系数。如1.12/1.33，表示按90天龄期强度计算的安全系数为1.12，按180天龄期强度计算的安全系数为1.33。

对比分析不同方案下，泄洪洞衬砌混凝土中间剖面和中间剖面上的典型点温度和应力变化过程，可以看出：

1)方案1，在不采取任何温控措施条件下。泄洪洞底板内部最高温度可达到32.75℃，早期降温很快。从温度过程线显示，从7月5日达到最高温度32.75℃，到10月20日时降到15.3℃，之后混凝土温度随气温变化，温度不断降低，到来年一月中旬，混凝土温度降至最低11.32℃。从最高温度32.75℃到最低温度11.32℃，降温幅度在21℃左右。之后混凝土温度随着环境温度周期性波动，波动幅度约7℃左右。相应于混凝土的温度规律，混凝土应力也呈现出明显的规律变化。泄洪洞底板受温降引起的应力增长很快，在从最高温度32.75℃降低到15.3℃时，混凝土的应力已经超过允许应力，降低到冬季最低温度(即来年1月份)11.32℃时，混凝土的拉应力达到最大值2.42mpa，远远超过混凝土的允许应力，按照180d龄期轴拉强度计算的安全系数只有1.35，安全系数很低。因为轴拉强度小于劈拉强度和虚拟抗拉强度，故，本发明以轴拉强度计算安全富裕度更高。

2)方案2，单纯采取2cm保温材料表面保温，自泄洪洞拆模开始到泄洪洞通水运行为止。泄洪洞底板混凝土浇筑完后覆盖2cm厚的保温材料，仿真计算结果显示，泄洪洞衬砌混凝土顶拱的降温速率和波动幅度有所减弱，但是混凝土的最大应力并没有改善多少，应力偏大，安全系数偏低。原因是单纯的表面保温使得混凝土最高温度升高，由不采取温控措施的32.75℃升高到了35.09℃，最大应力为2.46mpa，按照90d龄期和180d龄期的轴拉强度计算安全系数，分别为1.12和1.33，应力超标，安全系数偏低，改善效果不明显。

3)方案3，流水养护和2cm厚保温材料的表面保温相结合。流水养护的水温可采取动态调控，根据实测混凝土内部温度温度来确定，水温和内部温度的差值不超过10℃为宜。流水量以保持混凝土表面湿润为主，养护从拆模即可开始，结束时间以内部温度和环境气温差不大于10℃时为准。表面保温：自流水养护结束开始保温，至泄洪洞通水运行为止，一直保温。

对泄洪洞衬砌底板混凝土采用流水养护，降低衬砌混凝土最高温度，后期泄洪洞衬砌底板表面覆盖2cm保温材料保温，减小外界气温对其的影响。计算结果显示，由于早期采用的是流水养护方式，最高温度降低为31.3℃左右，最大应力发生在来年1月份，在2.15mpa左右，按照90d龄期和180d龄期的轴拉强度计算安全系数，分别为1.28和1.52。

4)方案4，流水养护和5cm厚保温材料的表面保温相结合。流水养护的水温可采取动态调控，根据实测混凝土内部温度温度来确定，水温和内部温度的差值不超过10℃为宜。流水量以保持混凝土表面湿润为主，养护从拆模即可开始，结束时间以内部温度和环境气温差不大于10℃时为准。表面保温：自流水养护结束开始保温，至泄洪洞通水运行为止，一直保温。

早期对泄洪洞衬砌底板混凝土采用流水养护，降低衬砌混凝土最高温度，后期混凝土表面覆盖5cm保温材料保温，进一步减小外界气温对其的影响。计算结果显示，由于早期采用的是流水养护方式，最高温度降低为31.3℃左右，最大应力发生在来年1月份，最大应力由2.15mpa降低为2.11mpa，按照90d龄期和180d龄期的轴拉强度计算安全系数，分别为1.31和1.55。

通过对四种温控防裂方案的仿真计算分析可知：

(1)由于泄洪洞衬砌边墙采用高标号、抗冲耐磨混凝土和早强混凝土，泄洪洞结构属于处于受周围基岩强约束的薄壁混凝土结构，温度变化产生的应力增量较为明显，不采取温控措施，抗冲耐磨混凝土应力很大，安全系数(取轴拉强度、劈拉强度和虚拟抗拉强度三者中的小值作为评判标准，)很低，会导致泄洪洞衬砌混凝土产生裂缝。

(2)泄洪洞衬砌底板采用低热水泥混凝土，如果不采取温控措施，底板抗冲耐磨混凝土温度较高，降温较快，应力较大，安全系数((取轴拉强度、劈拉强度和虚拟抗拉强度三者中的小值作为评判标准，)很低；采用早期流水养护和后期表面保温(大于5cm厚的保温材料)的温控措施后，可满足温控防裂需要(安全系数大于1.65)，开裂风险较小。

(3)薄壁结构受周围环境温度影响很大，结构的整体温度应力随着气温的波动而波动，最大应力基本上都是在冬季发生，表面保温和洞内温度恒定成为防裂的关键。

通过建立实际模型，结合具体工程是实际建造情况，计算分析多个温控防裂方案下泄洪洞衬砌混凝土内部温度和应力变化规律，证明本发明公开的泄洪洞衬砌混凝土施工期温控防裂方法达到温控防裂要求(满足规范要求的1.65的安全系数规定)，可有效地防止泄洪洞衬砌混凝土裂缝，防裂效果显著，对泄洪洞工程建设具有重要的参考价值。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。