高压水道下平洞温控防裂方法与流程

1.本发明涉及一种温控防裂方法，具体地说，涉及一种针对高压水道下平洞的温控防裂方法。


背景技术：

2.我国地域辽阔、江河湖泊众多，水利资源丰富，为充分利用这些水利资源，在我们南方修建有许多抽水蓄能电站。对于一座中型以上的抽水蓄电站来说，其主体建筑一般包括混凝土大坝、输水系统、地下厂房、厂房蜗壳等。对于抽水蓄能电站的输水系统来说，其主要包括高压输水隧洞，高压输水隧洞又包括高压水道下平洞、引水岔管、引水支管和尾水支管，除引水支管、尾水支管采用埋藏式压力钢管衬砌外，其余水道均采用钢筋混凝土衬砌浇筑而成。
3.由于蓄能电站输水系统高压水道下平洞的结构特点导致其洞壁厚度只有1米-2米，相对于混凝土大坝来说，其壁厚较薄，混凝土浇筑时水泥用量小，但是由于水泥绝热温升快，导致高压水道下平洞壁开裂问题较为突出！
4.虽然，在实际工程中，对浇筑的高压水道下平洞也采取了类似于混凝土大坝的温控防裂措施，但是，由于高压水道下平洞的壁厚只有1米-2米，而混凝土大坝壁厚有几十米，两者的壁厚相差几十数量级，所以，常规的混凝土大坝温控防裂措施不适用于高压水道下平洞。


技术实现要素：

5.鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种针对高压水道下平洞的温控防裂方法。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高压水道下平洞温控防裂方法，它包括如下内容：
7.a、分段浇筑，每段浇筑的下平洞长度为10米
±
2米；
8.b、在下平洞洞壁厚度1/2处铺设冷却水管，冷却水管间距为水平间距0.5mx竖向间距1m或者水平间距1.0m x竖向间距1.0m；水管内径为28.00mm；
9.c、严格控制混凝土的浇筑温度，所述混凝土的浇筑温度按公式(1)计算：
10.t＝t1+(ta+r/β-t1)(φ1+φ2)
ꢀꢀ
(1)
11.式中：t是混凝土浇筑温度；t1是混凝土入仓温度；ta是外界环境气温；r是太阳辐射热量；β是混凝土表面放热系数；φ1是平仓过程的温度系数，φ1＝kτ，τ为混凝土入仓后到平仓前的时间，k为经验系数，取0.0030；φ2是平仓后的温度系数，平仓后的温度系数φ2采用单向差分法进行计算，公式如下：
12.13.其中，是混凝土导热系数和混凝土表面放热系数的取值，取值范围为超过上下限范围的按上下限考虑；c是比热，取值范围为0.6-1.2，超过上下限范围的按上下限范围考虑；δτ是平仓结束至坯层再次被覆盖的时间；
14.d、采取动态调控的通水冷却方式进行水冷，即，下平洞浇筑完毕后，流水通水冷却10天-20天，冷却水温为20℃，水流量2.0m3/h；在通水冷却的过程中，每日监测混凝土内部实际温度，当混凝土内部温度降低超过2℃/日时，立即停止通水冷却；当混凝土表面温度达到30℃时，立即停止通水冷却；
15.e、通水冷却结束后，在下平洞表面铺设保温层继续养护；
16.所述保温层的厚度h按下式计算：
[0017][0018]
式中，h是保温材料厚度；λs是保温材料导热系数；β是需要达到的混凝土表面放热系数；β0是不保温时混凝土表面放热系数；k1是风速修正系数，见下表；k2是潮湿程序修正系数，潮湿材料取3～5，干燥材料取1；
[0019]
其中，参数β为：
[0020]
β＝23.9+14.5va[0021]
其中，va为风速(m/s)；
[0022]
风速修正系数k1[0023][0024][0025]
优选地，所述混凝土浇筑温度≤24℃。
[0026]
优选地，所述保温层厚度为2cm-5cm。
[0027]
在本发明较佳实施例中，如遇9月份以后高压水道下平洞施工期尚未结束的情况时，在施工早期增加表面喷淋/洒水降温措施。
[0028]
在本发明较佳实施例中，当遇到环境温度低于15℃时，停止通水冷却，并在高压水道下平洞表面铺设2cm-5cm的保温层。
[0029]
在本发明较佳实施例中，如遇施工期环境温度高于27℃时，在通水冷却的同时，在下平洞的表面喷淋/洒水降温。
[0030]
本发明的优点：本发明根据下平洞的结构特点，监测混凝土内部温度，采取动态内部水冷加混凝土表面保温或辅助降温的防裂方法，更加贴合工程实际。
附图说明
[0031]
图1为高压水道下平洞立体结构示意图；
[0032]
图2为高压水道下平洞主视图；
[0033]
图3为高压水道下平洞横截面网格图及典型点位置图；
[0034]
图4为无温控措施下下平洞典型点温度过程线；
[0035]
图5为无温控措施下下平洞典型点顺河向应力过程线；
[0036]
图6为无温控措施下平洞中间剖面温度包络图；
[0037]
图7为无温控措施下平洞中间剖面顺河向应力包络图；
[0038]
图8为本发明实施例gk2温控防裂措施下下平洞典型点温度过程线；
[0039]
图9为本发明实施例gk2温控防裂措施下下平洞典型点顺河向应力过程线；
[0040]
图10为本发明实施例gk2温控防裂措施下下平洞中间剖面温度包络图；
[0041]
图11为本发明实施例gk2温控防裂措施下下平洞中间剖面顺河向应力包络图；
[0042]
图12为本发明实施例不同浇筑温度措施下下平洞典型点温度过程线；
[0043]
图13为本发明实施例不同浇筑温度措施下下平洞典型点顺河向应力过程线；
[0044]
图14为本发明实施例浇筑温度24℃时下平洞中间剖面温度包络图；
[0045]
图15为本发明实施例浇筑温度24℃时下平洞中间剖面顺河向应力包络图；
[0046]
图16为本发明实施例浇筑温度26℃时下平洞中间剖面温度包络图；
[0047]
图17为本发明实施例浇筑温度26℃时下平洞中间剖面顺河向应力包络图；
[0048]
图18为本发明实施例有无冷却水管浇筑温度24℃时下平洞典型点温度过程线；
[0049]
图19为本发明实施例有无冷却水管浇筑温度24℃时下平洞典型点顺河向应力过程线；
[0050]
图20为本发明实施例有无冷却水管浇筑温度26℃时下平洞典型点温度过程线；
[0051]
图21为本发明实施例有无冷却水管浇筑温度26℃时下平洞典型点顺河向应力过程线；
[0052]
图22为本发明实施例无冷却水管浇筑温度24℃时下平洞中间剖面温度包络图；
[0053]
图23为本发明实施例无冷却水管浇筑温度24℃时下平洞中间剖面顺河向应力包络图；
[0054]
图24为本发明实施例无冷却水管浇筑温度26℃时下平洞中间剖面温度包络图；
[0055]
图25为本发明实施例无冷却水管浇筑温度26℃时下平洞中间剖面顺河向应力包络图。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。
[0057]
图1为高压水道下平洞立体结构示意图，图2为高压水道下平洞主视图。如图1、图2所示，通常，大中型蓄能电站输水系统高压水道下平洞的长度大致为300m-400m，其洞壁厚度为1米左右，相对于混凝土大坝来说，其具有长度长、洞壁薄的结构特点。高压水道下平洞为混凝土浇筑而成，其混凝土用量小，由于混凝土浇筑后绝热温升快，导致高压水道下平洞
洞壁开裂问题较为突出！
[0058]
由于高压水道下平洞的衬砌砼具有衬砌薄、基岩约束强的特点，又由于浇筑的混凝土用量少，刚浇筑的混凝土温度升高的快，随后温度下降的也快，故，本发明针对高压水道下平洞提出一种温控防裂方法，即：
[0059]
a、分段浇筑，每段浇筑的下平洞的长度为10米
±
2米。
[0060]
由于混凝土结构浇筑长度越长，导致混凝土出现缺陷概率越大，故，本发明控制每段高压水道下平洞的浇筑长度，其目的是：从结构角度，降低混凝土约束度。
[0061]
b、在下平洞洞壁厚度1/2处铺设冷却水管，冷却水管间距为水平间距0.5mx竖直间距1.0m或者1.0mx1.0m；水管内径为28.00mm。
[0062]
c、严格控制混凝土的浇筑温度，混凝土的浇筑温度可按公式(1)计算：
[0063]
t＝t1+(ta+r/β-t1)(φ1+φ2)
ꢀꢀ
(1)
[0064]
式中，t是混凝土浇筑温度(单位℃)；t1是混凝土入仓温度(单位℃)；ta是外界环境气温(单位℃)；r是太阳辐射热量(kj/(m2.h))；β是混凝土表面放热系数(kj/(m2.h.℃))；φ1是平仓过程的温度系数，φ1＝kτ，τ为混凝土入仓后到平仓前的时间，k为经验系数，可取0.0030(1/min)；φ2是平仓后的温度系数，平仓后的温度系数φ2可采用单向差分法进行计算，公式如下：
[0065][0066]
其中，是混凝土导热系数和混凝土表面放热系数的取值，取值范围为超过上下限范围的按上下限考虑；c是比热，取值范围为0.6-1.2，超过上下限范围的按上下限范围考虑，单位：kj/(kg/m3)；δτ是平仓结束至坯层再次被覆盖的时间，单位：小时。
[0067]
混凝土的浇筑温度最好不超过24℃。
[0068]
d、采取动态调控的通水冷却方式进行水冷，即，下平洞浇筑完毕后，流水通水冷却10天-20天，冷却水温为20℃，水流量2.0m3/h；在通水冷却的过程中，每日监测混凝土内部实际温度，当混凝土内部温度降低超过2℃/日时，立即停止通水冷却；当混凝土表面温度达到30℃时，立即停止通水冷却。
[0069]
e、通水冷却结束后，在下平洞表面铺设保温层，继续养护。
[0070]
所述保温层可以是稻草或棉被或蒲席。
[0071]
所述保温层的厚度h可按下式计算：
[0072][0073]
式中，h是保温材料厚度(单位m)；λs是保温材料导热系数(kj/(m.h.℃))；β是需要达到的混凝土表面放热系数(kj/(m2.h.℃))；β0是不保温时混凝土表面放热系数
[0074]
(kj/(m2.h.℃))；k1是风速修正系数，见表1；k2是潮湿程序修正系数，潮湿材料取3～5，干燥材料取1；
[0075]
其中，参数β为：
[0076]
β＝23.9+14.5va[0077]
其中：va为风速(m/s)。
[0078]
表1风速修正系数k1[0079][0080][0081]
另外，如遇9月份以后高压水道下平洞施工期尚未结束的情况时，在施工早期(自混凝土开始浇筑起计算，20天内)增加表面喷淋/洒水降温措施，其目的是降低混凝土表面温度当遇到恶劣天气，例如环境温度低于15℃时，停止通水冷却，并在高压水道下平洞表面铺设2cm-5cm的保温层。
[0082]
如遇施工期环境温度较高时，可在施工早期(自混凝土开始浇筑起计算，20天内)，在通水冷却的同时，在下平洞的表面喷淋/洒水降温。
[0083]
总之，由于下平洞的洞壁较薄，为防止浇筑的混凝土内部温度剧降，产生裂缝，本发明防裂的思路：采取动态内部水冷加混凝土表面保温或辅助降温的防裂方法。
[0084]
为进一步验证本发明提供的高压水道下平洞温控防裂方法的可行性，本发明通过计算机仿真进行如下验证。
[0085]
1、通过计算机仿真软件建立下平洞模型，并划分网格。
[0086]
输水隧洞下平洞的计算模型如图1、图3所示，在本发明仿真实验中，通过仿真软件建立的下平洞长度12.0m，共剖分单元21588个，结点总数24300个，图中横水流方向为x方向，顺水流方向为y方向，竖直往上为z方向。
[0087]
2、选取下平洞拱底部体积最大处的中间点t1点(如图3所示)作为混凝土内部温度和应力的大小随时间变化规律的观察点。
[0088]
3、按照本发明提供的温控防裂方法，输入冷却水管布置信息，混凝土浇筑温度信息，通水信息，混凝土表面散热后信息；
[0089]
4、输入下平洞温度场计算边界约束条件；
[0090]
温度场计算边界条件包括：基岩四周、底面和顶面均为绝热边界，其它面为热量交换边界。
[0091]
洞内气温按照多年平均气温基础上降低变化幅度1-2℃拟合。
[0092]
5、仿真计算不采取温控措施的情况下即工况1(简称gk1)，下平洞典型点温度安全系数、温度和应力大小随时时间的变化情况。
[0093]
表2下平洞不采取温控措施计算结果
[0094][0095][0096]
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0.52/0.55，表示按90天龄期强度计算的安全系数为0.52，按180天龄期强度计算的安全系数为0.55。
[0097]
从表2和图4-7可以看出：
[0098]
在不采取任何温控措施条件下，下平洞混凝土内部最高温度可达到49.25℃，在浇筑后约3天龄期发生；在环境温度的影响下快速降低，到来年一月中旬，混凝土温度降至最低，从最高温度49.25℃到最低温度17.59℃，降温幅度在30℃以上。
[0099]
基于目前的参数计算结果，下平洞长度方向最大拉应力为6.96mpa，高于混凝土的允许抗拉强度，按照90d和180d龄期劈拉强度、轴拉强度及虚拟康抗拉强度计算的安全系数分别为0.52/0.55、0.60/0.66及0.64/0.67，安全系数都较低。
[0100]
综上所述，目前泵送混凝土材料性能对温控不利：绝热温升高达48℃，且温升很快，3天即达到最高温度；自生体积变形很大，达到130个微应变，且是收缩型；热膨胀系数大，为10.2
×
10-6
。如此不利的材料参数，再加上属于薄壁混凝土结构，受周围基岩约束明显、环境变化影响大等特点，会产生很大的温度应力，安全系数低。因此，有必要采取温控措施。
[0101]
5、按照本发明提供的温控防裂方法，输入冷却水管布置信息，混凝土浇筑温度信息，通水信息，混凝土表面散热后信息；仿真计算不同工况采取温控措施的情况下，下平洞典型点温度安全系数、温度和应力大小随时时间的变化情况。
[0102]
仿真计算工况表3：
[0103]
表3下平洞混凝土计算工况表
[0104]
[0105][0106]
注：gk2-gk6都采取保温措施；流水养护时，养护20天。
[0107]
第一组仿真试验：采取温控防裂措施的效果
[0108]
表4下平洞gk2下温控措施计算结果
[0109]
工况最高温度/℃长度方向最大应力/mpa最小安全系数gk245.571.162.04
[0110]
注：安全系数是按最大应力对应龄期劈拉强度考虑的安全系数。
[0111]
表4列出了在采取温控防裂措施下，下平洞典型点的最高温度、最大应力以及劈拉强度、轴拉强度及虚拟抗拉强度安全系数；图8、图9为下平洞典型点的温度和应力过程线；图10、图11为下平洞剖面温度包络图和顺河向应力包络图。
[0112]
从表4和图8-图11可以看出：采用早期流水养护(水温20℃)加5cm厚保温层加通水冷却(通水10d)等温控防裂措施，下平洞混凝土内部最高温度仍为45.57℃，长度方向最大拉应力为1.16mpa，安全系数2.04，安全系数富裕度较高，混凝土应力明显减小，安全系数达到2.0以上，对防止裂缝产生非常有利。
[0113]
第二组仿真试验：混凝土浇筑温度敏感性分析
[0114]
研究不同浇筑温度对下平洞混凝土温度应力的影响。
[0115]
表5下平洞浇筑温度敏感性分析计算结果
[0116]
工况号浇筑温度/℃最高温度/℃长度方向最大应力/mpa最小安全系数gk22245.571.162.04gk32447.151.351.75gk42648.721.541.54
[0117]
注：安全系数是按最大应力对应龄期劈拉强度考虑的安全系数。
[0118]
表5为不同浇筑温度时下平洞混凝土温度应力结果；图12、图13为不同浇筑温度条件下特征点温度及顺河向应力过程线；图14～图17为不同浇筑温度条件下下平洞中间剖面温度和应力包络图。
[0119]
从表5和图12-图17可以看出：
[0120]
1)早期流水养护(水温20℃)、5cm厚保温、通水冷却(通水10d)，浇筑温度分别为22℃、24℃、26℃时，浇筑温度每提高2℃，下平洞混凝土最高温度最高增加约1.5℃。
[0121]
2)最高温度升高，温降速率增大，冷却结束时的最大应力也相应增大。浇筑温度每提高2℃，最大应力相应增加约0.18mpa，浇筑温度22℃、24℃、26℃时安全系数均分别为2.04、1.75和1.54。
[0122]
在采取温控措施条件下，随着浇筑温度的提高，混凝土最大应力相应增加，最小安全系数降低，故，需要控制混凝土的浇筑温度，混凝土浇筑温度最好不超过24℃。
[0123]
第三组仿真试验：有无冷却水管敏感性分析
[0124]
放宽温控措施，研究有无冷却水管对下平洞混凝土温度应力的影响。
[0125]
表6下平洞有无冷却水管敏感性分析计算结果
[0126][0127]
注：安全系数是按最大应力对应龄期劈拉强度考虑的安全系数。
[0128]
表6为有无冷却水管不同浇筑温度时下平洞混凝土温度应力结果。图18～图21为有无冷却水管不同浇筑温度条件下特征点温度及顺河向应力过程线。图22～图25为有无冷却水管不同浇筑温度条件下下平洞中间剖面温度和应力包络图。
[0129]
从表6和图18-图25可以看出：
[0130]
1)当浇筑温度为24℃时，不埋设冷却水管，下平洞混凝土最高温度达到48.83℃，较有冷却水管措施下高了1.68℃(48.83-47.15)，最小安全系数从1.53提高到1.75，可见，采取水冷温控措施是很有必要的。
[0131]
2)当浇筑温度为26℃时，不埋设冷却水管，下平洞混凝土最高温度达到50.60℃，较有冷却水管措施下高了1.88℃(50.60-48.72)，最小安全系数从1.39提高到1.54。说明，在采取水冷温控措施时，还需要控制混凝土浇筑温度，使混凝土浇筑温度不超过24℃。
[0132]
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。