衬砌砼温降速率优化控制方法及系统

本发明属于混凝土温控防裂
技术领域：
，具体涉及一种衬砌砼温降速率优化控制方法及系统。
背景技术：
：埋设冷却水管通水冷却降低混凝土最高温度和控制内外温差，自三峡水利枢纽右岸地下电站发电引水洞衬砌混凝土首次采用以来，在溪洛渡、白鹤滩、乌东德等巨型水电站水工隧洞衬砌混凝土大量应用，并取得成功。但水工隧洞等有关规范条文中没有关于衬砌混凝土通水冷却温降速率控制等方面的规定。经常是参考混凝土重力坝或者混凝土拱坝设计规范等规定，控制降温速度不宜大于1℃/d。一方面，多层浇筑大坝等大体积混凝土的通水冷却(即与内部混凝土温差)由下层老混凝土管周不产生温度裂缝控制，允许水温差和温降速度较小；另一方面，衬砌结构厚度小，温降速率快，无论是否采取通水冷却措施，内部温度达到最大值后迅速下降的速度经常是超过1℃/d。衬砌结构混凝土厚度小，一次性浇筑，混凝土覆盖冷却水管即开始通水冷却，与上部新浇混凝土情况相当，管周没有明显的温降过程，拉应力不大。因此，对应薄壁衬砌结构混凝土的通水冷却，一方面是否可以允许更快的温降速率，另一方面是究竟多大的温降速率对温控防裂更有利？而且，衬砌结构的厚度不同、混凝土的强度不等，通水冷却优化控制温降速率可能有较大差异，但目前未有根据衬砌结构混凝土情况准确地计算通水冷却优化控制温降速率的方法。技术实现要素：本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供衬砌砼温降速率优化控制方法及系统，可快速、准确地计算得到优化控制温降速率，并基于此对衬砌砼进行通水冷却，科学合理地实现温控防裂。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：<方法>如图2所示，本发明提供衬砌砼温降速率优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.获取衬砌砼通水冷却温控用资料；步骤2.计算衬砌砼通水冷却优化控制温降速率vy(℃/d)：vy＝0.86h+0.14c-0.03hc-0.13h2-1.95(公式1)式中：h为衬砌砼的厚度(m)；c为衬砌砼90d设计龄期强度等级(mpa)；步骤3.根据通水冷却优化控制温降速率vy优化衬砌砼通水冷却措施。优选地，本发明提供的衬砌砼温降速率优化控制方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，优化后的通水冷却措施为控制通水冷却温降速率不超过vy。必须指出的是，优化控制优温降速率vy是内部最高温度发生后至通水冷却最优控制时间(稍微大于最大内表温差发生时间)的平均值。即大约是2d时间内的平均值。实际工程衬砌混凝土温降速率控制时，由于水温提高对早期(养护期k1增大)防裂有利，允许最高温度一般是依据控制冬季不发生温度裂缝k2满足要求确定，所以在最高温度满足要求的前提下可以允许温降速率小于vy(但不得大于vy，相当于是允许温降速率上限)，即水温适当高些，这样也可以进一步节约制冷水费用。优选地，本发明提供的衬砌砼温降速率优化控制方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，优化后的通水冷却措施为控制通水冷却温降速率在(vy-0.7℃/d)～vy范围内。优选地，本发明提供的衬砌砼温降速率优化控制方法，还可以具有以下特征：采用控制处理装置执行步骤2，确定通水冷却优化控制温降速率vy。优选地，本发明提供的衬砌砼温降速率优化控制方法，还可以具有以下特征：还采用控制处理装置执行步骤1，让操作员根据提示输入温控用资料，并进行存储。优选地，本发明提供的衬砌砼温降速率优化控制方法，还可以具有以下特征：还采用控制处理装置执行步骤3，根据通水冷却优化控制温降速率vy确定通水冷却措施，并控制通水冷却装置对衬砌砼进行通水冷却养护。<系统>进一步，本发明还提供衬砌砼温降速率优化控制系统，其特征在于，包括：输入显示部，让操作员根据提示输入收集到的衬砌砼通水冷却温控用资料；存储部，对输入的衬砌砼温控用资料进行存储；计算部，基于衬砌砼温控用资料，采用以下公式计算衬砌砼通水冷却优化控制温降速率vy＝0.86h+0.14c-0.03hc-0.13h2-1.95，式中：h为衬砌砼的厚度；c为衬砌砼90d设计龄期强度等级；通水冷却部，根据通水冷却优化控制温降速率vy执行通水冷却措施；以及控制部，与输入显示部、存储部、计算部、通水冷却部均通信相连，控制它们的运行。优选地，本发明提供的衬砌砼温降速率优化控制系统，还可以具有以下特征：输入显示部还根据操作指令对计算部计算出的通水冷却优化控制温降速率vy进行显示。优选地，本发明提供的衬砌砼温降速率优化控制系统，还可以具有以下特征：输入显示部还根据操作指令对通水冷却部执行的通水冷却措施进行显示。优选地，本发明提供的衬砌砼温降速率优化控制系统，还可以具有以下特征：通水冷却部控制衬砌砼通水冷却温降速率不超过vy。另外，上述步骤2计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制优温降速率vy的公式1，是以溪洛渡、白鹤滩、乌东德等巨型水电站泄洪洞工程为例，采用三维有限元法进行城门洞型断面不同厚度、不同强度等级衬砌混凝土在不同通水冷却水温条件的温度与温度应力仿真计算，整理分析全过程衬砌混凝土温控防裂效果，以获得全过程抗裂安全系数最大化为原则，求得不同厚度、不同强度等级衬砌混凝土的通水冷却控制温降速率。例如，1.0m厚度采取结构(图1)边墙c9030强度混凝土，通过表1中8～22℃不同水温tw情况仿真计算，求得衬砌混凝土全过程的抗裂安全系数k，整理两个k值最小的养护期和冬季的k1、k2，然后作出k1、k2与水温tw的关系曲线见图3。同样可以整理温降速率tsd(℃/d)与水温tw的关系见图4。由于k1随着tw增大、k2随着tw减小，则两曲线的交点为能够获得全过程抗裂安全系数最大化的水温twy。与此对应值，以下称为通水冷却综合优化抗裂安全系数ky。与此ky、twy对应的温降速率称为优化控制温降速率vy。由图3中k1(tw)与k2(tw)交点确定twy值，则可以由图4确定与twy值对应的优化控制温降速率vy。汇总不同厚度h、不同强度等级衬砌混凝土的vy值见表2。然后对这些数据进行统计分析得到通水冷却优化控制温降速率vy计算公式1。表11.0m衬砌c9030混凝土不同水温通水冷却温控特征值表2不同厚度、不同强度等级衬砌混凝土的通水冷却优化控制温降速率vy发明的作用与效果本发明所提供的衬砌砼温降速率优化控制方法及系统的优点是：(1)本方法可以适用于任何衬砌砼结构，进行通水冷却水温优化控制计算，能够快速获得通水冷却优化控制温降速率。(2)本发明方法科学性强。通水冷却优化控制温降速率计算公式，综合反映了衬砌砼结构厚度、强度等级对对通水冷却温降速率控制的影响，是对应获得全过程抗裂安全系数最大值的温降速率。优化温降速率vy大于重力坝、拱坝等大体积混凝土允许温降速率，根据优化温降速率vy可以采取更合适的水温通水冷却，获得更好的温控防裂效果，科学取得温控防裂最佳效果。(3)进一步，本发明提供的衬砌砼温降速率优化控制系统，能够根据衬砌砼通水冷却温控用资料自动计算得到衬砌砼通水冷却优化控制温降速率vy，并执行相应的通水冷却措施，整个过程无人为因素干扰，自动化程度高，能够快速、有效地以合适的温降速率进行衬砌砼通水养护，确保衬砌砼温控防裂效果。附图说明图1为水工隧洞城门洞型衬砌结构断面图(图中尺寸单位：m)；图2为本发明涉及的衬砌砼温降速率优化控制方法的流程图；图3为本发明涉及的c9030混凝土不同厚度养护期k1和冬季k2与通水冷却水温tw的关系图；图4为本发明涉及的c9030混凝土温降速率tsd(℃/d)与通水冷却水温tw的关系图；图5为本发明涉及的乌东德水电站泄洪洞无压段a型衬砌结构断面图(单位：cm)；图6为本发明涉及的3#洞无压段第1仓顶拱衬砌混凝土实测内部温度历时曲线图；图7为本发明涉及的乌东德水电站泄洪洞无压段衬砌c型结构断面图(单位：cm)；图8为本发明涉及的3#洞无压段第22仓顶拱衬砌混凝土实测内部温度历时曲线图。具体实施方式以下结合附图，以乌东德水电站泄洪洞衬砌砼为例，对本发明涉及的衬砌砼温降速率优化控制方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。<乌东德水电站泄洪洞工程衬砌混凝土温控资料>乌东德水电站以发电为主，兼顾防洪、航运和拦沙等作用。电站装机容量10200mw。大坝为混凝土双曲拱坝，泄洪采用坝身泄洪为主，岸边泄洪洞为辅的方式。三条泄洪洞均采用有压洞后接门洞型隧洞，由进水口、有压洞段、工作闸门室、无压洞段、出口段、消能水垫塘组成，出口采用挑流消能。泄洪洞有压洞为圆形断面(图5)，内径14m，衬砌厚度为0.8m、1m，洞周围岩类别分别为ⅱ、ⅲ类围岩，衬砌混凝土c9030。无压洞段断面为城门洞形，衬砌后尺寸14m×18m。泄洪洞缓坡段设计有0.8m、1.0m和1.5m三种衬砌厚度结构断面，洞周围岩类别分别为ⅱ、ⅲ、ⅳ类围岩。底板和边墙为c9035抗冲耐磨混凝土，顶拱为c9030混凝土。陡坡段同样设计有0.8m和1.0m两种衬砌厚度断面，底板和边墙为c9040抗冲耐磨混凝土，顶拱为c9030混凝土。泄洪洞无压段(缓坡段、陡坡段)三种厚度衬砌结构断面见图5。在混凝土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，设计要求温控措施包括：(1)混凝土原材料质量控制及配合比优化：控制混凝土细骨料的含水率6％以下，且含水率波动幅度小于2％。优化混凝土配合比，降低混凝土胶凝材料用量；加强施工管理，提高施工工艺，改善混凝土性能，提高混凝土防裂性能。在满足设计要求的混凝土强度、耐久性、和易性以及混凝土浇筑质量的前提下，经监理人批准，尽量采用较大骨料粒径，改善混凝土骨料级配。(2)合理安排混凝土施工程序和施工进度：合理安排混凝土施工程序和施工进度是防止基础贯穿裂缝，减少表面裂缝的主要措施之一。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：应采取必要的温控措施，使最高温度不超过设计允许最高温度(表3)。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、初期通水冷却等。混凝土生产系统提供满足出机口温度要求的拌制混凝土。本合同承包人负责出机口之后的混凝土运输、入仓浇筑和养护期间的混凝土温度控制。根据计算成果分析，乌东德水电站泄洪洞缓坡段混凝土浇筑温度建议按表3控制。如果实测温度不能满足设计允许最高温度，需要埋冷却水管通水冷却。(4)合理控制浇筑层厚和层间间歇期：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。表3泄洪洞衬砌混凝土施工期允许最高温度和浇筑温度单位：℃月份12、1月2、11月3、10月4、9月5～8月允许最高温度4041424344允许浇筑温度自然入仓自然入仓182022<实施例一>3#洞无压段第1仓顶拱衬砌砼通水冷却控制最优温降速率计算3#洞无压段第1仓，城门洞形衬砌，边墙衬砌厚度0.8m，沿泄洪洞轴线方向每隔9m设置环向施工分缝，ⅱ类围岩，衬砌结构的底板和边墙为c9040混凝土，顶拱c9030w8f150混凝土，如图5所示。混凝土分2期浇筑：先边顶拱、后底板。将于5月浇筑。这里介绍边顶拱衬砌混凝土浇筑通水冷却控制最优温降速率计算。温控基本资料同上。采用常温自来水保湿养护28d，通水冷却控制混凝土内部温度。如图2所示，本实施例提供的薄壁衬砌混凝土通水冷却控制最优温降速率计算方法包括以下内容：步骤1.分析衬砌砼通水冷却温控有关资料，包括：收集与衬砌混凝土温控防裂有关的资料，分析衬砌混凝土温控防裂的重要性，分析衬砌混凝土温控设计技术要求和温控措施方案。乌东德水电站泄洪洞基本资料如前所述，泄洪洞为1级建筑物，泄洪流速高，衬砌混凝土温控防裂非常重要。依据设计要求，高温季节5～8月浇筑需要控制浇筑温度≤22℃，采取通水冷却等温控措施。最高温度控制≤44℃。步骤2.计算衬砌砼通水冷却优化控制优温降速率vy：将h＝0.8m，c＝30mpa代入公式1，计算vy＝2.13℃/d。步骤3.优化衬砌砼通水冷却温控方案，主要是分析温降速率控制值。根据实际技术要求和上述计算分析，确定优化通水冷却温控方案为：浇筑温度≤22℃，通水冷却水管单列间距1.5m布置，通水时间7d，江水常温，温降速率按2.1℃/d优化控制。步骤4.检查分析温降速率和温控防裂效果，包括温度、温降速率、温度裂缝等控制效果。3#洞无压段第1仓顶拱衬砌混凝土，桩号：k1+238.880～k1+247.880m，单元高程el908.20～el928.16m，2016年5月3日～5月5日16时浇筑，在928.2m高程埋设1支温度计。通水冷却时间7d，通水冷却水温13.8℃。实测浇筑温度18.13℃，历时2.67d达到最高温度38.61℃，早期2d平均温降速率1.8℃/d，温度历时曲线见图6。现场检查，无任何温度裂缝。结果表明，混凝土tmax为38.61℃，远小于设计允许最高温度44℃；温降速度值1.8℃/d，稍微小于优化控制温降速率2.13℃/d。现场检查，无任何温度裂缝，温控防裂取得很好的效果。如上说明，采取13.8℃制冷水通水冷却，内部最高温度远小于允许值，而且检查无任何裂缝，在此条件下混凝土温降速率稍微小于优化控制温降速率，节约了制冷费用，实现通水冷却控制混凝土内部最高温度和温控防裂目标，取得温控效益和经济效益最大化。<实施例二>3#洞无压段第22仓边墙衬砌砼通水冷却控制最优温降速率计算3#洞无压段第22仓，城门洞形衬砌，边墙衬砌厚度1.5m，沿泄洪洞轴线方向每隔9m设置环向施工分缝，ⅳ类围岩，衬砌结构的底板和边墙为c9040混凝土，顶拱c9030w8f150，如图7所示。混凝土分2期浇筑：先边顶拱、后底板。将于9月浇筑。这里介绍边顶拱衬砌混凝土浇筑通水冷却控制最优温降速率计算。温控基本资料同上。采用常温自来水保湿养护28d，通水冷却控制混凝土内部温度。如图2所示，本实施例提供的薄壁衬砌混凝土通水冷却控制最优温降速率计算方法包括以下内容：步骤1.分析衬砌砼通水冷却温控有关资料，包括：收集与衬砌混凝土温控防裂有关的资料，分析衬砌混凝土温控防裂的重要性，分析衬砌混凝土温控设计技术要求和温控措施方案。乌东德水电站泄洪洞基本资料如前所述，泄洪洞为1级建筑物，泄洪流速高，衬砌混凝土温控防裂非常重要。依据设计要求，高温季节9月浇筑需要控制浇筑温度≤20℃，采取通水冷却等温控措施。最高温度控制≤43℃。步骤2.计算衬砌砼通水冷却优化控制优温降速率vy：将边墙h＝1.5m，c＝40mpa代入公式1，计算vy＝2.84℃/d。步骤3.优化衬砌砼通水冷却温控方案，主要是分析温降速率控制值。根据实际技术要求和上述计算分析，确定优化通水冷却温控方案为：浇筑温度≤20℃，通水冷却水管单列间距1.5m布置，通水时间7d，江水常温，温降速率按2.8℃/d优化控制。步骤4.检查分析温降速率和温控防裂效果，包括温度、温降速率、温度裂缝等控制效果。3#洞无压段第22仓边墙衬砌混凝土，桩号：k1+418～k1+427m，单元高程el904.32～el924.12m，2016年9月17日～9月19日浇筑，在923.5m高程埋设1支温度计。通水冷却时间7d，通水冷却水温22℃。实测浇筑温度20.07℃，历时3.17d达到最高温度39.5℃，早期2d平均温降速率2.1℃/d，温度历时曲线见图8。现场检查，无任何温度裂缝。结果表明，混凝土tmax为39.5℃，远小于设计允许最高温度43℃；温降速度2.1℃/d，小于优化控制温降速率2.8℃/d。现场检查，无任何温度裂缝，温控防裂取得很好的效果。如上说明，采取22℃常温水通水冷却，内部最高温度远小于允许值，而且检查无任何裂缝，在此条件下混凝土温降速率稍微小于优化控制温降速率，节约了制冷费用，实现通水冷却控制混凝土内部最高温度和温控防裂目标，取得温控效益和经济效益最大化。以上实施例结果表明，本发明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，以及不同温控措施方案等)，进行衬砌砼通水冷却控制最优温降速率计算，即实际施工温控措施方案温降速率优化。本发明方法科学性强。<实施例三>衬砌砼温降速率优化控制系统本实施例提供能够自动化实现上述衬砌砼温降速率优化控制方法的系统，该系统包括：输入显示部、存储部、计算部、通水冷却部、控制部。输入显示部用于让操作员根据提示输入收集到的衬砌砼通水冷却温控用资料，并且能够根据操作员输入的操作指令进行相应的显示。例如，输入显示部能够根据操作指令对计算部计算出的通水冷却优化控制温降速率vy进行显示，还能够根据操作指令对通水冷却部执行的通水冷却措施进行显示。存储部与输入显示部通信相连，对输入的衬砌砼温控用资料进行存储，衬砌砼温控用资料包括衬砌砼的厚度h和衬砌砼强度等级c。计算部与存储部和输入显示部均通信相连，基于衬砌砼温控用资料，采用以下公式计算衬砌砼通水冷却优化控制温降速率vy：vy＝0.86h+0.14c-0.03hc-0.13h2-1.95式中：h为衬砌砼的厚度；c为衬砌砼90d设计龄期强度等级。通水冷却部与计算部和存储部均通信相连，根据衬砌砼通水冷却温控用资料和通水冷却优化控制温降速率vy执行通水冷却措施，控制衬砌砼通水冷却温降速率不超过vy。控制部与输入显示部、存储部、计算部、通水冷却部均通信相连，控制它们的运行。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砼温降速率优化控制方法及系统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。当前第1页12