衬砌砼通水冷却水温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通水冷却水温优化控制方法及系统。
背景技术：
：重力坝等大体积混凝土埋设冷却水管通水冷却，初期通制冷水或低温河水，降低混凝土最高温度；中期可通河水降温，控制内外温差。由于温升阶段，混凝土膨胀，目标是降低混凝土最高温度，降低幅度越大越好，所以宜在允许的条件下尽可能降低初期水温。中期，是温降阶段，水温过低温降速度过快，可能导致早期低强度混凝土裂缝，也可能导致管周混凝土温度梯度过大而产生局部裂缝，所以必须控制水温并由此控制温降速率。根据模拟混凝土浇筑过程对高混凝土拱坝一期水冷温度对水管周边混凝土的影响研究：对于水管下部(层)老混凝土，这一水管通水冷却前，混凝土温度较高(20℃)，通水冷却时，水管周边混凝土从较高温度迅速向水温靠近，离水管越近，温降速度越快，在水管周边形成较大的温降幅度的梯度，且水温越低，温降幅度的梯度越大；对于水管上部的新浇混凝土，混凝土浇筑的同时进行通水冷却，水管周边的混凝土未升至较高温度(初期为入仓温度)，保持与水温较为接近的温度。虽然与水管距离的不同也有一定的温度梯度，但是这些部位的温度与温度梯度一直保持不变，并没有发生大的变化。温度降低产生收缩变形，温降幅度不均匀就会使得这一变形不均匀，从而产生自生约束，因此，水管下部的老混凝土由于温降幅度的不均匀从而产生拉应力，而水管上部的新浇混凝土由于没有明显的温降过程，拉应力不大。所以，多层浇筑大坝等大体积混凝土的通水冷却水温(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。衬砌是土木工程广泛采用的一种结构(图1)，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水温和温降速率控制的规定。工程建设中只好参考采用混凝土重力坝(或者拱坝)设计、水工混凝土施工等规范规定：坝体混凝土与冷却水之间的温差不宜超过20℃～25℃。但是，衬砌结构一般厚度小，一次性浇筑，混凝土覆盖冷却水管即开始通水冷却，管周没有明显的温降过程，拉应力不大。因此，对应衬砌结构的通水冷却水温，应该是通过获得最优的温控防裂效果(称为衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温)确定。而且，衬砌结构的厚度不同、混凝土的强度不等，通水冷却优化控制水温可能有较大差异，仅根据上述规范温差来设置水温设置显然难以满足优化控制要求。但目前未有根据薄壁衬砌结构混凝土情况准确地计算通水冷却优化控制水温的方法。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通水冷却水温优化控制方法及系统，可快速、准确地计算得到优化控制水温值，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，本发明提供衬砌砼通水冷却水温优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.收集衬砌砼温控用资料；步骤2.计算衬砌砼通水冷却优化控制水温twy(℃)：twy＝10.68h+0.16c-0.25hc-0.53h2+3.95(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水温twy优化衬砌砼通水冷却措施。优选地，本发明提供的衬砌砼通水冷却水温优化控制方法，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采用温度为twy的冷却水对衬砌砼进行冷却。优选地，本发明提供的衬砌砼通水冷却水温优化控制方法，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水温twy。优选地，本发明提供的衬砌砼通水冷却水温优化控制方法，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衬砌砼温控用资料，并进行存储。优选地，本发明提供的衬砌砼通水冷却水温优化控制方法，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水温twy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通水冷却水温优化控制系统，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水温twy：twy＝10.68h+0.16c-0.25hc-0.53h2+3.95，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水温twy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通水冷却水温优化控制系统，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水温twy进行显示。优选地，本发明提供的衬砌砼通水冷却水温优化控制系统，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。另外，上述步骤2计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温twy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最优通水冷却水温。例如，1.0m厚度采取结构(图1)边墙c9030强度混凝土，通过下表1中8～22℃不同水温tw通水冷却情况仿真计算，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k1和冬季k2，然后作出k1、k2与水温tw的关系曲线见图3。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。不同厚度、不同强度等级衬砌混凝土的最优通水冷却水温见表2，然后对这些数据进行分析研究得到最优化的水温twy计算公式1。表2中还列出了回归值及其误差。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最优通水冷却水温发明的作用与效果本发明所提供的衬砌砼通水冷却水温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，能够快速获得冷却水温值。(2)本发明方法科学性强。通水冷却优化控制水温计算公式，综合反映了衬砌结构及混凝土性能对通水冷却效果的影响。(3)依据公式1计算衬砌砼通水冷却优化控制水温twy，是能够获得最大抗裂安全系数的水温值，根据该优化控制水温tw进行温控防裂能够获得较佳效果，保证衬砌砼结构的安全性。(4)进一步，本发明提供的衬砌砼通水冷却水温优化控制系统，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水温twy，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、有效地以合适的水温进行衬砌砼通水冷却，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通水冷却水温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为本发明涉及的白鹤滩水电站1#泄洪洞上平段衬砌结构断面图；图5为本发明实施例中通水冷却水管布置的结构示意图；图6为本发明实施例涉及的143单元衬砌混凝土温度历时曲线图；图7为本发明实施例涉及的93单元衬砌混凝土温度历时曲线图。具体实施方式以下结合附图，以白鹤滩水电站泄洪洞工程不同部位衬砌砼为例，对本发明涉及的衬砌砼通水冷却水温优化控制方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。<白鹤滩水电站泄洪洞工程衬砌混凝土温控资料>白鹤滩水电站装机容量16000mw，是全世界第2大水电站(仅次于三峡)。枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。泄洪设施包括大坝的6个表孔、7个深孔和左岸的3条泄洪隧洞。3条泄洪洞布置在左岸，采用无压泄洪洞型式，均由进水口(闸门室)、无压缓坡段、龙落尾段和出口挑流鼻坎组成，1#、2#泄洪洞龙落尾反弧直接接挑流鼻坎，3#洞因地形条件限制，反弧末端接一段坡度为8％的下平段，再接出口挑流鼻坎。泄洪洞洞身段包括泄洪洞无压段和泄洪洞龙落尾段，均为为城门洞形断面，根据衬砌厚度和围岩不同等特点，分成1.0m、1.2m、1.5m、2.5m四种厚度基本衬砌类型。4种类型结构相同，衬砌后断面见图4，只是厚度改变，其中泄洪洞无压段(上平段，实施例一)低热水泥混凝土同于图4，泄洪洞龙落尾段混凝土顶拱相同、底板和边墙为c9060w10f150抗冲耐磨低热水泥混凝土(实施例二)。泄洪洞衬砌混凝土设计允许最高温度见表3。表3泄洪洞衬砌混凝土施工期允许最高温度单位：℃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)优化混凝土配合比、提高混凝土抗裂能力。(2)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。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、初期通水等。通水冷却时间，要求混凝土表面温度达到隧洞空气温度，一般要求10～20d。控制衬砌混凝土浇筑温度，4～9月为20℃；10月～次年3月为18℃。运输混凝土工具应有隔热遮阳措施，缩短混凝土暴晒时间，减少混凝土运输浇筑过程中的温度回升。尽量避免高温时段浇筑混凝土，应充分利用低温季节和早晚及夜间气温低的时段浇筑。<实施例一>1#泄洪洞上平段第143单元衬砌混凝土通水冷却优化控制水温计算1#泄洪洞上平段洞身第143单元，城门洞形衬砌，边墙衬砌厚度1.0m，沿泄洪洞轴线方向每隔12m设置环向施工分缝，ⅲ类围岩，衬砌结构的底板和边墙为c9040低热水泥混凝土，如图4所示。混凝土分3期浇筑：先边墙、后顶拱、最后底板。这里介绍边墙衬砌混凝土浇筑通水冷却优化控制水温计算。温控基本资料同上。采用常温自来水保湿养护90d，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结构混凝土通水冷却优化控制水温计算方法包括以下内容：步骤1.分析衬砌结构混凝土通水冷却温控有关资料：步骤1-1.整理分析衬砌结构工程基本资料。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。1#泄洪洞上平段洞身第143单元衬砌结构(图4)基本资料，包括：厚度h＝1.0m、边墙c＝40mpa、温控防裂及其通水冷却、设计技术要求等如上所述。由于白鹤滩水电站泄洪洞为1级建筑物，水流速度最大达到近50m/s，衬砌混凝土温控防裂非常重要。依据设计要求，需要采取有效措施包括通水冷却进行温控。步骤1-2.分析衬砌混凝土温控设计技术要求。包括混凝土温控、允许最高温度、温控防裂措施等方面的技术要求。根据以上白鹤滩水电站工程资料，1#泄洪洞上平段洞身第143单元衬砌混凝土，需要控制浇筑温度、采取通水冷却措施。将于5月18日浇筑，浇筑温度≤20℃，依据以上表2的设计要求上平段1.0m厚度衬砌混凝土的允许最高温度为38℃。步骤1-3.分析施工温控措施方案：根据上述基本资料，通水冷却水管布置，沿边墙轴线方向布置(衬砌平面)、高度方向间距为1.5m布置单层水管(见图5)；采用制冷水通水冷却，通水流量按照48m3/d控制。步骤2.计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温twy：由公式1计算。将h＝1.0m，边墙c＝40mpa，代入公式1计算得twy＝10.50℃。步骤3.优化衬砌结构混凝土通水冷却温控方案：原设计要求通水冷却，但没有明确水温。白鹤滩水电站5月份的自来水温一般在20～25℃，高于优化控制水温。为获得最优化的温控防裂效果，水电5局在泄洪洞洞口设置专门的冷却水制冷系统，可供水温实时优化控制。在本结构段确定施工温控方案通10.5℃制冷水通水冷却。步骤4.分析衬砌混凝土温控效果：143单元混凝土浇筑时段为2019年5月11日21：45时～2019年5月13日03：15时。水电5局施工期进行了温控相关检测：平均浇筑温度15.357℃；浇筑期洞内平均气温22.25℃；通水冷却水温10.5℃，平均通水流量2m3/h(最高温度发生前2～3m3/h；发生后1～2m3/h.下同)。混凝土浇筑达到边墙1/2高度，覆盖温度计开始通水冷却，同时开始混凝土内部温度观测，成果见图6。左侧5月19日15：51停止通水冷却，通水冷却7d。根据以上检测成果，整理143单元衬砌混凝土内部最高温度与最大内表温差见表4。表4143单元衬砌混凝土内部温度与内表温差部位覆盖时温度/℃tmax/℃达到时间温升/℃δtmax/℃温降速度边墙内部18.6231.8962h，2.6d13.275.06(2.96d)边墙外侧17.4332.9762h，2.6d15.541.08℃/d温控观测成果表明：采用公式1计算水温10.5℃进行通水冷却，衬砌混凝土tmax为31.89℃、32.97℃，均小于设计允许最高温度38℃；最大内表温差5.06℃，相对较小；平均温降速度1.08℃/d，远小于允许值2.0℃/d。现场检查，无任何温度裂缝。图6中还示出了有限元法仿真计算成果，混凝土tmax为34.21℃小于设计允许最高温度38℃；最大内表温差4.2℃，相对较小；平均温降速度1.28℃/d，7d平均温降速度0.82℃/d，远小于允许值2.0℃/d。抗裂安全系数在1.6以上，不会发生温度裂缝。温度和温控防裂效果，与现场实测结果一致。综合以上分析，采用公式1计算水温通水冷却，可以获得最佳的温控防裂效果。公式1是科学的，科学反映衬砌结构厚度、强度与通水冷却水温的关系，实现通水冷却有效控制混凝土内部最高温度和最大内表温差的目标，温降速度优化，效益最大化。<实施例二>1#泄洪洞龙落尾第93单元衬砌混凝土通水冷却优化控制水温计算1#泄洪洞龙落尾第93单元，城门洞形衬砌，边墙衬砌厚度1.5m，沿泄洪洞轴线方向每隔12m设置环向施工分缝，ⅳ类围岩，衬砌结构的底板和边墙为c9060w10f150抗冲耐磨低热水泥混凝土，如图4所示(衬砌后断面尺寸不变，厚度为1.5m，底板和边墙为c9060w10f150抗冲耐磨低热水泥混凝土)。混凝土分3期浇筑：先边墙、后顶拱、最后底板。这里介绍边墙衬砌混凝土浇筑通水冷却优化控制水温计算。温控基本资料同上。采用常温自来水保湿养护90d，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结构混凝土通水冷却优化控制水温计算方法包括以下内容：步骤1.分析衬砌结构混凝土通水冷却温控有关资料：步骤1-1.整理分析衬砌结构工程基本资料。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。1#泄洪洞龙落尾段第93单元衬砌结构基本资料，包括：厚度h＝1.5m、边墙c＝60mpa、温控防裂及其通水冷却、设计技术要求等如上所述。由于白鹤滩水电站泄洪洞为1级建筑物，龙落尾段是水流速度最大的结构段，达到近50m/s，混凝土温控防裂非常重要。依据设计要求，需要采取有效措施包括通水冷却进行温控。步骤1-2.分析衬砌混凝土温控设计技术要求。包括混凝土温控、允许最高温度、温控防裂措施等方面的技术要求。根据以上白鹤滩水电站工程资料，1#泄洪洞龙落尾段第93单元衬砌混凝土，需要控制浇筑温度、采取通水冷却措施。将于8月13日浇筑，浇筑温度≤20℃，依据以上表2的设计要求1.5m厚度衬砌混凝土的允许最高温度为42℃。步骤1-3.分析施工温控措施方案。根据上述基本资料，通水冷却水管布置，沿边墙轴线方向布置(衬砌平面)、高度方向间距为1.5m布置单层水管(见图5)；采用制冷水通水冷却，通水流量按照48m3/d控制。步骤2.计算衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温twy：由公式1计算。将h＝1.5m，边墙c＝60mpa，代入公式1计算得twy＝6℃。步骤3.优化衬砌结构混凝土通水冷却温控方案：原设计要求通水冷却，但没有明确水温。为获得最优化的温控防裂效果，水电5局在泄洪洞洞口设置专门的冷却水制冷系统，可供水温实时优化控制。在本结构段确定施工温控方案通6℃制冷水通水冷却。步骤4.分析衬砌混凝土温控效果：1#泄洪洞龙落尾段边墙衬砌混凝土第93单元，开仓于2018年8月11日18:00收仓于2018年8月13日05:50；温度计埋设左右侧边墙2m范围内中部各埋设1支温度计。通水冷却时段：2018年8月11日-2018年9月1日。通水冷却水温6℃。历时61小时左右侧边墙最高温度分别为36.93℃、38.58℃，混凝土最大温升21.12℃，日降温速度最大值0.41℃/d、最小值0.26℃/d，见图7。现场检查，无任何温度裂缝。结果表明，混凝土tmax为36.93℃、38.58℃，小于设计允许最高温度42℃；温降速度最大值0.41℃/d、最小值0.26℃/d，远小于允许值2.0℃/d。现场检查，无任何温度裂缝，温控防裂取得很好的效果。综合以上分析，采用公式1计算水温通水冷却，可以获得最佳的温控防裂效果。公式1是科学的，科学反映衬砌结构厚度、强度与通水冷却水温的关系，实现通水冷却控制混凝土内部最高温度和最大内表温差的目标，温降速度优化，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、不同强度等)，进行衬砌砼通水冷却优化控温，实现通水冷却温控防裂优化。本发明方法科学性强。通水冷却优化控制水温twy计算公式1科学反映了衬砌混凝土结构厚度、强度等级主要参数的影响。<实施例三>衬砌砼通水冷却水温优化控制系统本实施例提供能够自动化实现上述衬砌砼通水冷却水温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水温twy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和进度进行显示。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水温twy：twy＝10.68h+0.16c-0.25hc-0.53h2+3.95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水温twy执行通水冷却措施。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通水冷却水温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