城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法及系统

本发明属于混凝土温控防裂
技术领域：
，具体涉及一种城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法及系统。
背景技术：
：裂缝是混凝土的主要病害之一，结构工程中混凝土80％都是温度裂缝。随着水利水电工程建设发展，水工隧洞规模和断面尺寸越来越大，泄水流速和混凝土强度等级越来越高。大断面高强度水工衬砌混凝土，只要不采取有效的措施，无一例外地都产生了大量裂缝，而且大多是施工期产生贯穿性的温度裂缝(参见图1和图2)。温度裂缝，是受到约束的混凝土在温差作用下的拉伸变形超过极限拉伸值(或者拉应力超过抗拉强度)产生的。为此，避免温度裂缝的方法，一是消除或者减小约束(内部、外部)；二是消除或者减小温差。所以，在经过设计完成后，工程施工中温度裂缝控制的重点是控制温差。大体积混凝土有关设计、施工规程规范，以《混凝土坝温度控制设计规范(nb/t35092-2017)》为例，第8章温度控制标准-8.1温度控制中规定：8.1.1温差标准应包括基础容许温差、新老混凝土容许温差和内外容许温差。8.1.2基础约束区混凝土的基础容许温差应按下列规定选取：当常态混凝土28d龄期的极限拉伸值不低于0.85×10-4、混凝土所用骨料的线膨胀系数与1.0×10-5/℃相差不大、施工质量良好、基岩弹性模量与混凝土弹性模量相近、浇筑块短间歇均匀上升时，常态混凝土基础容许温差可按表1的规定取值。对于碾压混凝土坝类似规定。表1常态混凝土基础容许温差(℃)对以下情况的混凝土基础容许温差应加以论证：1)混凝土所用骨料的线膨胀系数与1.0×10-5/℃相差较大；2)常态混凝土28d龄期的极限拉伸值低于0.85×10-4；3)基岩弹性模量与混凝土弹性模量相差较大；4)采用含氧化镁较多的水泥，试验或者实测资料表明混凝土具有明显的自生体积变形；5)在基础约束范围内长期停歇的浇筑块；6)坝体结构尺寸长宽比大于2.0；7)结构尺寸高长比小于0.5；8)坝高大于200m。水工隧洞衬砌混凝土温控设计和施工，由于水工隧洞等设计、施工规范没有温控标准等规定，三峡、乌东德、向家坝等巨型工程隧洞参考大坝设计规范取强约束区容许基础温差(表1)进行温控。但衬砌结构，厚度小，即第7)条结构尺寸高长比多在0.05～0.1之间，远小于0.5；混凝土强度c25～c60范围大，极限拉伸值有的低于0.85×10-4，也有的远大于0.85×10-4；也由于混凝土强度范围大，经常穿越弹性模量差异大的不同岩性区，基岩弹性模量与混凝土弹性模量相差较大。因此，衬砌混凝土容许基础温差采用大坝规范值存在严重不足的，具体说是没有全面反映衬砌结构尺寸、混凝土强度、岩体弹性模量，以及浇筑期环境温度等的影响。另外，温度裂缝是受到约束的混凝土在温差作用下的拉伸变形超过极限拉伸值(或者拉应力超过抗拉强度)产生的，结构形状和尺寸不同，受到外部约束和内部约束均不同，不同结构形式衬砌混凝土的容许基础温差自然也有差异，所以宜研究提出不同结构形式衬砌混凝土更加精细化的容许基础温差计算方法。如图1、图2城门洞型断面的温度裂缝多发生于边墙(见樊启祥、段亚辉著《水工隧洞衬砌混凝土温控防裂创新于实践》)。技术实现要素：本发明是为了解决衬砌混凝土容许基础温差采用大坝规范值存在的问题，针对工程中无压隧洞常用的城门洞型断面，提出一种城门洞形断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法及系统。由于城门洞型断面衬砌结构混凝土的温度裂缝多发生于边墙，如溪洛渡4条长度近2000m的泄洪洞，70％左右边墙发生温度裂缝，仅2仓底板发生裂缝。因此，本发明仅对边墙衬砌混凝土进行研究。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：<方法>如图3所示，本发明提供城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.获取城门洞型断面衬砌混凝土温控用资料；步骤2.计算各月浇筑城门洞型断面边墙衬砌混凝土容许基础温差△t(℃)：△t＝4.32h-0.033h0-0.0334l+0.089c-0.11e+0.299ta+13.09(公式1)式中：h为衬砌结构厚度(m)，h0为衬砌结构边墙高度(m)，l为衬砌结构段长度(m)，c为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级(mpa)，e为围岩弹性模量(gpa)，ta为混凝土浇筑期洞内气温(℃)。将城门洞型断面衬砌结构厚度、边墙高度、长度、混凝土强度等级、围岩弹性模量、浇筑施工期洞内空气温度代入公式1，即可获得对应该月份浇筑城门洞型断面衬砌结构混凝土容许基础温差。当衬砌混凝土采用28天龄期设计的强度等级时，需要按照规范换算为90天龄期设计的强度等级。对于边墙高度h0，当边顶拱整体浇筑时，为对称结构环向展开长度的1/2(即，一侧边墙直线高度+顶拱1/2弧线长度)；边墙于顶拱分开浇筑时，为边墙直线高度。优选地，本发明提供的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法，还可以包括：步骤3.根据容许基础温差△t计算各月浇筑城门洞型断面衬砌混凝土允许最高温度【tmax】(℃)。优选地，本发明提供的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，采用以下公式计算允许最高温度【tmax】【tmax】＝tmin+△t(公式2)式中，tmin为洞内冬季最低气温(℃)。分析计算衬砌结构混凝土准稳定温度。由于：1)衬砌混凝土都在隧洞开挖完成数月才浇筑，洞壁围岩温度基本就是洞内气温；2)衬砌结构厚度小，浇筑完成数月后的温度也基本是洞内气温；3)洞内冬季气温最低。因此，可以取洞内冬季最低温度tmin作为衬砌结构混凝土的准稳定温度。优选地，本发明提供的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，施工期如采用封闭洞口保温，使得地下洞室空气温度提高，则ta应该采用提高后的洞内空气温度。优选地，本发明提供的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法，还可以具有以下特征：采用控制处理装置执行步骤1和2，让操作员根据提示输入温控用资料，并计算出容许基础温差△t。优选地，本发明提供的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法，还可以具有以下特征：采用控制处理装置执行步骤3，根据容许基础温差△t计算浇筑城门洞型断面衬砌混凝土允许最高温度【tmax】。<系统>进一步，本发明还提供城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂控制系统，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城门洞型断面衬砌混凝土温控用资料；存储部，对输入的温控用资料进行存储；计算部，基于温控用资料，采用以下公式计算浇筑城门洞型断面边墙衬砌混凝土容许基础温差△t(℃)：△t＝4.32h-0.033h0-0.0334l+0.089c-0.11e+0.299ta+13.09(公式1)式中：h为衬砌结构厚度(m)，h0为衬砌结构边墙高度(m)，l为衬砌结构段长度(m)，c为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级(mpa)，e为围岩弹性模量(gpa)，ta为混凝土浇筑期洞内气温(℃)；养护部，根据容许基础温差△t执行相应的养护措施；以及控制部，与输入显示部、存储部、计算部、养护部均通信相连，控制它们的运行。优选地，本发明提供的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂控制系统，还可以具有以下特征：计算部还基于温控用资料，采用以下公式计算浇筑城门洞型断面衬砌混凝土允许最高温度【tmax】(℃)：【tmax】＝tmin+△t(公式2)式中，tmin为洞内冬季最低气温(℃)；养护部根据容许基础温差△t和允许最高温度【tmax】执行相应的养护措施。优选地，本发明提供的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂控制系统，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容许基础温差△t、允许最高温度【tmax】进行显示。优选地，本发明提供的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂控制系统，还可以具有以下特征：输入显示部还根据操作指令对养护部执行的养护措施进行显示。另外，上述步骤2所提出的公式1是基于对水工隧洞城门洞型断面衬砌结构及其有关参数的深入研究和分析获得。这里以图4所示的典型城门洞型断面衬砌为例建立模型，对浇筑范围大温度应力大的顶拱进行仿真计算。结合溪洛渡泄洪洞、三峡左岸地下电站引水洞和江坪河水电站发电洞实际参数，衬砌结构厚度取0.8m、1.0m、1.5m；边墙高度取8.87m、11.87m、14.87m；分缝长度取6m、9m、12m；混凝土强度取c9030、c9040、c9060；围岩弹性模量5gpa、9gpa、20gpa、30gpa；浇筑期洞内气温13.28℃、16.21℃、22.62℃、25.33℃(即不同季节浇筑)；各强度等级混凝土性能参数均取自上述实际工程。共进行各种组合63个方案仿真计算，进行温度、温度应力、抗裂安全系数整理分析。由于衬砌混凝土施工至运行全过程最小抗裂安全系数大于1.0，原则上基本不会产生温度裂缝。另外，抗裂安全系数过大，则富裕度大，过度温控增加工程投资。因此，整理63个方案中全过程最小抗裂安全系数为1.0～1.2的各方案最高温度tmax和温差(△t＝tmax-tmin，即基础温差)于表2，对基础温差进行分析研究获得公式1，作为城门洞型断面衬砌混凝土容许基础温差。表2城门洞型断面衬砌混凝土抗裂安全系数1.0～1.2各方案仿真计算成果与统计分析发明的作用与效果本发明所提供的隧洞城门洞形断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法，计算公式简单，能全面、合理反映城门洞型断面结构尺寸、混凝土强度、岩体弹性模量，以及浇筑期环境温度等的影响等的影响；可以迅速计算出任意月份浇筑城门洞型断面衬砌混凝土容许基础温差，提出允许最高温度控制标准，用于施工温控，切实保障隧洞城门洞形断面衬砌混凝土的结构安全。进一步，本发明提供的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂控制系统，能够根据城门洞型断面衬砌混凝土温控用资料，自动计算得到城门洞型断面边墙衬砌混凝土容许基础温差△t，并执行相应的养护措施，整个过程无人为因素干扰，自动化程度高，能够快速、有效地进行温控防裂。附图说明图1为
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中涉及的三板溪水电站泄洪洞衬砌混凝土裂缝情况图；图2为
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中涉及的三峡水利枢纽永久船闸地下输水洞衬砌混凝土裂缝情况图；图3为本发明涉及的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法的流程图；图4为本发明实施例中涉及的隧洞城门洞型断面衬砌混凝土结构示意图(图中尺寸单位：m)；图5为本发明实施例中涉及的乌东德泄洪洞无压段a型0.8m厚度断面图(图中尺寸单位：cm)；图6为本发明实施例中涉及的乌东德泄洪洞无压段b型1.0m厚度断面图(图中尺寸单位：cm)。具体实施方式以下结合附图，以乌东德水电站泄洪洞无压段城门洞型断面衬砌混凝土为例，对本发明涉及的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算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。泄洪洞无压段城门洞型断面衬砌厚度为0.8m、1m，见图5、图6，分缝长度9m，洞周围岩类别分别为ⅱ、ⅲ类围岩，围岩弹性模量32gpa、20gpa，衬砌结构使用c9030泵送混凝土。洞内气温16～26℃，用下列余弦函数公式3计算。式中：ta为洞内τ时刻的空气温度(℃)；τ为距1月1日的时间(天)；τ0为洞内最高气温距1月1日的时间(天)，取τ0＝210天。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。乌东德水电站泄洪洞采用低热水泥混凝土浇筑。(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>泄洪洞无压缓坡段0.8m厚度a型衬砌混凝土泄洪洞无压缓坡段0.8m厚度a型衬砌结构见图5，城门洞形断面，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c9035抗冲耐磨低热水泥混凝土，顶拱为c9030低热混凝土。混凝土分2期浇筑：先边顶拱、后底板。如图3所示，本实施例提供的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法，包括以下内容：步骤1.收集与分析结构衬砌混凝土温度控制基础资料，如上。步骤2.采用公式1计算各月浇筑城门洞型断面衬砌混凝土容许基础温差。根据以上资料，h＝0.8m，边顶拱整体浇筑h0＝22.42m，l＝9.0m，c＝35mpa，e＝32gpa，ta按公式3计算浇筑期(按月中计算日期)值，结果见表4。分别进行1～12月浇筑衬砌混凝土容许基础温差结果见表4。表4泄洪洞无压缓坡段0.8m厚度城门洞型断面衬砌混凝土容许基础温差和允许最高温度步骤3.分析计算衬砌结构混凝土准稳定温度，取洞内冬季最低温度作为衬砌结构混凝土的准稳定温度。由公式3计算最小值为16℃，即准稳定温度为16℃。步骤4.分析计算各月浇筑城门洞型断面衬砌混凝土允许最高温度，由公式2计算，结果见表4。根据以上计算得到的温控防裂参数对城门洞型断面衬砌混凝土进行养护，经现场检查，无任何温度裂缝，温控防裂取得很好的效果。。<实施例二>泄洪洞无压缓坡段1.0m厚度b型衬砌混凝土泄洪洞无压缓坡段1.0m厚度b型衬砌结构见图6，城门洞型断面，沿泄洪洞轴线方向每隔9m设置环向施工分缝，ⅲ类围岩，弹性模量20gpa。混凝土分2期浇筑：先边顶拱、后底板。混凝土强度c9035，如图3所示，本实施例提供的城门洞形断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法，包括以下内容：步骤1.收集与分析结构衬砌混凝土温度控制基础资料，如上。步骤2.采用公式1计算各月浇筑城门洞型断面衬砌混凝土容许基础温差。根据以上资料，h＝1.0m，h0＝22.42m，l＝9.0m，c＝35mpa，e＝20gpa，ta按公式3计算浇筑期(按月中计算日期)值结果见表5。分别进行1～12月浇筑衬砌混凝土容许基础温差结果见表5。表5泄洪洞1.0m厚度城门洞型断面衬砌混凝土容许基础温差和允许最高温度步骤3.分析计算衬砌结构混凝土准稳定温度，取洞内冬季最低温度作为衬砌结构混凝土的准稳定温度。由公式3计算最小值为16℃，即准稳定温度为16℃。步骤4.分析计算各月浇筑城门洞型断面衬砌混凝土允许最高温度，由公式2计算。结果见表5。根据以上计算得到的温控防裂参数对城门洞型断面衬砌混凝土进行养护，经现场检查，无任何温度裂缝，温控防裂取得很好的效果。<比较分析>与设计技术要求表3、有限元法仿真计算成果比较为便于全面比较，改变衬砌厚度为1.5m、ⅳ类围岩弹性模量10gpa、混凝土强度35gpa，其余条件不变，同样按上述步骤计算各月浇筑城门洞型断面衬砌混凝土基础温差和允许最高温度，结果见表6。为便于与设计技术要求、有限元法仿真计算成果比较，统一与表3设计技术要求月份一致并取整，将本发明方法计算值、设计技术要求、有限元法仿真计算成果汇总见表7。表6泄洪洞1.5m厚度城门洞型断面衬砌混凝土容许基础温差和允许最高温度表7各方法计算不同厚度城门洞型断面衬砌混凝土容许基础温差和允许最高温度表7结果表明：(1)三种方法计算提出的允许最高温度，在厚度1.5mⅳ类围岩情况结果比较一致，有限元法仿真计算推荐值稍微低些，其它情况均是设计要求(规范温差)高于本发明方法、有限元法仿真计算值；(2)本发明方法计算允许最高温度，在不同衬砌结构尺寸、混凝土强度、围岩弹性模量、浇筑期及其洞内环境温度变化情况下均与有限元仿真计算成果比较一致(厚度大的情况稍微高些，但接近规范温差计算值)，是因为本发明方法容许基础温差计算公式科学、全面反映了衬砌结构尺寸、混凝土强度、围岩弹性模量、浇筑期及其洞内环境温度变化对衬砌混凝土温控防裂的影响；(3)设计要求(规范温差)，参考大坝建议值的强约束法没有全面反映实际工程中衬砌结构尺寸、混凝土强度、围岩性能影响。综上实例计算分析说明，本发明计算公式简单，能全面、合理反映衬砌结构尺寸、混凝土强度、围岩弹性模量、浇筑期及其洞内环境温度变化对衬砌混凝土温控防裂的影响，可以迅速计算出任意时段浇筑城门洞型断面衬砌结构混凝土容许基础温差和允许最高温度，与有限元法仿真计算推荐值基本一致，完全可以用于实际工程进行温度控制设计计算，特别是初步设计和现场施工期实时快速设计计算。<实施例三>城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂控制系统本实施例提供能够自动化实现上述城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算方法的系统，该系统包括：输入显示部、存储部、计算部、养护部、控制部。输入显示部让操作员根据提示输入收集到的城门洞型断面衬砌混凝土温控用资料，并能够根据操作指令对计算部计算出的容许基础温差△t、允许最高温度【tmax】进行显示。例如，输入显示部能够根据操作指令对计算部计算出的容许基础温差△t、允许最高温度【tmax】进行显示，还能够根据操作指令对养护部执行的养护措施进行显示。存储部对输入的城门洞型断面衬砌混凝土温控用资料进行存储。计算部基于城门洞型断面衬砌混凝土温控用资料，采用以下公式计算城门洞型断面边墙衬砌混凝土容许基础温差△t：△t＝4.32h-0.033h0-0.0334l+0.089c-0.11e+0.299ta+13.09(公式1)式中：h为衬砌结构厚度，h0为衬砌结构边墙高度，l为衬砌结构段长度，c为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级，e为围岩弹性模量，ta为混凝土浇筑期洞内气温；计算部还基于温控用资料，采用以下公式计算城门洞型断面衬砌混凝土允许最高温度【tmax】：【tmax】＝tmin+△t(公式2)式中，tmin为洞内冬季最低气温；养护部根据根据容许基础温差△t和允许最高温度【tmax】执行相应的养护措施，例如调控通水冷却水温、时间等。控制部与输入显示部、存储部、计算部、养护部均通信相连，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。本发明所涉及的城门洞型断面衬砌混凝土温控防裂参数计算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