CN105274968B - 一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防裂效果较好的用于混凝土拱坝的温控防裂方法。该一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，包括同步进行的同冷区温度场控制和同冷区高度范围控制。通过采用有限单元法对水管冷却过程、施工进度、悬臂高度、季节气温变化和约束条件五个因素进行数值计算与优选分析，实现了与同冷区高度相适应的温度实时调控，其防裂效果较好。

Description

一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法

技术领域

本发明属于水利水电工程领域，具体涉及一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法。

背景技术

通水冷却是目前拱坝施工中最主要的温度控制措施，即通过降低混凝土的内部温度来调控拱坝的基础温差、内外温差、以及上下层温差。但是对于高拱坝而言，其施工周期较长，沿坝体高程方向的温度梯度是更为现实的威胁，是诱发贯穿性裂缝的重要因素之一。

在我国的拱坝建设实践中，通常将拱坝分为五个区：已灌区、灌浆区、同冷却、过渡区、盖重区，通过分区控制坝体温度场进而来控制拱坝的宏观温度梯度。同冷区的混凝土通常处于水管冷却过程的中期、二期，此阶段的混凝土弹模已较大，约束条件下的温度梯度及温差变形极易造成拉应力的陡增，是拱坝防裂的关键部位。然而，对于同冷区而言仅通过现有的温控措施进行通水冷却防裂，其对快速施工的拱坝而言防裂效果不好。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种防裂效果较好的用于混凝土拱坝的温控防裂方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，包括同步进行的同冷区温度场控制和同冷区高度范围控制；

所述同冷区温度场控制包括以下步骤：

a、将水管冷却过程在时间历程上至少分为三个阶段，分别包括一期冷却、中期冷却和二期冷却；

b、在浇筑过程中，随着混凝土的浇筑实时将已浇坝体分为至少五个温控区，包括依次从下往上的已灌区、拟灌区、同冷区、过渡区和盖重区；对各温控区进行步骤a所述的冷却，并确保冷却时盖重区处于一期冷却阶段、过渡区处于中期冷却阶段、拟灌区和同冷区处于二期冷却阶段；

c、根据温度场监测结果并结合有限元数值计算，求解拱坝的温度应力，根据数值计算分析成果，动态调控水管冷却过程。

进一步的是，所述同冷区高度范围控制包括以下步骤：

1)、根据拱坝混凝土不同施工阶段的施工进度，采用有限元数值计算方法进行多方案比较分析，选取温度梯度小于等于T₀且抗裂安全系数大于等于K_f的方案，根据所选方案确定同冷区高度的取值范围；

2)、根据拱坝混凝土的浇筑进度和横缝灌浆进度，确定拱坝的悬臂高度H₀；H₀＝H₁-H₂，H₁为某坝段实际浇筑进度下的顶部高程，H₂为该坝段已灌区的顶部高程；采用有限元数值计算方法研究不同悬臂高度情况下的坝体结构应力及其分布，选取抗裂安全系数大于等于K_f的工况，确定该工况下的悬臂高度的取值，然后以悬臂高度为条件确定同冷区高度的取值范围；

3)、根据所处的季节气温的变化，采用数值计算分析方法进行复核，然后依据所求的拱坝温差应力结果，选取抗裂安全系数大于等于K_f的方案，根据所选方案确定同冷区高度的取值范围；

4)、根据同冷区所处的应力约束条件，采用数值计算分析方法进行复核，然后根据拱坝的结构约束应力及其分布情况，选取抗裂安全系数大于等于K_f的方案，根据所选方案确定同冷区高度取值范围；

5)、将步骤1)至4)中所确定的同冷区高度取值范围取交集，确定同冷区高度的最终取值范围；

其中，T₀的取值范围为1.0～2.5℃/m，K_f的取值范围为1.3～1.8。

进一步的是，同冷区温度场控制的步骤a中，所述一期冷却的持续时间不少于21天；所述中期冷却的持续时间不少于69天；所述二期冷却的持续时间不少于60天。

进一步的是，所述中期冷却分为三个温控阶段；第一温控阶段为控温阶段，其持续时间不少于29天，且混凝土温度日变化幅度A≤1℃；第二温控阶段为降温阶段，其持续时间不少于30天，且混凝土温降速率R≤0.5℃/d；第三温控阶段为控温阶段，其持续时间不少于10天，且混凝土温度日变化幅度A≤0.5℃。

进一步的是，所述二期冷却分为两个温控阶段；第一温控阶段为降温阶段，其持续时间不少于30天，且温降速率R≤0.3℃/d；第二温控阶段为控温阶段，其持续时间不少于30天，且混凝土温度日变化幅度A≤0.5℃。

进一步的是，同冷区温度场控制的步骤c中，动态调控水管冷却过程的主要调控参数包括：①、冷却开始时间为浇筑完成后12小时以内；②、冷却历时为一期冷却的持续时间不少于21天，中期冷却的持续时间不少于69天，二期冷却的持续时间不少于60天；③、一期冷却用冷却水水温为10～12℃，中期冷却用冷却水水温为8～10℃，二期冷却用冷却水水温为6～8℃；④、一期冷却用冷却水流量为1.5～2.0m³/h，中期冷却用冷却水流量为1.0～1.5m³/h，二期冷却用冷却水流量为0.5～1.0m³/h；⑤水流方向的调换周期为18～30小时。

进一步的是，同冷区高度范围控制的步骤1)中所述施工进度包括混凝土浇筑层厚、浇筑间歇期和/或碾压强度。

进一步的是，同冷区高度范围控制的步骤4)中所述应力约束条件包括强约束、弱约束和自由约束。

进一步的是，同冷区高度范围控制的步骤1)中所确定的同冷区高度的取值范围为12～15m，步骤2)中所确定的同冷区高度的取值范围为13～18m，步骤3)中所确定的同冷区高度的取值范围为10～15m，步骤4)中所确定的同冷区高度取值范围为14～17m，步骤5)中所确定的同冷区高度的最终取值范围为14～15m。

进一步的是，所述同冷区高度范围控制还包括以下步骤：

6)、当施工环境和条件发生变化后，重复步骤1)至5)对同冷区高度的最终取值范围进行实时调整。

本发明的有益效果是：通过同时对同冷区进行温度场控制和高度范围控制，实现了与同冷区高度相适应的温度实时调控，温控防裂效果好；同时，冷却时各温控区处于特定的温控阶段进行温控，提高了温控的精确度，防裂效果更好；通过动态调控水管冷却过程，进一步提高了温控防裂效果。此外，该方法还通过对各控制要素的综合分析使得最终确定的同冷区高度范围更精确，同冷区处于适当高的高度利于减小应力及温度梯度的控制，进一步提高了施工期的安全裕度，减小了拱坝的开裂风险。

附图说明

图1是本发明控制原理的流程图；

图2是水管冷却过程的流程图；

图3是拱坝温控分区的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明是基于对拱坝混凝土施工过程中的温控监测分析成果与有限元应力计算成果进行的，首先根据拱坝混凝土的温度跟踪监测分析与有限元应力计算，研究拱坝的温度场与应力场，进而通过敏感性分析五个施工要素的作用效应；其中，温控监测分析成果包括混凝土温度监测数据、通水冷却监测数据果和保温养护措施监测数据；温控检测，可通过在拱坝混凝土内部预埋专用温度计，用光纤与温度计连接，将光纤延伸至混凝土外部，通过指定仪器测量光纤端头即可读出内部温度计的测值，此项技术早已经广泛应用；有限元应力计算成果包括自重、温度、水荷载等已有荷载综合作用下的应力；所谓的敏感性分析就是针对某一个变量进行多方案比较分析，进而确定最优方案，根据多方案的比较计算，综合查看拱坝的温度梯度情况和抗裂安全性能情况，按照综合温度梯度最小、抗裂性能最好的基本准则，进而确定最优方案；五个施工要素分别为水管冷却过程、施工进度、悬臂高度、季节气温的变化和应力约束条件。

一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，包括同步进行的同冷区温度场控制和同冷区高度范围控制；

所述同冷区温度场控制包括以下步骤：

a、将水管冷却过程在时间历程上至少分为三个阶段，分别包括一期冷却、中期冷却和二期冷却；通常只分为三个阶段，其中，一期冷却、中期冷却和二期冷却是按时间先后顺序排列的；为了确保各冷却阶段的防裂效果，如图2所示，同冷区温度场控制的步骤a中，所述一期冷却的持续时间不少于21天；所述中期冷却的持续时间不少于69天；所述二期冷却的持续时间不少于60天；

优选的，所述中期冷却分为三个温控阶段；第一温控阶段为控温阶段，其持续时间不少于29天，且混凝土温度日变化幅度A≤1℃；第二温控阶段为降温阶段，其持续时间不少于30天，且混凝土温降速率R≤0.5℃/d；第三温控阶段为控温阶段，其持续时间不少于10天，且混凝土温度日变化幅度A≤0.5℃；

优选的，所述二期冷却分为两个温控阶段；第一温控阶段为降温阶段，其持续时间不少于30天，且温降速率R≤0.3℃/d；第二温控阶段为控温阶段，其持续时间不少于30天，且混凝土温度日变化幅度A≤0.5℃；

上述优选控制过程不仅控制操作简单，而且使得拱坝降温更稳定，防裂效果更好；

b、在浇筑过程中，随着混凝土的浇筑实时将已浇坝体分为至少五个温控区，包括依次从下往上的已灌区、拟灌区、同冷区、过渡区和盖重区；通常仅分为五个温控区，如图3所示，对各温控区进行步骤a所述的冷却，并确冷却时保盖重区处于一期冷却阶段、过渡区处于中期冷却阶段、拟灌区和同冷区处于二期冷却阶段；随着混凝土的浇筑各个温控区是在不停变化的；

其中，已灌区指的是拱坝横缝已经完成封拱灌浆的区域，此区域已经不需要再进行通水冷却，温度趋于稳定状态；

拟灌区是即将准备进行封拱灌浆的区域，此部分正在进行的是二期冷却的控温阶段，当二期冷却目标完成后即可进行灌浆，灌浆完成以后转为已灌区；通常在拟灌区灌浆之时，要求同冷区的温度降至封拱温度；

同冷区处于二期冷却的降温阶段，是诱发温度裂缝的高危阶段，当同冷区的冷却目标完成以后，可转为拟灌区；

过渡区指的是二期冷却区域与一期冷却区域之间的过渡区域，该区域混凝土正在进行的是中期冷却，当过渡区的冷却目标完成以后，即可转为同冷区；

盖重区指的是新浇筑的混凝土，该部分区域混凝土的龄期均小于21天，正在进行的是一期冷却，当盖重区的冷却目标完成以后，即可转为过渡区；

c、根据温度场监测结果并结合有限元数值计算，求解拱坝的温度应力，根据数值计算分析成果，来动态调控水管冷却过程；其中，动态调控水管冷却过程的主要调控参数包括：①、冷却开始时间为浇筑完成后12小时以内，所述12小时以内包括12小时；②、冷却历时为一期冷却的持续时间不少于21天，中期冷却的持续时间不少于69天，二期冷却的持续时间不少于60天；③、一期冷却用冷却水水温为10～12℃，中期冷却用冷却水水温为8～10℃，二期冷却用冷却水水温为6～8℃；④、一期冷却用冷却水流量为1.5～2.0m³/h，中期冷却用冷却水流量为1.0～1.5m³/h，二期冷却用冷却水流量为0.5～1.0m³/h；⑤水流方向的调换周期为18～30小时；其中，水流方向的调换周期是指冷却水管进水口和出水口相互调换的周期，进水口和出水口相互调换即是指将原来作为出水口的端部现在作为进水口、原来作为进水口的端部现在作为出水口；通过进水口和出水口相互调换即可改变冷却水管中的水流方向；

在实际工程中，通常预先对每个调控参数都进行初始值预设，理论上如果能够全部按照设计指标来施工，那么就不需要做任何调整，但是实际上是不可能按照初始设计要求来控制的，往往偏差很大，这就需要采用有限元数值计算方法进行反馈分析，进而根据分析成果来动态地调整水管的冷却过程，即调整上述五个调控参数：冷却开始时间、冷却历时、水温、流量、水流方向；该五个参数的具体确定是根据实际施工情况和数值计算综合确定，每个区域并不完全相同；本文中不少于即为大于等于；

所述同冷区高度范围控制包括以下步骤：

1)、根据拱坝混凝土不同施工阶段的施工进度，采用有限元数值计算方法进行多方案比较分析，选取温度梯度小于等于T₀且抗裂安全系数大于等于K_f的方案，根据所选方案确定同冷区高度的取值范围；其中，所述施工进度主要包括混凝土浇筑层厚、浇筑间歇期和碾压强度；有限元数值计算方法是指采用有限元法求解拱坝应力的一种数值计算，属于本领域的常规手段，应用较为广泛；当混凝土龄期为任一时刻t时，其抗裂安全系数K＝混凝土的允许拉应力/实际拉应力；抗裂安全系数是评价拱坝开裂可能性的一个重要指标；在工程设计过程中，都会对混凝土的抗裂安全系数预先设定，然后在施工过程中，对实际的抗裂安全系数进行跟踪复核，进而评价拱坝的抗裂性能；

2)、根据拱坝混凝土的浇筑进度和横缝灌浆进度，确定拱坝的悬臂高度H₀；H₀＝H₁-H₂，H₁为某坝段实际浇筑进度下的顶部高程，H₂为该坝段已灌区的顶部高程；采用有限元数值计算方法研究不同悬臂高度情况下的坝体结构应力及其分布，选取抗裂安全系数大于等于K_f的工况，确定该工况下的悬臂高度的取值，然后以悬臂高度为条件确定同冷区高度的取值范围；对拱坝而言，如果悬臂高度太高，容易产生倾倒拉应力，不利于坝体的稳定；如果悬臂高度太低，则又不利于温度控制；因此，通过该步骤能够将悬臂高度H₀确定在同时利于坝体稳定和温度控制的范围内，通常为50～80m；

3)、根据所处的季节气温的变化，采用数值计算分析方法进行复核，然后依据所求的拱坝温差应力结果，选取抗裂安全系数大于等于K_f的方案，根据所选方案确定同冷区高度的取值范围；因为夏季浇筑的混凝土，早龄期的拉应力较小，二期冷却期间的温降拉应力较大；冬季浇筑的混凝土，早龄期的拉应力较大，二期冷却期间的温降拉应力较小；因此通过该步骤能够实现不同季节气温的变化的情况下同冷区高度的最优选择；

4)、根据同冷区所处的应力约束条件，采用数值计算分析方法进行复核，然后根据拱坝的结构约束应力及其分布情况，选取抗裂安全系数大于等于K_f的方案，根据所选方案确定同冷区高度取值范围；所述应力约束条件包括强约束、弱约束和自由约束；因为拱坝混凝土的温度应力受约束条件的影响较为明显，相同条件下，强约束区的应力水平最高，弱约束区的应力水平次之，自由约束区的应力水平最低，因此通过该步骤能够实现不同应力约束条件下同冷区高度的最优选择；

5)、将步骤1)至4)中所确定的同冷区高度取值范围取交集，确定同冷区高度的最终取值范围；确定好同冷区高度后施工人员就能够对同冷区进行准确的温度场控制，利于坝体温度梯度的稳定控制；该步骤所得到的同冷区高度能范围更精确，并使得同冷区处于适当高的高度，利于减小应力；同时，该高度范围的同冷区同时满足了五个施工要素的需求，进一步提高了施工期的安全裕度，更利于温控防裂；基于该同冷区高度范围进行温控，进一步减小了拱坝的开裂风险；

6)、当施工环境和条件发生变化后，重复步骤1)至5)对同冷区高度的最终取值范围进行实时调整；所述的施工环境包括导致温度骤变的天气环境，例如：暴雨、暴雪等；所述施工条件的变化是指随着拱坝的不断施工，各种边界条件所发生的较大的变化，具体主要是指覆盖设置在拱坝坝面上的保护层发生变化；通过该步骤能够对同冷区高度进行实时调整，适用性更强，温控防裂效果更好；

其中，T₀的取值范围为1.0～2.5℃/m，具体根据工程防裂要求确定；K_f的取值范围为1.3～1.8，根据具体混凝土性能确定。

优选的，同冷区高度范围控制的步骤1)中所确定的同冷区高度的取值范围为12～15m，步骤2)中所确定的同冷区高度的取值范围为13～18m，步骤3)中所确定的同冷区高度的取值范围为10～15m，步骤4)中所确定的同冷区高度取值范围为14～17m，步骤5)中所确定的同冷区高度的最终取值范围为14～15m。

对于200m以上级的拱坝而言，通过现有技术所确定其同冷区高度的取值范围一般为9～18米；该范围不够精确，不利于减小应力及温度场控制，且在施工中受各种因素的影响，往往需要对同冷区范围做调整；而本发明所确定的同冷区高度的最终取值范围为14～15m与现有技术相比更精确，利于温度场控制，同冷区处于适当高的高度利于减小应力，并能够适应各施工因素使得拱坝的抗裂安全性能较高，因此防裂效果更好。

Claims (8)

1.一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，其特征在于，包括同步进行的同冷区温度场控制和同冷区高度范围控制；

所述同冷区温度场控制包括以下步骤：

a、将水管冷却过程在时间历程上至少分为三个阶段，分别包括一期冷却、中期冷却和二期冷却；

b、在浇筑过程中，随着混凝土的浇筑实时将已浇坝体分为至少五个温控区，包括依次从下往上的已灌区、拟灌区、同冷区、过渡区和盖重区；对各温控区进行步骤a所述的水管冷却，并确保冷却时盖重区处于一期冷却阶段、过渡区处于中期冷却阶段、拟灌区和同冷区处于二期冷却阶段；

c、根据温度场监测结果并结合有限元数值计算，求解拱坝的温度应力，根据数值计算分析成果，动态调控水管冷却过程；

所述同冷区高度范围控制包括以下步骤：

1)、根据拱坝混凝土不同施工阶段的施工进度，采用有限元数值计算方法进行多方案比较分析，选取温度梯度小于等于T₀且抗裂安全系数大于等于K_f的方案，根据所选方案确定同冷区高度的取值范围；

2)、根据拱坝混凝土的浇筑进度和横缝灌浆进度，确定拱坝的悬臂高度H₀；H₀＝H₁-H₂，H₁为某坝段实际浇筑进度下的顶部高程，H₂为该坝段已灌区的顶部高程；采用有限元数值计算方法研究不同悬臂高度情况下的坝体结构应力及其分布，选取抗裂安全系数大于等于K_f的工况，确定该工况下的悬臂高度的取值，然后以悬臂高度为条件确定同冷区高度的取值范围；

3)、根据所处的季节气温的变化，采用数值计算分析方法进行复核，然后依据所求的拱坝温差应力结果，选取抗裂安全系数大于等于K_f的方案，根据所选方案确定同冷区高度的取值范围；

4)、根据同冷区所处的应力约束条件，采用数值计算分析方法进行复核，然后根据拱坝的结构约束应力及其分布情况，选取抗裂安全系数大于等于K_f的方案，根据所选方案确定同冷区高度取值范围；

5)、将步骤1)至4)中所确定的同冷区高度取值范围取交集，确定同冷区高度的最终取值范围；

6)、当施工环境和条件发生变化后，重复步骤1)至5)对同冷区高度的最终取值范围进行实时调整；

其中，T₀的取值范围为1.0～2.5℃/m，K_f的取值范围为1.3～1.8。

2.如权利要求1所述的一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，其特征在于：同冷区温度场控制的步骤a中，所述一期冷却的持续时间不少于21天；所述中期冷却的持续时间不少于69天；所述二期冷却的持续时间不少于60天。

3.如权利要求2所述的一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，其特征在于：所述中期冷却分为三个温控阶段；第一温控阶段为控温阶段，其持续时间不少于29天，且混凝土温度日变化幅度A≤1℃；第二温控阶段为降温阶段，其持续时间不少于30天，且混凝土温降速率R≤0.5℃/d；第三温控阶段为控温阶段，其持续时间不少于10天，且混凝土温度日变化幅度A≤0.5℃。

4.如权利要求2所述的一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，其特征在于：所述二期冷却分为两个温控阶段；第一温控阶段为降温阶段，其持续时间不少于30天，且温降速率R≤0.3℃/d；第二温控阶段为控温阶段，其持续时间不少于30天，且混凝土温度日变化幅度A≤0.5℃。

5.如权利要求1所述的一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，其特征在于：同冷区温度场控制的步骤c中，动态调控水管冷却过程的主要调控参数包括：①、冷却开始时间为浇筑完成后12小时以内；②、冷却历时为一期冷却的持续时间不少于21天，中期冷却的持续时间不少于69天，二期冷却的持续时间不少于60天；③、一期冷却用冷却水水温为10～12℃，中期冷却用冷却水水温为8～10℃，二期冷却用冷却水水温为6～8℃；④、一期冷却用冷却水流量为1.5～2.0m³/h，中期冷却用冷却水流量为1.0～1.5m³/h，二期冷却用冷却水流量为0.5～1.0m³/h；⑤水流方向的调换周期为18～30小时。

6.如权利要求1所述的一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，其特征在于：同冷区高度范围控制的步骤1)中，所述施工进度包括混凝土浇筑层厚、浇筑间歇期和/或碾压强度。

7.如权利要求1所述的一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，其特征在于：同冷区高度范围控制的步骤4)中，所述应力约束条件包括强约束、弱约束和自由约束。

8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种用于混凝土拱坝的温控防裂方法，其特征在于：同冷区高度范围控制的步骤1)中所确定的同冷区高度的取值范围为12～15m，步骤2)中所确定的同冷区高度的取值范围为13～18m，步骤3)中所确定的同冷区高度的取值范围为10～15m，步骤4)中所确定的同冷区高度取值范围为14～17m，步骤5)中所确定的同冷区高度的最终取值范围为14～15m。