CN105672187A - 一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法，包括如下步骤：（1）确定温控防裂目标；（2）计算允许最高温度；（3）拟定温控方案，计算混凝土内部最高温度，在计算最高温度≤允许最高温度的前提下，设计温控防裂方案。本发明方法的计算公式简单，能合理反映围岩性能、衬砌结构尺寸、混凝土强度、洞内空气温度、通水冷却及其水温、浇筑温度等的影响，可以迅速计算出门洞形断面结构衬砌混凝土施工期各月浇筑施工的允许最高温度，对不同的温控方案迅速预算衬砌混凝土内部最高温度，在满足内部最高温度≤允许最高温度和经济的条件下提出工程适用的温控防裂施工方案，与有限元法仿真计算成果误差小于3%，特别适用于初步设计和现场施工实施方案优化调整。

Description

一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法

技术领域

本发明涉及工程结构混凝土温控防裂技术领域，具体的说是一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法。

背景技术

裂缝是混凝土的主要病害之一，著名的水电专家潘家铮院士断言“世界上没有无裂缝的水坝”。根据裂缝产生的主导原因，可分为外荷载作用引起的结构性裂缝和变形变化作用引起的非结构性裂缝两大类。变形作用包括温度、干缩湿胀和围岩变形等，其中80％都是温度裂缝。例如，随着水利水电工程建设发展，地下水工的规模和断面尺寸越来越大，西部开发地质等环境条件越来越复杂，而且随着坝高的增大泄水的流速越来越高，混凝土强度等级也越高，近些年建设的大断面高强度地下水工衬砌混凝土，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1a和图1b)。

地下结构工程长期处在潮湿、干湿交替的环境中工作，危害性裂缝的存在严重影响着工程结构的安全性、施工进度工期、导致渗漏甚至渗透破坏、耐久性和寿命、工程造价和美观，还可能诱发其它病害的发生和发展。

现行有关设计规范对于地下工程衬砌混凝土温度裂缝的控制及其计算方法一般都缺乏明确与具体的规定，没有明确的温控标准。如《水工混凝土结构设计规范》在4.1.2(3)要求“对使用上要求进行裂缝控制的结构构件，应进行抗裂或裂缝宽度验算”，在4.1.8规定“建筑物在施工和运行期间，如温度的变化对建筑物有较大影响时，应进行温度应力计算，并宜采用构造措施和施工措施以消除或减少温度应力。使用中允许出现裂缝的钢筋混凝土结构构件，在计算温度应力时，应考虑裂缝开展而使构件刚度降低的影响”。在4.3.2规定“钢筋混凝土结构构件设计时，应根据使用要求进行不同的裂缝控制验算。(1)抗裂验算：承受水压的轴心受拉构件、小偏心受拉构件以及发生裂缝后会引起严重渗漏的其它构件，应进行抗裂验算。如有可靠防渗措施或不影响正常使用时，也可不进行抗裂验算”。但没有指明抗裂计算方法，也没有温控标准。又如《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)仅在11.2.6条要求“温度变化、混凝土干缩和膨胀所产生的应力及灌浆压力对衬砌的影响，宜通过施工措施及构造措施解决。对于高温地区产生的温度应力，应进行专门的研究”。

对使用上要求控制裂缝的部分地下工程衬砌混凝土(如高流速泄洪洞、发电洞引水段等)在施工期的温控防裂设计计算，目前主要采用有限元法。在完成结构设计后，通过大量方案的仿真计算提出施工温控防裂方案及其现场施工最高温度控制标准。这样做，精度较高，而且可以优化施工方案。但需要先进行混凝土配合比和大量性能参数试验，试验和仿真计算需要花费较多的时间；而且需要花费较多的资金；对于没有确定施工配合比和没有混凝土性能试验时无法进行；不能适用于初步设计阶段和施工中方案快速调整。特别是至今的有关规范没有施工期温控防裂设计的抗裂安全系数要求值，如水工隧洞衬砌混凝土温控防裂设计时都是参考大坝设计规范。

多数设计单位是参考大坝强约束区混凝土的温控标准提出最高温度控制值(以下称为强约束法)，温控施工方案由施工单位制定。施工单位一般是根据混凝土配合比、运输距离与方式、气温等对拟定混凝土拌合(是否制冷及其措施)和浇筑施工温控(如通水冷却)方案进行衬砌结构混凝土最高温度计算，提出满足设计标准的施工方案。这样做，首先是大坝混凝土的温控标准不能适用薄壁衬砌结构，没有反映混凝土强度、围岩类别、衬砌厚度和结构尺度等差别的影响；其次是施工单位计算衬砌混凝土内部最高温度的误差大，大量系数取值人为性强；两方面的温差可能导致制定的施工方案相距甚远，不能有效实现温度裂缝控制目标。

综合以上情况说明，目前地下工程衬砌混凝土施工期温控防裂，没有明确的要求和技术标准；现有设计计算方法有的花费时间、费用较多，不能适用于无混凝土试验成果的初步设计阶段和施工中方案快速调整；有的误差较大，不能有效实现温度裂缝控制目标。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法，可在浇筑施工过程中针对发现问题和施工技术、条件等的改变，不断实时优化改进施工温控措施，实现温控目标。

为了解决上述技术问题，本发明以溪洛渡水电站水工隧洞门洞形断面结构衬砌混凝土200多仓现场温控观测和裂缝检查成果为基础，采用如下技术方案进行研究。

一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法，包括如下步骤：

(1)确定温控防裂目标；

(2)计算允许最高温度【T_max】；

(3)设计温控防裂方案，具体包括如下子步骤；

(3.1)分析可变量，拟定衬砌混凝土温控防裂施工措施方案；

(3.2)计算各方案衬砌混凝土内部最高温度T_max；

(3.3)在计算最高温度T_max≤允许最高温度【T_max】的前提下，优选方案，供施工应用。

所述步骤(1)的温控防裂目标，根据设计规范、衬砌结构物的级别、运行期裂缝的危害、安全性和防渗性要求来确定。

所述步骤(2)的允许最高温度【T_max】，是将门洞形断面衬砌结构有关参数代入如下3个公式计算得到

【T_max】＝min(T_1max，T_2max)(1)

T_1max＝4.46×H-0.038×H₀-0.037×L+0.096×C-0.134×E+0.3669×T_a+22.1315(2)

T_2max＝T_min+4.47×H-0.0378×H₀-0.0381×L+0.0976×C-0.124×E+0.3669×T_a+9.254(3)式中：T_1max—早期水化热温升后温降阶段计算允许最高温度；

T_2max—冬季温降阶段计算允许最高温度；

H—衬砌混凝土结构的厚度(m)；

H₀—边墙高度(m)，当边墙与顶拱整体浇筑时，H₀＝边墙高度+1/2顶拱弧线长度；

L—衬砌混凝土结构分缝长度(m)；

E—围岩变形模量(GPa)；

C—衬砌混凝土按90天龄期设计的强度等级(MPa)；

T_a—衬砌混凝土浇筑施工时洞内空气温度(℃)；

将衬砌结构厚度、边墙高度、分缝长度、围岩变形模量、混凝土强度等级和一年12个月的平均气温T_a代入，从而获得该12个月浇筑门洞形断面衬砌混凝土的允许最高温度。

必须指出的是，(1)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；(2)施工期如果采用挂帘保温，使得地下洞室空气温度提高，则T_a应该采用提高后的洞内空气温度。另外，由于公式(2)和公式(3)是采用没有发生裂缝的温度观测成果统计获得的，实际工程使用计算允许最高温度【T_max】时，一般抗裂结构可以直接采用；对于抗裂要求非常高的衬砌结构，可以适当采用1.05～1.1的安全系数；对于仅限制裂缝宽度的衬砌结构，可以适当放宽要求。

所述步骤(3.1)，是在不同的温控防裂设计阶段，分析与温控防裂有关的在满足规范要求条件下该阶段可以改变的设计参数；在结构设计阶段，衬砌厚度、混凝土强度为可变量；在施工阶段，浇筑温度、通水冷却及其水温为可变量；所述拟定的施工措施方案主要是浇筑温度与通水冷却及其水温的组合。

所述步骤(3.2)的衬砌混凝土内部最高温度T_max，是将各拟定温控措施方案代入下式计算获得

T_max＝5.4829×H+0.0903×C+0.9967×T₀+0.3629×T_g+0.2701×T_a-0.0277×T₀×T_g+3.8308

(4)

式中：T₀代表浇筑温度(℃)；

T_g＝35-T_w，代表通水温度效应值(℃)；

T_w为通水温度(℃)，没有通水冷却时取T_w＝35℃计算T_g＝0。

衬砌混凝土的厚度一般较小，溪洛渡泄洪洞衬砌混凝土施工期通水冷却水管都是单列布置，即公式(4)适用于单列布置通水冷却水管的情况。

所述步骤(3.3)是在上述拟定方案中满足计算最高温度T_max≤允许最高温度【T_max】的方案中，按照安全、经济、合理、简单可行原则，选择优化方案。

所述步骤(2)的式(1)、(2)、(3)是根据如下技术方案获得的。

根据大量现场观测、裂缝检查和有限元法仿真计算分析，隧洞衬砌混凝土温度裂缝的产生和发展主要有两个阶段：早期温降阶段和冬季温降阶段。早期温降阶段温度裂缝，是由于水化热温升达到最高温度后迅速温降，在围岩约束下产生较大拉应力，而混凝土早期强度低，大约在7d至一个月左右，拉应力超过抗拉强度导致裂缝。冬季温降阶段，混凝土温度随洞内空气温度逐渐降低，拉应力不断增长，当混凝土温度降低产生的拉应力超过该时期的抗拉强度而产生裂缝或者原有裂缝迅速扩展。因此，衬砌混凝土温控防裂应该注重早期和冬季两个阶段，分别研究其允许温降差和允许最高温度。

记早期和冬季两个阶段允许温降差为(△T和△T_max)，则

△T＝T_max-T_a(5)

△T_max＝T_max-T_min(6)

式中：△T为衬砌混凝土早期允许温降差(℃)；

△T_max为衬砌混凝土冬季允许温降差(℃)；

T_min为冬季洞内最低气温，也即围岩表面冬季最低温度(℃)。

得到早期和冬季两个阶段允许温降差ΔT和ΔT_max后，即可以计算出衬砌混凝土的允许最高温度：

早期：T_1max＝T_a+ΔT(7)

低温季节：T_2max＝T_min+ΔT_max(8)

为此，对溪洛渡水电站泄洪洞门洞形断面结构衬砌混凝土200多仓现场温控观测(如图2所示)和裂缝检查成果分为有、无裂缝，并将各结构段衬砌混凝土观测最高温度T_max、△T和△T_max与相应浇筑时间的关系示于图3～图4。根据现场施工和裂缝检查资料，各结构段底板裂缝很少，同等条件大多是边顶拱(弧长大)混凝土容易产生温度裂缝，所以只对边顶拱有关参数进行了统计分析。分别对没有发生温度裂缝的观测成果的早期温降差ΔT和冬季温降差ΔT_max进行回归分析，得到

T＝4.46×H-0.038×H₀-0.037×L+0.096×C-0.134×E-0.6331×T_a+22.1315(9)

T_max＝4.47×H-0.0378×H₀-0.0381×L+0.0976×C-0.124×E+0.3669×T_a+9.254(10)

将式(9)代入式(7)即得到式(2)；将式(10)代入式(8)即得到式(3)。

由于式(2)、式(3)是对没有发生温度裂缝水工隧洞门洞形断面结构衬砌混凝土T_1max和T_2max的统计，即式(1)计算的T_max是不会发生温度裂缝的最高温度，因此可以作为门洞形断面结构衬砌混凝土允许最高温度。

所述步骤(3.2)计算各方案衬砌混凝土内部最高温度T_max的公式(4)是根据如下技术方案获得的。将溪洛渡水电站水工隧洞门洞形断面结构衬砌混凝土200多仓现场温控观测成果(图2)，采用线性回归统计分析得到。

本发明一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法的优点是：

1、本发明方法的计算公式简单，能合理反映围岩性能(变形模量)、衬砌断面尺寸(包括高度和分缝长度)和厚度、衬砌混凝土强度、洞内空气温度、通水冷却及其水温、浇筑温度等的影响。可以迅速计算出门洞形断面结构衬砌混凝土施工期各月浇筑施工的允许最高温度，对不同的施工温控方案迅速预算衬砌混凝土内部最高温度，在满足内部最高温度≤允许最高温度和经济的条件下提出工程适用的温控防裂施工方案，与有限元法的计算误差小于3％,完全可以用于工程实际开展温控防裂设计，特别是初步设计和现场施工实施方案调整。

2、本发明方法能够有效反映围岩性能(变形模量)、衬砌断面尺寸和厚度、衬砌混凝土强度、洞内气温和水温等对最高温度允许值的影响，比强约束法明显更为合理，精度与有限元法相当。

3、本发明方法计算衬砌混凝土内部最高温度与现场测量成果的误差很小，实例仅0.1％，有较高精度，可以推广在实际工程中用于快速计算衬砌混凝土的最高温度；而且计算衬砌混凝土最高温度与有限元法相当吻合。

附图说明

图1a为泄洪洞衬砌混凝土裂缝的示意图。

图1b为图1a的局部放大图。

图2为门洞形断面衬砌混凝土的最高温度、浇筑温度、洞内气温与浇筑时间的关系图。

图3为门洞形断面衬砌混凝土观测T_max、△T与浇筑时间的关系图。

图4为门洞形断面衬砌混凝土观测T_max、△T_max与浇筑时间的关系图。

图5为溪洛渡泄洪洞门洞形断面衬砌混凝土结构图。

图6为泄洪洞洞室气温年变化曲线图。

图7为乌东德导流洞门洞形断面衬砌混凝土结构图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐述本发明。以某水电站泄洪洞无压段门洞形断面衬砌混凝土温控防裂为例。

1、基本资料

某水电站为大(一)型，泄洪洞为Ⅰ级建筑物。无压段为门洞形断面，衬砌后断面尺寸为14m×19m(宽×高)，各类围岩性质及其衬砌类型列于表1，衬砌结构分缝长度为9m。其中1.0m厚度衬砌结构断面如图5所示，其余厚度衬砌后断面尺寸不变。衬砌混凝土设计强度等级为C₉₀40常态混凝土；边墙为为C₉₀40泵送混凝土；顶拱和边墙水面线1.0m以上为C25。根据开挖初期洞内实测资料和设计院提供的资料，设计单位取洞内年平均气温为23.5℃，气温年变幅为1.5℃，采用规范余弦公式(11)计算。施工条件，招标文件可以提供出机口14℃制冷商品混凝土，实现浇筑温度18℃。可以提供两种水供通水冷却用，一是8℃制冷水；二是常温自来水，夏季22℃，冬季10℃。

$T_a=23.5+1.5cos\frac{2\mathrm{\π}}{365}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)---\left(11\right)$

式中：T_a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。

表1无压段门洞形断面衬砌和围岩分类

2、设计阶段衬砌混凝土温控防裂方案计算分析

实例设计计算，仅对其中温控防裂难度最大的Ⅲ1类围岩区F2型衬砌进行。

(1)确定温控防裂目标。由于泄洪洞为Ⅰ级建筑物，考虑到泄洪洞无压段水流速度高(近50m/s)，运行安全性要求高，裂缝的危害大，建议温控防裂目标为防止危害性裂缝，按防裂目标设计。

(2)计算允许最高温度【Tmax】。设计阶段，边顶拱整体浇筑，计算边墙总高度为10.63+2+12.57＝25.2m。底板采用常态混凝土而且养护条件好于边墙，一般温度裂缝明显少于边墙。特别是长边尺寸14m小于边墙25.2m，所以，这里仅对边墙衬砌混凝土温控防裂进行计算分析。运用式(1)～式(3)计算得到泄洪洞无压段Ⅲ1类围岩区F2型衬砌边墙1月～12月浇筑混凝土施工期允许最高温度列于表2。各月洞内气温Ta的计算均以月中为计算日期由式(11)计算取整数。

表2F2型衬砌混凝土施工期(设计阶段)允许最高温度(℃)

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													Ta	22	22	23	23	24	25	25	25	25	24	23	22
T1max	34.5	34.5	34.9	34.9	35.2	35.6	35.6	35.6	35.6	35.2	34.9	345
													T2max	44	44	44.4	44.4	44.8	45.1	45.1	45.1	45.1	44.8	44.4	44
【Tmax】	35	35	35	35	35	36	36	36	36	35	35	35

(3)设计温控防裂方案。

(3.1)分析可变量，拟定衬砌混凝土温控防裂施工措施方案。由于衬砌厚度、混凝土强度等级确定，因此可变量只有浇筑温度和通水冷却水温。对于夏季8月份浇筑，招标文件可以提供出机口14℃制冷商品混凝土，实现浇筑温度18℃。根据施工条件拟定8℃制冷水和22℃常温水两个通水冷却方案。

(3.2)计算各方案衬砌混凝土内部最高温度T_max。将两个拟定温控方案代入式(4)计算得：8℃制冷水通水冷却方案T_max＝34℃≤36℃；22℃常温水通水冷却方案T_max＝35.86℃≤36℃。

(3.3)在计算最高温度T_max≤允许最高温度【T_max】的前提下，优选方案，供施工应用。根据以上计算，选择18℃浇筑+22℃常温水通水冷却方案，简单、适用、满足要求。

结果同时表明，由于设计规范要求、施工条件限制等等，最终供选择的方案是有限的，经常是唯一的。

对于冬季1月浇筑，一般采用常温16℃混凝土浇筑，通水冷却多用10℃常温水。为此拟定16℃浇筑不通水冷却和16℃浇筑+10℃常温水通水冷却两个方案。分别代入式(4)计算得T_max＝34.82℃、32.8℃，都小于35℃。选择16℃浇筑不通水冷却方案，经济、简单、适用、满足要求。即，冬季浇筑温度低于16℃可以自然入仓浇筑，不通水冷却。

3、施工过程实时控制阶段衬砌混凝土温控防裂方案计算分析

施工中，由于隧洞开挖与外界贯通，洞内空气温度迅速下降接近外界气温变化。2009年10月至2012年11月，对泄洪洞(左、右岸)共计进行了300多次气温实测，汇总示于图6。其中以2010年1月1日为日期坐标轴第一天。其中横坐标为时间(天)；纵坐标为温度(℃)。采用最小二乘法进行余弦函数拟合得

$T_a=19.29+6.70cos\[\frac{2\mathrm{\π}}{365}(\mathrm{\τ}+156)\]---\left(12\right)$

式中：T_a为洞内温度(℃)；

τ为距离1月1日的时间(天)。

由于洞内气温变化，施工中必须实时重新设计计算。

同样按照上述设计计算方法，(1)确定温控防裂目标，由于工程没变，温控防裂目标不变，按防裂目标设计；(2)采用式(1)～式(3)重新计算允许最高温度，左岸边顶拱整体浇筑计算边墙总高度25.2m，右岸边顶拱分开浇筑计算边墙高度12.57m(图5)，分别计算左右岸泄洪洞无压段门洞形断面Ⅲ1类围岩区F2型边墙衬砌1月～12月浇筑混凝土施工期(实时控制阶段)允许最高温度列于表3、表4。

表3左岸F2型边墙衬砌混凝土施工期(实时控制)允许最高温度(℃)

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													Ta	13	13	15	18	21	24	26	26	24	21	17	14
T1max	31.2	31.2	32	33.1	34.2	35.3	36	36	35.3	34.2	337	31.6
													T2max	31.6	31.6	32.4	33.5	34.6	35.7	36.4	36.4	35.7	34.6	34.1	32
【Tmax】	31	31	32	33	34	35	36	36	35	34	33	32

表4右岸F2型边墙衬砌混凝土施工期(实时控制)允许最高温度(℃)

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													Ta	13	13	15	18	21	24	26	26	24	21	17	14
T1max	31.7	31.7	32.5	33.6	34.7	35.8	36.5	36.5	35.8	34.7	34.2	32.1
													T2max	32.1	32.1	32.9	34	35.1	36.2	36.9	36.9	36.2	35.1	34.6	32.5
【Tmax】	32	32	33	34	35	36	37	37	36	35	34	32

表3和表4结果比较表明，边墙与顶拱分开浇筑，高度方向尺度减小，约束减小，衬砌混凝土施工期允许最高温度增大大约0.5℃。

由于洞内冬季气温较设计阶段明显降低，衬砌混凝土允许最高温度明显降低，施工中各月都需要重新进行温控防裂方案设计计算。这里仍然以夏季、冬季为例，仅对左岸设计计算如下，以利于与设计阶段比较。

夏季，左岸门洞形断面衬砌混凝土允许最高温度36℃与设计阶段计算值没变，同样根据施工条件拟定18℃浇筑+8℃制冷水和18℃浇筑+22℃常温水两个通水冷却方案，代入式(4)计算得：8℃制冷水通水冷却方案T_max＝34℃≤36℃；22℃常温水通水冷却方案T_max＝35.86℃≤36℃。选择18℃浇筑+22℃常温水通水冷却方案，经济、简单、适用、满足要求。

对于冬季，1月浇筑，左岸门洞形断面衬砌混凝土允许最高温度31℃，小于设计阶段计算值35℃。考虑到制冷水与常温水差别小，16℃浇筑+10℃常温水通水冷却，代入式(4)计算得T_max＝32.8℃大于31℃。只能拟定采用制冷混凝土方案，14℃浇筑(不通水冷却)，代入式(4)计算得T_max＝30.39℃小于31℃。即冬季施工采用14℃制冷混凝土浇筑(不通水冷却)的方案。

与设计阶段相比，夏季允许最高温度没有变化，所以混凝土浇筑温控方案相同；而冬季，洞内气温降低，允许最高温度降低4℃，所以温控防裂方案改变。

4、实例2：Ⅳ类围岩区F4型衬砌温控防裂设计计算

基本资料同上。为减小篇幅，只简要介绍设计阶段、施工实时控制阶段夏季和冬季温控防裂设计计算成果。

设计阶段，洞内气温式(11)，边墙总高度25.2m，由式(1)～(3)计算允许最高温度，夏季8月为39.4℃，冬季1月为38.3℃。由式(4)可以设计计算得到，夏季18℃浇筑+22℃常温水通水冷却时T_max＝38.6℃，满足要求；冬季16℃浇筑不通水冷却时T_max＝37.6℃，满足要求。

施工实时控制阶段，洞内气温式(12)，边墙高度12.57m，由式(1)～(3)计算允许最高温度，夏季8月为40.3℃，冬季1月为35.5℃。由式(4)可以设计计算得到，夏季18℃浇筑不通水冷却时T_max＝40.63℃，基本满足要求；冬季16℃浇筑不通水冷却时T_max＝35.1℃，满足要求。

5、某泄洪洞无压段温控防裂实施情况

(1)温控防裂设计及其技术要求

设计院根据有关设计规范、混凝土配合比优化及其性能试验、有限元法计算成果，确定了泄洪洞无压段衬砌混凝土，底板为C₉₀40常态混凝土；边墙为C₉₀40泵送混凝土；顶拱和边墙水面线1.0m以上为C25。提出各类型衬砌混凝土的温控标准和浇筑温度列于表5。

表5无压段衬砌混凝土的温度控制标准

有关技术要求如下：

①夏季施工时推荐以下方案：无压段，混凝土浇筑温度18℃，水管间距1.0m，水管长度100m，冷却水流量2.0m³/h，冷却水温8℃，混凝土浇筑时开始通水，通水冷却7天。

②在计算温度最高部位埋设测温管，以观测混凝土施工期的浇筑温度及内部温度。

③可适当延迟模板拆模时间，并做好保温措施，防止由于浇筑温度18℃与泄洪洞内温度发生过多温度交换。

④冬季施工，在混凝土浇筑温度能够低于18℃的情况下，可以采用自然入仓的混凝土浇筑。

⑤尽量延缓拆模时间。拆模后应及时洒水养护，以保证混凝土表面保持湿润即可，但不宜过量洒水，以免混凝土表面降温过快。养护时间不应小于28d。

⑥洞口施工应做好保温隔热措施，尽量与洞内温度保持一致。

⑦选取2～4段典型浇筑段作试验段，通过试验反馈数据调整温控措施，优化施工温控设计。

⑧优化混凝土配合比，控制水泥用量，降低水化热。根据相应科研试验成果，可考虑掺用适量粉煤灰，掺量不宜超过25％。在满足设计要求的前提下，粗骨料选用二级配。

⑨根据现场具体施工情况，边墙浇筑尽量采用常态混凝土浇筑。

⑩泄洪洞浇筑长度可在9m～12m之间选取，原则上不超过12m，施工缝具体位置可根据围岩的地质条件进行调整。无压段考虑施工方便，边顶拱范围内左右岸分别为一次浇筑完成、边顶拱分开浇筑，无压段底板考虑施工交通问题，底板常态混凝土可采取半幅跳仓浇筑。

(2)衬砌混凝土温控防裂施工方案

根据以上设计要求，施工方案规划整个泄洪洞基本按9m分仓浇筑，衬砌混凝土施工温控防裂方案如下：

①降低混凝土出机口温度。采用预冷混凝土，在混凝土拌和系统使用风冷骨料和加冰拌和的方式生产预冷混凝土，出机口温度达到12℃～14℃。

②减少混凝土运输浇筑过程中温度回升。增加运输能力有效保证混凝土仓面浇筑坯及时覆盖；在混凝土运输汽车车厢顶部设可移动式帆布遮阳棚，在混凝土运输车辆箱体上安装发泡保温装置等。

③加强管理，加快施工速度。通过加强管理，减少等待卸车时间或者卸料入仓时间，避免多次转料入仓等，混凝土浇筑覆盖时间不宜超过1h。

④合理安排混凝土施工进度。为了防止贯穿裂缝，减少表面裂缝的出现，混凝土浇筑时段尽量安排在低温季节、早晚温度较低时进行。白天高温时段做浇筑前准备，尽量安排在下午16时至次日上午10时左右进行浇筑。

⑤仓内空调。在钢模台车上配备空调，用于仓内夏季施工，以降低仓内浇筑环境温度，既有利于温控，又可起到防暑降温作用。

⑥表面养护。混凝土拆模后即开始流水养护，采用φ35mm塑料管，每隔20～30cm钻φ1mm左右的小孔，挂在模板上或外露钢筋头上，通水流量为15L/min左右。白天实行不间断流水养护，夜间(20:00～6:00)实行间断流水养护，即流水1h，保持湿润1h，当气温超过25℃时不间断养护，无压段边顶拱无压段养护时间不少于28d。

⑦通水冷却。冷却水流量35L/min，混凝土温度与水温之差不超过22℃。冷却水管采用PE管，平行于水流方向蛇形布置于每个浇筑块的中部，单根水管长度不大于100m，垂直间距为1.0m。右岸龙落尾在高温季节先通48小时制冷水(约14～20℃)，之后7天通常温水；低温季节通常温水。

⑧冬季混凝土特殊保温。进入冬季，选择保温效果好的保温材料覆盖混凝土暴露面，防止混凝土表面产生裂缝。隧洞洞口处可采用挂门帘方式，避免冷风倒灌入洞内，引起混凝土表面裂缝。

⑨缩短交接班时间。实行现场交接班制度，所以设备运行人员，必须在现场交接班，交接班时间不能超过30min；吃饭时不能停止浇筑，必须分批次错开吃饭，要保证仓内混凝土浇筑的连续性。

⑩加强混凝土温度测量。为了验证施工期混凝土温度是否满足温控要求，采用预埋设在混凝土中的电阻式温度计或热电偶测量混凝土温度，并对成果进行分析；在混凝土浇筑过程中，每4h测量一次混凝土的出机口温度、混凝土的浇筑温度、气温，并做好记录；气温骤降和寒潮期间，增加温度观测次数；每周提交一次温度测量报告，内容包括：混凝土浇筑温度，混凝土内部温度，每条冷却水管的冷却水流量、流向、压力、入口温度、出口温度以及其他测量指标；温度量测过程中，发现超出温控标准的情况，及时报告。

(3)衬砌混凝土温度观测成果

将左、右岸泄洪洞无压段衬砌混凝土(限于篇幅，仅对其中高峰期2010年)温控成果及其超温情况进行统计分析，列于表6和表7。

表62010年泄洪洞衬砌混凝土内部最高温度统计表

表72010年左、右岸泄洪洞衬砌混凝土浇筑温度统计表

由表6、表7可以看出，泄洪洞无压段衬砌混凝土温控效果总体良好，浇筑温度超温比例较高，最高温度超温(设计允许值)比例较低，右岸控制效果更好些。右岸衬砌混凝土浇筑温度，底板超温比例4.30％，边墙无超温，平均2.86％；混凝土内部最高温度无超温。但是，按照本发明方法计算允许最高温度，即使是右岸，也有部分超过允许值。

(4)衬砌混凝土裂缝情况

泄洪洞无压段门洞形断面衬砌混凝土裂缝情况按结构段和施工分段统计列于表8。

表8左、右岸泄洪洞无压段门洞形断面衬砌混凝土裂缝情况

部位	总仓数	出现裂缝的仓数	比例	裂缝条数总计	备注
						1#无压段边墙	84	34	0.40	60	左岸
2#无压段边墙	67	30	0.45	43	左岸
						3#无压段边墙	43	19	0.44	40	右岸10 -->
4#无压段边墙	59	29	0.49	62	右岸
						1#无压段底板	84	2	0.02	2	左岸
2#无压段底板	67	0	0.00	0	左岸
						3#无压段底板	43	0	0.00	0	右岸
4#无压段底板	59	0	0.00	0	右岸

根据泄洪洞结构特点、衬砌混凝土施工工艺和表8的裂缝统计情况，综合分析可以获得以下认识：

(1)边顶拱衬砌混凝土裂缝多。无压段底板仅2仓有裂缝。估计与边墙(边顶拱)尺度大于底板有关。另外无压段底板右岸采取先浇找平混凝土，裂缝少于左岸，也有较小的影响。

(2)两岸泄洪洞相比，左岸1#、2#比右岸3#、4#洞衬砌混凝土裂缝多，与左岸衬砌混凝土最高温度超温比例大些(包括通水冷却水温高些的影响)、右岸落尾段边顶拱衬砌混凝土分开浇筑有关。

(3)根据裂缝普查的详细情况，围岩越坚硬完整温度裂缝越多。都是围岩坚硬完整的Ⅱ类围岩区，尽管衬砌厚度小，却是温度裂缝的主要发生区域；Ⅳ类围岩区厚度大的衬砌混凝土一般很少温度裂缝。与围岩越坚硬，对衬砌混凝土的约束越强密切相关；同时，厚度越小，围岩越坚硬，按照专利方法计算允许最高温度值越小(参见表2、表3和表4)，超温比例越大。

(4)根据裂缝和最高温度超温的情况比较分析，说明本发明方法、计算公式，计算的最高温度值和温控防裂方案是合理的，比设计建议更合理。一是，右岸最高温度没有超过设计允许值，但有较多的温度裂缝，与有较多厚度小的结构段特别是冬季超过本发明方法计算允许值一致；二是，本发明方法要求与时俱进，在施工期要不断进行实施优化，与实际工程始终保持。

6、比较分析

(1)与有限元法比较

①关于衬砌混凝土温控防裂的允许最高温度和方案的计算，有限元法和本发明方法都能合理反映围岩性能(变形模量)、衬砌厚度、断面尺寸、衬砌混凝土强度、洞内空气温度、通水冷却及其水温、浇筑温度等的影响。

②允许最高温度计算值，在洞内气温22℃～25℃的设计条件下，Ⅲ1类围岩区F2型1.0m厚度衬砌混凝土，本发明方法为35℃～36℃(表2，夏季为36℃)，比有限元法(设计)39℃夏季低3℃；Ⅳ类围岩区F4型1.5m厚度衬砌混凝土，本发明方法为38.3℃～39.4℃(夏季为39.4℃)，与有限元法(设计)39℃一致。结合现场观测混凝土内部最高温度大多低于39℃，但又有20％以上仓位产生裂缝、而且大多在厚度小的结构段的情况来看，本发明方法计算最高温度允许值更接近实际。特别是右岸无超设计允许值，也发生较多裂缝，与有部分超过本发明方法计算最高温度允许值相吻合。而且本发明方法合理给出了各月允许最高温度。

③推荐温控方案，在洞内气温22℃～25℃的设计条件下，夏季施工Ⅲ1类围岩区1.0m和Ⅳ类围岩区F4型1.5m厚度衬砌混凝土，为18℃浇筑+22℃通水冷却，比有限元法(设计)18℃浇筑+8℃通水冷却的方案，仅通水冷却水温高些,误差非常小。

④在洞内气温22℃～25℃的设计条件下，对1.0m厚度F2型衬砌夏季浇筑18℃浇筑+15℃通水冷却的情况(水管间距1.0m)，采用有限元法计算得到混凝土内部最高温度为36.97℃；采用式(4)计算值为35.79℃，低1.18℃。误差3％，精度高。

⑤本发明方法，计算公式简单，合理反映围岩类别(变形模量)、衬砌厚度、断面尺寸、衬砌混凝土强度、洞内空气温度、通水冷却及其水温、浇筑温度等的影响，可以迅速计算出门洞形断面结构衬砌混凝土施工期各月浇筑施工的允许最高温度，并根据这个允许值迅速预算衬砌混凝土内部最高温度，提出工程适用的温控防裂施工方案，与有限元法的计算误差小于3％,完全可以用于工程实际开展温控防裂设计，特别是初步设计和现场施工实施方案调整。

(2)与强约束法的比较

长江委勘测设计研究院对乌东德水电站水工隧洞(包括发电洞、导流洞、泄洪洞)混凝土温控防裂是采用大坝基础混凝土的允许温差，参考《混凝土拱坝设计规范》(DL/T5346-2006)选取，由于泄洪洞衬砌混凝土是强约束区，在洞内各月平均气温(由于是施工期，以此为月稳定温度场)基础上加允许温差作为最高温度控制值。首先根据乌东德水电站各建筑物在不同时段所处不同运行条件，分别计算气温环境、洞室气温环境、施工期洞室水温环境和相应高程运行期洞室水温环境条件下的不同厚度无限平板和半无限平板准稳定温度，见表9和表10。取泄洪洞衬砌混凝土准稳定温度14～17℃，导流洞14～15℃。然后参照大坝工程温差标准选用基础允许温差(表11)，最后确定各部位设计允许最高温度如表12。

表9无限平板准稳定温度

表10半无限平板准稳定温度

注：地下洞室环境温度取月气温(或对应高程月均水温)与年平均地温的均值。

表11混凝土基础允许温差单位：℃

表12乌东德水电站发电、泄洪洞有压段衬砌混凝土允许最高温度单位：℃

月份	12、1	2、11	3、10	4、9	5～8
						引水洞、尾水洞(底板、洞身衬砌)	37	37	39	40	41
泄洪洞有压、无压洞段(底板、洞身衬砌混凝土)	37	37	39	40	41

以其中的导流洞(门洞形断面)为例，各类围岩性能及其衬砌厚度列于表13，其中1.0m厚度衬砌结构如图7所示，其余厚度衬砌后断面尺寸不变，衬砌混凝土强度等级C₉₀40，分缝长度9m。采用本发明方法计算其中1.0m和1.8m边墙(边顶拱整体浇筑，总高度30.27m)衬砌混凝土施工期允许最高温度计算，以利于比较。施工期实测洞内气温16～28℃，即

$T_a=22+6cos\frac{2\mathrm{\π}}{365}(\mathrm{\τ}-210)---\left(13\right)$

表13乌东德水电站导流洞围岩分类及物理力学参数取值

将以上参数代入式(1)～(3)，获得本发明方法计算允许最高温度列于表14和表15。

表14乌东德导流洞1.0m厚度衬砌混凝土允许最高温度(发明方法)单位：℃

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													Ta	16	16	18	21	24	26	28	28	26	24	21	18
T1max	30.5	30.5	31.3	32.4	33.5	34.2	35	35	34.2	33.5	32.4	31.3
													T2max	34.0	34.0	34.8	35.9	37.0	37.7	38.4	38.4	37.7	37.0	35.9	34.8
【Tmax】	31	31	31	32	33	34	35	35	34	33	32	31

表15乌东德导流洞1.8m厚度衬砌混凝土允许最高温度(发明方法)单位：℃

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													Ta	16	16	18	21	24	26	28	28	26	24	21	1813 -->
T1max	37.5	37.5	38.3	39.4	40.5	41.2	42	42	41.2	40.5	39.4	38.3
													T2max	40.8	40.8	41.6	42.7	43.8	44.5	45.2	45.2	44.5	43.8	42.7	41.6
【Tmax】	37	37	38	39	40	41	42	42	41	40	39	38

采用强约束区混凝土计算允许最高温度值，不能反映围岩性能(变形模量)、衬砌断面尺寸和厚度、衬砌混凝土强度、洞内空气温度等的影响。根据大量实例计算经验，对于Ⅰ～Ⅱ类围岩区厚度小的衬砌结构混凝土明显过大；而对Ⅳ、Ⅴ类围岩区厚度较大的衬砌结构混凝土基本合适。而且作为强约束区混凝土的方法只能给出最高温度允许值，不能计算温控方案。

本发明方法，能够有效反映围岩性能(变形模量)、衬砌断面尺寸和厚度、衬砌混凝土强度、洞内气温和水温等对最高温度允许值的影响，精度明显高于作为强约束区混凝土的方法。

(3)与现场温度与裂缝观测成果的比较

从溪洛渡泄洪洞无压段门洞形断面衬砌混凝土温度测量成果中，任意选择一组，即可以验证本发明方法的合理性。如K1+320.366～K1+329.366，Ⅲ1类围岩区，1.0m厚度F2型衬砌，2011年7月1日浇筑，浇筑温度为17.7℃，通水冷却水温为23.7℃，浇筑期平均空气温度为25.4℃，测量混凝土内部最高温度35.9℃。测量最高温度35.9℃超过允许值35℃，实际仓位也发生了裂缝。按照式(4)计算最高温度为36.0℃，大于观测值0.1℃，误差0.3％。精度高。

结果表明，本发明方法，计算衬砌混凝土内部最高温度与现场测量成果的误差很小，仅0.3％，有较高精度，可以推广在实际工程中用于快速计算衬砌混凝土的最高温度；而且计算衬砌混凝土最高温度允许值也是合理的。

综上实例计算分析说明，本发明计算公式简单，计算衬砌混凝土最高温度允许值能够有效反映围岩性能(变形模量)、衬砌断面尺寸和厚度、混凝土强度、洞内气温和水温等的影响，高精度迅速计算门洞形断面结构衬砌混凝土施工期各月浇筑施工的允许最高温度，并可以高精度迅速预测衬砌混凝土内部最高温度，提出工程适用的温控防裂施工方案，完全可以用于工程实际开展温控防裂设计，特别是初步设计和现场施工实施方案调整。

本发明的保护范围并不限于水工隧洞门洞形断面衬砌混凝土结构，通过适当调整和变形，完全可以在类似工程特别是地下工程结构中得到应用。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行某些公式结构的变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则发明的意图也包含这些改动和变形在内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种用于门洞形断面结构衬砌混凝土温控防裂设计计算方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定温控防裂目标；

(2)计算允许最高温度【T_max】；

(3)设计温控防裂方案，具体包括如下子步骤；

(3.1)分析可变量，拟定衬砌混凝土温控防裂施工措施方案；

(3.2)计算各方案衬砌混凝土内部最高温度T_max；

(3.3)在计算最高温度T_max≤允许最高温度【T_max】的前提下，优选方案，供施工应用。

2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述步骤(1)的温控防裂目标，根据设计规范、衬砌结构物的级别、运行期裂缝的危害、安全性和防渗性要求来确定。

3.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述步骤(2)的允许最高温度【T_max】，是将门洞形断面衬砌结构有关参数代入如下公式计算得到

【T_max】＝min(T_1max，T_2max)(1)

T_1max＝4.46×H-0.038×H₀-0.037×L+0.096×C-0.134×E+0.3669×T_a+22.1315(2)

T_2max＝T_min+4.47×H-0.0378×H₀-0.0381×L+0.0976×C-0.124×E+0.3669×T_a+9.254(3)

式中：T_1max—早期水化热温升后温降阶段计算允许最高温度；

T_2max—冬季温降阶段计算允许最高温度；

H—衬砌混凝土结构的厚度(m)；

H₀—边墙高度(m)，当边墙与顶拱整体浇筑时，H₀＝边墙高度+1/2顶拱弧线长度；

L—衬砌混凝土结构分缝长度(m)；

E—围岩变形模量(GPa)；

C—衬砌混凝土按90天龄期设计的强度等级(MPa)；

T_a—衬砌混凝土浇筑施工时洞内空气温度(℃)；

将衬砌结构厚度、边墙高度、分缝长度、围岩变形模量、混凝土强度等级和一年12个月的平均气温T_a代入，从而获得该12个月浇筑门洞形断面衬砌混凝土的允许最高温度。

4.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述步骤(3.1)，是在不同的温控防裂设计阶段，分析与温控防裂有关的在满足规范要求条件下该阶段可以改变的设计参数；在结构设计阶段，衬砌厚度、混凝土强度为可变量；在施工阶段，浇筑温度、通水冷却及其水温为可变量；所述拟定的施工措施方案是浇筑温度与通水冷却及其水温的组合。

5.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述步骤(3.2)的衬砌混凝土内部最高温度T_max，是将各拟定温控措施方案代入下式计算获得

T_max＝5.4829×H+0.0903×C+0.9967×T₀+0.3629×T_g+0.2701×T_a-0.0277×T₀×T_g+3.8308(4)

式中：T₀代表浇筑温度(℃)；

T_g＝35-T_w，代表通水温度效应值(℃)；

T_w为通水温度(℃)，没有通水冷却时取T_w＝35℃计算T_g＝0。