CN110105085B - 碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法 - Google Patents
碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，它通过仿真分析采用不同冷却管路布局、不同冷却水温、不同冷却时长和冷却分期对坝体内温度及应力的影响，从而决定冷却管路的布局、冷却水温、冷却时长和冷却分期，从而实现很好的降温过程，在时间上和空间避免坝体温度陡降，实现坝体温度的平稳变化，保障坝体内的温度和应力达到最小值，满足工程建设需要，实现良好的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种碾压混凝土大坝施工期防裂方法，具体地说，本发明涉及一种碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，该方法通过科学合理地设计预埋在碾压混凝土大坝内的冷却管路布局，控制通水冷却水温、通水冷却时间达到最佳的碾压混凝土大坝防裂的目的。
背景技术
碾压混凝土大坝是大坝设计建造的一种新模式，由于其施工过程中水泥用量少，施工造价低；施工工艺简单，施工速度快，故目前碾压混凝土大坝在国际上已经得到了广泛的运用。
无论是碾压混凝土大坝，还是混凝土大坝，其施工过程中如何科学有效地防止浇筑的坝体产生裂缝是业内人士迫切需要解决的课题。相比常态混凝土大坝，碾压混凝土大坝的防裂经验相对较少，只是通过简单的常规的温控措施防止大坝产生裂缝。随着碾压混凝土大坝施工规模越来越大，人们对大坝施工质量的要求越来越高，传统的简单的温控防裂措施已经不能适应工程建设需要。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种科学的碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，该方法可有效地防止碾压混凝土大坝产生裂缝，确保工程质量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，它包括如下步骤：
S1：根据碾压混凝土大坝的设计规模，初步设计至少三种预埋在碾压混凝土大坝内的冷却管路布局，每种布局的冷却管路的水平行距相同、纵向垂直间距相差0.5m；
S2：仿真计算当冷却水温确定，冷却周期确定时，初步设计的每种冷却管路布局对坝体最高温度及最大应力的影响；初步选择在坝体施工初期坝体应力变化小、施工后期坝体最高温度低的冷却管路布局；
S3：仿真步骤S2初步确定的冷却管路布局，在不同冷却水温时对坝体内最高温度及最大应力的影响，确定坝体施工初期坝体应力峰值小，施工后期坝体最高温度低的冷却水温；
S4：初步确定冷却管路布局、冷却水温后，仿真不同的冷却时长对碾压混凝土大坝内最高温度及最大应力的影响；确定坝体施工初期坝体应力峰值小，施工后期坝体最高温度低的冷却时长。
优选地，所述施工初期指施工开始前20天龄内；所述施工后期指施工期结束前3个月内。
该碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法还包括延长通水冷却时间的步骤；所述延长通水冷却时间自首次通水冷却结束后开始。
优选地，所述冷却管路水平行距为1.5米，纵向垂直间距为1.0米～2.0米；所述冷却管路的直径为0.014米～0.016米，冷却管路由若干根水管连接而成，每根水管长度L不超过300米。
优选地，所述冷却管路的最佳布局水平行距为1.5米，纵向垂直间距为1.5米。
优选地，所述冷却时长为20天。
优选地，所述延长通水冷却时间为10天。
附图说明
图1A为仿真的碾压混凝土河床溢流坝模型；
图1B为仿真的碾压混凝土河床溢流坝网格剖分图；
图2A为仿真不同冷却管路布局不同时间碾压混凝土大坝中间剖面中下部某点的温度曲线；
图2B为仿真不同冷却管路布局不同时间碾压混凝土大坝中间剖面中下部某点的应力曲线；
图3A为仿真预埋1.5m×1.5m冷却管路后碾压混凝土大坝中间剖面不同时间温度包络图；
图3B为仿真预埋1.5m×1.5m冷却管路后碾压混凝土大坝中间剖面不同时间顺河向应力包络图；
图4A为仿真不同冷却水温不同时间碾压混凝土大坝温度曲线；
图4B为仿真不同冷却水温不同时间碾压混凝土大坝应力曲线；
图5A为仿真不同冷却时长碾压混凝土大坝温度曲线；
图5B为仿真不同冷却时长碾压混凝土大坝应力曲线；
图6A为仿真延长冷却时长碾压混凝土大坝温度曲线；
图6B为仿真延长冷却时长碾压混凝土大坝应力曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明公开了一种碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，它包括如下步骤：
S1：根据碾压混凝土大坝的设计规模，初步设计至少三种不同的预埋在碾压混凝土大坝内的冷却管路布局；初步设计的不同布局的冷却管路水平行距相同、纵向垂直间距相差0.5m。
通常，冷却管路水平行距为1.5米，纵向垂直间距为1.0米～2.0米。
在本发明具体实施例中设计了三种不同布局的冷却管路，第一种：冷却管路的水平行距为1.5米，纵向垂直间距为1.5米；第二种：冷却管路的水平行距为1.5米，纵向垂直间距为1.0米；第三种：冷却管路的水平行距为1.5米，纵向垂直间距为2.0米。
冷却管路的直径D为0.014米～0.016米，冷却管路由若干根水管连接而成，每根水管长度L不超过300米。
S2：仿真计算当冷却水温确定，冷却周期确定时，初步设计的至少三种不同布局的冷却管路对坝体最高温度及最大应力的影响；初步选择在施工初期(如施工开始前20天龄内)坝体应力变化小、施工后期(如施工期结束前3个月内)坝体最高温度低的冷却管路布局。
S2.1仿真计算不同设计方案的冷却管路布局时，碾压混凝土大坝内部的最高温度：
式中：T1(t)为t时间碾压混凝土大坝内部的平均温度；
Tw为预埋在碾压混凝土大坝内的冷却管路进口水温；
T0为碾压混凝土大坝当前温度；
k＝2.09-1.35ξ+0.32ξ2，ξ＝λL/cwρwqw
λ为碾压混凝土导热系数，L为拼接冷却管路的每根水管的长度，cw为冷却
水的比热，ρw为冷却水的密度，qw为冷却管路内水的流速；
a为碾压混凝土导温系数，D为冷却管路的直径；
θ0为碾压混凝土大坝的最终水化热，通过试验确定；
当采用指数型绝热温升时：
式中m，p均为常数(试验时确定)；t为碾压混凝土大坝的时间龄期，天；
当采用双曲线性绝热温升时：
n是碾压混凝土的半熟龄期，p＝ka/D2
式中：
为误差函数，
h为测试点或测试面距离碾压混凝土表面的深度；a为碾压混凝土导温系数，t为碾压混凝土大坝的时间龄期，天；j为第j个时段，为1-n之间的自然数。
式中：(T1(t)-T0)<△t,△t为要求的碾压混凝土大坝降温速率，△t数值一般根据工程实际来定，一般为03-0.5℃/天。
取某时间段平均温度的最大值为该时间段坝体内的最高温度。
S2.2：仿真计算不同设计方案的冷却管路布局时，碾压混凝土大坝内部的应力：
σ(t)为j个时段t时刻的碾压混凝土应力，△Tj(t)为t时刻温度变化量，α为混凝土碾压热膨胀系数，E(t)为t时刻碾压混凝土的弹性模量，t为碾压混凝土的龄期，j为第j个时段。
取某时间段应力的最大值为该时间段坝体的最大应力。
图1A为所设计的碾压混凝土河床溢流坝的仿真模型，该碾压混凝土河床溢流坝的坝段底高程为198.0m，顶高程为306.0m。如图1B所示，将该坝体网格剖分成156248个单元，174256个结点。图中顺水流方向为X方向，横水流方向为Y方向，竖直往上为Z方向。
根据公式(1)和公式(2)通过仿真，计算三种不同的冷却管路对坝体内最高温度和最大应力的影响，结果如表1所示。仿真初步设计的不同行距×间距的冷却管路对碾压混凝土大坝进行冷却降温时，发现大坝内部的最高温度及最大拉应力是不同的。
选取整个通水冷却时期内坝体的平均温度的最高值为最高温度，坝体的应力最大值为最大拉应力。
表1不同初步设计的冷却管路布局对大坝内部的温度及拉应力的影响
注：1.5m×1.5m表示冷却管路水平方向的管道行距和高度方向的间距分别为1.5m和1.5m。
从表1可知，当冷却管路的水平行距X垂直间距由1.5×1.5m改为1.5×1.0m时，碾压混凝土大坝内的最高温度由26.85℃降低到25.55℃，相差1.3℃；最大应力由1.55MPa降低到1.21MPa，相差0.34MPa。冷却管道布局由1.5×1.5m改为1.5×2.0m时，碾压混凝土大坝内的最高温度由26.85℃升高到27.72℃，相差0.9℃；最大应力由1.55MPa增加到1.77MPa，相差0.22MPa。
也就是说，当冷却管路水平行距相同时，纵向垂直间距越小，坝体内最高温度越低，最大拉应力越小，防裂效果好。
图2A为不同布局的冷却管路不用时间大坝中间剖面中下部某点的温度曲线图，图2B为不同布局的冷却管路不同时间大坝中间剖面中下部某点的应力曲线图。
从表1可知，当冷却管路水平行距相同时，纵向垂直间距越小，坝体内最高温度越低，最大拉应力越小，防裂效果好，但是，从图2A、图2B可知，冷却管路纵向垂直间距越小，在坝体施工初期(如施工开始前20天龄内)，坝体应力峰值最大，在水温较低时，由于冷却管路周围的碾压混凝土产生过大的温度梯度，容易导致冷却管路周围的碾压混凝土产生微裂纹！
故，通过仿真计算，分析初步设计的不同布局的冷却管路对坝体最高温度及最大应力的影响，初步选定在施工初期坝体应力变化小、施工后期坝体最高温度低的冷却管路布局。
在本发明具体实施例中，由于1.5米(水平行距)X1.0米(垂直间距)的冷却管路，在坝体施工初期，坝体应力峰值最大，易导致冷却管路周围的碾压混凝土产生微裂纹，故，本发明具体实施例中，选择1.5米X1.5米的冷却管路布局。
图3A为1.5米X1.5米的冷却管路布局时碾压混凝土大坝中间剖面的温度包络图，图3B为1.5米X1.5米的冷却管路布局时碾压混凝土大坝中间剖面顺河应力图。
从图3A和图3B碾压混凝土大坝中间剖面的温度和应力分布规律可知，坝体边墙区域由于混凝土标号高，混凝土温度高，应力大；大坝底部区域由于水管密集，温度较低，但是处于强约束区，底部应力也相对较大。
对于基础约束区(大坝底部和基岩接触的那部分碾压混凝土，通常为大坝底部顺河向长度0.2倍范围内)，预埋冷却管路的间距加密后，有利于控制大坝内的最高温度(图3A)，降低应力(图3B)。
S3：仿真步骤S2初步确定的冷却管路布局，在不同冷却水温时对坝体内最高温度及最大应力的影响；确定坝体施工初期(如施工开始前20天龄内)坝体应力峰值小，施工后期(如施工期结束前3个月内)坝体最高温度低的冷却水温。
在本发明具体实施例中，经仿真初步确定冷却管路的布局为：冷却管路水平行距为1.5米，纵向垂直间距为1.5米。当冷却水温分别为11℃、13℃、15℃时，坝体内的最高温度及最大应力如表2、图4A和图4B所示。
表2不同冷却水温对温度应力的影响
由表2、图4A和图4B可知，冷却水温的高低对碾压混凝土大坝内的最高温度和应力场有重要影响，冷却水温每提高2℃，碾压混凝土大坝内的最高温度增加约0.5℃，最大应力相应增加约0.13MPa。
冷却水温过高，温控效果差，防裂效果差；冷却水温降低，可以增强削峰效果，使最高温度降低，温降幅度减小，应力略有减小；但是，水温过低，在坝体施工早期管道周围的混凝土产生过大的温度梯度，容易产生微裂纹。
故，冷却水温不能过高，但也不能过低，要防止管道周边混凝土产生过大的温度梯度，从而在管道周围产生裂缝，在本发明具体实施例中，选择冷却水温为13℃为宜。
S4：初步确定冷却管路布局、冷却水温后，仿真不同的冷却时长对碾压混凝土大坝内最高温度及最大应力的影响；确定坝体施工初期(如施工开始前20天龄内)坝体应力峰值小，施工后期(如施工期结束前3个月内)坝体最高温度低的冷却时长。
在本发明具体实施例中，初步选定冷却管路的水平行距为1.5米，纵向垂直间距为1.5米，冷却水温13℃，当冷却时长分别为20天、10天和30天时，坝体内的最高温度及最大应力如表3、图5A和图5B所示。
表3不同冷却时长对温度应力的影响
由表3、图5A和图5B可知，
1)当冷却时间由20天缩短为10天时，冷却结束后混凝土会出现较大的温度反弹，出现第二峰值，超过混凝土第一个温度峰值。坝体最高温度由26.85℃增加为28.71℃，增加约1.9℃，最大应力由1.55MPa增加为2.01MPa，增加约0.45MPa。
2)当冷却时间由20天增长为30天时，最高温度没有变化，仍为26.85℃，最大应力由1.55MPa降低为1.32MPa，降低约0.23MPa。虽然后期应力减小，但是由于早期温降幅度较大，应力较大，增大早期开裂风险。
故，对碾压混凝土而言，冷却时长不宜过短也不宜过长，控制在20天左右相对合理。
至此，对于碾压混凝土大坝来说，通过预埋冷却管路方式达到温控目的，防止坝体产生裂缝需要考虑的因素，如冷却管路布局、冷却水温、冷却时长等对坝体内的温度及应力的影响通过仿真的方式都可找到正确的解决方法。
在碾压混凝土大坝建成后，由于天气的原因或者预报近期天气可能降温，周围环境温度降低明显，碾压混凝土大坝坝体温度与环境温度差加大，为防止坝体产生裂缝，为此，本发明通水冷却方法还包括：延长通水冷却时间的步骤，将坝体内温度进一步降低。通常，在前期的通水冷却结束后，观察一周左右，开始第二期通水冷却即延长通水冷却时间。
在本发明的具体实施例中，本发明分别对延长10天通水冷却时间、延长20天通水冷却时间对坝体内的最高温度和最大应力的影响进行了仿真。
表4不同通水分期对温度应力的影响
如表4、图6A和图6B所示，在本发明具体实施例中，选定冷却管路的水平行距为1.5米，纵向垂直间距为1.5米，冷却水温为13℃：
1)当通水冷却时间为20天，无延长时，坝体内的最高温度为26.85℃，最大应力由1.55MPa。
2)当延长10天通水冷却时间，即两期通水冷却时间总长为30天时，可以控制温度反弹；最高温度没有变化，仍为26.85℃，最大应力由1.55MPa降低为1.50MPa，降低约0.05MPa。
3)当延长20天通水冷却时间，即两期通水冷却时间总长为40天时，坝体最高温度仍然为26.85℃，最应力由1.50MPa降低为1.47MPa，降低约0.03MPa，但早期应力有较大的增加，产生一峰值，可导致冷却管路周围的碾压混凝土产生细小裂纹。
故，在碾压混凝土大坝施工期后适当延长通水冷却时间，有利于减小碾压混凝土大坝坝体内温度反弹，有利于降低坝体内应力，防止裂纹产生。
本发明公开的碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法通过仿真分析采用不同冷却管路布局、不同冷却水温、不同冷却时长和冷却分期对坝体内温度及应力的影响，从而决定冷却管路的布局、冷却水温、冷却时长和冷却分期，从而实现很好的降温过程，在时间上和空间避免坝体温度陡降，实现坝体温度的平稳变化，保障坝体内的温度和应力达到最小值，满足工程建设需要，实现良好的技术效果。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，其特征在于：它包括如下步骤：
S1：根据碾压混凝土大坝的设计规模，初步设计至少三种预埋在碾压混凝土大坝内的冷却管路布局，每种布局的冷却管路的水平行距相同、纵向垂直间距相差0.5m；所述冷却管路水平行距为1.5米，纵向垂直间距为1.0米～2.0米；
所述冷却管路的直径为0.014米～0.016米，冷却管路由若干根水管连接而成，每根水管长度L不超过300米；
S2：仿真计算当冷却水温确定，冷却周期确定时，初步设计的每种冷却管路布局对坝体最高温度及最大应力的影响；初步选择在坝体施工初期坝体应力变化小、施工后期坝体最高温度低的冷却管路布局；
S3：仿真步骤S2初步确定的冷却管路布局，在不同冷却水温时对坝体内最高温度及最大应力的影响，确定坝体施工初期坝体应力峰值小，施工后期坝体最高温度低的冷却水温；
S4：初步确定冷却管路布局、冷却水温后，仿真不同的冷却时长对碾压混凝土大坝内最高温度及最大应力的影响；确定坝体施工初期坝体应力峰值小，施工后期坝体最高温度低的冷却时长。
2.根据权利要求1所述的碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，其特征在于：所述施工初期指施工开始前20天龄内；所述施工后期指施工期结束前3个月内。
3.根据权利要求2所述的碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，其特征在于：它还包括延长通水冷却时间的步骤；所述延长通水冷却时间自首次通水冷却结束后开始。
4.根据权利要求3所述的碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，其特征在于：所述冷却管路的最佳布局水平行距为1.5米，纵向垂直间距为1.5米。
5.根据权利要求4所述的碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，其特征在于：取某时间段碾压混凝土大坝平均温度的最大值为该时间段坝体内的最高温度；
所述碾压混凝土大坝平均温度为：
式中：T1(t)为t时间碾压混凝土大坝内部的平均温度；
Tw为预埋在碾压混凝土大坝内的冷却管路进口水温；
T0为碾压混凝土大坝当前温度；
k＝2.09-1.35ξ+0.32ξ2，ξ＝λL/cwρwqw
λ为碾压混凝土导热系数，L为拼接冷却管路的每根水管的长度，cw为冷却水的比热，ρw为冷却水的密度，qw为冷却管路内水的流速；
a为混凝土导温系数，D为冷却管路的直径；
θ0为碾压混凝土大坝的最终水化热，通过试验确定；
当采用指数型绝热温升时：
当采用双曲线性绝热温升时：
n是混凝土的半熟龄期，p＝ka/D2
式中：
为误差函数，
h为测试点或测试面距离碾压混凝土表面的深度；a为混凝土导温系数，j 为第j个时段，为1-n之间的自然数；
式中：(T1(t)-T0)＜Δt,Δt为要求的碾压混凝土大坝降温速率，Δt数值一般根据工程实际来定，一般为03-0.5℃/天；
碾压混凝土大坝内部的应力为：
σ(t)为j个时段t时刻的碾压混凝土应力，ΔTj(t)为t时刻温度变化量，α为混凝土碾压热膨胀系数，E(t)为t时刻碾压混凝土的弹性模量，t为碾压混凝土的龄期，j为第j个时段；
取碾压混凝土大坝某时间段应力的最大值为该时间段碾压混凝土大坝的最大应力。
6.根据权利要求5所述的碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，其特征在于：所述冷却时长为20天。
7.根据权利要求6所述的碾压混凝土大坝施工期通水冷却方法，其特征在于：所述延长通水冷却时间为10天。
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