CN110184988A - 一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统及方法，包括喷水花管、抽水泵、温度传感器、流量计和控制系统等；若干喷水花管通过固定锚杆整齐分布于混凝土坝面；混凝土坝表面上覆盖6层12cm的XPS苯板上或喷涂有一层厚度为12cm的保温材料；若干喷水花管裸露于空气中的部分均采用保温材料包裹或喷涂保温材料；喷水花管均与主水管道连通，主水管道与位于深水区的抽水泵连通；本发明通过将喷水花管固定在坝面上，并在坝面固定一定数量的温度计，利用实时监控到的温度信息来调节花管开启数量及喷射温度、强度等，有效缓解坝面结冰温度，降低冰拔现象对坝面的损伤。
Description
技术领域
本发明属于抗冰拔的技术领域，具体涉及一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统及方法。
背景技术
高寒地区纬度高，冬季寒冷，为防止混凝土坝面发生低温冷冻破坏，需要对坝面进行永久保温。冬季在坝体上游面极易出现结冰现象，当上游面发生结冰后，在水位上升的情况下，因水的浮力作用，使冰块下部对坝面产生拔力作用，在水位下降的情况下，冰块上部会对坝面产生拔力作用，通过不断的对坝面拔、拉作用，会引起坝面损伤与开裂，可能引发渗漏，导致坝体局部破坏，严重者导致坝体整体的破坏，因此做好坝面的保温工作十分重要。
在库面封冰后继续蓄水，水库冰面抬高，会造成上游坝面向上的拔起，而当引水使库水位降低使冰面降低，会造成坝面向下的拔起作用，向上或向下的拔起作用即为冰拔现象。这种冰拔现象在高寒地区是非常普遍的，通常在混凝土坝面的上游面设置保温措施后，在冬季极易出现冰拔作用而导致保温措施的失效，引起坝面的损伤。
冰拔现象多存在于高冷、高寒地区的水利工程上。在老旧水利建筑上，由于没有保湿、保温层，冰拔直接作用在混凝土或者土石护坡上，虽然由于基层为刚性结构，但是由于具有一定的吸水性，冰层会牢固附着在水利建筑表面，造成水利建筑表面混凝土开裂破坏，内部石子、钢筋裸露等不利影响。对于目前高冷、高寒地区的新建水利工程，为了减少温度裂缝以及湿度裂缝，均会在建筑物表面进行有效的保湿、保温措施，如施工防水层或者是保温层等。这样冰推力以及冰拔破坏就会直接作用在保湿、保温层上。在冬季结冰的过程中，防水层以及保温层会受到冰推、冰拔破坏，如其不能有效抵御冰推力以及冰拔破坏，则会出现使用寿命缩短，甚至出现脱落等严重问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统及方法，以解决高寒区混凝土坝易出现冰拔现象的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统，其包括控制系统、若干喷水花管和抽水泵；若干喷水花管通过固定锚杆整齐分布于混凝土坝面，位于竖直方向的相邻喷水花管之间的间距为0.5m，位于水平方向的相邻喷水花管之间的间距为1m；混凝土坝表面上覆盖6层12cm的XPS苯板或喷涂一层厚度为12cm的保温材料；若干喷水花管裸露于空气中的部分均采用橡塑海绵保温材料包裹或喷涂聚氨酯保温材料；
若干喷水花管均与主水管道连通，主水管道与位于深水区的抽水泵连通；主水管道上安装有流量计和电磁阀；靠近所述单根喷水花管处至少安装一个温度传感器；所述温度传感器、流量计、电磁阀和抽水泵均与控制系统连接。
优选地，混凝土坝表面覆盖厚度不低于12cm保温材料，所述喷水花管通过固定锚杆固定在混凝土坝表面的保温材料上。
优选地，相邻温度传感器之间的间距为2m，且同一位置至少埋设两根温度传感器。
优选地，抽水泵扬程的计算方法为：
式中，H为水泵扬程，P1、P2分别为水管进出口处压力，v1、v2分别为水管进出口处流速，z1、z2分别为水管进出口高程，ρ为水的密度，g为重力加速度。
优选地，喷水花管出口流速可按下式计算：
S1v1＝NS2v2
其中，S1管道进口断面面积，S2为管道出口断面面积，v1为进口流速，v2为出口流速，N为水管出口个数。
一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔方法，包括：
S1、在混凝土坝面上覆盖XPS苯板或喷涂一层保温材料；
S2、将若干喷水花管通过固定锚杆固定在混凝土坝面上；
S3、实时采集、上传喷水花管四周的温度信息；
S4、将喷水花管裸露于空气中的部分采用橡塑海绵保温材料包裹或喷涂聚氨酯保温材料；
S5、根据接收的喷水花管四周的温度信息，控制抽水泵将深水区的水引入喷水花管中，并喷洒至混凝土坝面上。
一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔方法，包括：
T1、在混凝土坝面上覆盖XPS苯板或喷涂一层保温材料；
T2、将喷水花管设置于保温板之上，并将保温板固定在混凝土坝面上；
T3、实时采集、上传喷水花管四周的温度信息；
T4、将喷水花管裸露于空气中的部分采用橡塑海绵保温材料包裹或喷涂聚氨酯保温材料；
T5、根据接收的喷水花管四周的温度信息，控制抽水泵将深水区的水引入喷水花管中，并喷洒至混凝土坝面上。
一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔方法，包括：
B1、将若干喷水花管安装于混凝土坝面上；
B2、实时采集、上传喷水花管四周的温度信息；
B3、将喷水花管裸露于空气中的部分采用橡塑海绵保温材料包裹或喷涂聚氨酯保温材料；
B4、根据接收的喷水花管四周的温度信息，控制抽水泵将深水区的水引入喷水花管中，并喷洒至混凝土坝面上。
优选地，计算防止混凝土坝面出现结冰或使坝面冰块融化所需的总能量，坝面单位面积升高到目标温度所需要的能量为：
Q＝cama(t-t0)
其中，Q为坝面单位面积单位厚度所需等的热量，ca为空气比热，ma为坝面单位面积单位厚度空气的质量，t为目标温度，t0为实测坝面当前温度值。
本发明提供的高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统及方法，具有以下有益效果：
本发明通过将喷水花管固定在坝面上，并在坝面固定一定数量的温度计，利用实时监控到的温度信息调节喷水花管开启数量、喷射温度、强度等，有效缓解坝面结冰温度，降低冰拔现象对坝面的损伤。
附图说明
图1为高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统的系统控制结构图。
图2为高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统的坝体横剖面图。
图3为高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统的坝体纵剖面图。
其中，1、控制系统；2、混凝土坝；3、温度传感器；4、喷水花管；5、主水管道；6、流量计；7、抽水泵；8、电磁阀；9、保温层；10、冰体；11、上游面；12、坝体。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图2和图3，本方案的高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统及方法，包括控制系统1、若干喷水花管4和抽水泵7。
喷水花管4通过固定锚杆整齐分布于混凝土坝2面，喷水花管4可以为竖的蛇形布置，也可以为水平蛇形布置。
当混凝土坝2轴线较长时，可分段布置多根喷水花管4；单根喷水花管4长度随管径不同而不同，当管内径在1英寸(2.54cm)左右时，单根管长不大于250m。
喷水花管4通过一根主水管道5与抽水泵7相连，用于将深水区的水引入喷水花管4中；所有的喷水花管4使用保温材料进行包裹，防止冻管，水管中的循环液体可采用防水液，防冻指数根据坝所在地区的最低温度确定。
混凝土坝2表面上覆盖6层12cm的XPS苯板上或喷涂有一层厚度为12cm的保温材料，喷水花管4裸露于空气中的部分均采用保温材料包裹或喷涂保温材料，减少热量的散失。
多根喷水花管4均与主水管道5连通，主水管道5与位于深水区的抽水泵7连通；主水管道5上安装有流量计6和电磁阀8；靠近单根喷水花管4处至少安装一个温度传感器3；温度传感器3、流量计6、电磁阀8和抽水泵7均与控制系统1连接。
混凝土坝2表面覆盖至少一层保温板(保温层9)，保温板通过固定锚杆固定于混凝土坝2上，喷水花管4位于保温板与混凝土坝2之间，在喷水花管4将带有热量的水喷洒在混凝土坝2上时，可减少热量的损失，增加保温时间。
温度传感器3安装于混凝土坝2上，相邻温度传感器3之间的间距为2m，用于实时采集当前混凝土坝2面上的温度信息。
利用抽水泵7从深水区抽水对喷水花管4供水或从深水区抽取后加热后对喷水花管4供水，喷水花管4将水喷洒至混凝土坝面，避免结冰，避免产生冰拔现象。
控制系统1根据温度传感器3和流量计6测量结果控制电磁阀8工作状态，确保足够的水温及水量来防止坝面结冰或融冰，并将坝面温度实测结果实时反馈给控制系统1，控制系统1接受混凝土坝2信息，并控制电磁阀8的开启或关闭。
其中，抽水泵7扬程的计算方法为：
式中，H为水泵扬程，P1、P2分别为水管进出口处压力，v1、v2分别为水管进出口处流速，z1、z2分别为水管进出口高程，ρ为水的密度，g为重力加速度。
喷水花管4出口流速可按下式计算：
S1v1＝NS2v2
其中，S1管道进口断面面积，S2为管道出口断面面积，v1为进口流速，v2为出口流速，N为水管出口个数。
根据本申请的一个实施例，将保温材料加固在坝面上并在保温材料上安装喷水花管，其具体方法包括：
S1、在混凝土坝面上覆盖6层12cm的XPS苯板上或喷涂有一层厚度为12cm的保温材料；
S2、将若干喷水花管4安装于保温材料上，并固定于混凝土坝2面上；
S3、分布于喷水花管4四周的温度传感器3实时采集温度信息，并将所述温度信息传送至控制系统1；
S4、喷水花管4裸露于空气中的部分均采用保温材料包裹或喷涂保温材料；
S5、控制系统1根据接收的温度信息，控制水泵开启，将深水区的水引入喷水花管4中，喷洒至混凝土坝2面上。
根据本申请的一个实施例，装配喷水花管的复合型保温板安装在混凝土坝面上，其具体方法包括：
T1、在混凝土坝2面上覆盖一层保温板；
T2、将喷水花管4设置于保温板之上并将整体固定在混凝土坝面上；
T3、分布于保温板四周的温度传感器3实时采集温度信息，并将所述温度信息传送至控制系统1；
T4、喷水花管4裸露于空气中的部分均采用保温材料包裹或喷涂保温材料；
T5、控制系统1根据接收的温度信息，控制水泵开启，将深水区的水引入喷水花管4中，喷洒至混凝土坝2面上。
根据本申请的一个实施例，将喷水花管直接安装在混凝土坝面上，其具体方法包括：
B1、将若干喷水花管4安装于混凝土坝2面上；
B2、分布于喷水花管4四周的温度传感器3实时采集温度信息，并将所述温度信息传送至控制系统1；
B3、喷水花管4裸露于空气中的部分均采用保温材料包裹或喷涂保温材料；
B4、控制系统1根据接收的温度信息，控制水泵开启，将深水区的水引入喷水花管4中，喷洒至混凝土坝2面上。
其中，计算防止混凝土坝2面出现结冰或使坝面冰块融化所需的总能量，坝面单位面积升高到目标温度所需要的能量为：
Q＝cama(t-t0)
其中，Q为坝面单位面积单位厚度所需等的热量，ca为空气比热，ma为坝面单位面积单位厚度空气的质量，t为目标温度，t0为实测坝面当前温度值。
本发明通过将喷水花管4固定在坝面上，并在坝面固定一定数量的温度计，利用实时监控到的温度信息调节喷水花管4开启数量、喷射温度、强度等，有效缓解坝面结冰温度，降低冰拔现象对坝面的损伤。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (9)
1.一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统，其特征在于：包括控制系统、若干喷水花管和抽水泵；若干所述喷水花管通过固定锚杆整齐分布于混凝土坝面，位于竖直方向的相邻所述喷水花管之间的间距为0.5m，位于水平方向的相邻所述喷水花管之间的间距为1m；所述混凝土坝表面上覆盖6层12cm的XPS苯板或喷涂一层厚度为12cm的保温材料；若干所述喷水花管裸露于空气中的部分均采用橡塑海绵保温材料包裹或喷涂聚氨酯保温材料；
若干所述喷水花管均与主水管道连通，主水管道与位于深水区的抽水泵连通；所述主水管道上安装有流量计和电磁阀；靠近所述单根喷水花管处至少安装一个温度传感器；所述温度传感器、流量计、电磁阀和抽水泵均与控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统，其特征在于：所述混凝土坝表面覆盖厚度不低于12cm保温材料，所述喷水花管通过固定锚杆固定在混凝土坝表面的保温材料上。
3.根据权利要求1所述的高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统，其特征在于：相邻所述温度传感器之间的间距为2m，且同一位置至少埋设两根温度传感器。
4.根据权利要求1所述的高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统，其特征在于，所述抽水泵扬程的计算方法为：
式中，H为水泵扬程，P1、P2分别为水管进出口处压力，v1、v2分别为水管进出口处流速，z1、z2分别为水管进出口高程，ρ为水的密度，g为重力加速度。
5.根据权利要求1所述的高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统，其特征在于，所述喷水花管出口流速可按下式计算：
S1v1＝NS2v2
其中，S1管道进口断面面积，S2为管道出口断面面积，v1为进口流速，v2为出口流速，N为水管出口个数。
6.一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔方法，其特征在于，包括：
S1、在混凝土坝面上覆盖XPS苯板或喷涂一层保温材料；
S2、将若干喷水花管通过固定锚杆固定在混凝土坝面上；
S3、实时采集、上传喷水花管四周的温度信息；
S4、将喷水花管裸露于空气中的部分采用橡塑海绵保温材料包裹或喷涂聚氨酯保温材料；
S5、根据接收的喷水花管四周的温度信息，控制抽水泵将深水区的水引入喷水花管中，并喷洒至混凝土坝面上。
7.一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔方法，其特征在于，包括：
T1、在混凝土坝面上覆盖XPS苯板或喷涂一层保温材料；
T2、将喷水花管设置于保温板之上，并将保温板固定在混凝土坝面上；
T3、实时采集、上传喷水花管四周的温度信息；
T4、将喷水花管裸露于空气中的部分采用橡塑海绵保温材料包裹或喷涂聚氨酯保温材料；
T5、根据接收的喷水花管四周的温度信息，控制抽水泵将深水区的水引入喷水花管中，并喷洒至混凝土坝面上。
8.一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔方法，其特征在于，包括：
B1、将若干喷水花管安装于混凝土坝面上；
B2、实时采集、上传喷水花管四周的温度信息；
B3、将喷水花管裸露于空气中的部分采用橡塑海绵保温材料包裹或喷涂聚氨酯保温材料；
B4、根据接收的喷水花管四周的温度信息，控制抽水泵将深水区的水引入喷水花管中，并喷洒至混凝土坝面上。
9.根据权利要求6、7和8任意一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔方法，其特征在于，计算防止混凝土坝面出现结冰或使坝面冰块融化所需的总能量，坝面单位面积升高到目标温度所需要的能量为：
Q＝cama(t-t0)
其中，Q为坝面单位面积单位厚度所需等的热量，ca为空气比热，ma为坝面单位面积单位厚度空气的质量，t为目标温度，t0为实测坝面当前温度值。
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