CN111046457B - 一种施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型。混凝土拱坝温控曲线模型包括连续的四个分期。四个分期分别为(1)升温期，从混凝土拌合楼出机口到入仓浇筑后最高温度出现前；(2)降温期，从最高温度出现到达到拱坝设计的封拱温度，期间采用全程连续光滑的降温方案；(3)控温期，从达到封拱温度到通水换热结束；(4)回升期，从通水换热结束到拱坝整体建设完成，主要监测指标为温度回升。本发明提供的施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型应用于大体积中、低热混凝土拱坝的施工中，结合智能通水温控系统可实现对混凝土拱坝施工全周期的最高温度可控、温控过程可调、温控措施可优化，有效减小混凝土时空温度梯度，降低大坝的开裂风险。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种施工全周期混凝土拱 坝温控曲线模型。
背景技术
大坝混凝土施工期裂缝问题是一直未能得到有效解决的难题，其主要原 因除了施工阶段复杂的施工条件因素影响外，施工过程中很多温控措施的实 施难免受到人为因素的干扰。很多出现裂缝的混凝土坝是由于内部温度未能 真正的按照设计要求进行冷却或者进行表面保护，使得施工期坝体混凝土的 应力超标从而出现裂缝。
施工期温度应力过大是混凝土坝开裂的重要原因之一，拱坝混凝土的温 度问题主要应从控制温度和改善约束两方面来解决。目前拱坝的温控施工中 主要控制三大温差：基础温差、内外温差和上下层温差。基础温差通过最高 温度控制，内外温差通过表面保温和内部温度控制，上下层温差则通过混凝 土最高温度及合理的冷却过程控制。控制温差旨在减少混凝土浇筑过程中的 温度梯度，从而减少因温度梯度引起的温度应力。
目前大体积混凝土温控施工遵循“小温差、早冷却、慢冷却”的指导思 想，时间上采用一期(初期)冷却、中期冷却、二期(后期)冷却等措施控 制混凝土温度，空间上通过设置拟灌区、同冷区、过渡区、盖重区的分区冷 却过程控制空间的温度。例如，中国水利水电科学研究院于2013年提出了一 种混凝土坝理想温控曲线模型及利用其的智能控制方法(CN103603312A)， 基于仿真分析对传统的三期九段式温控过程进行了细化研究；中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司于2015年提出了一种用于混凝土拱坝的温控 防裂方法(CN105274968A)，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。但现有专利提出的温控曲线 模型主要是基于传统的“三期九段控降结合”的温控策略而制定的，这种策 略的设定是基于人工通水控制时期人为设定，实际应用中常造成了混凝土最 高温度控制达标率不高，温控过程不连续、温度梯度较大，温控措施优化不 力等不足，增加了大坝的开裂风险。同时传统的温控过程也仅关注大坝从浇筑完成到封拱灌浆的过程，没有考虑从浇筑前到浇筑后的连续过渡以及封拱 灌浆后混凝土温度的继续长期观测，即没有实现混凝土大坝施工全周期的温 控管理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型，应用 于大体积中、低热混凝土拱坝的施工中，实现对混凝土拱坝施工全周期的温 度监控，同时将传统分期分段的控温曲线调整为连续可导的光滑温控曲线， 从而真正减小混凝土多维度的温度梯度，降低大坝的开裂风险。
本发明所采用的技术手段是：
一种施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型，其特征在于，所述施工全周 期混凝土拱坝温控曲线模型包括连续的四个分期：(1)升温期；(2)降温期； (3)控温期；(4)回升期。
进一步地，所述升温期具体指从混凝土拌合楼出机口到浇筑后最高温度 出现前，具体可分为浇筑前和浇筑后两个阶段，主要控制目标为最高温度和 升温速率；采用的温控措施与技术手段包括对骨料进行预冷、加冷水或冰拌 和、运输隔热保温、坯层快速覆盖、及时覆盖保温被、仓面小环境控制和智 能通水冷却系统。
进一步地，所述降温期具体指从最高温度出现到达到封拱温度，期间采 用全程连续光滑的降温方案，主要控制目标为横缝张开和降温速率；采用的 温控措施与技术手段包括智能通水冷却系统、及时跟进外部保温措施、缝面 处理工艺和横缝开度实时在线监测。
进一步地，所述控温期具体指从达到封拱温度到冷却通水结束，具体可 分为横缝灌浆前和横缝灌浆后两个阶段；主要控制目标为封拱灌浆和温度变 幅；采用的温控措施与技术手段包括智能通水冷却系统、及时跟进外部保温 措施和智能灌浆系统。
进一步地，所述回升期具体指从冷却通水结束到拱坝建设完成，主要监 测指标为温度回升；采用的温控措施与技术手段包括长期测温系统和坝体温 度永久在线监测。
进一步地，所述曲线模型包括多个目标节点温度，所述目标节点温度的 值、出现时间及变化界限需根据实际工程特性，基于混凝土拱坝抗裂安全进 行动态优化调整。
进一步地，所述曲线模型各分期曲线的几何形状及变化界限需根据实际 工程特性，基于混凝土拱坝抗裂安全进行动态优化调整。
进一步地，所述目标节点温度主要包括出机口温度、入仓温度、覆盖温 度、准浇筑温度、浇筑温度、最高温度、封拱温度，节点温度可依据实际需 要动态增加或删减。
进一步地，所述施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型的使用方法包括以 下流程，参见附图2：
(1)对单仓温控曲线模型及其温控边界进行数学描述；
(2)通过全坝总温度梯度最小原则，或通过温度应力模型试验及施工全 周期仿真计算，对单仓温控曲线模型中的待定参数进行优化；
(3)将确定的单仓温控曲线模型输入智能通水温控系统中，通过智能通 水温控系统的精准控制，结合外部保温等其他综合温控措施，使实际温度历 程无线逼近目标温控曲线。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：
本发明提供的混凝土拱坝温控曲线模型应用于大体积中、低热混凝土拱 坝的施工中，可显著提高最高温控达标率，确保时空维度的温度梯度符合设 计要求、动态可调，减少温度应力，降低大坝开裂风险。通过将升温期浇筑 前和浇筑后动态联控提高了最高温度的达标率，通过连续的降温期确保时空 温度梯度可调，同时确保了横缝的张开与接缝灌浆的进行。通过回升期对结 束通水后混凝土温度的长期监测，确保了全生命周期温度数据的连续性，为 温度回升规律及分析大坝混凝土长期性能积累了基础数据。
附图说明
图1为施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型；
节点温度：T0-出机口温度、T1-入仓温度、T2-覆盖温度、T3-准浇筑温度、 Tp-浇筑温度、Tm-最高温度、Tc-封拱温度、Tt-回升温度；
图2位施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型使用方法；
图3为对比例“三期九阶段降温模型”；
图4为实施例降温期连续型降温曲线；
图5为对比例阶段降温灌区控温示意图；
图6为实施例连续降温灌区控温示意图；
图7为对比例阶段降温未灌区应力应变分析；
图8为对比例阶段降温同一仓的不同阶段；
图9为实施例连续降温的多仓应力分析；
图10为多仓连续降温控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述 的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实 施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获的所有其他 实施例，都属于本发明的保护范围。
以现有技术使用的“三期九阶段降温模型”为对比例阶段降温模型，参 见图3，三期九段温度过程首先是混凝土浇筑成型过程，要控制最高温度及 其降温速率，严格基础温差控制，称为混凝土温控的第一阶段，简称一期冷 却。第二是混凝土过冬(过夏季)过程，低温或高温季节要控制内外温差及 混凝土浇筑仓的上下层温差，这是混凝土温控的第二阶段，称为中期冷却； 第三是混凝土接缝灌浆过程，要控制混凝土冷却过程温差及灌浆层上部坝体 同冷层、盖重层和浇筑层的上下垂直温度梯度，这是混凝土的后期冷却阶段， 称为二期冷却。将本实施例连续降温模型(参见图4)和对比例阶段降温模 型在大体积中、低热混凝土拱坝的施工过程中的应力进行比较分析，具体结 果如下所述：
1、基本计算模型
假设混凝土水平方向上完全约束，则由广义虎克定理有:
由对称性整理上式得到式(2)。
在大坝的实际浇筑过程中，在接缝灌浆前，混凝土仓在水平方向上并不 受完全约束，而是受上下混凝土仓的约束，当某仓混凝土温度降低时，此仓 混凝土产生拉应力，而上下仓混凝土产生压应力，本实施例和对比例将用此 方法和应力应变叠加效应分析多仓温引起的温度应力情况。
2、对比例阶段降温方案的多仓温度应力分析
在阶段降温方案中，拟灌区在灌浆前要有1-2个同冷区的混凝土温度达 到封拱温度，如图5和图6所示。图5和图6也展示大坝向上浇筑过程中一 个周期的灌区变化和温度变化。
在下面温度应力分析中做如下简化：
(1)考虑已灌区接缝灌浆后约束程度高，并与温度变化仓隔着同冷区， 所以已灌区因未灌区温度变化而产生的应力应变很小，因此假设已灌区水平 应变为零；
(2)假设未灌区和已灌区接触面中心线为轴的力矩平衡，在力矩平衡分 析中，忽略接触面的应力力矩；
(3)假设在一期冷却中，混凝土强度较低，徐变较大，产生了温度应力 较小，并且一期冷却前的混凝土温度上升会抵消一部分一期冷却降温的温度 应力，忽略通水控温初期的入仓升温和一期冷却的温度应力。
上述三个假设在本实施例连续降温方案的多仓温度应力分析中仍然适 用。
坝段中未灌浆区域中，某一仓或某一灌区降温T，对应变做近似处理如 图7所示。
以未灌浆区域底部为轴，应力要满足力矩平衡，所以有：
设中间量：
则降温灌区拉应力为：
降温灌区下部压应力为：
降温灌区上部压应力为：
统一上面三式为：
cres为约束系数，中期冷却和二期冷却温度下降均为T＝4℃。
以一个同冷区为算例，计算cres(取x为该灌区的中心点)，计算过渡区 的中期冷却和同冷区的二期冷却引起的四个灌区温度应力的约束系数cres，结 果统计见表1。
表1阶段降温的约束系数cres
同一仓会依次经历不同阶段，如图8。
由叠加效应，同一仓的四个阶段的累积应力如表2。
表2一仓混凝土不同时间温度应力
3、实施例连续降温方案的多仓应力分析
在实施例连续降温方案中，某一时间段同冷区以上所有仓都有降温，且 降温幅度各不相同，温度应力分析如图9所示。
设某一时间段内，未接缝灌浆仓每仓各降温Ti，产生应变εi，则应力为：
其中T′i为应力等效温度变化量，即在水平位移完全约束状态下，产生相 同应力所需要得温度变化量。
对于任意已知工况和已知时间段，由连续降温方案可得到Ti，Ti随xi增大而 增大，且增大速度也越来越大，应变近似处理为
则由力矩平衡有：
联立式(11)、(12)和(13)可得到应力等效温度变化量
连续降温方案中一个浇筑循环周期分为3个过程，如图10所示。
过程1中，n＝11；过程2中，n＝12；过程3中，n＝13。整个周期中， xi＝3i-1.5。
计算3个过程中所有仓的应力等效温度变化量，结果统计见表3。
表3连续降温的应力等效温度变化量
由图9可知，一个灌区的上仓经历3个过程1，4个过程2，4个过程3； 中仓经历4个过程1，4个过程2，4个过程3；下仓经历4个过程1，4个过 程2，5个过程3。按照图10的关系，把表3的数据按仓与龄期对应关系整 理得表4。
表4一个灌区的三仓在各时间段的应力等效温度变化
表4数据表明，一个灌区的上中下三仓的温度应力差别不大，可以取平 均数表示其特征，即最低累积量-0.6775℃，总累积量0.6021℃，对应温度应 力为-0.247MPa和0.219MPa。
最终，把对比例阶段降温和实施例连续降温的关键数据统计见表5。
表5两种降温方案应力统计
如上所述，对比例阶段降温方案的最大拉应力为0.453MPa，发生在龄期 150d(二期冷却结束时)；实施例连续降温方案的最大拉应力为0.247MPa， 发生在龄期51d(对应对比例阶段降温方案中期冷却中间)，最大拉应力产 生时间提前100d左右，最大拉应力大小及产生时间有所改善。对比例阶段降 温方案残余应力为0.044MPa拉应力，实施例连续降温方案残余应力为 -0.219MPa压应力，由于混凝土抗压强度为抗拉强度的10-20倍，残余应力也有所改善。由此可见，本发明提供的施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型 应用于大体积中、低热混凝土拱坝的施工中，可实现对混凝土拱坝施工全周 期的温度监控，保证时空温度梯度可调控，有效地降低大坝的开裂风险。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本 领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
Claims (1)
1.一种施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型，其特征在于，所述施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型包括连续的四个分期：(1)升温期；(2)降温期；(3)控温期；(4)回升期；
所述施工全周期混凝土拱坝温控曲线模型的使用方法包括以下流程：
(1)对单仓温控曲线模型及其温控边界进行数学描述；
(2)通过全坝总温度梯度最小原则，或通过温度应力模型试验及施工全周期仿真计算，对单仓温控曲线模型中的待定参数进行优化；
(3)将确定的单仓温控曲线模型输入智能通水温控系统中，通过智能通水温控系统的精准控制，结合外部保温等其他综合温控措施，使实际温度历程无线逼近目标温控曲线；
所述升温期具体指从混凝土拌合楼出机口到浇筑后最高温度出现前，具体可分为浇筑前和浇筑后两个阶段，主要控制目标为最高温度和升温速率；采用的温控措施与技术手段包括对骨料进行预冷、加冷水或冰拌和、运输隔热保温、坯层快速覆盖、及时覆盖保温被、仓面小环境控制和智能通水冷却系统；所述降温期具体指从最高温度出现到达到封拱温度，期间采用全程连续光滑的降温方案，主要控制目标为横缝张开和降温速率；采用的温控措施与技术手段包括智能通水冷却系统、及时跟进外部保温措施、缝面处理工艺和横缝开度实时在线监测；
所述控温期具体指从达到封拱温度到冷却通水结束，具体可分为横缝灌浆前和横缝灌浆后两个阶段；主要控制目标为封拱灌浆和温度变幅；采用的温控措施与技术手段包括智能通水冷却系统、及时跟进外部保温措施和智能灌浆系统；
所述回升期具体指从冷却通水结束到拱坝建设完成，主要监测指标为温度回升；采用的温控措施与技术手段包括长期测温系统和坝体温度永久在线监测；
所述曲线模型包括多个目标节点温度，所述目标节点温度的值、出现时间及变化界限需根据实际工程特性，基于混凝土拱坝抗裂安全进行动态优化调整；
所述曲线模型各分期曲线的几何形状及变化界限需根据实际工程特性，基于混凝土拱坝抗裂安全进行动态优化调整；
所述目标节点温度主要包括出机口温度、入仓温度、覆盖温度、准浇筑温度、浇筑温度、最高温度、封拱温度，节点温度可依据实际需要动态增加或删减。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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