CN112030889A - 适用于高寒地区碾压混凝土坝越冬层面的智能温控系统 - Google Patents

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李明超
张梦溪
张津瑞
杜胜利
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Tianjin University
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Abstract

本发明公开了适用于高寒地区碾压混凝土坝越冬层面的智能温控系统，包括：导电混凝土层、调压设备、温度采集设备和控制器，导电混凝土层铺设在碾压混凝土坝的顶面，在导电混凝土层上安装有至少1对铜网电极，调压设备与全部的铜网电极电连接，用于调节铜网电极的电压，调压设备和温度采集设备均与控制器连接，控制器读取温度采集设备的信号并向调压设备发送铜网电极的电压信号。本发明通过提供一种适用高寒地区混凝土坝的智能温控系统，能够根据环境温度在通电环境下实现越冬层面的动态智能升温保温，解决冬季高寒地区温差过大导致坝体混凝土开裂，以及传统方法温控精度低，施工成本高等问题，实现混凝土坝越冬层面的动态智能温控。

Description

适用于高寒地区碾压混凝土坝越冬层面的智能温控系统
技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域，具体来说涉及一种适用于高寒地区碾压混凝土坝越冬层面的智能温控系统。
背景技术
为充分开发水能资源，我国的建坝重心已逐渐向高寒地区转移，高寒地区通常指北纬35度以北、海拔2500m以上的地区，年平均气温不超过10℃，极端温差可达80℃。当冬季气温过低时，混凝土坝停止施工直至第二年气温回升，停工的上表面即为越冬层面，由于层面处内外温差过大，越冬层面处易形成较大的温度拉应力，进而造成越冬层面处混凝土开裂，如：辽宁观音阁碾压混凝土坝在1991年～1994年三个越冬层面的上、下游侧均出现了开裂现象；日本玉川碾压混凝土坝越冬层面的施工缝出现开裂；越冬层面处一旦出现水平裂缝，将会直接影响坝体的整体与安全，因此合理地控制坝体的内外温差已成为越冬层面防裂的关键问题。
为减少坝体混凝土与严寒环境的热交换并控制内外温差，目前多采用覆盖一定厚度的棉被或XPS苯板等外部措施作为保温层。但对于混凝土坝特别是基础强约束区等部位浇筑仓面较大，混凝土越冬时保温被层数可达15～20层，外部保温层的覆盖范围和覆盖厚度增加必然会提高施工成本同时降低施工效率，且外部保温措施难以实现高精度的温控，无法根据坝址所处的环境温度进行混凝土坝体内部温度的动态智能调整控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于高寒地区碾压混凝土坝越冬层面的智能温控系统，该智能温控系统着眼解决冬季高寒地区坝体内外温差过大、易造成越冬层面混凝土开裂、现有外部措施温控精度低、温差调整难度大等问题，实现高寒地区混凝土坝越冬层面混凝土温度的动态智能调控，为控制高寒地区混凝土坝开裂、保证大坝安全施工与运行提供新的思路。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种适用于高寒地区碾压混凝土坝越冬层面的智能温控系统，包括：导电混凝土层、调压设备、温度采集设备和控制器，所述导电混凝土层铺设在碾压混凝土坝的顶面，在所述导电混凝土层上安装有至少1对铜网电极，所述调压设备与全部的铜网电极电连接，用于调节所述铜网电极的电压，所述调压设备和温度采集设备均与所述控制器连接，所述控制器读取所述温度采集设备的信号并向所述调压设备发送铜网电极的电压信号。
在上述技术方案中，所述调压设备将所述铜网电极的电压控制在不超过36V，所述导电混凝土层的电阻率调节范围为100～35000Ω·cm。
在上述技术方案中，所述导电混凝土层为胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的混合物，按质量份数计，所述胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的比为(200～350)：(15～30)：(550～880)：(1100～1500)：(120～165)：(1.5～3)。
在上述技术方案中，所述胶凝材料为水泥、粉煤灰和/或矿渣。
在上述技术方案中，所述导电混凝土层的表观密度为2200～2500kg/m3。
在上述技术方案中，每对所述铜网电极包括：铜网正电极和铜网负电极。
在上述技术方案中，所述温度采集设备包括：用于监测环境的气体温度计和用于测定碾压混凝土坝内部温度的差阻式温度计。
在上述技术方案中，所述导电混凝土层的每天的温度变化范围为0～19.64℃。
在上述技术方案中，还包括：为所述导电混凝土层供电的电源，所述电源与调压设备电连接。
本发明的有益效果为：
本发明通过提供一种适用高寒地区混凝土坝的智能温控系统，能够根据环境温度在通电环境下实现越冬层面的动态智能升温保温，解决冬季高寒地区温差过大导致坝体混凝土开裂，以及传统方法温控精度低，施工成本高等问题，实现混凝土坝越冬层面的动态智能温控，为保证坝体安全运行提供技术支撑。
附图说明
图1为导电混凝土层设置在碾压混凝土坝的结构示意图；
图2为智能温控系统的电控结构示意图；
图3为碾压混凝土坝越冬层面导电混凝土层俯视结构示意图；
图4(a)为铺设导电混凝土层的碾压混凝土坝温度场仿真云图(计算机模拟)；
图4(b)为未铺设导电混凝土层的碾压混凝土坝温度场仿真云图(计算机模拟)；
图5为铺设导电混凝土层与否对碾压混凝土坝内部不同高程温度分布影响(计算机模拟)。
其中，1：导电混凝土层，2：碾压混凝土坝，3：电源，4：温度采集设备；5：DTU数据传输单元，6：控制器，7：调压设备，8：铜线，9：铜网电极。
具体实施方式
一种适用于高寒地区碾压混凝土坝越冬层面的智能温控系统，包括：导电混凝土层、调压设备、温度采集设备和控制器，导电混凝土层铺设在碾压混凝土坝的顶面，在导电混凝土层上安装有至少1对铜网电极，调压设备与全部的铜网电极电连接，用于调节铜网电极的电压，温度采集设备与控制器无线连接，调压设备与控制器电连接，控制器读取温度采集设备的信号并向调压设备发送铜网电极的电压信号，以实现根据实际温度环境调节导电混凝土层的输入电压
在上述技术方案中，调压设备将铜网电极的电压控制在不超过36V，导电混凝土层的电阻率调节范围为100～35000Ω·cm。
在上述技术方案中，导电混凝土层为胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的混合物，按质量份数计，胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的比为(200～350)：(15～30)：(550～880)：(1100～1500)：(120～165)：(1.5～3)。
在上述技术方案中，胶凝材料为水泥、粉煤灰和/或矿渣。
在上述技术方案中，导电混凝土层的表观密度为2200～2500kg/m3。
在上述技术方案中，每对铜网电极包括：铜网正电极和铜网负电极。
在上述技术方案中，温度采集设备包括：用于监测环境的气体温度计和用于测定碾压混凝土坝内部温度的差阻式温度计。
在上述技术方案中，导电混凝土层的每天的温度变化范围为0～19.64℃。
在上述技术方案中，还包括：为导电混凝土层供电的电源，电源与调压设备电连接。
下面以实验室小试和计算机模拟进一步说明本发明的技术方案，在实际应用过程中可达到相同的技术效果。
实施例1～3(实验室小试)
一种适用于高寒地区碾压混凝土坝越冬层面的智能温控系统，包括：导电混凝土层1、调压设备7、温度采集设备4和控制器6(stm32单片机)，如图1所示，导电混凝土层铺设在碾压混凝土坝2的顶面，在导电混凝土层侧面上安装有1对铜网电极9，每对铜网电极包括：铜网正电极和铜网负电极，铜网正电极和铜网负电极相同均为面积40×60mm的网格，网格由正方形方格组成，每个正方形方格的边长为0.6mm。铜网正电极和铜网负电极分别贴在导电混凝土层的相对侧面。调压设备通过铜线8与铜网电极电连接，用于调节铜网正电极和铜网负电极之间的电压，将电压控制在不超过36V，电源3(三相380V)与调压设备电连接，用于向铜网电极供电。温度采集设备与控制器无线连接，调压设备与控制器电连接，温度采集设备将采集的温度信息通过DTU数据传输单元无线传输至控制器，随后控制器向调压设备发送铜网电极的电压信号，以实现根据实际温度环境调节导电混凝土层的输入电压。温度采集设备包括：用于监测环境的K型热电偶气体温度计和用于测定碾压混凝土坝内部温度的NZWD-G2差阻式温度计。
基于上述方案，实施例1～3分别采用不同配方的导电混凝土层，调节导电混凝土层的电阻率。
实施例1所采用导电混凝土层为胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的混合物，按质量份数计，胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的比为300：25：873：1146：125：2。胶凝材料为水泥和粉煤灰，按质量份数计，水泥和粉煤灰的比为7:3。导电混凝土层的表观密度为2237kg/m3。导电混凝土层的电阻率为314.7Ω·cm。
实施例2所采用导电混凝土层为胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的混合物，按质量份数计，胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的比为300：22：873：1146：125：2。胶凝材料为水泥和粉煤灰，按质量份数计，水泥和粉煤灰的比为7:3。导电混凝土层的电阻率为502.5Ω·cm。
实施例3所采用导电混凝土层为胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的混合物，按质量份数计，胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的比为300：18：873：1146：125：2。胶凝材料为水泥和粉煤灰，按质量份数计，水泥和粉煤灰的比为7:3。导电混凝土层的电阻率为3074.4Ω·cm。
导电混凝土层在掺入导电材料炭黑进行改性后，导电混凝土层可看作半导体材料，该导电混凝土层可以把外加的电场能量直接转换为热能，实现混凝土材料在通电环境下的自发热功能，不必借助于棉被、保温板等外部措施保温，根据环境坝址温度环境，通过调整炭黑的掺量配比，可准确设计导电混凝土层的电阻率与导电性，减少高寒地区低温的气候环境对坝体的影响，减少坝体混凝土内外温差，降低碾压混凝土坝越冬层面开裂的可能。
当导电混凝土电阻率一定时，控制器6通过控制调压设备7输入不同等级的电压，即可保证导电混凝土层1产生的热量能够控制越冬层面内外温差处于温控要求内，不至因坝体越冬层面内外温差产生超过材料抗拉强度的拉应力而形成温度裂缝，以实现温度的动态智能控制。导电混凝土层的每天温度变化范围为0～19.64℃，高寒地区越冬层面停工时间一般为2～4个月，故产热量满足越冬层面处温升的需求。
根据气体温度计监测的环境温度与差阻式温度计监测的碾压混凝土坝内部温度的差值，计算导电混凝土层所需的温升ΔT，再根据式(a)计算导电混凝土层所需产生的总热量Q
Q＝CmΔT (a)
式中，C为导电混凝土层的比热容，m为待升温的导电混凝土层的质量；
在调压设备7调至电压U和通电时间t条件下，再根据公式(b)、(c)设计出产热满足要求的导电混凝土层电阻R与电阻率ρ，S为导电混凝土层侧面的面积，l为导电混凝土层在与侧面垂直方向上的长度。
R＝(U2/Q)t (b)
Figure BDA0002317817350000051
通过电阻率ρ可以确定导电混凝土层的配方。
在服役阶段，电源通电，每对铜网电极的铜网正电极和铜网负电极之间产生电流，导电混凝土层通过电阻损耗，将电流直接转化为焦耳热能；通过监测环境的温度以及碾压混凝土坝内部温度的分布，调整电压和供电方式，使得导电混凝土层产生不同的热量，使坝体混凝土温度满足地基容许温差、层间容许温差和内外容许温差三个温控标准，进而实现越冬层面的动态智能温控。
按照实施例1中导电混凝土层的配方，制备40mm×40mm×40mm的导电混凝土层，在室温25℃环境下，铜网电极接通36V直流电压后，导电混凝土层底部中心点A及距其左右各5mm的两个测点B、C的温度随通电时间的变化数据如表1所示，表明导电混凝土层可凭借通电的方式实现快速升温。
表1导电混凝土层电热特性(单位：℃)
Figure BDA0002317817350000052
Figure BDA0002317817350000061
实施例4(计算机模拟)
根据导电混凝土层的电热特性，采用有限元法模拟了最低气温-37℃的高寒气候条件下，选取碾压混凝土重力坝齿槽部分进行模拟分析，研究在218m高程位置布置导电混凝土层对碾压混凝土重力坝施工期温度场分布的影响，其中设置导电混凝土层的电热升温速率为10℃/天，浇筑至第一年越冬层面时坝体温度场分布规律如图4(a)、4(b)和5所示，图4(a)和4(b)图中颜色条由红至蓝所代表的温度依次递减，红色最高，蓝色最低，温度单位为℃，近越冬层面处温度最高可提升10.7℃表明铺设导电混凝土层能够有效提高越冬层面的内外温差，导电混凝土层的力学性能满足大坝混凝土的要求，可作为坝体的筑坝材料，完成保温作用后不必拆除，不会影响到施工进度，可为解决高寒地区筑坝越冬层面的温度裂缝问题提供一种新的思路。
导电混凝土层的施工包括铺筑、碾压和成缝过程，铺筑采用平层通仓法进行大仓面薄层连续铺筑，铺筑面积与铺筑强度及允许层间间隔时间相适应，当压实厚度小于等于300mm时，可一次平仓铺筑，当压实厚度较大时，可分2～3次铺筑，平仓后表面应平整，碾压厚度应均匀；碾压过程采用振动碾压机，行走速度在1.0～1.5km/h，碾压遍数需经现场试验确定，碾压厚度不小于骨料最大粒径的3倍，碾压条带间搭接宽度为100～200mm，达到越冬层面高程和规定碾压遍数后需进行1～2遍的无振碾压。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于高寒地区碾压混凝土坝越冬层面的智能温控系统，其特征在于，包括：导电混凝土层(1)、调压设备(7)、温度采集设备(4)和控制器(6)，所述导电混凝土层(1)铺设在碾压混凝土坝(2)的顶面，在所述导电混凝土层(1)上安装有至少1对铜网电极(9)，所述调压设备(7)与全部的铜网电极(9)电连接，用于调节所述铜网电极(9)的电压，所述调压设备(7)和温度采集设备(4)均与所述控制器(6)连接，所述控制器(6)读取所述温度采集设备(4)的信号并向所述调压设备(7)发送铜网电极(9)的电压信号。
2.根据权利要求1所述的智能温控系统，其特征在于，所述调压设备(7)将所述铜网电极(9)的电压控制在不超过36V，所述导电混凝土层(1)的电阻率为100～35000Ω·cm。
3.根据权利要求2所述的智能温控系统，其特征在于，所述导电混凝土层(1)为胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的混合物，按质量份数计，所述胶凝材料、炭黑、细骨料、粗骨料、水和减水剂的比为(200～350)：(15～30)：(550～880)：(1100～1500)：(120～165)：(1.5～3)。
4.根据权利要求3所述的智能温控系统，其特征在于，所述胶凝材料为水泥、粉煤灰和/或矿渣。
5.根据权利要求4所述的智能温控系统，其特征在于，所述导电混凝土层(1)的表观密度为2200～2500kg/m3。
6.根据权利要求5所述的智能温控系统，其特征在于，每对所述铜网电极(9)包括：铜网正电极和铜网负电极。
7.根据权利要求6所述的智能温控系统，其特征在于，所述温度采集设备(4)包括：用于监测环境的气体温度计和用于测定碾压混凝土坝(2)内部温度的差阻式温度计。
8.根据权利要求7所述的智能温控系统，其特征在于，所述导电混凝土层(1)的每天的温度变化范围为0～19.64℃。
9.根据权利要求8所述的智能温控系统，其特征在于，还包括：为所述导电混凝土层(1)供电的电源(3)，所述电源(3)与调压设备(7)电连接。
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