CN113221400A - 低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法及系统，可客观准确地得到水温差、内部最高温度、水温、温降速率，并基于此对低热衬砌混凝土进行通水冷却，科学合理地实现温控防裂。通水冷却控温方法包括：步骤1.收集低热衬砌混凝土温控用资料；步骤2.计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温差；步骤3.计算低热衬砌混凝土内部最高温度；步骤4.计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温；步骤5.计算低热衬砌混凝土优化控制温降速率Vy＝0.73H+0.23C‑0.026HC‑0.12H2‑0.0022C2‑2.8；步骤6.根据通水冷却优化控制水温和优化控制温降速率优化衬砌低热混凝土通水冷却措施。
Description
技术领域
本发明属于混凝土温控防裂技术领域，具体涉及一种低热衬砌混凝土温差控制通水冷 却控温方法及系统。
背景技术
混凝土温控目标是控制温差，一是基础温差，二是内外温差(对于衬砌混凝土我们建 议是内表温差，见樊启祥、段亚辉等著《水工隧洞衬砌混凝土温控防裂创新与实践》)。因为基础温差不便于施工过程中控制，而最高温度＝基础温差+稳定温度便于检测和控制，稳定温度是混凝土结构最终的稳定值不会不会，所以设计和施工均是控制最高温度代替基础温差控制。埋设冷却水管通水冷却，是温控措施之一，目的自然也是控制内部最高温度和内外温差，同时还必须控制通水冷却水温差(混凝土温度与水温差)避免温降过快导致温度裂缝。
重力坝、拱坝等等大体积混凝土，对于通水冷却实现控制温差目标有明确的规定。一 般要求：初期通制冷水或低温河水，降低混凝土最高温度；中期可通河水降温，控制内外温差。初期通水冷却，时间应计算确定，可取10～20d，混凝土温度与水温之差不应超过25℃。 中期通水冷却，宜为1～2个月左右，通水水温与混凝土内部温度之差不应超过20～25℃。 日降温不超过1.0℃。即，通水冷却控制温差，需要控制通水冷却时间、水温差和温降速率。
衬砌混凝土通水冷却时间、水温和温降速率等控制，水工隧洞等有关规范条文中没有 相关规定。目前工程建设中只好参考采用混凝土重力坝(或者拱坝)设计、水工混凝土施 工等规范规定。但是，薄壁衬砌结构混凝土厚度小，一次性浇筑，混凝土覆盖冷却水管即开始通水冷却，与上部新浇混凝土情况相当，管周没有明显的温降过程，拉应力不大。因此，薄壁衬砌结构混凝土的通水冷却可以采用较低的水温，时间也可以短些，而且温降速率一般都较快。
其次，中热、低热等水泥配制混凝土热学、力学性能有显著差异，例如：低热水泥混凝土绝热温升低大约15％、最高温度滞后大约2d(见樊启祥、段亚辉等著《水工隧洞衬砌 混凝土温控防裂创新与实践》)，则通水冷却水温、时间均需要相应改变。因此温差控制的 通水冷却控制参数值也会显著差异，才可以达到优化温控防裂的目的。
发明内容
本发明是目的在于提供低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法及系统，可客观准 确地得到低热衬砌混凝土的水温差、内部最高温度、水温、温降速率等温控参数，并基于 此对低热衬砌混凝土进行通水冷却，科学合理地实现温控防裂。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
如图1所示，本发明提供低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，其特征在于，包 括以下步骤：
步骤1.收集低热衬砌混凝土温控用资料；
步骤2.计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温差△Twy(℃)：
△Twy＝7.2-2.41H+0.40C+0.13HC-0.3H2 (公式1)
式中：H为衬砌混凝土的厚度(m)；C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级(MPa)；
步骤3.计算低热衬砌混凝土内部最高温度Tmax(℃)：
Tmax＝15.3296H+0.3749C+0.3827T0+0.6821Tg+0.2399Ta-0.1547H×Tg-0.034T0×Tg-0.1767HC -0.1662H×Ta+0.366H×(Ta-Tmin)+6.0889 (公式2)
式中，T0为混凝土浇筑温度(℃)；Tg为通水冷却效应值(℃)；Ta为混凝土浇筑期洞内温度(℃)；Tmin为洞内气温年变化冬季最低温度(℃)；
步骤4.计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温Twy(℃)：
Twy＝Tmax-△Twy (公式3)
步骤5.计算低热衬砌混凝土优化控制温降速率Vy(℃/d)：
Vy＝0.73H+0.23C-0.026HC-0.12H2-0.0022C2-2.8 (公式4)
步骤6.根据通水冷却优化控制水温Tw和优化控制温降速率Vy优化低热衬砌混凝土通 水冷却措施。
优选地，本发明提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下 特征：Tg＝35-Tw，Tw为优化前拟定方案要求或设计的通水冷却水温度(℃)。如果没有拟 定通水冷却措施方案或者设计技术要求，考虑到实际工程Tw一般在12～22℃之间，则可以 取Tw＝17℃，取T0为当月平均气温+2℃估算。这样估算的Tmax值的误差一般小于1.0℃，基本不影响在第6步优化通水冷却水温。如果需要进一步提高优化精度，也可以在第6步确 定施工通水冷却优化水温后再返回本步骤计算Tmax，以及第4步计算优化控制水温Twy。
优选地，本发明提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以包括：通 水时间确定步骤.根据收集的温控用资料确定通水冷却优化时间Tj(d)：
Tj＝2.11×H+0.0042×C-0.0235×T0-0.0223×Tg+3.82 (公式5)
相应的，在步骤6中还根据该通水冷却优化时间Tj优化通水冷却措施。
优选地，本发明提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下 特征：在步骤6采取的通水冷却措施中，应控制通水冷却时间大于Tj。
优选地，本发明提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下 特征：在步骤6采取的通水冷却措施中，应控制水温在(Twy-1℃)～(Twy+2℃)范围内。
优选地，本发明提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下 特征：在步骤6采取的通水冷却措施中，应使通水冷却后低热衬砌混凝土的温降速率不超 过优化控制温降速率Vy。
优选地，本发明提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下 特征：采用控制处理装置计算通水冷却优化控制水温差△Twy、内部最高温度Tmax、通水冷 却优化控制水温Tw、优化时间Tj和优化控制温降速率Vy。
优选地，本发明提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，还可以具有以下 特征：采用控制处理装置执行步骤6，根据通水冷却优化控制水温Twy和优化控制温降速率 Vy确定通水冷却措施，并控制通水冷却系统对低热衬砌混凝土进行通水冷却养护。
<系统>
进一步，本发明还提供低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温系统，其特征在于，包 括：输入显示部，让操作员根据提示输入低热衬砌混凝土温控用资料；
存储部，对输入的温控用资料进行存储；
水温差计算部，基于温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控 制水温差△Twy：
△Twy＝7.2-2.41H+0.40C+0.13HC-0.3H2 (公式1)
式中：H为衬砌混凝土的厚度(m)；C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级(MPa)；
最高温度计算部，基于温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌结构混凝土内部最高 温度Tmax(℃)：
Tmax＝15.3296H+0.3749C+0.3827T0+0.6821Tg+0.2399Ta-0.1547H×Tg-0.034T0×Tg-0.1767HC -0.1662H×Ta+0.366H×(Ta-Tmin)+6.0889(公式2) 式中，T0为混凝土浇筑温度(℃)；Tg为通水冷却效应值(℃)；Ta为混凝土浇筑期洞内温 度(℃)；Tmin为洞内气温年变化冬季最低温度(℃)；
水温计算部，基于温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌结构混凝土通水冷却优化 控制水温Twy(℃)：
Twy＝Tmax-△Twy (公式3)
温降速率计算部，基于温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌混凝土优化控制温降 速率Vy(℃/d)：
Vy＝0.73H+0.23C-0.026HC-0.12H2-0.0022C2-2.8 (公式4)
水冷部，根据通水冷却优化控制水温Twy和优化控制温降速率Vy执行相应的通水冷却 措施；以及
控制部，与输入显示部、存储部、水温差计算部、最高温度计算部、水温计算部、水温计算部、温降速率计算部、水冷部均通信相连，控制它们的运行。
优选地，本发明提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温系统，还可以包括通水 时间计算部，与控制部通信相连，基于温控用资料，采用以下公式计算通水冷却优化时间 Tj：
Tj＝2.11×H+0.0042×C-0.0235×T0-0.0223×Tg+3.82 (公式5)
其中，水冷部还根据通水冷却优化时间Tj执行相应的通水冷却措施；
优选地，本发明提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温系统，还可以具有以下 特征：输入显示部还根据操作指令对计算部计算出的优化控制水温差△Twy、内部最高温度 Tmax、优化控制水温Twy、优化控制温降速率Vy进行显示。
优选地，本发明提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温系统，还可以具有以下 特征：输入显示部还根据操作指令对养护部执行的通水冷却措施进行显示。
另外，上述计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温差△Twy的公式1是以白鹤滩、 乌东德等巨型水电站泄洪洞工程低热衬砌混凝土为例，采用三维有限元法进行城门洞型断 面不同强度混凝土在不同通水冷却水温条件的温度与温度应力仿真计算，整理分析全过程 衬砌混凝土温控防裂效果，以获得全过程抗裂安全系数最大化为原则，求得不同强度最优 通水冷却水温和水温差。例如，1.0m厚度采取结构(图2)边墙C9030强度混凝土，通过表 1中8～22℃不同水温Tw情况仿真计算，求得衬砌混凝土全过程的抗裂安全系数K，整理K值最小的养护期K1和冬季的K2，然后作出K1、K2与水温Tw的关系曲线见图3。由于K1随着Tw增大、K2随着Tw减小，K1(Tw)与K2(Tw)两曲线的交点(图3)称为通水冷却 综合优化抗裂安全系数Ky，与Ky对应的通水冷却水温称为优化控制水温Twy、温降速率称 为优化控制温降速率Vy、水温差称为优化控制水温差△Twy。由此Ky、Twy，根据表1插值 可以求得1.0m厚度C9030混凝土水温差△Tcw即为△Twy、Tsd即为Vy。同样可以求得C9030、 C9040、C9025不同厚度H衬砌混凝土的△Twy、Vy值见表2。然后对△T1与强度C、厚度H 的关系进行分析研究，得到低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温差△Twy计算公式。
表1 1.0m衬砌C9030低热混凝土不同水温通水冷却温控特征值
表2不同强度与不同厚度低热衬砌混凝土的最优通水冷却水温差△Twy
计算低热衬砌混凝土内部最高温度Tmax公式2，是对采用低热水泥混凝土浇筑的白鹤滩、 乌东德水电站泄洪洞、发电洞、导流洞衬砌(实际工程)温控防裂仿真计算成果(155个方 案)汇总，见表3，然后进行分析研究即得公式2。
表3城门洞型断面低热水泥混凝土最高温度
注：表中符号意义同前。
计算优化控制温降速率Vy的公式4，同于公式1，同样是采用三维有限元法进行城门 洞型断面C9030、C9040、C9025不同强度低热混凝土在不同通水冷却水温条件的温度与温度 应力仿真计算，整理分析全过程衬砌混凝土温控防裂效果，以获得全过程抗裂安全系数最 大化为原则，求得不同强度优化控制温降速率。例如，1.0m厚度衬砌结构(图1)边墙C9030强度混凝土，通过表2中8～22℃不同水温Tw情况仿真计算，求得衬砌混凝土全过程的抗裂安全系数K，整理两个K值最小的养护期和冬季的K1、K2，然后作出K1、K2与水温Tw的 关系曲线见图3。由于K1随着Tw增大、K2随着Tw减小，K1(Tw)与K2(Tw)两曲线的交 点(图3)称为通水冷却综合优化抗裂安全系数Ky、优化控制水温Twy。与Ky对应的通水 冷却温降速率称为优化控制温降速率Vy。由此Ky、Twy，根据表2插值可以求得1.0m厚度 C9030混凝土水温差△Tcw即为△Twy、Tsd即为Vy。同样可以求得C9030、C9040、C9025不同 厚度H衬砌混凝土的△Twy、Vy值见表2。然后对这些数据进行统计分析得到优化控制温降 速率Vy计算公式4。
上述计算低热衬砌混凝土通水冷却优化时间Tj的公式5，是以白鹤滩、乌东德水电站 泄洪洞、发电洞低热衬砌混凝土为代表，进行不同厚度H、强度C、不同浇筑温度T0、不 同水温Tw通水冷却情况共251个方案仿真计算，获得最大内表温差发生龄期△Tmd(△ Tmd＝Tj-2)见表4，然后进行统计分析即得公式5。
表4低热衬砌混凝土最大内表温差发生龄期△Tmd及其统计误差分析
发明的作用与效果
本发明所提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法及系统的优点是：
(1)本方法可以适用于任何衬砌结构(包括不同土木工程类型、不同结构形式、不同 厚度、不同强度等)，进行衬砌低热混凝土通水冷却控温措施方案与参数优化。
(2)本发明方法科学性强。通水冷却优化控制时间、水温、温降速率计算公式，反映衬砌结构及低热混凝土性能对通水冷却效果的影响，并全面给出了其优化控制参数。
(3)依据公式1～4计算衬砌结构低热混凝土通水冷却优化控制水温差△Twy、内部最高 温度Tmax、水温Tw、温降速率Vy，能够获得衬砌混凝土温控防裂的最佳效果，切实保证低热衬砌混凝土结构的安全性。
附图说明
图1为本发明涉及的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法的流程图；
图2为水工隧洞城门洞型衬砌断面的结构示意图(图中尺寸单位：m)；
图3为本发明涉及的C9030低热混凝土不同厚度养护期K1和冬季K2与通水冷却水温Tw的关系图；
图4为本发明涉及的白鹤滩水电站泄洪洞上平段衬砌断面的结构示意图(图中尺寸单 位：cm)；
图5为本发明涉及的2#泄洪洞上平段第4单元衬砌边墙低热混凝土实测与有限元计算温 度历时曲线图(铅直轴：温度℃；水平轴：龄期d)；
图6为本发明实施例涉及的1#泄洪洞上平段144单元衬砌低热混凝土内部温度历时曲线 图。
具体实施方式
以下结合附图，以乌东德水电站泄洪洞工程有压段圆形断面低热衬砌混凝土为例，对 本发明涉及的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法及系统的具体实施方案进行详细 地说明。
<白鹤滩水电站泄洪洞工程低热衬砌混凝土温控资料>
白鹤滩水电站装机容量16000MW，是全世界第2大水电站(仅次于三峡)。枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。泄洪设施包括大坝的6个表孔、7个深孔和左岸的3条泄洪隧洞。3条泄洪洞布置在左岸，采用无压泄洪洞型式，均 由进水口(闸门室)、无压缓坡段、龙落尾段和出口挑流鼻坎组成，1#、2#泄洪洞龙落尾反 弧直接接挑流鼻坎，3#洞因地形条件限制，反弧末端接一段坡度为8％的下平段，再接出口 挑流鼻坎。
泄洪洞洞身段包括泄无压段和龙落尾段，均为为城门洞形断面，根据衬砌厚度和围岩 不同等特点，分成1.0m、1.2m、1.5m、2.5m四种厚度基本衬砌类型。泄洪洞衬砌混凝土设 计允许最高温度见表5。
表5泄洪洞衬砌混凝土施工期允许最高温度单位：℃
在混凝土浇筑和养护的全过程对混凝土进行温度控制，避免混凝土开裂，设计要求温 控措施包括：
(1)优化混凝土配合比、提高混凝土抗裂能力。
(2)合理安排混凝土施工程序和施工进度，并努力提高施工管理水平。
(3)控制混凝土内部最高温度。有效措施包括降低混凝土浇筑温度、减少胶凝材料水 化热温升、初期通水等。通水冷却时间，要求混凝土表面温度达到隧洞空气温度，一般要求10～20d。控制衬砌混凝土浇筑温度，4～9月为20℃；10月～次年3月为18℃。运输混凝 土工具应有隔热遮阳措施，缩短混凝土暴晒时间，减少混凝土运输浇筑过程中的温度回升。尽量避免高温时段浇筑混凝土，应充分利用低温季节和早晚及夜间气温低的时段浇筑。
<实施例一>2#泄洪洞上平段第4单元2.5m厚度低热衬砌混凝土通水冷却优化控温
2#泄洪洞上平段第4单元2.5m厚度衬砌结构见图4(衬砌后断面尺寸不变，只是厚度 为2.5m)，城门洞型断面，沿泄洪洞轴线方向每隔12m设置环向施工分缝，Ⅲ类围岩。混凝土分3期浇筑：先边墙、再顶拱、后底板。边墙和底板采用C9040低热混凝土，顶拱采用C9030低热混凝土，这里介绍边墙衬砌混凝土浇筑通水冷却优化控制。
如图2所示，本实施例提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，包括以下内 容：
步骤1.分析衬砌结构混凝土通水冷却温控有关资料，包括：收集与衬砌混凝土温控防 裂有关的资料，分析衬砌混凝土温控防裂的重要性、设计技术要求及施工温控措施方案。
白鹤滩水电站泄洪洞基本资料如前，泄洪洞为1级建筑物，泄洪流速高，衬砌混凝土 温控防裂非常重要。依据设计要求，高温季节4月浇筑需要控制浇筑温度≤18℃，采取制冷 水通水冷却等温控措施。最高温度控制≤42℃。2#泄洪洞上平段第4单元2.5m厚度边墙衬砌， C9040混凝土浇筑日期2017.4.12～4.14日。表面流水养护90d。
步骤2.计算低热衬砌混凝土通水冷却优化时间Tj：
将H＝2.5m，C＝40MPa，T0＝16.4℃，Tw＝12.0℃计算Tg＝23.0℃，代入公式5计算得Tj＝8.4d， 宜取9d。
步骤3.计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温差△Twy：
将H＝2.5m，C＝40MPa，代入公式1计算得△Twy＝28.3℃。
步骤4.计算低热衬砌混凝土内部最高温度Tmax：
将H＝2.5m，C＝40MPa，T0＝16.4℃，Tw＝12.0℃计算Tg＝23.0℃，Ta＝21.3℃，Tmin＝16℃， 代入公式2计算得Tmax＝43.09℃。
步骤5.计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温Twy：
将Tmax＝43.09℃，△Twy＝28.3℃，代入公式3计算得Twy＝14.79℃，宜取15℃。
步骤6.计算低热衬砌混凝土优化控制温降速率Vy：
是将H＝2.5m，C＝40MPa，代入公式4计算得Vy＝1.36℃/d。宜取小于1.36℃/d。
步骤7.优化低热衬砌混凝土通水冷却控温方案：
按照设计技术要求和上述计算优化通水冷却时间、水温、温降速率，进一步优化施工 温控通水冷却方案。
根据以上计算和设计技术要求，确定优化通水冷却温控方案为：浇筑温度≤18℃；通水 冷却水管单列间距1.5m布置，通水时间9d；温降速率按小于1.4℃/d控制。水温取15℃， 实际工程采用制冷水大约15℃。
效果：2#泄洪洞上平段第4单元2.5m厚度衬砌边墙，实际工程2017.4.12～4.14日浇筑， 浇筑期洞内温度21.3℃。采用商品混凝土出机口14℃，运输达到仓面浇筑温度16.4℃，低 于设计要求18℃；通水冷却水管按要求单列间距1.5m布置，通水时间9d，15.0℃制冷水通 水冷却。通过以上温控，实测混凝土内部温度历时曲线见图5，内部最高温度41.87℃，小 于设计允许值42℃；温降速率1.29℃/d，小于1.36℃/d。即：最高温度、温降速率均得到很 好的控制，取得最为经济有效的温控防裂效果。进一步采用有限元法模拟该边墙结构、衬 砌混凝土特性、浇筑与养护过程等仿真计算，在图5中作出中心温度历时曲线，与现场实测曲线非常一致，进一步说明本发明方法的科学性和温控优化的有效性。
以上结果表明：
1)内部最高温度41.87℃小于设计允许值42℃，温降速率1.29℃/d小于1.36℃/d。充 分说明本发明方法和计算公式推荐的通水冷却时间、水温是非常优化的。
2)通水冷却优化时间9d，明显短于大体积混凝土有关规范要求值10～20d，节约工程 施工费。
3)本发明优化控制水温差△Twy、内部最高温度Tmax、优化控制水温Tw、通水冷却时间Tj、优化控制温降速率Vy计算公式，科学反映了低热混凝土特性和衬砌结构特性以及施工温控措施，是获得最佳温控防裂效果(获得最大抗裂安全系数值)的通水冷却控制参数。
4)按照本发明方法计算通水冷却参数进行温控措施方案优化，最高温度、温降速率均 得到很好的控制，小于控制值，取得最为经济有效的温控防裂效果。
<实施例二>1#泄洪洞上平段第144单元衬砌结构低热混凝土水温差优化控制通水冷却控温
1#泄洪洞上平段洞身第144单元，城门洞形衬砌，边墙衬砌厚度1.0m，沿泄洪洞轴线方 向每隔12m设置环向施工分缝，Ⅲ类围岩，衬砌结构的底板和边墙为C9040低热水泥混凝土， 如图4所示。混凝土分3期浇筑：先边墙、后顶拱、最后底板。这里介绍边墙衬砌混凝土浇 筑混凝土水温差优化控制通水冷却控温。温控基本资料同上。采用常温自来水保湿养护90d， 通水冷却控制混凝土内部温度。
如图2所示，本实施例提供的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，包括以下 内容：
步骤1.分析衬砌结构混凝土通水冷却温控有关资料，包括：收集与衬砌混凝土温控防 裂有关的资料，分析衬砌混凝土温控防裂的重要性、设计技术要求及施工温控措施方案。
白鹤滩水电站泄洪洞为1级建筑物，水流流速近50m/s，混凝土温控防裂非常重要。依 据设计要求，需要采取有效措施包括通水冷却进行温控。混凝土温控、允许最高温度、温控防裂措施等技术要求如上。
根据以上工程资料，1#泄洪洞上平段洞身第144单元衬砌混凝土，需要控制浇筑温度、 采取通水冷却措施。将于5月18日浇筑，浇筑温度≤20℃，依据以上表5的设计要求上平段1.0m厚度衬砌混凝土的允许最高温度为38℃。浇筑时段：2019年5月18日02:00～5月 19日07:00时。
步骤2.计算低热衬砌混凝土最大内表温差发生龄期△Tmd：
将H＝1.0m，C＝40MPa，T0＝15.433℃，Tw＝13.5℃计算Tg＝21.5℃，代入公式5计算得 Tj＝5.21d。宜取6d。
步骤3.计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温差△Twy：
将H＝1.0m，C＝40MPa，代入公式1计算得△Twy＝25.69℃。
步骤4.计算低热衬砌混凝土内部最高温度Tmax：
将H＝1.0m，C＝40MPa，T0＝15.433℃℃，Tw＝13.5℃计算Tg＝21.5℃，Ta＝25.58℃，Tmin＝16℃， 代入公式2计算得Tmax＝39.77℃。
步骤5.计算低热衬砌结构混凝土通水冷却优化控制水温Twy：
将Tmax＝39.77℃，△Twy＝25.69℃，代入公式3计算得Twy＝14.08℃，宜取14～15℃。
步骤6.计算低热衬砌混凝土优化控制温降速率Vy：
是将H＝1.0m，C＝40MPa，代入公式4计算得Vy＝2.45℃/d。宜取小于2.45℃/d。
步骤7.优化低热衬砌混凝土通水冷却控温方案：
按照设计技术要求和上述计算优化通水冷却时间、水温、温降速率，进一步优化施工 温控通水冷却方案。
根据以上计算和设计技术要求，确定优化通水冷却温控方案为：浇筑温度≤18℃；通 水冷却水管单列间距1.5m布置，通水时间6d；温降速率按小于2.45℃/d控制。水温取14～15℃， 实际工程采用制冷水大约14℃控制。
效果：1#泄洪洞上平段洞身第144单元衬砌混凝土，2019年5月18日02:00～5月19日07:00时。为验证本发明方法公式计算通水冷却参数优化效果，左侧边墙采取本发明方法通水冷却优化参数，温控相关检测：平均浇筑温度15.433℃，低于设计要求18℃；实测浇 筑期洞内平均气温25.58℃；通水冷却平均水温14℃，通水时间6d。右侧边墙采取11d通 水冷却时间，其余参数不变。
两方案通水冷却水管都是单列间距1.5m布置。通过以上温控，实测混凝土内部温度历 时曲线见图6，左右侧边墙混凝土温度特性见表6。
表6 144单元衬砌低热混凝土内部温度与内表温差
| 部位 | 覆盖时温度/℃ | T<sub>max</sub>/℃ | 达到时间 | 温升/℃ | ΔT<sub>max</sub>/℃ |
| 左内 | 20.37 | 32.93 | 64.5h/2.7d | 12.56 | 3.19℃，2d |
| 左外 | 20.81 | 31.68 | 54h/2.25d | 10.87 | |
| 右内 | 20.12 | 34.25 | 66h/2.75d | 14.13 | 3.5℃，2d |
| 右外 | 20.06 | 32.62 | 54h/2.25d | 12.56 |
比较左侧(通水冷却6d)、右侧(通水冷却11d)温控观测成果，可以认识到：
1)左右侧边墙均采取了本发明优化控制水温通水冷却，最高温度均显著小于设计允许 值38℃，得到有效控制，说明通水水温是优化的。
2)右边墙混凝土覆盖时温度低于左边墙，但内部最高温度、最大内表温差、温升值， 都大于左边墙。但相关性、规律性非常一致。由于这些特征温度都发生在左右边墙停止通 水冷却之前，所以与是否停止通水冷却无关。
3)左侧边墙混凝土6d停止通水冷却后，至右侧边墙混凝土停止通水冷却之间的时间 段，内部和表层温度，一直是右侧边墙都高于左侧边墙，温降速度也是右侧边墙大于左侧 边墙。至11d(右侧停止通水冷却时间)混凝土左右侧边墙的内部、表层温度基本相同；见图6。所以，平均温降速度，左侧0.90℃/d，右侧0.99℃/d。左侧由于通水冷却时间短些， 温降速度小些，更有利于温控防裂。所以，对于厚度较小的衬砌结构，表面散热快，温降 速度快，合理减少通水冷却时间，只要能保证最高温度和最大内表温差得到有效控制，就 最有利于温控防裂。所以，推荐通水冷却时间是科学的、优化的。
综上分析表明，本发明水温差△Twy、内部最高温度Tmax、水温Twy、控制温降速率Vy、通水冷却时间Tj公式计算通水冷却参数是优化的，科学反映了低热混凝土特性和衬砌结构特性以及施工温控措施，是获得最佳温控防裂效果(获得最大抗裂安全系数值)的通水冷却控制参数。按照本发明方法计算通水冷却参数进行温控措施方案优化，最高温度、温降速率均得到很好的控制，小于控制值，取得最为经济有效的温控防裂效果。
以上实例结果表明，本发明方法可以适用于任何低热衬砌结构(包括不同土木工程类 型、不同结构形式、不同厚度等)，进行衬砌混凝土通水冷却优化控温，实现通水冷却温控 防裂最大优化和经济效益。
<实施例三>低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温系统
本实施例提供能够自动化实现上述低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法的系统， 该系统包括：输入显示部、存储部、水温差计算部、最高温度计算部、水温计算部、温降 速率计算部、通水时间计算部、水冷部以及控制部。
输入显示部让操作员根据提示输入收集到的低热衬砌混凝土温控用资料，并能够根据 操作指令对计算部计算出的优化控制水温差△Twy、内部最高温度Tmax、优化控制水温Twy、 通水冷却优化时间Tj、优化控制温降速率Vy进行显示。例如，输入显示部根据操作指令对 计算部计算出的优化控制水温差△Twy、内部最高温度Tmax、优化控制水温Twy、通水冷却优化时间Tj、优化控制温降速率Vy进行显示，还能够根据操作指令对养护部执行的养护措施进行显示。
存储部对输入的低热衬砌混凝土温控用资料进行存储。
水温差计算部基于低热衬砌混凝土温控用资料，采用以下公式计算通水冷却优化控制 水温差△Twy：
△Twy＝7.2-2.41H+0.40C+0.13HC-0.3H2 (公式1)
式中：H为衬砌混凝土的厚度；C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级；
最高温度计算部基于低热衬砌混凝土温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌结构混 凝土内部最高温度Tmax：
Tmax＝15.3296H+0.3749C+0.3827T0+0.6821Tg+0.2399Ta-0.1547H×Tg-0.034T0×Tg-0.1767HC -0.1662H×Ta+0.366H×(Ta-Tmin)+6.0889 (公式2)
式中，T0为混凝土浇筑温度；Tg为通水冷却效应值；Ta为混凝土浇筑期洞内温度；Tmin为 洞内气温年变化冬季最低温度；
水温计算部基于低热衬砌混凝土温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌混凝土通水 冷却优化控制水温Twy：
Twy＝Tmax-△Twy (公式3)
温降速率计算部基于低热衬砌混凝土温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌混凝土 优化控制温降速率Vy：
Vy＝0.73H+0.23C-0.026HC-0.12H2-0.0022C2-2.8 (公式4)
通水时间计算部与控制部通信相连，基于低热衬砌混凝土温控用资料，采用以下公式 计算低热衬砌混凝土通水冷却优化时间Tj：
Tj＝2.11×H+0.0042×C-0.0235×T0-0.0223×Tg+3.82 (公式5)
水冷部根据通水冷却优化控制水温Twy、通水冷却优化时间Tj、优化控制温降速率Vy执行相应的通水冷却措施。
控制部与输入显示部、存储部、水温差计算部、最高温度计算部、水温计算部、水温计算部、温降速率计算部、通水时间计算部、水冷部均通信相连，控制它们的运行。
上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的低热衬砌混凝 土温差控制通水冷却控温方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是 以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何 修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.收集低热衬砌混凝土温控用资料；
步骤2.计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温差△Twy：
△Twy＝7.2-2.41H+0.40C+0.13HC-0.3H2 (公式1)
式中：H为衬砌混凝土的厚度；C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级；
步骤3.计算低热衬砌混凝土内部最高温度Tmax：
Tmax＝15.3296H+0.3749C+0.3827T0+0.6821Tg+0.2399Ta-0.1547H×Tg-0.034T0×Tg-0.1767HC-0.1662H×Ta+0.366H×(Ta-Tmin)+6.0889 (公式2)
式中，T0为混凝土浇筑温度；Tg为通水冷却效应值；Ta为混凝土浇筑期洞内温度；Tmin为洞内气温年变化冬季最低温度；
步骤4.计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温Twy：
Twy＝Tmax-△Twy (公式3)
步骤5.计算低热衬砌混凝土优化控制温降速率Vy：
Vy＝0.73H+0.23C-0.026HC-0.12H2-0.0022C2-2.8 (公式4)
步骤6.根据通水冷却优化控制水温Tw和优化控制温降速率Vy优化低热衬砌混凝土通水冷却措施。
2.根据权利要求1所述的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，其特征在于，还包括：
通水时间确定步骤.根据收集的温控用资料确定低热衬砌混凝土通水冷却优化时间Tj：
Tj＝2.11×H+0.0042×C-0.0235×T0-0.0223×Tg+3.82 (公式5)
相应的，在步骤6中还根据该通水冷却优化时间Tj优化通水冷却措施。
3.根据权利要求2所述的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，其特征在于：
其中，在步骤6采取的通水冷却措施中，应控制通水冷却时间大于Tj。
4.根据权利要求1所述的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，其特征在于，还包括：
其中，在步骤6采取的通水冷却措施中，应控制水温在(Twy-1℃)～(Twy+2℃)范围内。
5.根据权利要求1所述的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，其特征在于：
其中，在步骤6采取的通水冷却措施中，应使通水冷却后低热衬砌混凝土的温降速率不超过优化控制温降速率Vy。
6.根据权利要求4所述的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，其特征在于：
其中，采用控制处理装置计算通水冷却优化控制水温差△Twy、内部最高温度Tmax、通水冷却优化控制水温Tw、优化时间Tj和优化控制温降速率Vy。
7.根据权利要求1所述的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温方法，其特征在于：
其中，采用控制处理装置执行步骤6，根据通水冷却优化控制水温Twy和优化控制温降速率Vy确定通水冷却措施，并控制通水冷却系统对衬砌混凝土进行通水冷却养护。
8.低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温系统，其特征在于，包括：
输入显示部，让操作员根据提示输入低热衬砌混凝土温控用资料；
存储部，对输入的温控用资料进行存储；
水温差计算部，基于温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温差△Twy：
△Twy＝7.2-2.41H+0.40C+0.13HC-0.3H2 (公式1)
式中：H为衬砌混凝土的厚度；C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级；
最高温度计算部，基于温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌混凝土内部最高温度Tmax：
Tmax＝15.3296H+0.3749C+0.3827T0+0.6821Tg+0.2399Ta-0.1547H×Tg-0.034T0×Tg-0.1767HC-0.1662H×Ta+0.366H×(Ta-Tmin)+6.0889 (公式2)
式中，T0为混凝土浇筑温度；Tg为通水冷却效应值；Ta为混凝土浇筑期洞内温度；Tmin为洞内气温年变化冬季最低温度；
水温计算部，基于温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌混凝土通水冷却优化控制水温Twy：
Twy＝Tmax-△Twy (公式3)
温降速率计算部，基于温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌混凝土优化控制温降速率Vy：
Vy＝0.73H+0.23C-0.026HC-0.12H2-0.0022C2-2.8 (公式4)
水冷部，根据通水冷却优化控制水温Twy和优化控制温降速率Vy执行相应的通水冷却措施；以及
控制部，与所述输入显示部、所述存储部、所述水温差计算部、所述最高温度计算部、所述水温计算部、所述水温计算部、所述温降速率计算部、所述水冷部均通信相连，控制它们的运行。
9.根据权利要求8所述的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温系统，其特征在于，还包括：
通水时间计算部，与所述控制部通信相连，基于温控用资料，采用以下公式计算低热衬砌混凝土通水冷却优化时间Tj：
Tj＝2.11×H+0.0042×C-0.0235×T0-0.0223×Tg+3.82 (公式5)
其中，所述水冷部还根据通水冷却优化时间Tj执行相应的通水冷却措施。
10.根据权利要求8所述的低热衬砌混凝土温差控制通水冷却控温系统，其特征在于：
其中，所述输入显示部还根据操作指令对所述计算部计算出的优化控制水温差△Twy、内部最高温度Tmax、优化控制水温Twy、优化控制温降速率Vy进行显示。
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| 雷文: "大型泄洪洞抗冲耐磨混凝土通水冷却温控研究", 四川水力发电, vol. 36, no. 6, 31 December 2017 (2017-12-31), pages 7 - 12 * |
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| CN113221400B (zh) | 2024-04-30 |
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