CN115469696B - 板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，包括：步骤1收集资料；步骤2实时计算容许内外温差【△T_nw】＝158.8H/L‑0.32C+0.24E‑0.49T_a+0.45H×C‑0.37H×E+18.44，H为板厚度；L为长边长度；C为强度等级；E为围岩变形模量；T_a为浇筑期洞内气温值；步骤3实时计算内外温差△T_nw＝38.8t_m‑4.14α×C+1.73C+0.55T₀‑0.13T_g‑0.76T_a‑0.69H×C+0.10H×T₀+0.003H×T_g+0.0005T₀×T_g‑77.34，t_m为模板拆除时间；α为粉煤灰掺量；T₀为浇筑温度；T_g通水温度效应值；步骤4确定保温措施。

Description

板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法

技术领域

本发明属于混凝土温度裂缝控制技术领域，具体涉及板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法。

背景技术

板式衬砌，在地下工程、高边坡、市政、路面等工程中广泛采用。由于板式衬砌的厚度远小于平面尺寸(长度、宽度)，按照坝工有关设计规范，厚度小于长度(或者宽度)的20％属于强约束区混凝土，在温差作用下容易产生温度裂缝。

内外温差是指混凝土内部最高温度与混凝土表面温度之差。板式衬砌结构厚度小，内外温差作用的几何梯度、时间梯度大，受到大的内外温差作用很容易产生温度裂缝、特别是表面裂缝。

不同结构和粉煤灰等不同掺合料混凝土水化过程差异，会导致混凝土内外温差的显著差异。这里以地下水工洞室工程中板式衬砌(图1)为例进行混凝土内外温差实时控制方法阐述。地下水工洞室和其他等有关规范条文中没有关于衬砌混凝土内外温差控制的规定。对于地下洞室洞内衬砌混凝土，由于洞内气温相对自然环境变幅小些，不会采取表面覆盖或者包裹保温，而是根据需要采取封闭洞口保温，但至今也没有过有关地下洞室洞内衬砌混凝土内外温差控制或者设计计算的专门研究。通水冷却既要降低内部最高温度，也要减小内外温差。但却没有针对地下洞室内部衬砌混凝土容许内外温差控制标准和快速设计、实时控制方法。

发明内容

本发明目的在于提供板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，以利于更优化、快速用于容许内外温差计算和实时封闭洞口保温，有效控制温度裂缝。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

如图2所示，本发明提供板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.收集板式衬砌混凝土温度裂缝控制有关资料，包括：收集分析地下洞室工程概况、水文气象等资料；和收集分析地下洞室板式衬砌混凝土温控设计技术要求；

步骤2.根据步骤1获取的资料实时计算板式衬砌结构混凝土容许内外温差【△T_nw】(℃)：

【△T_nw】＝158.8H/L-0.32C+0.24E-0.49T_a+0.45H×C-0.37H×E+18.44 (公式1)

式中：H为混凝土板厚度(m)；L为板式衬砌结构长边长度(m)；C为板式衬砌混凝土90d设计龄期强度等级(MPa)，如C₉₀40，则C＝40；E为围岩变形模量(GPa)；T_a为板式衬砌混凝土浇筑期洞内气温值(℃)；

步骤3.根据步骤1获取的资料实时计算板式衬砌结构混凝土内外温差△T_nw(℃)：

△T_nw＝38.8t_m-4.14α×C+1.73C+0.55T0-0.13T_g-0.76T_a-0.69H×C+0.10H×T₀+0.003H×T_g+0.0005T₀×T_g-77.34 (公式2)

式中：t_m为模板拆除时间(d)；α为粉煤灰掺量，例如20％掺量则α＝0.2；T₀为浇筑温度(℃)；T_g为通水温度效应值(℃)，T_g＝35-T_w，T_w为通水温度(当不进行通水冷却时，取T_w＝35℃)；

必须指出的是，衬砌混凝土采用28天龄期设计的强度等级时，需要按照规范换算为90天龄期设计的强度等级；如果采用挂帘保温，使得地下洞室空气温度提高，则T_a应该采用提高后的洞内空气温度；

特别说明的是，板式衬砌结构长边长度L，必须取宽度与长度中的大值；如下文表1中，分缝长度有6m、9m、12m三种的计算方案，长度均小于宽度，所以表中全部列入了宽度值；

步骤4.根据△T_nw和【△T_nw】实时确定洞口保温措施。

优选地，本发明提供的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，还可以具有以下特征：步骤4包括如下子步骤：

步骤4.1比较分析内外温差△T_nw是否超过容许值【△T_nw】；

步骤4.2如果△T_nw≤【△T_nw】，则不需要采取封闭洞口的保温措施；如果△T_nw＞【△T_nw】，则封闭洞口保温。

优选地，本发明提供的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，还可以具有以下特征：在步骤4.2中，如果【△T_nw】＜△T_nw≤【△T_nw】+3.0℃，则采取简易的挂帘封闭洞口保温措施，允许存在透风漏洞或者间隙；如果△T_nw＞【△T_nw】+3.0℃，则采取严格封闭洞口保温措施，基本不允许存在透风间隙。

优选地，本发明提供的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，还可以具有以下特征：如图3所示，简易的挂帘封闭洞口保温措施，是指采用厚度小的薄土工布、塑料薄膜等以悬挂方式布满洞口的封闭洞口方式，其各条/块之间结合不紧密，存在透风漏洞或者间隙；如图4所示，严格封闭洞口保温措施，是指采用厚实的保温被、棉毡等严格固定整体密封洞口的封闭洞口方式，封闭结构形成整体，不存在透风间隙。

另外，上述步骤2计算板式衬砌结构混凝土容许内外温差【△T_nw】的(公式1)通过如下方式证实其可靠性：以国内大型水工地下洞室工程为例，采用三维有限元法进行板式衬砌结构不同厚度和内半径、不同强度等级、不同洞内气温条件浇筑不同粉煤灰掺量衬砌混凝土在不同温控措施条件共127个方案的温度与温度应力仿真计算，并整理其中抗裂安全系数大于1.0共32个方案的内外温差列于表1，然后对这些数据进行统计分析得到。由于对应这32个方案的内外温差情况的抗裂安全系数K均大于1.0，所以只要板式衬砌结构混凝土内外温差不超过公式(1)计算值，就不会产生表面温度裂缝。所以，(公式1)计算值可以作为容许内外温差【△T_nw】。

表1板式衬砌混凝土内外温差仿真计算成果(K>1.0)

另外，上述步骤3计算板式衬砌结构混凝土内外温差△T_nw的(公式2)通过如下方式证实其可靠性：国内大型水工地下洞室为例，采用三维有限元法进行板式衬砌结构不同厚度和内半径、不同强度等级、不同洞内气温条件浇筑不同粉煤灰掺量衬砌混凝土在不同温控措施条件共127个方案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和内外温差列于表2，然后对这些数据进行统计分析，证实了计算结果与实测情况基本符合。

表2板式衬砌混凝土内外温差仿真计算成果

发明的作用与效果

本发明涉及的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，首次提出了适用于板式衬砌混凝土的实际内外温差△T_nw和容许内外温差【△T_nw】的高精度科学计算方法，全面考虑模板拆除时间、粉煤灰掺量、衬砌结构尺寸、混凝土强度、浇筑温度、通水冷却及其水温、浇筑期洞内气温等因素对板式衬砌混凝土实际内外温差△T_nw和容许内外温差【△T_nw】的影响，通过(公式1)和(公式2)计算得到【△T_nw】和△T_nw，基于内外温差与其容许值的比较分析，快速计算并实时确定洞口保温措施。本方法实施过程简便、精度高、能够快速计算容许内外温差、内外温差，有利于实时合理有效采取封闭洞口措施保温。

附图说明

图1为本发明涉及的水工地下洞室板式衬砌结构断面图(单位：m)；

图2为本发明涉及的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法的流程图；

图3为本发明涉及的白鹤滩导流洞简易封闭洞口保温和防止穿堂风的保温结构示意图；

图4为本发明涉及的白鹤滩泄洪洞洞口严格封闭洞口保温结构示意图；

图5为本发明涉及的导流洞B型1.5m厚度衬砌结构断面图(单位：cm)；

图6为本发明涉及的导流洞C型1.0m厚度衬砌结构断面图(边顶拱喷0.1m砂浆层，合计厚度1.1m)(图中单位：cm)；

图7白鹤滩导流洞洞内气温实测值与拟合曲线图。

具体实施方式

以下结合附图，以白鹤滩水电站导流洞工程不同部位板式衬砌结构混凝土为例，对本发明涉及的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法的具体实施方案进行详细说明。

<白鹤滩水电站导流洞工程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)。电站装机容量16000MW，多年平均发电量624.43亿kW·h。电站水库总库容206.27亿m³。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。地下厂房系统采用首部开发方案，分别对称布置在左、右两岸，厂房内各安装8台水轮发电机组。引水地下洞室采用单机单管供水，尾水系统为2台机共用一条尾水地下洞室的方式，左、右两岸各布置4条尾水地下洞室。

施工导流采用全年断流围堰挡水、地下洞室导流的方式，5条导流地下洞室分左、右两岸布置，左岸布置3条，右岸布置2条，从左岸至右岸依次为1#～5#导流地下洞室。5条导流地下洞室洞身净断面均采用17.5m×22.5m(宽×高)城门洞形，单洞过水断面面积369.39m2，全洞采用钢筋混凝土衬砌。导流地下洞室长1593.91～2019.94m，5条导流地下洞室总长9009.25m。导流地下洞室除进出口洞段采用厚2.0～2.5m衬砌外，其他洞身段采用厚1.0～1.5m衬砌(图5、图6)。

导流洞衬砌混凝土，由于是临时运用，只有发电尾水洞部分结合导流洞尾部有运用要求，所以设计没有提出温度控制要求。但为大坝、泄洪洞等永久工程积累低热水泥混凝土温控防裂经验，实际施工中对导流洞进行了实时温控防裂。根据有限元法仿真计算，提出允许最高温度见表3。浇筑温度控制标准，4～9月为18℃+常温水通水冷却，10月～次年3月为16℃。

表3导流洞衬砌混凝土允许最高温度(低热水泥)

工程部位	5～9月	3、4、10月	11、12、1、2月
				1.5m厚度B型衬砌	38	36	34
1.0m厚度C型衬砌	38	35	31

控制混凝土的浇筑温度和最高温度，从控制混凝土水化热、入仓温度、通水冷却、表面保护、综合管理等方面采取综合措施。

(1)控制水化热，包括：优化混凝土配合比，减少水泥用量；选用低热硅酸盐水泥，掺用优质粉煤灰和高效减水剂；浇筑低坍落度混凝土，底板、边墙混凝土入仓坍落度控制在5～8cm，顶拱泵送混凝土入仓坍落度控制在11～16cm；采用商品混凝土，出机口温度14℃控制。

(2)控制混凝土入仓温度和浇筑温度。混凝土拌合物运输，采取遮阳布等遮阳隔热措施，避免长时间暴晒或防雨，当外界气温高于23℃时，还应在装料前间断性的对车厢外侧进行必要的洒水降温，以降低车厢内的温度。混凝土入仓后，及时进行平仓振捣，加快覆盖速度，缩短暴露时间；气温较高时，对仓面进行喷雾，以降低混凝土仓内环境温度。

(3)通水冷却。冷却水管平行于水流方向埋设在厚度中间，衬砌厚度不大于1.5m时间距1.0m单排布置，采用高密度聚乙烯PVC管，外径Φ32mm，壁厚2mm。通水冷却流量控制在1.5～2.0m³/h，水流方向每24h改变一次。常温水，与混凝土内部最高温度差小于25℃。混凝土下料开始通水冷却，通水时间10d，通水结束时混凝土内部温度不超过25℃。

<实施例一>夏季浇筑导流洞1.5m厚度衬砌混凝土内外温差实时控制

导流洞B型城门洞形断面，衬砌厚度1.5m，轴向长度12m，Ⅳ类围岩，E＝10GPa。沿轴线方向每隔8m～12m(一般每隔12m)设置环向施工分缝，衬砌结构底板为C₉₀40、边墙和顶拱为C₉₀30低热混凝土，掺25％粉煤灰，如图5所示。混凝土分2期浇筑：先边顶拱、底板。洞内气温，根据实测资料为14～26。温控基本资料同上。

根据以上温控资料，由于是导流洞，施工单位在混凝土加之初期没有采取特别温控措施。实测夏季浇筑温度T₀＝25℃左右，拆模时间t_m＝3d。

如图2所示，本实施例提供的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法包括以下内容：

步骤1.分析板式衬砌结构混凝土温度裂缝控制有关资料。由于白鹤滩水电站属于巨型工程，导流洞为临时建筑物，依据设计要求，没有采取特殊措施进行温控。以夏季7月浇筑为例，洞内气温按余弦函数计算取整数T_a＝26℃。

步骤2.计算板式衬砌结构混凝土容许内外温差【△T_nw】，是以温控防裂难度大的边墙C₉₀30低热混凝土为例(根据溪洛渡等水电站泄洪洞工程经验，底板采用常态混凝土，一般不发生温度裂缝，下同)，将H＝1.5m、L＝12m、E＝10GPa、C＝30MPa、T_a＝26℃、α＝0.25代入(公式1)计算得【△T_nw】＝31.37℃。

步骤3.实时计算板式衬砌结构混凝土内外温差△T_nw，是将边墙衬砌混凝土的H＝1.5m、C＝30MPa、T_a＝26℃、α＝0.25、T₀＝25℃、t_m＝3d，不通水冷却T_g＝0代入(公式2)计算得△T_nw＝26.6℃。

步骤4.实时封闭洞口保温。包括：

步骤4.1比较分析内外温差△T_nw是否超过容许值【△T_nw】：△T_nw＝26.6℃<【△T_nw】＝31.37℃。

步骤4.2因为△T_nw＝26.6℃＜【△T_nw】＝31.37℃，故不需要采取封闭洞口保温措施。

<实施例二>冬季浇筑导流洞1.0m厚度衬砌混凝土内外温差实时控制

导流洞C型城门洞形断面，衬砌厚度1.0m，轴向长度12m，Ⅲ类围岩，E＝20GPa。沿轴线方向每隔12m设置环向施工分缝，衬砌结构底板为C₉₀40、边墙和顶拱为C₉₀30低热混凝土，掺25％粉煤灰，如图6所示。混凝土分2期浇筑：先边顶拱、后底板。洞内气温，根据实测资料为14～26。其它温控基本资料同上。

根据以上温控资料，由于是导流洞，施工单位在混凝土加之初期没有采取特别温控措施。实测冬季浇筑温度T₀＝16℃左右，拆模时间t_m＝3d。

如图2所示，本实施例提供的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法包括以下内容：

步骤1.分析板式衬砌结构混凝土温度裂缝控制有关资料。由于白鹤滩水电站属于巨型工程，导流洞为临时建筑物，依据设计要求，没有采取有效措施进行温控。以冬季1月浇筑为例，洞内气温按余弦函数计算取整数Ta＝14℃。

步骤2.计算板式衬砌结构混凝土容许内外温差【△T_nw】，是以温控防裂难度大的边墙C₉₀30低热混凝土为例(根据溪洛渡等水电站泄洪洞工程经验，底板采用常态混凝土，一般不发生温度裂缝，下同)，将H＝1.0m、L＝12m、E＝20GPa、C＝30MPa、Ta＝14℃、α＝0.25代入(公式1)计算得【△T_nw】＝26.11℃。

步骤3.实时计算板式衬砌结构混凝土内外温差△T_nw，是将边墙衬砌混凝土的H＝1.0m、C＝30MPa、Ta＝14℃、α＝0.25、T₀＝16℃、t_m＝3d，不通水冷却Tg＝0代入(公式2)计算得△T_nw＝28.97℃。

步骤4.实时封闭洞口保温。包括：

步骤4.1比较分析内外温差△T_nw是否超过容许值【△T_nw】。△T_nw＝28.97℃>【△T_nw】＝26.11℃。

步骤4.2因为△T_nw＝28.97℃＜【△T_nw】+3.0℃＝26.11℃+3.0℃＝29.11℃，则宜采取图3简易封闭洞口措施保温。

综合以上计算分析，夏季浇筑混凝土不需要封闭洞口保温，冬季浇筑衬砌混凝土需要采取图3简易封闭洞口措施保温，因此综合考虑采取简易的封闭洞口保温措施。

实际工程中，白鹤滩导流洞衬砌混凝土，夏季25℃左右浇筑，冬季16℃左右浇筑。2013年10月底开挖贯通，恰好在11月遭遇寒潮，洞内气温迅速降低，在12月初温度已经降低至14℃(见图7)。11月中旬开始陆续发现衬砌混凝土裂缝，据分析，与此洞内温度低、穿堂风作用密切相关。根据上述计算，需要封闭洞口保温。于是，三峡集团公司白鹤滩工程建设部立即要求施工单位采取封闭洞口保温。封闭洞口保温，于2013年12月底完成安装(结构见图3)，此后在自然环境冬季最低温度期(1-2月)洞内气温反而逐渐升高(图7)，封闭洞口保温取得洞内温度升高的明显效果。此后，继续进行裂缝跟踪检查，没有新产生温度裂缝(温度、温度裂缝控制效果，详见段亚辉，樊启祥等著《水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制理论与应用》，中国水利水电出版社，2021年11月)。表明了以上计算分析结果与工程实际情况是相符的，本方法能够实时快速进行洞内衬砌混凝土内外温差控制、封闭洞口保温，非常及时、取得温控防裂显著效果。

上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法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 (4)

1.板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1. 收集板式衬砌混凝土温度裂缝控制有关资料；

步骤2. 根据步骤1获取的资料实时计算板式衬砌结构混凝土容许内外温差【△T_nw】：

【△T_nw】=158.8H/L-0.32C+0.24E-0.49T_a+0.45H×C-0.37H×E+18.44（公式1）

式中：H为混凝土板厚度；L为板式衬砌结构长边长度；C为板式衬砌混凝土90d设计龄期强度等级；E为围岩变形模量；T_a为板式衬砌混凝土浇筑期洞内气温值；

步骤3. 根据步骤1获取的资料实时计算板式衬砌结构混凝土内外温差△T_nw：

△T_nw=38.8t_m-4.14α×C+1.73C+0.55T₀-0.13T_g-0.76T_a-0.69H×C+0.10H×T₀+0.003H×T_g+0.0005T₀×T_g-77.34（公式2）

式中：t_m为模板拆除时间；α为粉煤灰掺量；T₀为浇筑温度；T_g为通水温度效应值，T_g=35℃-T_w，T_w为通水温度；当不进行通水冷却时，取T_w=35℃；

步骤4. 根据△T_nw和【△T_nw】实时确定洞口保温措施。

2.根据权利要求1所述的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，其特征在于：

其中，步骤4包括如下子步骤：

步骤4.1 比较分析内外温差△T_nw是否超过容许值【△T_nw】；

步骤4.2 如果△T_nw≤【△T_nw】，则不需要采取封闭洞口的保温措施；如果△T_nw＞【△T_nw】，则封闭洞口保温。

3.根据权利要求1所述的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，其特征在于：

其中，在步骤4.2中，如果【△T_nw】＜△T_nw≤【△T_nw】+3.0℃，则采取简易的挂帘封闭洞口保温措施，允许存在透风漏洞或者间隙；如果△T_nw＞【△T_nw】+3.0℃，则采取严格封闭洞口保温措施，不允许存在透风间隙。

4.根据权利要求3所述的板式衬砌混凝土内外温差实时控制方法，其特征在于：

其中，简易的挂帘封闭洞口保温措施，是指采用厚度小的土工布、塑料薄膜以悬挂方式布满洞口的封闭洞口方式，其各条/块之间结合不紧密，存在透风漏洞或者间隙；

严格封闭洞口保温措施，是指采用厚实的保温被、棉毡严格固定整体密封洞口的封闭洞口方式，封闭结构形成整体，不存在透风间隙。