不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法

技术领域

本发明属于混凝土温控防裂技术领域，具体涉及不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方 法。

背景技术

重力坝等大体积混凝土埋设冷却水管通水冷却，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℃。由于温升阶段，混凝 土膨胀，目标是降低混凝土最高温度，降低幅度越大越好，所以宜在允许的条件下尽可能 降低初期水温。中期，是温降阶段，水温过低温降速度过快，可能导致早期低强度混凝土裂缝，也可能导致管周混凝土温度梯度过大而产生局部裂缝，所以必须控制水温并由此控制温降速率。

根据模拟混凝土浇筑过程对高混凝土拱坝初期水冷温度对水管周边混凝土的影响研究： 对于水管下部(层)老混凝土，这一水管通水冷却前，混凝土温度较高(20℃)，通水冷却 时，水管周边混凝土从较高温度迅速向水温靠近，离水管越近，温降速度越快，在水管周 边形成较大的温降幅度的梯度，且水温越低，温降幅度的梯度越大；对于水管上部的新浇 混凝土，混凝土浇筑的同时进行通水冷却，水管周边的混凝土未升至较高温度(初期为入 仓温度)，保持与水温较为接近的温度。虽然与水管距离的不同也有一定的温度梯度，但是 这些部位的温度与温度梯度一直保持不变，并没有发生大的变化。温度降低产生收缩变形， 温降幅度不均匀就会使得这一变形不均匀，从而产生自生约束，因此，水管下部的老混凝 土由于温降幅度的不均匀从而产生拉应力，而水管上部的新浇混凝土由于没有明显的温降 过程，拉应力不大。所以，多层浇筑大坝等大体积混凝土的通水冷却水温(即与内部混凝 土温差)由下层老混凝土管周不产生温度裂缝控制，允许水温差和温降速度较小。

衬砌是土木工程广泛采用的一种结构(图1)，水工隧洞等有关规范条文中没有关于衬 砌混凝土通水冷却时间、水温和温降速率等控制的规定。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：坝体混凝土与冷却水之间的温差 不宜超过20℃～25℃、通水冷却10～20d、日降温不超过1.0℃。

实际研究发现衬砌结构的强度不同，发热量和内部温度也会不同，通水冷却时间、能 够承担的水温差、温降速率等均会不同，因此优化通水冷却参数也应该根据强度进行相应 调整，但是，目前并没有根据强度来科学调控衬砌混凝土通水冷却时间、水温和温降速率 等参数的方法。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供不同强度衬砌砼通水冷却优化控 制方法，可客观准确地得到适用于不同强度衬砌砼的优化控制通水冷却时间、水温、温降 速率，并基于此对衬砌结构进行通水冷却，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2所示，本发明提供不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法，其特征在于，包括以 下步骤：

步骤1.获取衬砌砼通水冷却温控用资料；

步骤2.根据衬砌砼厚度计算通水冷却时间T

T

式中：H为衬砌砼的厚度；C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级；

步骤3.根据衬砌砼厚度计算通水冷却优化控制水温T

T

步骤4.根据衬砌砼厚度计算优化控制温降速率【V

【V

步骤5.根据通水冷却时间T

优选地，本发明提供的不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法，还可以具有以下特征： 在步骤5采取的通水冷却措施中，应控制通水冷却时间不小于T

优选地，本发明提供的不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法，还可以具有以下特征： 在步骤5采取的通水冷却措施中，应控制通水冷却时间在T

优选地，本发明提供的不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法，还可以具有以下特征： 在步骤5采取的通水冷却措施中，应控制水温在(T

优选地，本发明提供的不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法，还可以具有以下特征： 在步骤5采取的通水冷却措施中，应控制温降速率不超过【V

优选地，本发明提供的不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法，还可以具有以下特征： 采用控制处理装置执行步骤2至步骤4，计算通水冷却时间T

优选地，本发明提供的不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法，还可以具有以下特征： 还采用控制处理装置执行步骤5，根据通水冷却时间T

优选地，本发明提供的不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法，还可以具有以下特征： 还采用控制处理装置执行步骤1，让用户根据提示输入衬砌砼通水冷却温控用资料，并进行 存储。

优选地，本发明提供的不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法，还可以具有以下特征： 还采用控制处理装置根据用户指令对输入的信息、计算的结果和确定的通水冷却措施进行 显示。

另外，上述步骤2按衬砌结构强度计算通水冷却优化控制时间T

1)通水冷却时机控制参数分析

薄壁衬砌结构厚度小，只有一期通水冷却，目标是降低内部最高温度和控制内表温差。 通水冷却开始的时间是混凝土覆盖冷却水管的时间，即一开始就通水冷却。所以，通水冷 却时机需要确定的参数是通水时间T

因此，通过有限元法仿真计算不同厚度、不同强度衬砌混凝土的△T

2)溪洛渡泄洪洞衬砌结构混凝土仿真计算

溪洛渡泄洪洞不同结构段供仿真计算43个方案，见表1。其中，1～27为泄洪洞有压段； 28～40为泄洪洞无压段；41～43为龙落尾段硅粉混凝土。由于有的因素不影响衬砌混凝土T

表1 溪洛渡泄洪洞衬砌混凝土T

3)白鹤滩衬砌混凝土T

计算以白鹤滩水电站泄洪洞、发电洞衬砌混凝土温控方案为基础展开，其他有变化情 况都在备注栏中说明。其中，1～9为导流洞；10～17为泄洪洞。由于有的因素不影响衬砌混 凝土T

表2 白鹤滩地下水工衬砌混凝土T

4)乌东德衬砌混凝土T

计算以乌东德泄洪洞、发电洞衬砌混凝土温控方案为基础展开，其他有变化情况都在 备注栏中说明。其中，1～19为泄洪洞缓坡段；20～22为泄洪洞陡坡段；23～24为泄洪洞有压 段。25～26为发电洞有压段；27～28为发电洞无压段。表中混凝土强度等级，均为90d设计 强度。成果汇总列于表3。

表3 乌东德地下水工衬砌混凝土T

5)衬砌混凝土△T

对表1～表3中△T

△T

根据上述分析，工程中通水冷却时间宜适当大于△T

T

步骤3中按衬砌结构强度计算通水冷却优化控制水温T

表4 1.0m衬砌C

表5 不同强度衬砌混凝土的最优通水冷却水温

步骤4中按衬砌结构强度计算优化控制温降速率【V

表6 不同强度衬砌混凝土的最优允许温降速率

发明的作用与效果

本发明所提供的不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法的优点是：

(1)本方法可以适用于任何衬砌结构，进行不同强度衬砌砼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T

(3)依据公式1～3能够快速、方便地得到不同强度衬砌砼通水冷却优化控制时间、水 温差、温降速率，获得衬砌混凝土温控防裂的较佳效果，科学合理地实现温控防裂。

附图说明

图1为水工隧洞城门洞型衬砌砼的结构断面图(图中尺寸单位：m)；

图2为本发明涉及的不同强度衬砌砼通水冷却优化控制方法的流程图；

图3为本发明涉及的C

图4为本发明涉及的乌东德泄洪洞有压段0.8m厚度衬砌断面图；

图5为本发明涉及的乌东德泄洪洞无压缓坡段B型1.0m厚度衬砌断面图。

具体实施方式

以下结合附图，以乌东德水电站泄洪洞工程为例，对本发明涉及的不同强度衬砌砼通 水冷却优化控制方法的具体实施方案进行详细地说明。

<乌东德水电站泄洪洞工程衬砌砼温控资料>

乌东德水电站以发电为主，兼顾防洪、航运和拦沙等作用。电站装机容量10200MW。大坝为混凝土双曲拱坝，泄洪采用坝身泄洪为主，岸边泄洪洞为辅的方式。三条泄洪洞均采用有压洞后接门洞型隧洞，由进水口、有压洞段、工作闸门室、无压洞段、出口段、消 能水垫塘组成，出口采用挑流消能。泄洪洞有压洞为圆形断面(图4)，内径14m，衬砌厚 度为0.8m、1m，洞周围岩类别分别为Ⅱ、Ⅲ类围岩，衬砌混凝土C

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)混凝土原材料质量控制及配合比优化

控制混凝土细骨料的含水率6％以下，且含水率波动幅度小于2％。优化混凝土配合比， 降低混凝土胶凝材料用量；加强施工管理，提高施工工艺，改善混凝土性能，提高混凝土 防裂性能。在满足设计要求的混凝土强度、耐久性、和易性以及混凝土浇筑质量的前提下， 经监理人批准，尽量采用较大骨料粒径，改善混凝土骨料级配。

(2)合理安排混凝土施工程序和施工进度

合理安排混凝土施工程序和施工进度是防止基础贯穿裂缝，减少表面裂缝的主要措施 之一。应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

应采取必要的温控措施，使最高温度不超过设计允许最高温度(表7)。其有效措施包 括降低混凝土浇筑温度、减少胶凝材料水化热温升、初期通水冷却等。混凝土生产系统提 供满足出机口温度要求的拌制混凝土。本合同承包人负责出机口之后的混凝土运输、入仓 浇筑和养护期间的混凝土温度控制。根据计算成果分析，乌东德水电站泄洪洞缓坡段混凝 土浇筑温度建议按表7控制。如果实测温度不能满足设计允许最高温度，需要埋冷却水管 通水冷却。

(4)合理控制浇筑层厚和层间间歇期

各部位混凝土浇筑时，如果已入仓的混凝土浇筑温度不能满足有关要求时，应立即通 知监理人，根据监理人指示进行处理，并立即采取有效措施控制混凝土浇筑温度。

表7 泄洪洞衬砌混凝土施工期允许最高温度和浇筑温度单位：℃

<实施例一>泄洪洞有压段0.8m厚度C

泄洪洞有压段0.8m厚度衬砌结构断面见图4，沿泄洪洞轴线方向每隔12m设置环向施 工分缝，Ⅱ类围岩。混凝土分2期浇筑：先底拱、后顶拱。这里介绍顶拱衬砌混凝土浇筑通水冷却优化控制。

如图2所示，本实施例提供的不同强度薄壁衬砌混凝土通水冷却优化控制方法，包括以 下内容：

步骤1.分析薄壁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。

乌东德水电站泄洪洞基本资料如前所述，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5～8月浇筑需要控制浇筑温度≤22℃，采 取通水冷却等温控措施。最高温度控制≤44℃。

步骤2.按衬砌结构强度计算通水冷却优化控制时间T

由公式1计算。将有压段衬砌H＝0.8m、混凝土C

步骤3.按衬砌结构强度计算通水冷却优化控制水温T

将有压段衬砌H＝0.8m，混凝土C

步骤4.按衬砌结构强度计算优化控制温降速率【V

将有压段衬砌H＝0.8m，混凝土C

步骤5.优化薄壁衬砌结构混凝土通水冷却温控方案，是指按照设计技术要求和上述 计算通水冷却时间、水温、允许温降速率，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≤22℃，通 水冷却水管单列间距1.5m布置，通水时间6d，水温12℃，温降速率按2.0℃/d控制。

效果：对此方案(7月1日浇筑)采用有限元法仿真计算，结果：内部最高温度32.74℃ 出现在1.75d；最大内表温差3.47℃出现在4d；温降速率1.6℃/d。最高温度小于设计允许 值44℃，温降速率小于优化控制值2.0℃/d，而且通水冷却时间6d(远小于通常的10～20d， 节约温控费)恰好大于最大内表温差出现时间4d。最小抗裂安全系数达到1.71，远大于设 计要求1.5，不会发生温度裂缝。即：最高温度、内表温差、温降速率均得到很好的控制； 通水冷却时间恰好优化；取得最为经济有效的温控防裂效果。

<实施例二>泄洪洞缓坡段1.0m厚度C

泄洪洞缓坡段1.0m厚度B型衬砌结构见图5，城门洞形断面，Ⅲ类围岩。C

如图2所示，本实施例提供的不同强度薄壁衬砌混凝土通水冷却优化控制方法，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。同上，乌东德水电站泄洪洞基本 资料如前所述，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5～8月浇筑需要控制浇筑温度≤22℃，采取通水冷却等温控措施。最高 温度控制≤44℃。

步骤2.按衬砌结构厚度计算通水冷却时间T

由公式1计算。将B型衬砌H＝1.0m，C

步骤3.按衬砌结构厚度计算通水冷却优化控制水温T

将B型衬砌C

步骤4.按衬砌结构厚度计算优化控制温降速率【V

将B型C

步骤5.优化衬砌结构混凝土通水冷却温控方案，是指按照设计技术要求和上述计算 通水冷却时间、水温、允许温降速率，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≤22℃，通 水冷却水管单列间距1.5m布置，通水时间6.5d，水温12℃，温降速率按2.7℃/d控制。

效果：对此方案(7月1日浇筑)采用有限元法仿真计算，结果：内部最高温度40.5℃出现在2.5d；最大内表温差3.75℃出现在4.25d；温降速率1.8℃/d。最高温度小于设计允许值44℃，温降速率小于优化控制值2.7℃/d，而且通水冷却时间6.5d(远小于通常的10～20d， 节约温控费)恰好大于最大内表温差出现时间4.25d。最小抗裂安全系数达到1.77，远大于 设计要求1.5，不会发生温度裂缝。即：最高温度、内表温差、温降速率均得到很好的控制； 通水冷却时间恰好优化；取得最为经济有效的温控防裂效果。

<实施例三>泄洪洞陡坡段1.0m厚度C

泄洪洞陡坡段1.0m厚度衬砌结构，见图5，城门洞形断面，Ⅲ类围岩，C

如图2所示，本实施例提供的不同强度薄壁衬砌混凝土通水冷却优化控制方法，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：

乌东德水电站泄洪洞基本资料如前所述，泄洪洞为1级建筑物，特别是陡坡段泄洪流 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5～8月浇筑需要控制浇筑 温度≤22℃，采取通水冷却等温控措施。最高温度控制≤44℃。

步骤2.按衬砌结构厚度计算通水冷却时间T

由公式1计算。将C

步骤3.按衬砌结构厚度计算通水冷却优化控制水温T

将C

步骤4.按衬砌结构厚度计算优化控制温降速率【V

将C

步骤5.优化衬砌结构混凝土通水冷却温控方案：

按照设计技术要求和上述计算通水冷却时间、水温、允许温降速率，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≤22℃，通 水冷却水管单列间距1.5m布置，通水时间7.0d，水温11℃，温降速率按3.4℃/d控制。

效果：对此方案(7月1日浇筑)采用有限元法仿真计算，结果：内部最高温度40.65℃ 出现在2.5d；最大内表温差3.65℃出现在4.25d；温降速率2.6℃/d。最高温度小于设计允许 值44℃，温降速率小于优化控制值3.4℃/d，而且通水冷却时间7.0d(远小于通常的10～20d， 节约温控费)大于最大内表温差出现时间4.25d。最小抗裂安全系数达到1.75，远大于设计 要求1.5，不会发生温度裂缝。即：最高温度、内表温差、温降速率均得到很好的控制；通 水冷却时间恰好优化；取得最为经济有效的温控防裂效果。

综合以上分析，采用公式1～3计算通水冷却时间、水温，控制温降速率，可以获得最 佳的温控防裂效果。公式科学的反映了衬砌结构强度与通水冷却水温、时间、温降速率的 关系，实现通水冷却控制混凝土内部最高温度和最大内表温差，温降速度优化，抗裂安全 系数最大化，经济和温控效益最大化的目标。

以上实例结果表明，本发明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、不同强度、不同厚度等)，能够快速计算得到温控参数对衬砌砼进行通水冷 却优化控制，实现通水冷却温控防裂最大优化和经济效益。

本发明方法科学性强。衬砌结构混凝土通水冷却时间、水温、温降速率控制优化，计 算公式1～3综合反映了衬砌混凝土结构强度等主要参数的影响。

依据公式1～3计算衬砌结构混凝土通水冷却时间、水温、温降速率控制值，优化合理， 能够获得最大抗裂安全系数值，科学实现通水冷却控制混凝土内部最高温度和最大内表温 差的目标，温降速度优化，经济效益最大化。

上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的不同强度衬砌 砼通水冷却优化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。