阅读说明：本技术 基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法 (Medium-heat lining concrete water cooling method based on maximum inner surface temperature difference age ) 是由 张润德 段亚辉 方朝阳 黎锦钊 张飞 李晓杰 张思盟 陈德尚 刘桂鑫 于 2019-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法,其特征在于包括：步骤1.收集衬砌结构中热水泥混凝土温控用资料；步骤2.计算衬砌结构中热水泥混凝土最大内表温差发生龄期d<Sub>Δtm</Sub>=-0.66×H+0.0004×C-0.0088×T<Sub>0</Sub>-0.0068×T<Sub>g</Sub>+5.02,H为衬砌结构中热水泥混凝土的厚度；C为衬砌结构中热水泥混凝土的强度等级；T<Sub>0</Sub>为衬砌结构中热水泥混凝土的浇筑温度；T<Sub>g</Sub>为通水冷却等效水温值,T<Sub>g</Sub>=35-T<Sub>w</Sub>,T<Sub>w</Sub>为通水冷却水温,步骤3.基于d<Sub>Δtm</Sub>确定通水冷却时间d<Sub>j</Sub>；步骤4.根据通水冷却时间d<Sub>j</Sub>进一步优化衬砌中热混凝土通水冷却措施,科学合理地实现温度裂缝。(The invention provides a medium-heat lining concrete water-feeding cooling method based on the age of the maximum inner surface temperature difference, which is characterized by comprising the following steps of: step 1, collecting data for temperature control of hot cement concrete in a lining structure; step 2, calculating the maximum inner surface temperature difference occurrence age d of the hot cement concrete in the lining structure Δtm =‑0.66×H+0.0004×C‑0.0088×T 0 ‑0.0068×T g +5.02, H is the thickness of the hot cement concrete in the lining structure; c is the strength grade of the hot cement concrete in the lining structure; t is 0 The pouring temperature of the hot cement concrete in the lining structure; t is g For cooling by passing water equivalent water temperature value, T g =35‑T w ，T w Cooling the water temperature by passing water, step 3. based on d Δtm Determining the cooling time d of water j (ii) a Step 4, cooling time d according to water j Further optimizing the water cooling measure of hot concrete in the lining, and scientifically and reasonably realizing temperature cracks.)

基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法

技术领域

本发明属于混凝土温控防裂技术领域，具体涉及一种基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法。

背景技术

衬砌是土木工程广泛采用的一种结构。衬砌混凝土由于水泥等胶凝材料的水化热作用会升温而产生很高的内部温度，如三峡水利枢纽永久船闸中输水洞衬砌混凝土内部最高温度达到近60℃，小浪底水电站输水洞衬砌混凝土内部最高温度达到70℃余。衬砌结构的厚度小，大多强度高(如大型水电站泄洪洞强度达到C50、C60)，内部温度高，温降幅度大，温升温降速度快，受到围岩和支护结构等极强约束的薄壁衬砌，在施工期容易发生温度裂缝，而且大多是贯穿性危害裂缝。温差是产生温度应力的根本原因，温差越大，产生的拉应力越大，也越容易产生温度裂缝。温差包括基础温差和内表温差。最大内表温差发生早，混凝土早期强度低，早期温降就容易产生温度裂缝。因此，最大内表温差发生龄期也是评价衬砌结构混凝土温控防裂性能的重要指标。

如图1是三板溪水电站泄洪洞衬砌混凝土早期裂缝情况，早期裂缝的处理严重影响工程的进度工期和造价，未能修复完善的贯穿性裂缝(一般都难以达到原混凝土结构性能)严重影响衬砌结构的耐久性和寿命，甚至导致渗漏和威胁工程安全。喷射状态的漏水(东深供水雁田隧洞)还直接危害人的健康与舒适度。

最大内表温差发生龄期，至今没有计算方法，也没有得到重视。一般只是在采用有限元法进行温度、温度应力的计算分析时，顺便进行最大内表温差发生龄期的简要介绍。

同时，在混凝土内埋设冷却水管通水冷却，可以有效降低结构混凝土内部最高温度和内表温差，是一种很有效的温控防裂施工措施。在地下水工衬砌混凝土温控防裂中采取通水冷却措施，最早于1999年在研究三峡永久船闸地下输水洞衬砌混凝土温控防裂中提出，在中隔墩输水洞衬砌混凝土温控施工中采用，取得良好效果。后来，在三峡右岸地下电站发电洞有压段衬砌混凝土温控防裂施工中采用。特别是，在溪洛渡、白鹤滩、乌东德等水电站地下工程混凝土温控防裂施工中全面采用，取得显著成效。如图2是白鹤滩水电站泄洪洞衬砌混凝土采用埋设水管通水冷却情况。

但现行有关设计规范对于地下洞室工程衬砌混凝土温度控制与通水冷却一般都缺乏明确与具体的规定，水利水电枢纽工程中地下洞室衬砌混凝土的通水冷却都是参考大坝大体积混凝土通水冷却的方法。但大坝通水冷却控制指标(分期、通水时间、温降速度等)都不适用。因此各个工程通水冷却时间也不同，白鹤滩水电站设计要求通水时间15～30d，乌东德和溪洛渡水电站要求15d，白鹤滩水电站设计要求温降速度小于1.0℃/日。一方面是通水冷却的时间(由于只有一期通水，而且是混凝土浇筑即开始通水，所以实际是通水冷却龄期)没有科学依据；二是衬砌混凝土在不通水冷却情况的温降速度大多已经超过1.0℃/日，要求小于1.0℃/日，明显不合理。而且，在通水冷却的过程中，都是采用人工控制，温度控制效果与人的责任心、天气等环境影响都有关系。

综合以上情况说明，最大内表温差发生龄期是评价衬砌结构温控防裂性能的重要指标，但至今仍然没有计算方法，有效降低结构混凝土内部最高温度和内表温差的通水冷却措施，其通水冷却时间没有科学确定方法。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法，可得到衬砌结构中热水泥混凝土最大内表温差发生龄期，并基于此对衬砌结构中热水泥混凝土进行通水冷却，科学合理地实现温度裂缝。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

如图3所示，本发明提供一种基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.收集衬砌结构中热水泥混凝土温控用资料；

步骤2.计算衬砌结构中热水泥混凝土最大内表温差发生龄期d_Δtm：

d_Δtm＝-0.66×H+0.0004×C-0.0088×T₀-0.0068×T_g+5.02(公式1)，单位为：天；

上式中：H为衬砌结构中热水泥混凝土的厚度(m)；C为衬砌结构中热水泥混凝土的强度等级(MPa)；T₀为衬砌结构中热水泥混凝土的浇筑温度(℃)；T_g为通水冷却等效水温值(℃)，T_g＝35-T_w，T_w为通水冷却水温(℃)；

步骤3.基于d_Δtm确定通水冷却时间d_j；

步骤4.根据通水冷却时间d_j进一步优化衬砌中热混凝土通水冷却措施。

优选地，本发明提供的基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，当未进行通水冷却时，取T_w＝35℃。

优选地，本发明提供的基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，d_j＝d_Δtm+1(公式2)，单位为：天。取d_j＝d_Δtm+1，是根据大量的有限元法仿真计算和现场通水冷却温控试验确定的，这样取值可以在实现有效降低混凝土内部最高温度、最大内表温差的同时，确保混凝土内部温度不会再回升，在最优时间实现温控防裂目标。

优选地，本发明提供的基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法，还可以具有以下特征：采用控制处理装置执行步骤2和步骤3，计算衬砌结构中热水泥混凝土最大内表温差发生龄期d_Δtm和通水冷却时间d_j。

优选地，本发明提供的基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法，还可以具有以下特征：还采用控制处理装置执行步骤4，根据通水冷却时间d_j控制通水冷却系统对衬砌结构中热水泥混凝土进行通水冷却，实现控温防裂。通水冷却系统应事先铺设和安装在衬砌结构中热水泥混凝土上。通水冷却系统中的通水冷却管采用蛇形布置方法，从下至上布置，中心区应适当增加其布置密度。

另外，上述步骤2所提出的计算衬砌中热水泥混凝土最大内表温差发生龄期d_Δtm公式1是以溪洛渡巨型水电站泄洪洞、发电洞、导流洞工程中热水泥混凝土衬砌为例，采用三维有限元法进行不同断面形式和尺寸、不同衬砌厚度、不同强度等级、不同浇筑温度、不同通水冷却水温等78个方案仿真计算，获得中热水泥混凝土最大内表温差发生龄期(见下表1)，然后对这些数据进行创造性的分析和研究得到。

表1溪洛渡水电站泄洪洞、发电洞、导流洞衬砌中热水泥混凝土最大内表温差发生龄期

发明的作用与效果

本发明所提供的基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法的优点是：

(1)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)，进行衬砌中热混凝土最大内表温差发生龄期计算和早期温升温降特性分析，

(2)本发明方法科学性强。衬砌中热水泥混凝土最大内表温差发生龄期d_Δtm计算公式，综合反映了衬砌中热水泥混凝土结构厚度、强度等级、浇筑温度以及通水冷却及其水温等主要参数的影响。

(3)依据公式计算推荐中热水泥衬砌混凝土通水冷却时间d_j，优化合理，科学保证衬砌混凝土内部温度不会回升，能够有效实现温控防裂。

附图说明

图1为背景技术中涉及的三板溪水电站泄洪洞裂缝情况图，其中(a)为整体图，(b)为局部放大图；

图2为背景技术中涉及的白鹤滩水电站泄洪洞边墙衬砌混凝土通水冷却水管布置图；

图3为本发明实施例中涉及的基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法的流程图；

图4为本发明实施例中涉及的溪洛渡泄洪洞1.0m厚衬砌混凝土结构断面图；

图5为本发明实施例中涉及的溪洛渡泄洪洞1.0m厚中热衬砌混凝土边墙中央断面代表点温度历时曲线图。

具体实施方式

以下结合附图，以溪洛渡水电站泄洪洞工程衬砌结构中热混凝土为例，对本发明涉及的基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法的具体实施方案进行详细地说明。

<溪洛渡水电站泄洪洞衬砌结构中热混凝土基本资料>

溪洛渡水电站泄洪消能的特点：水头高、泄量大、河谷狭窄，泄洪功率大，泄洪功率堪称拱坝枢纽世界之最。根据枢纽总泄流能力要求及坝址区的地形地质条件、水文特性、水库调度运行方式并兼顾施工中后期导流，泄洪消能建筑物由坝身7个表孔+8个深孔，坝后设水垫塘；左右岸边各布置2条有压接无压洞内龙落尾泄洪隧洞组成。

有压洞由直段和弯段组成，洞径15.0m。弯段转弯半径200m，圆心角62°，末端为圆变方压坡连接段，压坡连接段长度为25.00m，将15m高的圆形洞渐变至12m×14m，后接弧形工作闸门室。

无压隧洞段始于弧形工作闸门室后，由上直坡段、渥奇曲线段、斜坡连接段、反弧曲线段以及下直坡段等组成，无压洞断面尺寸为14m×19m(宽×高)，断面形式为圆拱直墙型，围岩类别与有压段相同，围岩为Ⅱ、Ⅲ₁、Ⅲ₂、Ⅳ四类，其中Ⅱ类围岩，开挖宽度15.70m，高度20.65m，衬砌厚度0.85m；Ⅲ₁类围岩：开挖宽度16.20m，高度21.10m，衬砌厚度1.0m；Ⅲ₂类围岩：开挖宽度16.20m，高度21.10m，衬砌厚度1.0m；Ⅳ类围岩：开挖宽度17.20m，高度22.10m，衬砌厚度1.5m。由于本报告主要研究裂缝机理、原因及各因素的影响，因此，以XW3断面为例，泄洪洞1.0m厚衬砌混凝土结构如图4。

<实施例一>1.0m厚(F2型)衬砌

以1.0m厚(F2型)衬砌为例，采用有限元法进行仿真计算。计算条件为：7月1日开浇，浇筑温度为27℃，不采取通水冷却温控措施，边墙采用C₉₀40常态混凝土，顶拱采用C₂₅泵送混凝土，只研究边墙及顶拱，不考虑底板浇筑，开浇3天后拆模，边墙和顶拱浇筑的间隔期为31天，分缝长度9m。

1.0m厚(F2型)衬砌混凝土边墙典型部位的最高温度与最大内表温差及其出现时间见下表2，温度历时曲线见图5。

表2边墙中央断面代表点最高温度和出现时间

如图3所示，本实施例所提供的基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却方法包括以下步骤：

步骤1.收集衬砌结构中热水泥混凝土温控用资料，包括：

步骤1-1.整理并分析衬砌结构工程基本资料。溪洛渡水电站泄洪洞基本资料如上文所述。其中对于1.0m厚(F2型)衬砌中热水泥混凝土温控有限元法仿真计算成果见上表1。由于泄洪洞为1级建筑物，水流速度高达50m/s，衬砌混凝土温控防裂非常重要。

步骤1-2.分析衬砌混凝土温控设计技术要求。根据以上溪洛渡水电站工程资料，泄洪洞衬砌混凝土，需要控制浇筑温度、采取温控措施。

步骤2.计算衬砌结构中热水泥混凝土最大内表温差发生龄期d_Δtm：

根据上述资料，H＝1.0m；中热水泥C＝40MPa；T₀＝27℃，无通水冷却，取T_w＝35℃，T_g＝0℃。代入公式1计算得d_Δtm＝4.14(d)。

步骤3.计算确定衬砌结构中热水泥混凝土通水冷却时间d_j

基于d_Δtm由公式2计算通水冷却时间d_j＝d_Δtm+1＝4.14+1＝5.14(d)。建议取中热水泥混凝土通水冷却时间为6d。

步骤4.根据通水冷却时间d_j进一步优化衬砌中热混凝土通水冷却措施

溪洛渡水电站泄洪洞1.0m厚(F2型)衬砌结构中热水泥混凝土，实际工程施工中采取通水冷却时间为10～15d。公式2计算确定通水冷却时间5.14d，建议通水冷却时间可以取6d。因此，可以进一步将通水冷却时间优化至6d，可以显著缩短通水冷却时间，节约工程施工成本。

比较分析：

根据上表2第计算成果，有限元法计算混凝土最大内表温差发生龄期4d，与发明方法公式1计算值d_Δtm＝4.14(d)，早0.15d，误差仅为3.4％，精度高。工程实际通水冷却时间10～15d，公式2计算确定通水冷却时间5.14d，可以进一步将通水冷却时间优化至6d，节约工程施工成本。

<实施例二>溪洛渡泄洪洞衬砌结构0.8m、1.5m厚度中热水泥混凝土

为分析衬砌厚度、通水冷却情况公式1的适用性，对于图4的衬砌结构断面，保持衬砌后的断面尺寸不变仅改变衬砌厚度为0.8m、1.5m，先采用有限元法仿真仿真计算，然后采用公式1进行最大内表温差发生龄期d_Δtm计算分析。

有限元仿真计算，在通水冷却情况的计算方案为：夏季7月1日开始浇筑，底板、边顶拱分开浇筑，浇筑间隔期为31天；浇筑温度18℃，水管间距1.0m，通水15℃水冷却15d，3天后拆模，拆模后表面洒水养护28天。分别取衬砌厚度0.8m、1.5m进行仿真计算，整理最高温度T_max、最大内表温差△T_max及其发生龄期列于下表3。

表3不同衬砌厚度边墙混凝土最高温度T_max、最大内表温差△T_max及其发生龄期(水冷)

实际工程施工中，采取通水冷却时间为10～15d。

如图3所示，本实施例所提供的中热衬砌混凝土最大内表温差和通水冷却龄期计算方法包括以下步骤：

步骤1.收集衬砌结构中热水泥混凝土温控用资料，包括：

整理分析衬砌结构工程基本资料，分析衬砌混凝土温控设计技术要求，都同上。

步骤2.计算衬砌结构中热水泥混凝土最大内表温差发生龄期d_Δtm：

根据上述资料，H＝0.8m、1.5m；C＝40MPa；T₀＝18℃；15℃水通水冷却时，取T_w＝15℃，T_g＝20℃；无通水冷却，取T_w＝35℃，T_g＝0℃。代入公式1计算成果列于下表4。

表4衬砌混凝土最大内表温差发生龄期d_Δtm及其与有限元法计算值比较

步骤3.计算确定衬砌结构中热水泥混凝土通水冷却时间d_j

基于d_Δtm由公式2计算衬砌厚度H＝0.8m、1.5m的d_j时间，列于上表4。建议取衬砌厚度H＝0.8m、1.5m的中热水泥混凝土通水冷却时间为6d。

步骤4.根据通水冷却时间d_j进一步优化衬砌中热混凝土通水冷却措施

溪洛渡水电站泄洪洞厚度H＝0.8m、1.5m的衬砌结构中热水泥混凝土，实际工程施工中采取通水冷却时间为10～15d。公式2计算确定通水冷却时间5.22d、5.68d，建议通水冷却时间可以取6d。因此，可以进一步将通水冷却时间优化至6d，可以显著缩短通水冷却时间，节约工程施工成本。

比较分析：

根据上表4的计算成果，有限元法计算最高温度发生龄期与公式1计算值d_Δtm，误差较小，可以满足工程施工要求。特别是通水冷却时间建议值，比施工实际采取值更短，更加经济。

溪洛渡水电站泄洪洞边墙衬砌混凝土，在通水冷却结束后内部温度没有回升现象，已经运行多年，采用本方案进行温控防裂至今历经冬季“可能产生温度裂缝期”，没有发生任何裂缝，取得温控防裂显著效果。

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、不同厚度、不同强度等)，进行衬砌混凝土最大内表温差发生龄期计算和早期温升温降特性分析。

本发明方法科学性强。衬砌混凝土最大内表温差发生龄期d_Δtm计算公式1，综合反映了衬砌混凝土结构厚度、强度等级、浇筑温度以及通水冷却及其水温等主要参数的影响。

依据公式2计算推荐中热水泥衬砌混凝土通水冷却时间d_j，优化合理，科学保证衬砌混凝土内部温度不会回升，能够有效实现温控防裂。

上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于最大内表温差龄期的中热衬砌混凝土通水冷却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。