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CN113191043A - 水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法及温控系统 - Google Patents

水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法及温控系统 Download PDF

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CN113191043A
CN113191043A CN202110391763.3A CN202110391763A CN113191043A CN 113191043 A CN113191043 A CN 113191043A CN 202110391763 A CN202110391763 A CN 202110391763A CN 113191043 A CN113191043 A CN 113191043A
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CN
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concrete
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max
calculation
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王雷
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Wuchang University of Technology
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Abstract

本发明提供水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法及温控系统，能够快速、准确地计算得到混凝土基础容许温差△T、允许最高温度【Tmax】、内部最高温度Tmax，反映混凝土强度、围岩性能、衬砌厚度和结构尺度等对混凝土温控的影响。本发明方法包括：步骤1.获取衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料；步骤2.计算衬砌结构混凝土基础容许温差△T；步骤3.计算衬砌结构混凝土允许最高温度【Tmax】；步骤4.对于各个拟定的施工措施方案，计算出对应的砌混凝土内部最高温度Tmax；步骤5.从拟定的措施方案中，选择满足Tmax≤【Tmax】的方案，并进一步依据简单实用经济的原则确定优选的措施方案供施工应用。

Description

水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法及温控系统
技术领域
本发明属于混凝土温控防裂技术领域，具体涉及一种水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法及温控系统。
背景技术
衬砌混凝土裂缝80％都是温度裂缝，近些年建设的大断面高强度地下水工隧洞衬砌混凝土，只要不采取有效的措施，无一例外地都产生了大量裂缝，而且大多是施工期产生贯穿性的温度裂缝(参见图1和图2)。地下结构工程长期处在潮湿、干湿交替的环境中工作，危害性裂缝的存在严重影响着工程结构的安全性、施工进度工期、导致渗漏甚至渗透破坏、耐久性和寿命、工程造价和美观，还可能诱发其它病害的发生和发展。
现行有关设计规范对于地下工程衬砌混凝土温度裂缝的控制及其计算方法一般都缺乏明确与具体的规定，也没有明确的温控标准。如《水工混凝土结构设计规范》在4.1.2(3)要求“对使用上要求进行裂缝控制的结构构件，应进行抗裂或裂缝宽度验算”，在4.1.8规定“建筑物在施工和运行期间，如温度的变化对建筑物有较大影响时，应进行温度应力计算，并宜采用构造措施和施工措施以消除或减少温度应力。使用中允许出现裂缝的钢筋混凝土结构构件，在计算温度应力时，应考虑裂缝开展而使构件刚度降低的影响”。但没有指明温度应力和温控防裂的计算方法。又如《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)仅在11.2.6条要求“温度变化、混凝土干缩和膨胀所产生的应力及灌浆压力对衬砌的影响，宜通过施工措施及构造措施解决。对于高温地区产生的温度应力，应进行专门的研究”。
对使用上要求控制裂缝的部分地下工程衬砌混凝土(如高流速泄洪洞、发电洞引水段等)温度裂缝控制设计计算，目前主要采用有限元法。在完成结构设计后，通过大量方案的温度与温度应力的仿真计算分析提出施工温控防裂方案及其现场施工最高温度控制标准。这样做，精度较高，而且可以优化施工温控方案。但需要先进行混凝土配合比和大量性能参数试验，试验和仿真计算需要花费较多的时间；而且需要花费较多的资金；对于没有确定施工配合比和没有试验获得混凝土性能参数时无法进行；不能适用于初步设计阶段和施工中方案快速调整。特别是至今的有关规范没有施工期温控防裂设计的抗裂安全系数要求值，如水工隧洞衬砌混凝土温控防裂设计时都是参考大坝设计规范。
多数设计单位是参考大坝强约束区混凝土的温控标准提出最高温度控制值(如水电工程隧洞以《混凝土坝温度控制设计规范(NB/T 35092-2017)》为依据，根据表1确定基础容许温差，叠加稳定温度，为最高温度控制值)，温控施工方案由施工单位制定。施工单位一般是根据混凝土配合比、运输距离与方式、气温等对拟定混凝土拌合(是否制冷及其措施)和浇筑施工温控(如通水冷却)方案进行衬砌结构混凝土最高温度计算，提出满足设计标准的施工方案。这样做，首先是大坝混凝土的温控标准不能适用薄壁衬砌结构，没有反映混凝土强度、围岩性能、衬砌厚度和结构尺度等差别的影响；其次是施工单位计算衬砌混凝土内部最高温度的误差大，大量系数取值人为性强；两方面的温差可能导致制定的施工方案相距甚远，不能有效实现温度裂缝控制目标。
表1常态混凝土基础容许温差(℃)
Figure BDA0003017009000000011
综合以上情况说明，目前水工隧洞衬砌混凝土施工期温度裂缝控制，没有明确的技术要求和标准；没有简单高精度的设计计算方法，有限元法花费时间和费用较多，不能适用于无混凝土试验成果的初步设计阶段和施工中方案快速调整；强约束法误差较大，没有反映混凝土强度、围岩性能、衬砌厚度和结构尺度等差别的影响；都不能有效实现温度裂缝控制目标。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法及温控系统，能够快速、准确地计算得到混凝土基础容许温差△T、允许最高温度【Tmax】、内部最高温度Tmax，反映混凝土强度、围岩性能、衬砌厚度和结构尺度等对混凝土温控的影响。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<方法>
如图3所示，本发明提供水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.获取衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料，包括：衬砌结构设计资料，温度裂缝控制技术要求；混凝土浇筑施工及温控资料等；
步骤2.计算衬砌结构混凝土基础容许温差△T(℃)：
△T＝91×H/W+0.05×C-0.12×E+0.4×Ta+7.0 (公式1)
式中：H为衬砌结构厚度(m)；C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级(MPa)，如C9030中热水泥衬砌混凝土，取C＝30，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；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；W为衬砌结构对角线长度(m)；E为围岩弹性模量(GPa)；Ta为混凝土浇筑期洞内环境温度(℃)；
步骤3.计算衬砌结构混凝土允许最高温度【Tmax】(℃)：
【Tmax】＝Tf+△T (公式2)
式中：Tf为衬砌结构混凝土准稳定温度(℃)；
步骤4.对于各个拟定的衬砌结构混凝土温度裂缝控制施工措施方案，计算出对应的衬砌结构混凝土内部最高温度Tmax(℃)；
步骤5.从拟定的措施方案中，选择满足Tmax≤【Tmax】的方案，并进一步依据简单实用经济的原则确定优选的措施方案供施工应用。
优选地，本发明提供的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，施工期或者冬季如采用封闭洞口保温，使得地下洞室环境温度提高，则Ta应采用提高后的洞内环境温度。
优选地，本发明提供的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，还可以具有以下特征：衬砌结构对角线长度W计算公式为：
W＝(L2+B2)1/2 (公式3)
式中：L为衬砌结构分缝长度(m)；B为衬砌结构宽度(m)，对于城门洞型或者圆形断面为环向长度。
优选地，本发明提供的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，还可以具有以下特征：关于环向长度的计算：
(1)城门洞型隧洞边墙的环向长度，若边墙与顶拱分开浇筑，为浇筑范围铅直部分高度；若边墙与顶拱整体浇筑，则以对称轴为界取半计算，等于铅直部分高度与对称轴为界取半后1/2弧线长度的和；
(2)圆形断面边顶拱的环向长度，若边顶拱分开浇筑，为浇筑范围弧线长度；若边顶拱整体浇筑，则以对称轴为界取半计算，等于以对称轴为界取半后的弧线长度；底拱为环向实际弧线长度。
(3)其它平直结构，为环向实际长度。
优选地，本发明提供的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，取Tf＝Tmin，Tmin为洞内冬季最低环境温度(℃)。由于：1)水工隧洞衬砌混凝土都在开挖完成数月才浇筑，洞壁围岩温度基本就是洞内气温；2)衬砌结构厚度小，浇筑完成数月后的温度也基本是洞内气温；3)洞内冬季气温最低。因此，可以取洞内冬季最低温度Tmin作为衬砌结构混凝土的准稳定温度。
优选地，本发明提供的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，还可以具有以下特征：在步骤4中，采用如下公式计算砌混凝土内部最高温度Tmax(℃)：
Tmax＝10.91H+0.051C+0.712T0+0.13Tg+0.51Ta-0.138H×Tg-0.0061T0×Tg+0.0335H×C-0.178H×Ta-0.0295H(Ta-Tmin)+3.89
(公式4)
式中：T0为浇筑温度(℃)；Tg为通水温度效应值(℃)；Tg＝35-Tw，Tw为优化前拟定方案要求或设计的通水温度(℃)，当不进行通水冷却时，取Tw＝35℃；Tmin为洞内冬季最低环境温度(℃)。
优选地，本发明提供的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，还可以具有以下特征：在步骤4中，施工期或者冬季如采用封闭洞口保温，使得地下洞室环境温度提高，则Ta应采用提高后的洞内环境温度。
优选地，本发明提供的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，还可以具有以下特征：对于低热水泥混凝土、低坍落度混凝土，应将公式4中的强度等级C的系数乘以0.75，并将常数项减1.0℃。
<系统>
进一步，本发明还提供水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束温控系统，其特征在于，包括：
输入显示部，让操作员根据提示输入收集到的衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料；
存储部，对输入的衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料进行存储；
基础容许温差计算部，基于衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料，采用以下公式计算衬砌结构混凝土基础容许温差△T：
△T＝91×H/W+0.05×C-0.12×E+0.4×Ta+7.0 (公式1)
式中：H为衬砌结构厚度；C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级；W为衬砌结构对角线长度，E为围岩弹性模量，Ta为混凝土浇筑期洞内环境温度；
允许最高温度计算部，计算衬砌结构混凝土允许最高温度【Tmax】：
【Tmax】＝Tf+△T (公式2)
式中：Tf为衬砌结构混凝土准稳定温度；
内部最高温度计算部，对于各个拟定的衬砌结构混凝土温度裂缝控制施工措施方案，计算出对应的衬砌结构混凝土内部最高温度Tmax；
方案确定部，从拟定的措施方案中，选择满足Tmax≤【Tmax】的方案，并进一步依据简单实用经济的原则确定优选的措施方案；
养护部，根据确定的措施方案执行相应的养护措施；以及
控制部，与输入显示部、存储部、基础容许温差计算部、允许最高温度计算部、内部最高温度计算部、方案确定部、养护部均通信相连，控制它们的运行。
优选地，本发明提供的圆形断面衬砌混凝土温控防裂控制系统，还可以具有以下特征：输入显示部还根据操作指令对计算出的衬砌结构混凝土基础容许温差△T、允许最高温度【Tmax】、砌混凝土内部最高温度Tmax、确定的措施方案进行显示。
优选地，本发明提供的圆形断面衬砌混凝土温控防裂控制系统，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养护措施进展情况进行显示。
优选地，本发明提供的圆形断面衬砌混凝土温控防裂控制系统，采用如下公式计算衬砌结构对角线长度W
W＝(L2+B2)1/2 (公式3)
式中：L为衬砌结构分缝长度(m)；B为衬砌结构宽度(m)，对于城门洞型或者圆形断面为环向长度。
优选地，本发明提供的圆形断面衬砌混凝土温控防裂控制系统，采用如下公式计算砌混凝土内部最高温度Tmax(℃)：
Tmax＝10.91H+0.051C+0.712T0+0.13Tg+0.51Ta-0.138H×Tg-0.0061T0×Tg+0.0335H×C-0.178H×Ta-0.0295H(Ta-Tmin)+3.89
(公式4)
式中：T0为浇筑温度(℃)；Tg为通水温度效应值(℃)；Tg＝35-Tw，Tw为优化前拟定方案要求或设计的通水温度(℃)，当不进行通水冷却时，取Tw＝35℃；Tmin为洞内冬季最低环境温度(℃)。
另外，上述步骤2中计算衬砌结构混凝土基础容许温差△T的公式1，是根据如下技术方案获得的。对于国内采取了全面温度裂缝控制的3个巨型水电站的水工隧洞：溪洛渡泄洪洞、乌东德和白鹤滩泄洪洞与发电洞不同结构段(包括不同结构形式、不同结构厚度、不同混凝土强度、不同围岩性质、不同洞内环境温度，以及中、低热水泥混凝土等)，分别拟定大量的温控措施方案(包括浇筑温度、是否通水冷却及不同水温、冬季封闭洞口保温等)，采用有限元法仿真计算，提出该结构段的允许最高温度Tmax，然后计算相应的基础容许温差△T＝Tmax-Tmin，共70组数据汇总见表2。统计分析即得公式1。其中泄洪洞有压段和发电洞引水洞均为圆形断面；其它均为城门洞型断面。对于城门洞型或者圆形断面为环向长度，表中已经折合计算为宽度B值。
表2溪洛渡泄洪洞、乌东德和白鹤滩泄洪洞、发电洞基础容许温差统计
Figure BDA0003017009000000031
Figure BDA0003017009000000041
Figure BDA0003017009000000051
在步骤4中计算各方案衬砌混凝土内部最高温度Tmax的公式4，是根据如下技术方案获得的。
以三峡、溪洛渡、白鹤滩、乌东德等巨型水电站水工隧洞城门洞型断面(典型断面见图4)，以及其衬砌混凝土参数和施工温控方案为代表典型概化，共进行表3和表4中175个方案温度场仿真计算。根据表3和表4，边墙高度、分缝长度、围岩变形模量、通水时间、气温年变幅、浇筑日期不影响内部最高温度Tmax，对Tmax与衬砌厚度H、混凝土强度C、浇筑温度T0、通水冷却水温Tw、浇筑期洞内气温Ta的关系进行统计分析，即得到公式4。
表3门洞形断面衬砌混凝土温度裂缝机理与因素影响计算工况
Figure BDA0003017009000000052
Figure BDA0003017009000000061
Figure BDA0003017009000000071
注：通水冷却情况的水管间距1.0m，单根水管长度100m，流量35L/min，下同。
表4城门洞形断面衬砌混凝土温控防裂仿真计算补充方案
Figure BDA0003017009000000072
Figure BDA0003017009000000081
Figure BDA0003017009000000091
Figure BDA0003017009000000101
对于底板常态(低坍落度)混凝土，同样时对图4典型断面的底板以三峡、溪洛渡衬砌混凝土参数和施工温控方案为代表典型概化，进行表5中127个方案温度场仿真计算，对Tmax与衬砌厚度H、混凝土强度C、浇筑温度T0、通水冷却水温Tw、浇筑期洞内气温Ta的关系，进行修正统计分析，即得到公式4的修正参数：强度等级C乘以α＝0.75系数，常数项减1.0℃。
表5城门洞型底板衬砌混凝土计算方案汇总表
Figure BDA0003017009000000102
Figure BDA0003017009000000111
Figure BDA0003017009000000121
Figure BDA0003017009000000131
对于低热水泥混凝土，则是汇总白鹤滩、乌东德水电站泄洪洞、发电洞衬砌混凝土温控防裂仿真计算成果(表6中155个方案)，对Tmax与衬砌厚度H、混凝土强度C、浇筑温度T0、通水冷却水温Tw、浇筑期洞内气温Ta的关系，进行修正统计分析，即得到公式4的修正参数：强度等级C乘以α＝0.75系数，常数项减1.0℃。
表6城门洞型断面低热水泥混凝土温控特征值汇总
Figure BDA0003017009000000141
Figure BDA0003017009000000151
Figure BDA0003017009000000161
Figure BDA0003017009000000171
Figure BDA0003017009000000181
注：表中符号意义同前。
发明的作用与效果
本发明方法的计算公式简单，能全面、合理反映水工隧洞衬砌结构尺寸、混凝土强度、围岩性能(变形模量)、浇筑温度、洞内空气温度年变化和浇筑期洞内气温(浇筑季节)、是否通水冷却及其水温等主要因素的影响。可以迅速计算出任意季节浇筑衬砌混凝土的基础容许温差、允许最高温度、内部最高温度，计算误差小，并通过控制内部最高温度小于允许最高温度进行温控措施方案设计和温度裂缝控制，可以用于实际工程初步设计和现场施工期实时快速设计计算和施工温控，切实保障水工隧洞衬砌混凝土的结构安全。
进一步，本发明提供的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法及温控系统，能够根据水工隧洞衬砌混凝土温控用资料，自动计算得到水工隧洞衬砌混凝土的基础容许温差、允许最高温度、内部最高温度，并执行相应的温控养护措施，整个过程无人为因素干扰，自动化程度高，能够快速、有效地进行温控防裂。
附图说明
图1为背景技术中涉及的三板溪水电站泄洪洞衬砌混凝土裂缝情况图；
图2为背景技术中涉及的三峡水利枢纽永久船闸地下输水洞衬砌混凝土裂缝情况图；
图3为本发明涉及的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法的流程图；
图4为本发明涉及的门洞形断面衬砌混凝土结构示意图(图中尺寸单位：m)；
图5为本发明实施例中涉及的白鹤滩泄洪洞上平段1.5m厚度衬砌断面(图中尺寸单位：cm)；
图6为本发明实施例中涉及的白鹤滩泄洪洞龙落尾段1.2m厚度衬砌断面(图中尺寸单位：cm)。
具体实施方式
以下结合附图，以白鹤滩水电站泄洪洞工程不同部位衬砌结构混凝土为例，对本发明涉及的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法及温控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衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料>
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7。
表7泄洪洞衬砌混凝土施工期允许最高温度单位：℃
工程部位 5～9月 3、4、10、11月 12、1、2月
上平段1.0m 38 36 34
上平段1.5m 41 39 37
上平段2.5m 43 41 39
龙落尾1.2m 40 38 36
龙落尾1.5m 42 40 38
洞内气温16～26℃，用余弦函数公式5计算。
Figure BDA0003017009000000191
式中：Ta为洞内τ时刻的空气温度(℃)；τ为距1月1日的时间(天)；τ0为洞内最高气温距1月1日的时间(天)，取τ0＝210天。
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>泄洪洞上平段Ⅳ类围岩1.5m厚度衬砌结构C9040混凝土温度裂缝控制
泄洪洞上平段1.5m厚度衬砌结构，沿泄洪洞轴线方向每隔12m设置环向施工分缝，Ⅳ类围岩，底板和边墙为C9040混凝土，如图5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温度裂缝控制强约束方法计算。温控基本资料同上。采用常温自来水保湿养护90d。
如图3所示，本实施例提供的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法包括以下内容：
步骤1.收集分析衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料，包括：衬砌结构设计资料，温度裂缝控制技术要求；混凝土浇筑施工及温控资料等。
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度裂缝控制。混凝土温控、允许最高温度、温控防裂措施等技术要求如上。
步骤2.计算衬砌结构混凝土基础容许温差△T：
根据上述资料，H＝1.5m，C＝40MPa，L＝12m，边墙与顶拱分开浇筑B＝13.5m，由公式2计算W＝18.06m，E＝9GPa。分别计算夏季、冬季浇筑衬砌混凝土基础容许温差△T，夏季浇筑洞内气温取Ta＝26℃(公式5最大值)，冬季浇筑洞内气温取Ta＝16℃(公式5最小值)。代入公式1计算得：夏季浇筑△T＝25.88℃；冬季浇筑△T＝21.88℃。
步骤3.计算衬砌结构准稳定温度Tf：
由于：1)水工隧洞衬砌混凝土都在开挖完成数月才浇筑，洞壁围岩温度基本就是洞内气温；2)衬砌结构厚度小，浇筑完成数月后的温度也基本是洞内气温；3)洞内冬季气温最低。因此，可以取洞内冬季最低温度Tmin作为衬砌结构混凝土的准稳定温度。即Tf＝16℃。
步骤4.计算衬砌结构混凝土允许最高温度【Tmax】，将Tf＝16℃，夏季浇筑△T＝25.88℃，冬季浇筑△T＝21.88℃代入公式3计算得：夏季浇筑【Tmax】＝41.88℃，冬季浇筑【Tmax】＝37.88℃。
步骤5.设计计算温度裂缝控制措施方案，具体包括如下子步骤：
步骤5.1分析可变量，拟定衬砌结构混凝土温度裂缝控制施工措施方案：
温度裂缝控制设计计算时，分析与温度裂缝控制有关的在满足规范要求条件下该时期可以改变的设计参数。由于冬季封闭洞口保温(提高冬季最低温度)是一种经济有效必须采取的措施，因此所述拟定的施工措施方案主要是浇筑温度与通水冷却及其水温的组合。
白鹤滩水电站泄洪洞混凝土浇筑，提供14℃出机口温度，可以实现夏季18℃浇筑温度，冬季16℃浇筑温度。根据上述资料和白鹤滩工程特点，借鉴以往衬砌混凝土温控经验，拟定方案。夏季施工：方案1为18℃浇筑，方案2为18℃浇筑+22℃通水冷却，方案3为18℃浇筑+12℃通水冷却，方案4为21℃浇筑+22℃通水冷却；冬季施工：方案5为16℃浇筑，方案6为16℃浇筑+12℃通水冷却，方案7为18℃浇筑；施工期冬季洞内最低气温Tmin＝16℃。
步骤5.2计算各方案衬砌混凝土内部最高温度Tmax：
白鹤滩泄洪洞采用低热水泥混凝土浇筑，H＝1.5m，C＝40MPa，Ta＝26℃，Tmin＝16℃，分别将各方案T0、Tw、计算Tg＝35-Tw代入公式4计算Tmax，结果见表8。
表8泄洪洞上平段1.5m厚度衬砌结构混凝土各温控方案Tmax计算值
方案 1 2 3 4 5 6 7
T<sub>0</sub>(℃) 18 18 18 21 16 16 18
T<sub>w</sub>(℃) - 22 12 22 - 12 -
T<sub>g</sub>(℃) 0 13 23 13 0 23 0
T<sub>max</sub>(℃) 40.98 38.56 36.69 40.45 37.57 33.56 39.00
步骤5.3在计算Tmax≤【Tmax】的前提下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。是在上述拟定方案满足计算Tmax≤【Tmax】的方案中，按照安全、经济、合理、简单可行原则，选择优化措施方案。
根据表8的成果，夏季浇筑4个方案计算Tmax均小于允许值41.88℃，考虑到夏季运输混凝土温控难度而且适当提高浇筑温度可以减少温控费用，推荐方案4：21℃浇筑+22℃通水冷却；冬季浇筑3个方案的方案5、6满足Tmax小于允许值37.88℃，结合白鹤滩工程实际情况，方案5不通水冷却可以较大程度节约温控费用，推荐方案5：16℃浇筑(不通水冷却)。
根据以上推荐的措施方案对衬砌结构混凝土进行养护，经现场检查，无任何温度裂缝，温控防裂取得很好的效果。
<实施例二>泄洪洞龙落尾段Ⅱ类围岩1.2m厚度衬砌结构C9060混凝土温度裂缝控制
泄洪洞龙落尾段1.2m厚度衬砌结构，沿泄洪洞轴线方向每隔12m设置环向施工分缝，Ⅱ类围岩，底板和边墙为C9060混凝土，如图6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温度裂缝控制强约束方法计算。温控基本资料同上。采用常温自来水保湿养护90d。
如图3所示，本实施例提供的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法包括以下内容：
步骤1.收集分析衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料，包括：衬砌结构设计资料，温度裂缝控制技术要求；混凝土浇筑施工及温控资料等。
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度裂缝控制。混凝土温控、允许最高温度、温控防裂措施等技术要求如上。
步骤2.计算衬砌结构混凝土基础容许温差△T。根据上述资料，H＝1.2m，C＝60MPa，L＝12m，边墙与顶拱分开浇筑B＝13.2m，由公式2计算W＝17.84m，E＝20GPa。分别计算夏季、冬季浇筑衬砌混凝土基础容许温差△T，夏季浇筑洞内气温取Ta＝26℃(公式5最大值)，冬季浇筑洞内气温取Ta＝16℃(公式5最小值)。代入公式1计算得：夏季浇筑△T＝24.12℃；冬季浇筑△T＝20.12℃。
步骤3.计算衬砌结构准稳定温度Tf：
由于：1)水工隧洞衬砌混凝土都在开挖完成数月才浇筑，洞壁围岩温度基本就是洞内气温；2)衬砌结构厚度小，浇筑完成数月后的温度也基本是洞内气温；3)洞内冬季气温最低。因此，可以取洞内冬季最低温度Tmin作为衬砌结构混凝土的准稳定温度。即Tf＝16℃。
步骤4.计算衬砌结构混凝土允许最高温度【Tmax】，将Tf＝16℃，夏季浇筑△T＝24.12℃，冬季浇筑△T＝20.12℃代入公式3计算得：夏季浇筑【Tmax】＝40.12℃，冬季浇筑【Tmax】＝36.12℃。
步骤5.设计计算温度裂缝控制措施方案，具体包括如下子步骤：
步骤5.1分析可变量，拟定衬砌结构混凝土温度裂缝控制施工措施方案，是在温度裂缝控制设计计算时，分析与温度裂缝控制有关的在满足规范要求条件下该时期可以改变的设计参数。由于冬季封闭洞口保温(提高冬季最低温度)是一种经济有效必须采取的措施，因此所述拟定的施工措施方案主要是浇筑温度与通水冷却及其水温的组合。
白鹤滩水电站泄洪洞混凝土浇筑，提供14℃出机口温度，可以实现夏季18℃浇筑温度，冬季16℃浇筑温度。根据上述资料和白鹤滩工程特点，借鉴以往衬砌混凝土温控经验，拟定方案。夏季施工：方案1为18℃浇筑，方案2为18℃浇筑+22℃通水冷却，方案3为18℃浇筑+12℃通水冷却，方案4为21℃浇筑+22℃通水冷却；冬季施工：方案5为16℃浇筑，方案6为16℃浇筑+12℃通水冷却，方案7为18℃浇筑；施工期冬季洞内最低气温Tmin＝16℃。
步骤5.2计算各方案衬砌混凝土内部最高温度Tmax：
白鹤滩泄洪洞采用低热水泥混凝土浇筑，H＝1.5m，C＝40MPa，Ta＝26℃，Tmin＝16℃，分别将各方案T0、Tw、计算Tg＝35-Tw代入公式4计算Tmax，结果见表9。
表9泄洪洞上平段1.5m厚度衬砌结构混凝土各温控方案Tmax计算值
方案 1 2 3 4 5 6 7
T<sub>0</sub>(℃) 18 18 18 21 16 16 18
T<sub>w</sub>(℃) - 22 12 22 - 12 -
T<sub>g</sub>(℃) 0 13 23 13 0 23 0
T<sub>max</sub>(℃) 40.25 38.36 36.91 40.26 36.22 33.16 37.64
步骤5.3在计算Tmax≤【Tmax】的前提下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。是在上述拟定方案满足计算Tmax≤【Tmax】的方案中，按照安全、经济、合理、简单可行原则，选择优化措施方案。
根据表9的成果，夏季浇筑的方案2、3计算Tmax小于允许值40.12℃，方案1、4的Tmax为40.25℃、40.26℃接近允许值40.12℃，考虑到夏季运输混凝土温控难度较大，为确保温度裂缝控制效果并尽可能节约温控费，而且同一工程的温控措施应该尽量统一，为此推荐方案4：21℃浇筑+22℃通水冷却；冬季浇筑3个方案的方案5、6满足Tmax小于允许值37.88℃，结合白鹤滩工程实际情况，方案5不通水冷却可以较大程度节约温控费用，推荐方案5：16℃浇筑(不通水冷却)。
根据以上推荐的措施方案对衬砌结构混凝土进行养护，经现场检查，无任何温度裂缝，温控防裂取得很好的效果。
<比较分析>
为全面比较各种结构尺寸、混凝土强度、围岩条件本发明专利方法的适用性和科学性，补充计算了泄洪洞无压段1.0m厚度、龙落尾段1.5m厚度衬砌混凝土温度裂缝控制措施方案设计，汇总允许最高温度(表中为取整值)、推荐温控措施方案结果见表10和表11。
表10各方法计算推荐衬砌混凝土允许最高温度单位：℃
Figure BDA0003017009000000211
Figure BDA0003017009000000221
表11各方法计算推荐温控措施方案
Figure BDA0003017009000000222
允许最高温度值，表10的结果表明，公式3计算值与设计技术要求非常一致；与有限元法仿真计算推荐值，无压段也非常相近，最大误差1.0℃，龙落尾段稍微低于有限元法仿真计算推荐值。
推荐温控措施方案，本发明方法与有限元法仿真计算比较一致，有的情况可以适当放宽浇筑温度2℃，可以节约温控费。
综上实施例计算分析说明，本发明计算公式简单，能全面、合理反映衬砌结构尺寸、混凝土强度、围岩弹性模量、浇筑期及其洞内环境温度变化、温控措施对衬砌混凝土温度裂缝控制的影响，可以迅速计算出任意时段浇筑城门洞型断面衬砌结构混凝土基础容许温差和允许最高温度、衬砌混凝土内部最高温度，计算值和推荐温控措施方案与有限元法仿真计算推荐结果基本一致，有的情况更节约施工温控费，完全可以用于实际工程进行温度裂缝控制设计计算，特别是初步设计和现场施工期实时快速设计计算。
<实施例三>水工隧洞衬砌混凝土温控防裂控制系统
本实施例提供能够自动化实现上述水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法的系统，该系统包括：输入显示部、存储部、基础容许温差计算部、允许最高温度计算部、内部最高温度计算部、方案确定部、养护部、控制部。
输入显示部让操作员根据提示输入收集到的衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料，并能够根据操作指令对计算出的衬砌结构混凝土基础容许温差△T、允许最高温度【Tmax】、砌混凝土内部最高温度Tmax、确定的措施方案进行显示，还能够根据操作指令对养护部执行的养护措施及进展情况进行显示。
存储部对输入的衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料进行存储。
基础容许温差计算部基于衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料，采用以下公式计算衬砌结构混凝土基础容许温差△T：
△T＝91×H/W+0.05×C-0.12×E+0.4×Ta+7.0 (公式1)
W＝(L2+B2)1/2 (公式3)
式中：H为衬砌结构厚度，C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级，W为衬砌结构对角线长度，E为围岩弹性模量，Ta为混凝土浇筑期洞内环境温度；L为衬砌结构分缝长度；B为衬砌结构宽度，对于城门洞型或者圆形断面为环向长度。
允许最高温度计算部基于衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料，计算衬砌结构混凝土允许最高温度【Tmax】：
【Tmax】＝Tf+△T (公式2)
式中：Tf为衬砌结构混凝土准稳定温度，取Tf＝Tmin。
内部最高温度计算部基于衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料，对于各个拟定的衬砌结构混凝土温度裂缝控制施工措施方案，计算出对应的衬砌结构混凝土内部最高温度Tmax：
Tmax＝10.91H+0.051C+0.712T0+0.13Tg+0.51Ta-0.138H×Tg-0.0061T0×Tg+0.0335H×C-0.178H×Ta-0.0295H(Ta-Tmin)+3.89
(公式4)
式中：T0为浇筑温度，Tg为通水温度效应值，Tg＝35-Tw，Tw为通水温度，Tmin为洞内冬季最低环境温度。
方案确定部从拟定的措施方案中选择满足Tmax≤【Tmax】的方案，并进一步依据简单实用经济的原则确定优选的措施方案。
养护部根据根据容许基础温差△T和允许最高温度【Tmax】执行相应的养护措施，例如调控通水冷却水温、时间等。
控制部与输入显示部、存储部、基础容许温差计算部、允许最高温度计算部、内部最高温度计算部、方案确定部、养护部均通信相连，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。本发明所涉及的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法及温控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.水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.获取衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料；
步骤2.计算衬砌结构混凝土基础容许温差△T：
△T＝91×H/W+0.05×C-0.12×E+0.4×Ta+7.0 (公式1)
式中：H为衬砌结构厚度，C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级，W为衬砌结构对角线长度，E为围岩弹性模量，Ta为混凝土浇筑期洞内环境温度；
步骤3.计算衬砌结构混凝土允许最高温度【Tmax】：
【Tmax】＝Tf+△T (公式2)
式中：Tf为衬砌结构混凝土准稳定温度；
步骤4.对于各个拟定的衬砌结构混凝土温度裂缝控制施工措施方案，计算出对应的衬砌结构混凝土内部最高温度Tmax；
步骤5.从拟定的措施方案中，选择满足Tmax≤【Tmax】的方案，并进一步依据简单实用经济的原则确定优选的措施方案供施工应用。
2.根据权利要求1所述的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，其特征在于：
其中，在步骤2中，施工期或者冬季如采用封闭洞口保温，使得地下洞室环境温度提高，则Ta应采用提高后的洞内环境温度。
3.根据权利要求1所述的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，其特征在于：
其中，衬砌结构对角线长度W计算公式为：
W＝(L2+B2)1/2 (公式3)
式中：L为衬砌结构分缝长度；B为衬砌结构宽度，对于城门洞型或者圆形断面为环向长度。
4.根据权利要求3所述的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，其特征在于：
其中，关于环向长度的计算：
(1)城门洞型隧洞边墙的环向长度，若边墙与顶拱分开浇筑，为浇筑范围铅直部分高度；若边墙与顶拱整体浇筑，则以对称轴为界取半计算，等于铅直部分高度与对称轴为界取半后1/2弧线长度的和；
(2)圆形断面边顶拱的环向长度，若边顶拱分开浇筑，为浇筑范围弧线长度；若边顶拱整体浇筑，则以对称轴为界取半计算，等于以对称轴为界取半后的弧线长度；底拱为环向实际弧线长度。
5.根据权利要求1所述的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，取Tf＝Tmin，Tmin为洞内冬季最低环境温度。
6.根据权利要求1所述的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，其特征在于：
其中，在步骤4中，采用如下公式计算砌混凝土内部最高温度Tmax：
Tmax＝10.91H+0.051C+0.712T0+0.13Tg+0.51Ta-0.138H×Tg-0.0061T0×Tg+0.0335H×C-0.178H×Ta-0.0295H(Ta-Tmin)+3.89 (公式4)
式中：T0为浇筑温度，Tg为通水温度效应值，Tg＝35-Tw，Tw为通水温度，Tmin为洞内冬季最低环境温度。
7.根据权利要求6所述的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，其特征在于：
其中，在步骤4中，施工期或者冬季如采用封闭洞口保温，使得地下洞室环境温度提高，则Ta应采用提高后的洞内环境温度。
8.根据权利要求6所述的水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束方法，其特征在于：
其中，对于低热水泥混凝土、低坍落度混凝土，应将公式4中的强度等级C的系数乘以0.75，并将常数项减1.0℃。
9.水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制强约束温控系统，其特征在于，包括：
输入显示部，让操作员根据提示输入收集到的衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料；
存储部，对输入的所述衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料进行存储；
基础容许温差计算部，基于所述衬砌混凝土温度裂缝控制设计计算资料，采用以下公式计算衬砌结构混凝土基础容许温差△T：
△T＝91×H/W+0.05×C-0.12×E+0.4×Ta+7.0 (公式1)
式中：H为衬砌结构厚度，C为衬砌混凝土90d设计龄期强度等级，W为衬砌结构对角线长度，E为围岩弹性模量，Ta为混凝土浇筑期洞内环境温度；
允许最高温度计算部，计算衬砌结构混凝土允许最高温度【Tmax】：
【Tmax】＝Tf+△T (公式2)
式中：Tf为衬砌结构混凝土准稳定温度；
内部最高温度计算部，对于各个拟定的衬砌结构混凝土温度裂缝控制施工措施方案，计算出对应的衬砌结构混凝土内部最高温度Tmax；
方案确定部，从拟定的措施方案中，选择满足Tmax≤【Tmax】的方案，并进一步依据简单实用经济的原则确定优选的措施方案；
养护部，根据确定的措施方案执行相应的养护措施；以及
控制部，与所述输入显示部、所述存储部、所述基础容许温差计算部、所述允许最高温度计算部、所述内部最高温度计算部、所述方案确定部、所述养护部均通信相连，控制它们的运行。
10.根据权利要求9所述的水工隧洞衬砌混凝土温控防裂控制系统，其特征在于：
其中，所述输入显示部还根据操作指令对计算出的衬砌结构混凝土基础容许温差△T、允许最高温度【Tmax】、砌混凝土内部最高温度Tmax、确定的措施方案进行显示。
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