[發明專利]在建大壩混凝土智能溫度控制方法及系統

有效

• 申請號: 201210289192.3
• 申請日: 2012-08-14
• 公開（公告）號: CN102852145A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: 李慶斌;林鵬;胡昱;周紹武;汪志林;王仁坤;洪文浩;高向友
• 申請（專利權）人: 清華大學;中國長江三峽集團公司;中國水電顧問集團成都勘測設計研究院
• 主分類號: E02D15/00
• 分類號: E02D15/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

技術領域

本發明涉及在建大壩混凝土智能溫度控制方法及系統，尤其涉及高混凝土壩澆筑過程中混凝土通水智能溫度控制。

背景技術

對于特高拱壩，施工期的防裂的重點是混凝土溫度控制。拱壩混凝土的溫度問題主要應從控制溫度和改善約束兩方面來解決。從溫控角度，混凝土澆筑溫度、混凝土最高溫度以及最終穩定溫度是三個特征溫度，最高溫度等于澆筑溫度加上水化熱溫升。而最終穩定溫度取決于當地氣候條件和壩體結構形式，所以工程上主要控制的是澆筑溫度和水化熱溫升。目前高拱壩的施工中溫度控制主要控制3個溫差：基礎溫差、內外溫差和上下層溫差。

在一般氣溫或嚴寒地區，大型水電工程中大體積混凝土的通水冷卻（或加熱）溫控，是降低大體積混凝土水化熱引起的溫度應力，避免開裂和達到設計要求的封拱灌漿溫度必須采取的工程技術措施。水電工程通水熱交換技術復雜，是工程建設設計與研究重要內容。基礎溫差通過最高溫度控制，內外溫差通過表面保溫和內部通水冷卻（加熱）溫度控制，上下層溫差則通過混凝土最高溫度及合理的通水冷卻過程控制。通水冷卻第一次在工程領域中的正式應用源于上世紀30年代，1931年美國墾務局在歐瓦希（Owyhee）拱壩上進行了混凝土水管冷卻的現場試驗，結果令人滿意。此后的兩年，美國墾務局在修建胡佛水壩（Hoover）的過程中首次在混凝土倉中全面預埋冷卻水管進行人工冷卻，起到了較理想的溫控防裂效果。隨后冷卻水管以其應用的靈活性、可靠性及多用性等特點，在世界各國混凝土壩的施工中被廣泛采用。我國在1955年修建第一座混凝土拱壩——響洪甸拱壩時，首次采用了預埋冷卻水管，建成后得到了不錯的防裂效果。隨后，在三峽大壩、周公宅拱壩、二灘拱壩、大潮山圍堰、索風營水電站碾壓混凝土壩、龍灘水電站碾壓混凝土重力壩、白沙水庫、錦屏一級拱壩、溪洛渡拱壩等眾多的大型水利工程中得到了廣泛應用，并獲得了較好的溫控防裂效果。隨著我國在西藏高寒地區建設的混凝土工程越來越多，在高寒地區涉及到對混凝土通水加熱的控制，以便控制混凝土的溫度梯度，防止大體積混凝土開裂。從眾多的大體積混凝土工程實踐當中，可以看出水管冷卻這種人工冷卻的方法，已成為混凝土壩設計和施工中不可或缺的一項關鍵溫控防裂措施。

大量工程實踐表明，在高溫季節澆筑混凝土時，受入倉溫度、太陽輻射和通水冷卻等外界條件的影響，混凝土澆筑倉溫度很難完全控制不超過容許最高溫度。為了使混凝土材料性能正常發展，必須使混凝土澆筑倉最高溫度達到合適的溫度。即混凝土澆筑倉的最高溫度不能過高，也不能過低。大壩施工期溫控的目的是通過人工通水冷卻實施溫度控制，使混凝土溫度保持在設計溫度（按照設計的“溫度-時間曲線”）附近，從而使施工程序和質量可控。簡單的說，整個通水冷卻是一個溫度目標控制，是按照設計要求，將每階段的混凝土溫度調整（降低或升溫），或控制在一定的T溫度點附近。

但有很多因素會直接影響溫度控制效果，這些因素大致分類如下：（1）不同氣溫、不同澆筑溫度、不同水管間距、不同施工細節、不同的水管材質（夯實程度、水管布置合理程度等）等，可能導致澆筑塊的密度不同，從而導致內部發熱狀態不一致，要求對各澆筑塊個性化冷卻控制；（2）不同倉水管變形程度不同，導致需要不同流量控制，最好做到每組冷卻支管單獨溫控；（3）人工調整通水流量間隔長，人工采集溫度和流量數據工作量大、且受主觀因素以及設備運行狀況影響較大；（4）目前控制不能做到實時、在線，現有冷卻系統受制于工程施工傳統、工程配套技術水平與施工成本的限制，難以布置足夠的相關采集儀器，特別是大壩混凝土溫度數據，難以做到實時動態的反饋控制。

目前大壩施工期控溫采用的策略主要弊端包含：

(1)目前通水冷卻或加熱的監控主要通過人工球閥、水銀溫度計和傳統水表采用人工記錄，然后根據記錄數據進行人工現場調控流量。人工調整通水流量間隔長，人工采集溫度和流量數據工作量大、且受主觀因素以及設備運行狀況影響較大,導致巨大的水資源浪費，為了避免大壩溫度過高，在現有技術的溫度控制中，往往采取寧可加大通水流量的策略，這樣在長周期大壩建設過程中，造成巨大的不必要的水資源浪費，經濟利益損失也很巨大。；

(2)現有通水系統精度差，效率低，數據可靠度不高，采集時間間隔長，信息反饋慢，常常導致混凝土溫控控制不理想；

（3）現有控溫由于不存在自動在建混凝土大壩溫度控制采集系統，而且也不存在具體的控制策略。往往不能夠將大壩混凝土溫度精確控制在設計溫度曲線附近，人工測量與控制往往不能夠實時，導致實際大壩溫度控制與預期偏離很大。因此大壩施工中，在保溫效果不加，或者突遇寒潮時，往往防裂效果差，容易導致大壩開裂破壞。