前坪水庫溢洪道混凝土溫度預報與應用

杜雅琪 耿鵬宇 皇甫澤華 易 磊

前坪溢洪道混凝土工程對外界溫度比較敏感，屬于易裂混凝土結構，這就需要在混凝土開始澆筑之前制定一套行之有效的預備措施，以應對混凝土開裂風險。混凝土工程的主要問題就是溫度應力問題。當混凝土溫度應力過大，或者混凝上的抗力小于設計抗力時，混凝土便處于開裂的危險狀態。采用溫控預報手段對存在開裂風險的部位提前發出預警，并結合行之有效的溫控措施，以應對混凝土開裂風險。

一、溫度檢測、預報

溢洪道項目聯合北京航空航天大學對該工程閘室段混凝土采用光纖測溫與溫控預報手段，及時了解混凝土工程各個部位的溫度應力情況，對存在開裂風險的部位，提前發出預警，以便及時采取相應措施。

進行光纖測溫，就是要利用分布式光纖對大體積混凝土內部溫度高度敏感的特性，采用數據采集與傳輸一體化的技術，對核心部位混凝士溫度進行在線監測，并及時自動上傳到網絡中心或者專用終端用戶，以便隨時了解已澆混凝土關鍵部位溫度的變化情況；對施工過程進行仿真分析，就是根據混凝土材料參數與擬定的施工參數，利用溫度場控制方程與數值建模計算技術，對施工期各部位混凝土的溫度分布情況，以及調整變化情況，作出宏觀與微觀上的展示，以便及時了解哪些部位的混凝土可能岀現溫度超標現象。至于新澆筑混凝土，還要開展溫控預報。

為確保溢洪道混凝土質量優良，需要從原材料選擇，到施工與養護，全過程提高混凝土的抗裂能力。在混凝土澆筑之前，使用溫控預報技術；在混凝土澆筑之后，使用光纖測溫技術；在混凝土拆模之后，使用混凝土開裂風險預警技術，以全面提升前坪溢洪道混凝土的抗裂防裂能力。三大技術的應用將為打造前坪溢洪道混凝土精品工程奠定技術基礎。

二、實施內容

1.閘墩混凝土溫度全過程在線監測

利用分布式光纖，以及DTS儀器，對典型部位（重點部位、代表部位）混凝土的溫度全過程進行跟蹤，得到成果：（1）與預測溫度過程對比的實測溫度曲線；（2）在上述基礎上，進一步反演真實的混凝土熱學參數，并使之應用于下一倉閘墩混凝土溫度過程的預報；（3）沒有任何數據污染的、數十倍于規范要求的溫度測點，利于竣工后整個混凝土建筑物溫度場的數字監控。

我國已經采用光纖測溫技術的工程主要有：三峽工程、小灣工程、溪洛渡工程、深溪溝工程、大岡山工程等。執行得最好、數值最為完整的是溪洛渡工程與深溪溝工程。除了光纖布置與埋設技術外，其成功的主要因素之一就是在施工現場或者廊道，建立了專用的DTS監測房。

2.混凝土施工過程溫度與溫度應力仿真分析

在擬定澆筑計劃與溫控計劃下，對閘墩混凝土澆筑塊體溫度場與溫度應力進行數值模擬，得到其分布規律，并揭示混凝土開裂風險可能偏高的部位，以便承包商與監理重點關注這些部位混凝土的施工質量。這項工作內容的核心是對各個單體在不同階段，反復進行仿真分析，并與類似的監測成果對比，讓各個部位混凝土的溫度場形象數據化、可視化。

同樣的，如果預報結果表明混凝土內部溫度有超標可能，可以考慮從七個方面臨時調整措施：（1）對12h內基本可以收倉的澆筑倉，經與承包商商量，可以考慮改變開倉時間；（2）對風速較小的區域，可以考慮利用噴霧設施，臨時創造澆筑小環境；（3）提前加大水管布置密度；（4）提前降低通水溫度；（5）改變24h顛倒通水方向的做法，提倡12h更換通水方向，以加快散熱速度；（6）化整為零，對約束條件強、開裂風險較大的澆筑塊，減少澆筑尺寸；（7）盡量提供表面保護，并改變通水流量與溫度，讓其緩慢降溫。

3.已澆混凝土質量與抗裂能力評價

除采用常規的質量評定方法外，還涉及到大量試驗資料，包括機口取樣、倉面取樣、現場取芯等實驗成果的整理與應用，對已澆混凝土的質量與抗裂能力進行定量評價，以此作為混凝土開裂風險評價的另一組數據。

4.混凝土開裂風險預警

根據溫控預報成果，針對現場即時條件與工程上已經掌握的溫控防裂資源，從原始材料準備與生產、混凝土拌和運輸、混凝土振搗養護、混凝土通水冷卻、混凝土拆模保護、溫度監測等各個環節，系統地進行優化組合并選擇最可能實施的防裂方案。

5.預期達到效果

上述研究內容與開發系統的實施，可以幫助工程建設者解決以下三個問題：（1） 在溫控預報技術支持下完成混凝土澆筑前的合理入倉溫度；（2）在光纖測溫技術支持下完成混凝士澆筑完畢后的真實溫度；（3） 在開裂風險預報支持下完成混凝土施工完成后開裂風險度。

圖1 光纖測溫流程圖

圖2 溫控預報流程圖

上述三個子項的落實，可以做到混凝土開裂風險預報。通過以上三項技術，達到如下效果：（1）閘墩不產生結構性裂縫；（2）其他部位大體積混凝土沒有危害性裂縫產生；（3）上部鋼筋混凝土結構，沒有超過0.5mm的裂縫產生。如果能夠同時達到上述三個標準，前坪溢洪道工程混凝土質量就得到了根本保證。

三、具體方法

1.光纖測溫

采用sensornet公司的Dentine1-DTS分布式光纖溫度測量系統，該產品是基于拉曼散射技術，以普通光纖作為傳感器，能夠監測出探測光纖沿程的溫度值。為了適應現場施工的復雜環境，選用了光纜作為探測光纖，該光纜是一個內部50/125m的多模光纖，連接 Sentinel-DTS，來實現分布式溫度測量。實施流程見圖1。

2.溫控預報

溫控預報是在新混凝土開倉前2～3天對混凝土澆筑后的最高溫度及溫度過程進行超前預報的過程，其主要方法是：在大壩有限元模型的基礎上，結合反演得到的熱力學參數及邊界條件，運用課題組軟件FZFX3D，對未來7天內壩體的溫度場進行超前預報。具體實施步驟如下： （1）通過已澆筑混凝土光纖測溫的結果，反演混凝土的熱力學參數；（2）從綜合管理系統中提取混凝上模型的參數，在此基礎上，建立計算所需的大壩三維有限元模型；（3）邊界條件的確定，參考未來一周天氣預報的溫度，及施工方擬采取的溫控措施，主要包括澆筑溫度，收倉后的保溫措施等；（4）在物理模型、材料參數、邊界條件確定的基礎上，運用FZFX3D軟件計算壩體的溫度場。

主要計算成果包括：（1）典型監測點未來一周溫度過程線；（2）典型時刻溢洪道溫度場云圖及溫度梯度分布；（3）新澆筑塊最高溫度及到達最高溫度的齡期。

通過溫控預報，可以預測在擬采取的溫控措施情況下，未澆筑塊的最高溫度是否滿足溫控標準，是否需要調整溫控措施。溫控預報具體流程見圖2。

3.開裂風險預報

溫度應力預報具體實施步驟如下：（1）根據光纖測溫的結果，反演混凝土的熱力學參數，通過對混凝上的力學性能試驗，確定其力學參數；（2）通過已獲得的材料參數，結合溫控措施、邊界條件、光纖實測的溫度值，重構溫度場；（3）結合溢洪道混凝土的力學參數及實際約束情況，對溫度應力進行仿真。

其主要成果包括：（1）重構溫度場及通過仿真分析得到的混凝土溫度應力過程；（2）溢洪道典型高應力區域及到達時刻；（3）混凝土抗裂能力的評價主要是結合現場取樣、施工質量等，綜合評價混凝土的抗裂等級。

其主要內容包括：（1）建立一個相對等級評價模型，以完全“成熟混凝土”抗力作為標準值，劃分不同時段早齡期混凝土的強度等級；（2）根據現場試樣的采集地點、數量、試驗誤差等，結合施工隊伍素質、施工過程錄像、監理質量檢驗成果等，綜合評判早齡期混凝土的抗力等級。根據以上兩部分的工作，在同一時刻，對可能的惡劣天氣下混凝土的表現進行比較與評價。

四、預期取得的技術經濟效益

有了溫控預報技術，能夠解決在當時溫控措施不能滿足溫控標準要求的前提下，調動一切溫控資源，最大限度地控制混凝土內部的最高溫升。其次，在混凝土內部最高溫度超標的情況下，比照測溫數據，提高混凝土早期保護水平最大限度地緩解降溫速度，充分利用混凝土的徐變能力，盡量避免開裂。

有了混凝土安全預警系統，可以在不利氣象條件下，及早對開裂風險高的部位進行保護，確保混凝土不出現危害性裂縫，避免開裂后的各種修復工作，大大節約工期與成本，并提高混凝土結構的安全度。

五、結語

基于溫控預報與抗力評價技術下的混凝土開裂風險預警技術，在前坪水庫溢洪道的研究與實施，必將為溢洪道閘室混凝土工程的防裂技術提高一個新臺階■