论混凝土坝的水管冷却

水管冷却是混凝土坝重要的温控方法。在水管冷却过程中,混凝土温度场和应力场十分复杂。本文首先系统地总结了现有混凝土坝水管冷却温度场与应力场的分析方法,给出了几个新的计算方法,并提出了其中最优的方法。然后指出,水管冷却是双刃剑,它既能有效控制混凝土温度,有利于防裂;但如使用不当,又可引起严重裂缝。对几个影响应力场的重要因素进行了分析,提出了混凝土坝施工中正确使用水管冷却的几个原则,以达到既有效控制温度又防止裂缝产生的目的。     

混凝土坝水管冷却的利与弊

混凝土坝水管冷却既有利也有弊,过去人们只看到其利,忽略了其弊,以致有时产生了裂缝.本文全面分析了水管冷却的利与弊,以便趋利避害,充分发挥其温控防裂作用.     

混凝土坝初期水管冷却方式研究

从混凝土坝温度应力控制的全局出发,系统地研究了初期水管冷却方式对温度应力的影响,考虑两种冷却方式:一种是恒水温冷却,在整个初期冷却期间采用恒定水温;一种是变水温冷却,即初期冷却分为两阶段,分别采用不同水温。算例计算结果表明,当水管间距为1.5 m×1.5 m时,如间歇时间为5～10 d,以恒水温冷却为优;如果间歇时间为20 d,则以变水温冷却为好。当水管间距为1.5 m×0.75 m时,则变水温冷却为宜。     

混凝土坝水管冷却仿真计算的复合算法

水管冷却是混凝土坝施工中的主要温度控制措施，在混凝土坝施工过程仿真计算中如何考虑水管冷却效应是一个重要而又困难的问题，直接用三维有限元法求解，计算量太大；用近似解法，在某些情况下，计算精度可能不够。笔者提出了一套复合算法，计算效率高，计算精度也较好。     

小温差早冷却缓慢冷却是混凝土坝水管冷却的新方向

提出混凝土坝水管冷却的新方式:小温差、早冷却、缓慢冷却,与大温差、晚冷却、短促冷却的传统冷却方式相比,它可以把混凝土与水温之差从目前的20～25℃减少到4～6℃,从而可大幅度提高抗裂安全度.过去人们对水管冷却自生温度应力重视不够,笔者提出了计算方法,它能引起相当大的拉应力,采用小温差可以减小这种应力.目前往往限制后期冷却在龄期120 d后开始,采用小温差可取消这一限制,从而赢得了几个月时间.笔者提出的这种新冷却方式,在不影响施工进度的前提下,不但减小了自生应力,也减小了约束应力,是今后混凝土坝水管冷却的发展方向.文中还提出了一整套实用计算公式.     

混凝土坝后期水管冷却方式研究

近年在混凝土特高坝施工中,有些坝块经后期水管冷却之后在非基础约束区出现了贯穿性裂缝.通过大量分析计算之后得出结论,这种裂缝的出现与后期水管冷却方式有密切关系,然后提出避免出现这种严重裂缝的新的后期冷却方式:多次后期冷却和台阶形后期冷却,并对上述两种后期冷却方式的应力状态和优缺点进行了深入分析,给出了详细算例,说明其温度与应力变化规律.     

在水管冷却与层面散热共同作用下混凝土坝浇筑层温度场的理论解

利用笔者建立的等效热传导方程,本文给出在水管冷却与层面散热共同作用下混凝土坝浇筑层温度场的理论解,可用于分析浇筑层厚度和水管间距对混凝土温度场的影响。     

水管冷却计算的部分自适应精度法

提出了混凝土坝一期冷却水管模拟计算，并可大幅减少计算工作量的“部分自适应精度法”，利用这种算法，可实现水管冷却的精细模拟算法在大型工程中的应用，应用该法对龙滩碾压混凝土坝的水管冷却温度场进行了计算，结果令人满意。     

混凝土坝后期水管冷却的规划

过去对后期水管冷却的安排比较简单,根据施工进度确定开始冷却日期及冷却水温,冷却到规定温度时停冷灌缝.现在看来后期冷却对坝体温度应力有重要影响,尽管温差相同,但不同的冷却安排产生的温度应力相差很大.本文首次系统地研究了冷却区高度、水管间距、冷却分期及水温控制对温度应力的影响,根据此研究结果,对后期冷却进行细致的分析和规划,在相同的温差和水管布置条件下,可显著减小温度应力、提高混凝土坝抗裂安全度.     

混凝土坝水管冷却中水温的计算、调控与反馈分析

随着混凝土坝高度的增加,对水管冷却的要求也日趋严格和精细,已有的冷却水温计算方法已难以适应目前的要求.为此,提出了混凝土坝水管冷却中水温的理论解法、有限元解法及近似算法,给出了水温调控的原则和方法,指出了目前水管冷却中存在的问题及克服的方法.     

水管冷却混凝土温度场计算的三维p 型有限元法

引入阶谱与自适应技术,将p型有限元法应用于水管冷却混凝土温度场的仿真计算,通过对单元升阶谱,以扩大容许函数空间来提高数值解精度,并编制了p型自适应有限元计算程序。针对同一计算模型,分别采用不同网格密度的常规有限元法和p型有限元法进行了水管冷却混凝土温度场的计算分析和对比研究。结果表明,p型有限元法的计算结果在网格稀疏的情况下仍然能够达到较高的精度,特征点温度时程线和温度场等值线与精细算法值吻合得较好,而常规有限元法则误差相对较大。同时,采用p型有限元法进行水管冷却混凝土温度场模拟,可以在保证计算精度的前提下减少单元数量,从而降低前处理的难度、工作量以及计算的时间成本。     

含冷却水管的混凝土温度场复合单元新算法

针对含冷却水管的大体积混凝土施工期温度场计算精度和效率的协调问题,提出了一种新的复合单元算法。该算法将冷却水管周围的混凝土区域分为非线性温度区(A区)、线性温度区(B区),并考虑管内水体温度(水区)。根据A区内的混凝土温度与到管壁距离的关系,以及各分区的泛函,导出了含一个混凝土子单元和一个水体子单元的复合单元新模型。算例表明,在计算精度方面,有限元与复合元对比计算得到的规律完全一致,在绝热温升50℃或60℃条件下两种方法的温度结果最大差异在2℃以内,该差异主要与A区半径的取值有关。在计算效率方面,本文算例中复合元的计算总耗时是有限元的50%。与原冷却水管复合单元模型相比,新算法可以在不增加网格密度的条件下,提高水管周围混凝土温度场的计算精度,且计算效率较高。     

水管冷却对混凝土闸墩结构温度的影响

结合水管冷却方法在白沙水库溢洪道混凝土闸墩施工中的应用,分析了影响冷却效果的因素,确定了施工中冷却水管的布置方法和监控措施,对采用冷却水管时的结构理论绝热温降进行了计算,并在相同条件下对采用冷却水管和不采用冷却水管两种情况的现场实测温度变化进行了对比分析,结果表明,此方法应用于闸墩结构的温度控制中可有效降低混凝土内部温度的峰值。     

船闸底板大体积混凝土水管冷却效果影响因素分析

基于有限元软件ANSYS分析研究船闸底板混凝土施工过程及通水冷却时的温度场变化,研究影响冷却效果的因素及温度变化规律,提出船闸底板施工的有效温控措施方案。研究结果可为工程施工提供参考。     

水管冷却作用下岩锚梁混凝土施工温度应力分析

针对水电站地下厂房中岩锚梁混凝土结构施工期易开裂的问题及其结构特点,采取了水管冷却和表面保温相结合的温控措施。依托某岩锚梁工程,利用考虑水管冷却的不稳定温度场和应力场的有限元方法,对典型岩锚梁施工段进行仿真计算,从温度、第一主应力以及抗裂安全度3方面分析了水管冷却和表面保温措施的温控效果。结果表明,水管冷却和表面保温相结合的温控措施能够把岩锚梁施工期应力控制在允许范围内,使其满足允许抗裂安全度,并认为运用抗裂安全度的方法评价混凝土结构的抗裂能力更为合理。     

碾压混凝土重力坝通水冷却温控效果研究

对碾压混凝土坝采取合理可行的温控措施,对于降低温控费用和防止温度裂缝尤为重要。以某碾压混凝土重力坝为例,采用三维有限元浮动网格法模拟大坝施工进度安排,考虑混凝土弹性模量和水化热温升随龄期变化、通水冷却时长、通水温度等因素,对该碾压混凝土重力坝进行温控仿真研究,分析了通水冷却效果和坝体温度、应力变化规律。结果表明:通水时间为20 d,冷却水温从20℃降低到15℃时,可使各区最高温度降低0. 6~0. 7℃,最大温度应力降低0.08~0. 13 MPa。冷却水温为20℃,通水时间从15 d增加到20 d,可使各区最高温度降低1. 0℃,最大温度应力降低0. 11~0. 15 MPa。控制混凝土浇筑温度为25℃,采取通水温度20℃、通水时长20 d、全坝段通水冷却温控措施,坝体最高温度和最大应力均满足控制标准。研究成果为该碾压混凝土重力坝的通水冷却温控设计和施工管理提供了重要依据,对类似工程的温控设计具有参考意义。     

混凝土表面保温和水管冷却的温控效果研究

为了对比探讨表面保温和通水冷却这两种措施的温控效果,采用有限单元法,对带有冷却水管的混凝土温度场和应力场进行模拟计算。在表面保温方面,认为应合理选择保温力度,优化保温效果,可以实现“既达到防止早期表面开裂,又能提高后期表面的抗裂性能”的目的。在水管冷却方面,提出了影响水管冷却效果的4个控制指标,即温度峰值、峰值龄期、降温速率和停水温度,认为在采用水管冷却方法控制温度峰值的同时,还应考虑峰值龄期和降温速率对温度应力的影响。     

混凝土坝的数字监控

文中提出一个新的理念:混凝土坝的数字监控.目前大坝监控依靠仪器,仪器观测资料对于监控大坝工作状态是重要的,但它们不能给出大坝的应力场和安全系数,因此,笔者建议在仪器监控之外,增加数字监控,利用全坝全过程仿真分析,在施工期即可给出当时温度场和应力场,并可预报运行期的温度场、应力场及安全系数,如发现问题可及时采取对策;在运行期可以充分反映施工中各项因素的影响,对大坝作出比较符合实际的安全评估.通过反分析,仪器观测资料在数字监控中也得到利用.在数字监控的基础上,适当扩充,可以建立数字大坝,有利于大坝的管理.在目前条件下,利用一台微机每周上机一次,即可完成全部计算,运用方便,所费不多,收效显著.