大体积混凝土通水冷却智能温度控制方法与系统

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1、水利学报2013年8月SHUILIXUEBAO第44卷第8期文章编号：0559-9350（2013）08-0950-08大体积混凝土通水冷却智能温度控制方法与系统1121林鹏，李庆斌，周绍武，胡昱（1.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084；2.中国长江三峡集团公司，北京100038）摘要：建立了大体积混凝土通水冷却智能温度控制方法与系统，对防止混凝土坝施工期混凝土开裂，建设无缝大坝具有重要意义。其主要特点包括：在新浇筑大体积混凝土中安装数字温度传感器实时测量混凝土温度；在浇筑仓进出水管上安装一体流温控制装置，实现远程实时、在线复杂通水信息的自动采集与反馈控制

2、，根据能量守恒和传热学的傅里叶定律确定实时通水流量。混凝土在冷却过程中遵循3个基本智能控温原则：最高温度控制，温度变化率协调控制与异常温度控制。由控制平台系统实现基于时间温度曲线、对大体积混凝土进行个性化PID智能控制，从而降低混凝土拉应力，达到浇筑无缝大坝目的。本控制方法和系统已应用在溪洛渡特高拱坝建设中。关键词：水工结构；大体积混凝土；通水冷却；智能温度控制；溪洛渡拱坝中图分类号：TV233.3文献标识码：A1研究背景施工期温度应力过大是混凝土坝开裂的重要原因之一，防止大体积混凝土温度开裂主要从控制温［1-4］度和改善约束两方面来解决。大量工程实践表明，在高温季节浇筑混凝土时，受

3、入仓温度、太阳辐射和通水冷却等外界条件的影响，混凝土浇筑仓温度很难完全控制不超过容许最高温度。为了使混凝土材料性能正常发展，必须使混凝土浇筑仓最高温度控制在合适的温度，即最高温度不能过高，也不能过低。大坝施工期温控目的是通过人工通水冷却实施温度控制，使混凝土温度保持在设计的“温度-时间-空间曲线”附近，从而使混凝土质量可控。不同气温、不同浇筑温度、不同水管间距、不同施工工法和工序、不同仓水管变形程度、不同数据采集和控制方式等都会直接影响混凝土温度控制效果。通水冷却第一次在水利工程领域中的正式应用源于20世纪30年代，1931年美国垦务局在欧瓦希（Owyhee）拱坝上进行了混凝土水管冷

4、却的现场试验，结果令人满意。此后的两年，胡佛水坝（Hoover）首次在混凝土内全面预埋通水冷却水管，获得较理想的温控防裂效果。随后，通水冷却以其灵活性、可靠性及多用性等特点，在世界各国混凝土坝施工中被广泛采用。我国在1955年修建第一座混凝土拱坝——响洪甸拱坝时，首次采用了预埋冷却水管，获得了不错的防裂效果。随后，在周公宅拱坝、二滩拱坝、索风营碾压混凝土坝、三峡大坝、龙滩碾压混凝土重力坝、拉西瓦拱坝、锦屏一级拱坝与小湾拱坝等众多大型工程中得到了广泛应用，从众多的工程实践中可以看出，人工通水冷却法已成为［5-6］大体积混凝土坝施工中不可缺少的一项关键温控防裂措施。目前，混凝土坝人工通水

5、冷却控温主要弊端有：（1）通水冷却的监控主要采用人工记录人工球阀、水银温度计和水表的数据变化；人工调整通水流量间隔长，人工采集温度和流量数据工作量大，受主观因素以及设备运行状况影响较大；（2）现有通水系统精度不高，效率低，数据可靠度不高，采集时间间隔长，信息反馈慢，控制手段单一，常常导致混凝土温控不理想；（3）通水资源浪费，为了避免大坝温度过高，在现有温控方法中，往往采取宁可加大通水流量的策略，这样在长周收稿日期：2013-02-28基金项目：清华大学自主课题资助（20111081122）；国家重点基础研究发展计划（973）项目资助（2011CB013503、2013CB035902

6、）；国家自然科学基金项目资助（1172178）作者简介：林鹏（1972-），男，湖北人，博士，副教授，主要从事水工结构及岩石力学研究。E-mail：celinpe@tsinghua.edu.cn—950—期大坝建设过程中，造成不必要的水资源浪费，经济利益损失大；（4）现有温控策略往往不能够将大坝混凝土温度变化精确控制在设计温控曲线附近，人工测量与控制往往不能实时联动，导致实际大坝温度控制与预期偏离较大，容易导致大坝开裂破坏；（5）现有技术中，人工控制混凝土大坝温度时，很难实现大坝多坝段整体温度协调、精细化、个性化控制。如何对大体积混凝土结构进行有效的智能温控一直是水工设计和施工中关心

7、的核心问题，目前国内外尚没有这方面的系统研究工作。本文论述大体积混凝土实时、在线、个性化通水冷却智能温度控制的方法、基本控温原则与系统组成，并简要介绍该系统在溪洛渡拱坝智能温度控制中的应用情况。2通水智能温度控制方法与原理2.1智能温控基本理论和流程对于常物性的三维有内热源导热问题，根据传热学的傅里叶定律，可以得到基本的热传导方程∂Tæ∂2T∂2T∂2TöQ̇=açç++÷÷+（1）∂τ∂x2∂y2∂z2ρcèø3式中：T为温度值，℃；τ为时间变量，d；ρ