大体积混凝土中点式温度计存活率影响因素的研究

2019-04-20，，，

人民珠江 2019年4期

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(1.黄河上游水电开发有限公司工程建设分公司，青海西宁810008；2.黄河上游水电开发有限公司拉西瓦发电分公司，青海贵德811700；3.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)

大体积混凝土的温度需要几年甚至几十年才会下降到稳定、准稳定温度，贯穿性裂缝常出现在建成若干年以后，如普定拱坝建成5～6 a后出现多条贯穿性裂缝和大量表面裂缝[1-2]。国内外调查资料表明，工程结构中裂缝的20%来源于荷载，而另外约80%是由温度变形、干缩变形及结构不均匀沉降引起的，而其中又以温度变形为主[3]。同时质量检测受施工进度影响较大；受环境变化和施工参与人员的经验影响。通过合理的、有效的监测施工组织，可以有效地保证监测仪器的可靠安装并使安装的监测仪器能够达到监测的目的，相应地延长监测仪器的使用寿命，有效提高监测仪器成活率、提高监测施工的工程质量，同时做好监测施工组织还可以相应地提高主体施工的可靠性[4]。为了有效地解决高密度大体积钢筋混凝土在施工过程中结构受到温度应力的影响，必须在施工过程中对混凝土内部、地温和气温进行有效的监测，掌握施工过程和后续养护中温度实时变化的情况。当平均气温均高于20℃，降温幅度大、保温难度高，且春秋更替，寒潮较频繁，混凝土温度控制成为其施工的关键[5]。

本文中点式温度计测温系统最早用于水利工程施工中混凝土大坝坝体温度的远程监控，经过多年的技术发展现已广泛用于各种超高层地基、大体积混凝土的温度监控中。它不仅在大型施工过程中能够做到自动连续的监控，及时地提供各监测点温度和温度随时间变化的曲线，而且由于其埋设简便等优势在高密度钢筋混凝土中越来越受欢迎。实际工程应用中点式温度计埋设技术和工艺扮演着重要的角色，铺设过程中必须考虑温度计的存活率，过多的施工干扰明显增加传感线路的损耗，从而造成监测稳定性降低或者失效。混凝土浇筑过程中施工干扰对埋设的温度计和线路损坏有较大的影响，主要表现在测点位置选择、混凝土卸料冲击、施工振捣碰撞等影响。因此，优化点式温度计测点布置和埋设工艺，选择精选少量的测点在合理的位置上进行监测，并且在施工过程中识别测温设备损坏因素、优化埋设工艺、后续维护显得尤为重要。

1 点式温度计损坏风险分析及风险因素等级

1.1 风险因素分解分析

风险因素分解(Risk Breakdown Structure，RBS)分析是水利水电工程风险分析的主要方法之一，风险分解结构是按照区分潜在风险存在的各种领域和产生的多种原因的风险类别，形象而有条理地说明已经识别的醒目风险层次结构的一种方法。基于这种方法在外部施工和内部点式温度计本身进行两方面的分析，从不同的角度寻找风险源。为使保护点式温度计的措施更加全面且有针对性，识别可能造成点式温度计损坏的风险因素，并对其进行分析和评判是十分必要的。引起点式温度计损坏的主要因素见图1。

1.2 评估风险因素等级

风险因素除了具有发生概率外，还有一个重要的属性，即风险因素的影响程度，反映在大体积混凝土点式温度计铺设方面就是对温度计损坏因素的影响程度。点式温度计损坏风险因素的分析与量化过程就是考虑风险因素的二维属性，即风险发生的几率和发生后导致的风险结果。结合工程实际情况将风险概率与结果影响结合起来针对点式温度计损坏的风险因素给出各风险因素的评判等级(表1)。

表1 点式温度计损坏风险因素等级

经过分析，施工机械造成点式温度计损坏以及测点布置不当是造成点式温度计损坏的主要风险。

1.3 基于最大成活数量和测点温度信息误差最小的点式温度计优化布置模型

1.3.1点式温度计最大成活数量优化模型

本文以最大成活数量和测点有限为目标，综合考虑各种施工因素对点式温度计存活率的影响，建立最大成活点式温度计数目优化的模型。

由N个测点构成的点式温度计测温系统，用N维矢量(X1,X2,…,XN)来表示1,2,…,N位置成活点式温度计的数量；令Ai、Bi、Ci、Di、Ei分别为温度计质量、锋利骨料、固定装置、施工机械、测点布置风险因素对i位置点式温度计影响因子，通过降维处理，则对i位置不影响温度计的影响因子为Pi，则：

Pi=(1-Ai)(1-Bi)(1-Ci)(1-Di)(1-Ei)

因此优化点式温度计最大成活数数学模型可如下表示：

1.3.2点式温度计测点优化布置模型

测点优化布置是精选监测断面位置，以最少的温度计数目在测点布置图上的位置选择。温度计在某一断面上的任一布置方案，都有一个由方案不同带来的误差对应。在确定点式温度计测点个数n和满足施工工艺约束的前提下，优化测点温度数值传递误差最小。

设测点布设位置为x1,x2,…,xn，T(x)是测点x的温度函数值，T由T(x1),T(x2),…,T(xn)决定，则：

T=g(T(x1),T(x2),…,T(xn))

令λ1,λ2,…,λn分别为T(x1),T(x2),…,T(xn)引起的误差，ΔT为λ1,λ2,…,λn带来T的误差，则有：

T+ΔT=g((T(x1)+λ1,T(x2)+λ2,…,T(xn)+λn))

利用泰勒级数展开并略去高阶无穷小得到：

则最大传递误差为：

ΔTmax=

故优化模型为：

minf(x)=minΔTmax=

式中f(x)——传递误差函数。

2 工程实例

某进洪闸是蓄洪滞区的一项重要控制性工程，主要工程任务是挡洪和进洪，非分蓄洪时挡长江洪水，分蓄洪时开闸进洪。该闸设计进洪流量为8 000 m3/s，为Ⅰ等工程，规模为大(1)型。该进洪闸闸室为整体开敞式结构，共44孔，两孔1联，每孔净宽12.0 m，底板顶高程为25.8 m。闸室底板顺流向长22.0 m、单联宽27.5 m，底板厚2.0 m(上游齿槽处厚2.8 m、下游齿槽处厚3.0 m)。每仓底板混凝土1 258.6 m3,22联合计27 689.2 m3。

浇筑期处于高温月份，降温幅度大、保温难度高，混凝土温度控制成为其施工的关键[6]。为了全面掌握该工程在混凝土浇筑和后期保养过程中温度变化，定性分析混凝土内部结构与外界进行热交换，本文选择监测混凝土内部结构温度、地面温度和大气温度；取内外温差和温降速率为温度控制的主要指标。温度应力不仅与温降幅度即温差有关, 还与温度过程有关[7]。根据设计指标，混凝土内外温差即混凝土中部1/2厚度处温度和距混凝土表面5 cm处温度的差值不得超过25℃；以大体积混凝土中部温降速率作为控制型指标，根据设计指标其温降速率不宜超过1.5℃/d[8-9]。

2.1 监测项目设置和测点布置优化

2.1.1点式温度计监测操作要点

混凝土浇筑过程中各施工工序相互交叉干扰，机械设备和管线较多，工艺流程复杂。而点式温度计精细、易折断、敏感度强，要实现测温和传输混凝土内部的温度，适用的埋设工艺是关键内容。同时为了有效控制大体积混凝土水化热，防止最高温度超出设计最高温度，根据相关要求，当前大体体积混凝土监测项目操作要点总结如下。

a) 本文工程实例为厚3 m的钢筋混凝土，点式温度计在混凝土浇筑之前铺设，为满足施工现场的操作和工程特性，对点式温度计统一采用JDC-1无线测温系统和若干温度传感导线。

b) 测温点在竖直方向上测量混凝土3个不同高程的温度，即距混凝土表面约5 cm处的上部温度、混凝土离顶面距100 cm处温度和距混凝土下底面10 cm处的温度。采取这样的埋设主要是为了控制上述几个高程处温度变化及差值，防止温差带来有害裂缝。

c) 点式温度计埋设时，距上游面20～85 cm，距下游面30～60 cm。温度计距横缝和周边空洞30～50 cm，若遇特殊情况可适当调整。

d) 一般混凝土浇筑后，第二、第三天为升温高峰，其后逐渐降温。混凝土终凝拆除模板后，及时铺盖棉毡毯进行保温养护，保持不少于14 d的湿润养护，防止混凝土因温差应力而产生裂缝。监测过程中，若出现温降速率大于1.5℃/d或表里温差超过25℃时及时调整保温方式。混凝土浇筑后按表2频率进行监测，直到混凝土表面下10 cm处与大气温差不大于25℃并且混凝土厚度1/2处温降速率趋于0时停止测温。

表2 点式温度计测温频率

2.1.2点式温度计监测项目设置

水工建筑物安全检测的结果首先需要用于水工建筑物的安全评价，而安全评价的结果又可以用来对安全监测系统进行优化，即低风险的水工建筑物可以降低安全监测系统规模[10]。点式温度计测温点布置按大体积混凝土结构平面图和最优测点位置选择，按大体积混凝土结构特殊部位，如底板中间、结构拐角等基本能反映出大体积混凝土温度变化的点来确定埋设点数及位置。测点优化布置一方面是为了通过尽可能少的监测仪器来获取可靠、能够代表某一区域的温度信息，另一方面是由于受现场施工条件和监测成本的限制，点式温度计位置、数量布置是有限的。因此通过对监测温度信息的分析来优化测点的布置、铺设工艺和保护措施是必要的，监测项目和监控优化流程见图2。

2.1.3监测项目和测点布置优化

通过有限测点监测掌握整个建筑物安全信息就要求测点必须具有代表性和最大风险性部位2个条件。因此测点的布置就没有必要均匀布置，可以在温度梯度大和混凝土开裂风险高的部位加密，对于结构对称等部位可减少测点。对本文监测项目测点布置优化前后对比见图3。

2.1.4点式温度计铺设施工工艺优化

根据现场检测，点式温度计在混凝土浇筑过程中，不同程度都有变形破坏，造成这些破坏的原因主要是下料过程中，混凝土对温度传感导线的碰撞和挤压，以及在施工过程中混凝土料、施工机械对温度传感导线的碰撞、扰动造成的损坏。为此制定以下防损坏点式温度计措施。

a) 固定装置的优化。根据点式温度计的施工过程，对点式温度计铺设进行观察、分析、总结，对点式温度计埋设工艺进行优化，温度传感导线加固卡的间距由原来的200 cm调整为100 cm，更加均匀地对传感导线进行固定。特别是对垂直于铺料方向的传感导线重点加固，确保在铺料或推料过程中不发生位移。一方面，加固的固定位置和间距也是线路损坏的重要因素，线路敷设过程中，固定间距布设越均匀，线路覆盖过程中发生损坏的程度就比较低。另一方面，容易发生扯断的部位加密布设固定卡能够减少损坏的风险。在混凝土浇筑前，按图3将温度传感导线测温探头端绑扎在钢筋上，避免温度计探头端与钢筋直接接触。严格要求工人操作,严禁绑扎不牢固、绑扎点松脱、温度计滑移歪斜等。

b) 铺设线路优化及混凝土施工要求。点式温度计传感导线牵引时按“牵一个固定一个”的原则，在牵引过程中多名工人在不同部位协同牵出，严禁集中批量牵出，防止在牵引过程中受力不均而损坏。另外，点式温度计传感导线全程沿钢筋表面紧贴穿梭，在齿槽等特殊结构处沿构件表面牵出，避免下方产生悬空使传感导线振动挤压而破坏。

c) 优化混凝土下料和摊铺要求。点式温度计铺设以后，在施工过程中，混凝土下料、平仓、振捣、机械设备行走等原因，都有可能损坏铺设好的点式温度计。在布料过程中，避免在点式温度计上直接卸料，造成对传感导线挤压损坏；推料高度也不宜过高，避免施工机械出力过大导致损坏点式温度计。

2.2 工程优化措施实施效果

点式温度计在混凝土浇筑过程中会受到各种因素的影响导致损坏。通过对点式温度计在铺设前后试验检测分析，优化测点位置和施工方法，点式温度计存活率得到明显的提升。

选取3个仓进行点式温度计存活检测及防损坏措施效果验证。试验按不同的埋设时间将存活率分为3组数据，检测结果详见表3。从表中数据可以看出，点式温度计从埋设到监测结束，取得了一定的效果。其中3个仓存活率分别为33%、87.5%、100%，第一根损坏时间从原先的2 d延长到23 d。相对第一仓(未采取防损坏措施)中检测结果，采取针对性工程措施后，点式温度计的损坏得到了控制，说明防损坏工程措施是有效的，并且损坏率与风险预判因素较有紧密的相关性。