前坪水库溢洪道混凝土温度预报与应用

杜雅琪 耿鹏宇 皇甫泽华 易 磊

前坪溢洪道混凝土工程对外界温度比较敏感，属于易裂混凝土结构，这就需要在混凝土开始浇筑之前制定一套行之有效的预备措施，以应对混凝土开裂风险。混凝土工程的主要问题就是温度应力问题。当混凝土温度应力过大，或者混凝上的抗力小于设计抗力时，混凝土便处于开裂的危险状态。采用温控预报手段对存在开裂风险的部位提前发出预警，并结合行之有效的温控措施，以应对混凝土开裂风险。

一、温度检测、预报

溢洪道项目联合北京航空航天大学对该工程闸室段混凝土采用光纤测温与温控预报手段，及时了解混凝土工程各个部位的温度应力情况，对存在开裂风险的部位，提前发出预警，以便及时采取相应措施。

进行光纤测温，就是要利用分布式光纤对大体积混凝土内部温度高度敏感的特性，采用数据采集与传输一体化的技术，对核心部位混凝士温度进行在线监测，并及时自动上传到网络中心或者专用终端用户，以便随时了解已浇混凝土关键部位温度的变化情况；对施工过程进行仿真分析，就是根据混凝土材料参数与拟定的施工参数，利用温度场控制方程与数值建模计算技术，对施工期各部位混凝土的温度分布情况，以及调整变化情况，作出宏观与微观上的展示，以便及时了解哪些部位的混凝土可能岀现温度超标现象。至于新浇筑混凝土，还要开展温控预报。

为确保溢洪道混凝土质量优良，需要从原材料选择，到施工与养护，全过程提高混凝土的抗裂能力。在混凝土浇筑之前，使用温控预报技术；在混凝土浇筑之后，使用光纤测温技术；在混凝土拆模之后，使用混凝土开裂风险预警技术，以全面提升前坪溢洪道混凝土的抗裂防裂能力。三大技术的应用将为打造前坪溢洪道混凝土精品工程奠定技术基础。

二、实施内容

1.闸墩混凝土温度全过程在线监测

利用分布式光纤，以及DTS仪器，对典型部位（重点部位、代表部位）混凝土的温度全过程进行跟踪，得到成果：（1）与预测温度过程对比的实测温度曲线；（2）在上述基础上，进一步反演真实的混凝土热学参数，并使之应用于下一仓闸墩混凝土温度过程的预报；（3）没有任何数据污染的、数十倍于规范要求的温度测点，利于竣工后整个混凝土建筑物温度场的数字监控。

我国已经采用光纤测温技术的工程主要有：三峡工程、小湾工程、溪洛渡工程、深溪沟工程、大冈山工程等。执行得最好、数值最为完整的是溪洛渡工程与深溪沟工程。除了光纤布置与埋设技术外，其成功的主要因素之一就是在施工现场或者廊道，建立了专用的DTS监测房。

2.混凝土施工过程温度与温度应力仿真分析

在拟定浇筑计划与温控计划下，对闸墩混凝土浇筑块体温度场与温度应力进行数值模拟，得到其分布规律，并揭示混凝土开裂风险可能偏高的部位，以便承包商与监理重点关注这些部位混凝土的施工质量。这项工作内容的核心是对各个单体在不同阶段，反复进行仿真分析，并与类似的监测成果对比，让各个部位混凝土的温度场形象数据化、可视化。

同样的，如果预报结果表明混凝土内部温度有超标可能，可以考虑从七个方面临时调整措施：（1）对12h内基本可以收仓的浇筑仓，经与承包商商量，可以考虑改变开仓时间；（2）对风速较小的区域，可以考虑利用喷雾设施，临时创造浇筑小环境；（3）提前加大水管布置密度；（4）提前降低通水温度；（5）改变24h颠倒通水方向的做法，提倡12h更换通水方向，以加快散热速度；（6）化整为零，对约束条件强、开裂风险较大的浇筑块，减少浇筑尺寸；（7）尽量提供表面保护，并改变通水流量与温度，让其缓慢降温。

3.已浇混凝土质量与抗裂能力评价

除采用常规的质量评定方法外，还涉及到大量试验资料，包括机口取样、仓面取样、现场取芯等实验成果的整理与应用，对已浇混凝土的质量与抗裂能力进行定量评价，以此作为混凝土开裂风险评价的另一组数据。

4.混凝土开裂风险预警

根据温控预报成果，针对现场即时条件与工程上已经掌握的温控防裂资源，从原始材料准备与生产、混凝土拌和运输、混凝土振捣养护、混凝土通水冷却、混凝土拆模保护、温度监测等各个环节，系统地进行优化组合并选择最可能实施的防裂方案。

5.预期达到效果

上述研究内容与开发系统的实施，可以帮助工程建设者解决以下三个问题：（1） 在温控预报技术支持下完成混凝土浇筑前的合理入仓温度；（2）在光纤测温技术支持下完成混凝士浇筑完毕后的真实温度；（3） 在开裂风险预报支持下完成混凝土施工完成后开裂风险度。

图1 光纤测温流程图

图2 温控预报流程图

上述三个子项的落实，可以做到混凝土开裂风险预报。通过以上三项技术，达到如下效果：（1）闸墩不产生结构性裂缝；（2）其他部位大体积混凝土没有危害性裂缝产生；（3）上部钢筋混凝土结构，没有超过0.5mm的裂缝产生。如果能够同时达到上述三个标准，前坪溢洪道工程混凝土质量就得到了根本保证。

三、具体方法

1.光纤测温

采用sensornet公司的Dentine1-DTS分布式光纤温度测量系统，该产品是基于拉曼散射技术，以普通光纤作为传感器，能够监测出探测光纤沿程的温度值。为了适应现场施工的复杂环境，选用了光缆作为探测光纤，该光缆是一个内部50/125m的多模光纤，连接 Sentinel-DTS，来实现分布式温度测量。实施流程见图1。

2.温控预报

温控预报是在新混凝土开仓前2～3天对混凝土浇筑后的最高温度及温度过程进行超前预报的过程，其主要方法是：在大坝有限元模型的基础上，结合反演得到的热力学参数及边界条件，运用课题组软件FZFX3D，对未来7天内坝体的温度场进行超前预报。具体实施步骤如下： （1）通过已浇筑混凝土光纤测温的结果，反演混凝土的热力学参数；（2）从综合管理系统中提取混凝上模型的参数，在此基础上，建立计算所需的大坝三维有限元模型；（3）边界条件的确定，参考未来一周天气预报的温度，及施工方拟采取的温控措施，主要包括浇筑温度，收仓后的保温措施等；（4）在物理模型、材料参数、边界条件确定的基础上，运用FZFX3D软件计算坝体的温度场。

主要计算成果包括：（1）典型监测点未来一周温度过程线；（2）典型时刻溢洪道温度场云图及温度梯度分布；（3）新浇筑块最高温度及到达最高温度的龄期。

通过温控预报，可以预测在拟采取的温控措施情况下，未浇筑块的最高温度是否满足温控标准，是否需要调整温控措施。温控预报具体流程见图2。

3.开裂风险预报

温度应力预报具体实施步骤如下：（1）根据光纤测温的结果，反演混凝土的热力学参数，通过对混凝上的力学性能试验，确定其力学参数；（2）通过已获得的材料参数，结合温控措施、边界条件、光纤实测的温度值，重构温度场；（3）结合溢洪道混凝土的力学参数及实际约束情况，对温度应力进行仿真。

其主要成果包括：（1）重构温度场及通过仿真分析得到的混凝土温度应力过程；（2）溢洪道典型高应力区域及到达时刻；（3）混凝土抗裂能力的评价主要是结合现场取样、施工质量等，综合评价混凝土的抗裂等级。

其主要内容包括：（1）建立一个相对等级评价模型，以完全“成熟混凝土”抗力作为标准值，划分不同时段早龄期混凝土的强度等级；（2）根据现场试样的采集地点、数量、试验误差等，结合施工队伍素质、施工过程录像、监理质量检验成果等，综合评判早龄期混凝土的抗力等级。根据以上两部分的工作，在同一时刻，对可能的恶劣天气下混凝土的表现进行比较与评价。

四、预期取得的技术经济效益

有了温控预报技术，能够解决在当时温控措施不能满足温控标准要求的前提下，调动一切温控资源，最大限度地控制混凝土内部的最高温升。其次，在混凝土内部最高温度超标的情况下，比照测温数据，提高混凝土早期保护水平最大限度地缓解降温速度，充分利用混凝土的徐变能力，尽量避免开裂。

有了混凝土安全预警系统，可以在不利气象条件下，及早对开裂风险高的部位进行保护，确保混凝土不出现危害性裂缝，避免开裂后的各种修复工作，大大节约工期与成本，并提高混凝土结构的安全度。

五、结语

基于温控预报与抗力评价技术下的混凝土开裂风险预警技术，在前坪水库溢洪道的研究与实施，必将为溢洪道闸室混凝土工程的防裂技术提高一个新台阶■