水工隧洞混凝土施工期气温演变规律监测分析_段亚辉.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022水工隧洞混凝土施工期气温演变规律监测分析段亚辉1,2,杜洪艳1,苗婷 1,段兴平3,郑斌3(1.武昌理工学院 智能建造学院,武汉 430023;2.武汉大学 水利水电学院,武汉 430072;3.中国三峡建工(集团)有限公司 白鹤滩工程建设部,成都 610094)摘要:洞内气温是水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制最为重要的环境条件之一,由于缺乏足够的实测资料和研究成果,至今还没有掌握其演变规律,设计和温控计算中取值差异显著。通过对白鹤滩等巨型水电站中不同用途数十条隧洞混凝土浇筑期洞内气温 10 余年监测,取得万余组数据。认识到水工隧洞沿河布置与河套风向一致,洞口开挖贯通,交通洞和施工支洞众多,洞内温度主要受自然环境气温控制。通过统计分析,提出洞内气温采用余弦函数描述其年演变规律,年平均值和变幅与隧洞长度、开挖是否贯通、地下电站施工热源、封闭洞口保温等 4要素的定量关系,可供没有隧洞气温检测数据时计算洞内温度参考。关键词:水工隧洞;施工期;气温;演变规律;衬砌混凝土中图分类号:TV221;TU91文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0884-09Monitoring and Analysis of Temperature Evolution in Hydraulic Tunnel During Construction of ConcreteDuan Yahui1,2,Du Hongyan 1,Miao Ting1,Duan Xingping1,3,Zheng Bing3(1.School of Intelligent Construction,Wuchang University of Technology,Wuhan 430023,P.R.China;2.School of water resources and hydropower engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,P.R.China;3.Baihetan Project Department,China Three Gorges Corporation,Chengdu,610094,P.R.China)Abstract:The temperature in the tunnel is one of the most important environment conditions for temperature control and crack prevention of lining concrete.Due to the lack of sufficient research data,its evolution law has not been mastered so far.At Xiluodu,Baihetan and other giant hydropower stations,the temperature in dozens of tunnels during concrete construction has been monitored for more than 10 years,and more than 10 000 groups of data have been obtained.It is recognized that the tunnel layout along the river direction is consistent with the wind direction of the river oxbow.During the construction period of lining concrete,there exist many access tunnels and adits,and the temperature in the tunnel is basically controlled by the ambient temperature.Through statistical analysis,the cosine function can be used to describe its annual evolution rule.The average value and amplitude of annual variation of temperature in the tunnel have quantitative relationship to the layout of tunnel,excavation condition,portal state,etc,which can be used as a reference for calculating the temperature in the tunnel without detection data.Keywords:hydraulic tunnel;construction period;temperature;evolution law;lining concrete收稿日期:2022-06-30(修改稿)作者简介:段亚辉(1957),男,湖北崇阳人,博士,教授,主要从事高坝与地下工程混凝土温度裂缝控制研究。E-mail:2336004327 基金项目:中国三峡建工(集团)有限公司重点资助项目(JG/18039B,JG/18040B)0引言衬砌混凝土温度裂缝控制是经济安全建设水利水电枢纽工程高流速大断面水工隧洞的难题,洞内气温是其重要的环境条件。浇筑期洞内气温越高,混凝土散热越慢,内部最高温度 Tmax越高;气温越低散热越快,最高温度越低,但表面温降快容易导致早期温度裂缝;洞内气温年变幅越大,年气温差越大,同期浇筑混凝土 Tmax与洞内冬季最低温度 Tmin的温差越大(即基础温差越大),越容易产生贯穿性温度裂缝1-3。对于洞内气温,苟彪等4通过对秦岭特长铁路隧道线平导施工洞内气温监测资料统计,分析了洞外温度与斜井下口处、齐头风管口下、齐头洞室气温,以及通风、供水、洒水保湿等降温措施的关系。针对寒区隧道温度场和冻融防护问题,美国陆军寒区工程实验室5,以阿拉斯加一寒区隧道为例开展了长期的隧道洞内气温观测,为多年冻土区隧道洞内气温分布规律研究提供了数据支持。乜风鸣6对位于大兴安岭一条非多年冻土隧道进行了洞内不同进深位置的气温观测,得到洞内洞外的气温分布曲线,结果表明洞内气温变温率为零地段约占隧道全长的一半。王方亮等7对甘肃省阿尔金山公路隧道工程,开展隧道进口段不同进深洞内气温的现场监测,结合有限元法计算分析认为:随进深不断增加,洞内气温年平均值逐渐增加,振幅逐渐减小,显著变化发生在洞口段 300 m 内。赖远明等8对青海 227 国道宁张段的大坂山公路隧道洞内和隧道洞壁的温度进行了现场测试和研究,并提出设置防寒保温门是多年冻土区公路隧道防冻害的首选对策。水利水电枢纽工程建设中,对于通风好的短隧洞,一般可认为气温变化与外界自然环境相当,但基本不受到日照、寒潮影响。对于长隧洞,工程界有不同的认识,以至于在衬砌混凝土温控防裂设计计算中采用的气温值有显著差异,表 1 是部分大型水工隧洞气温取值1,9-24。有些人认为四季温度变化不大9,甚至取气温和地温为常温10;有的则认为,隧洞 开 挖 贯 通,与 自 然 环 境 月 平 均 温 度 相当11-14。溪洛渡水电站泄洪洞在温控设计阶段取值 22 2515-17,施工过程观测洞内气温变幅要大得多1,18-19。有的则参考类似隧洞或者参考导流洞施工期检测洞内气温取值20-24。因此,至今对水工隧洞衬砌混凝土浇筑期洞内气温演变规律仍然缺乏深入研究,没有获得规律性认识。表 1水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝控制中洞内气温取值Table 1Values of air temperature in hydraulic tunnel lining concrete temperature crack control水电站工程部位洞内气温/备注锦屏一级水工隧洞19.51.5设计,文献9-水工隧洞25.00.0科研,文献10小浪底水工隧洞13.67.0设计,文献11三峡船闸输水洞18.36.3施工,文献12溪洛渡导流洞泄洪、发电洞20.07.0施工,文献13-1423.51.5设计,文献15-1719.36.7设计文献18-19向家坝发电洞18.86.3实测,文献1三板溪泄洪洞19.51.5设计,文献20乌东德导流洞23.03.0科研泄洪、发电洞22.06.0科研白鹤滩导流洞泄洪、发电洞泄洪洞发电洞23.03.0科研23.05.0施工,文献2123.03.0科研20.56.5施工,文献2221.07.0施工,文献23江坪河水工隧洞17.26.0设计,文献241洞内气温年变化规律溪洛渡水电站地下洞室包括引水发电系统及其出线井、导流洞、泄洪洞、交通洞、排水洞等。泄洪洞和发电洞等是国内外最先全面采取制冷混凝土浇筑和通水冷却等严格温控措施的隧洞工程,并且冬季在进出洞口挂帘保温(图 1)。隧洞混凝土浇筑期,与仓位温控检测同步进行洞内气温跟踪监测。泄洪洞从 2009 年 10 月 28 日开始有压段混凝土浇筑,至 2011 年 12 月 31 日龙落尾混凝土浇筑完成,共完成 2 180 组气温监测。其中:有压段1 459 组,无压段 382 组,龙落尾段 339 组,如图2图 4。整个泄洪洞 2180 组检测数据如图 5。发电洞衬砌混凝土于 2010 年 7 月 4 日至 2011 年 4 月5882022 年增刊 2段亚辉,等:水工隧洞混凝土施工期气温演变规律监测分析图 1洞口冬季挂设保温防止穿堂风门帘Fig.1Thermal insulation door curtain is hung at the entrance in winter to prevent passing through the hall图 2泄洪洞有压段气温监测值与拟合曲线Fig.2Temperature monitoring values and fitting curve of pressure section of spillway tunnel图 3泄洪洞无压段气温监测值与拟合曲线Fig.3Temperature monitoring values and fitting curve of non-pressure section of spillway tunnel图 4泄洪洞龙落尾段气温监测值与拟合曲线Fig.4Temperature monitoring values and fitting curve of longluowei section of spillway tunnel17 日浇筑,共进行 112 组洞内气温检测,如图 6。整理泄洪和发电洞气温检测最高值、最低值列于表 2。图 5溪洛渡泄洪洞内气温监测值与统计曲线Fig.5Temperature monitoringvalue and statistical curve in Xiluodu spillway tunnel图 6发电洞洞内气温检测结果与变化曲线Fig.6Temperature detection results and change curve in power generation tunnel溪洛渡 中 心 气 象 站 至 1999 年 统 计 气 温 和20 cm 地下温度见表 3,在设计阶段结合地质勘探地温数据1,10,厂房围岩温度取夏季 27 28 、冬季 24 25 ,泄洪洞围岩温度,夏季 24 25 、冬季 21 22 。根据泄洪洞、发电洞实测洞内气温结