[发明专利]智能温控大坝和温度调控方法

说明书

智能温控大坝，包括坝体、实时感应机、决策支持系统和快速调控机，所述快速调控机包括工控机、多个温度补偿源、可变拓扑结构管网和无线基站，可变拓扑结构管网包括网格化的多个多通控制单元；所述决策支持系统包括存储在决策支持系统服务器上的智能决策机、规则生成系统、知识库、模型库和数据库。本发明还提出了一种智能温控大坝的温度调控方法。本发明将大坝温控管路网格化，引入网格节点，提高了大坝温度调控的灵活性和针对性；引入湿迁移方程和热迁移方程，将湿度对大坝温度的具体影响进行了量化，提高了温控的精确性；提前预测大坝温度调控的不利因素，变传统的被动的温度控制方式为主动性的温度调控，减小了大坝温度调控的不确定性。

技术领域

本发明属于水利水电工程施工、混凝土大坝工程运行温度控制领域，具体涉及将大坝混凝土网格化以进行温度调控的方法，特别适用于混凝土大坝建设施工期及大坝运行的混凝土智能温度调控。

背景技术

随着我国国民经济的迅猛发展，中东部与西南等水资源丰富地区的水电开发逐渐趋于完善，国家的水利水电工程建设发展及规划转向西北地区。技术的进步使如今在西北地区建设高混凝土坝已不是难题，但是由于我国西北地区气候条件复杂，冬季寒冷干燥，昼夜温差大等环境特性，使得混凝土大坝的“无坝不裂”问题更加突显。现有温度控制技术多以阶梯温度控制为主，以应对工程在建阶段出现的温度应力，缺乏对大坝混凝土引导式调控，没有考虑针对大坝全生命周期的温度进行全面系统有效调控的方法和大坝全生命周期湿度应力的调控手段，进而导致大坝混凝土在工程建设完成后的运行期，坝体有更大几率产生的混凝土裂缝。

在混凝土大坝服役的全生命周期中，其结构性能从衰退直到寿命终止均与混凝土材料开裂有关，国内外诸多学者对混凝土的抗裂性能和力学性能进行了大量的研究，认为其开裂大多是由非荷载因素如结构内温度变化引起的体积膨胀或收缩，约束条件下导致结构内拉应力超过一定应力水平所致。因此，对大坝混凝土进行温度调控使大坝混凝土处于相对恒温恒湿是防止裂缝产生的关键。

混凝土温度变化主要受内部水化热以及外界环境温度的影响。由于在浇筑初期水泥水化反应会产生大量的水化热使得坝体温度迅速上升，而在混凝土温降期间，由于混凝土的不良导热特性，使得坝体内外形成较大的温度梯度产生拉应力，而此时的混凝土抗拉强度较低，使得温度应力超过抗拉极限而产生裂缝。坝体温度的改变除了受其内部水化热影响外，还受外界环境温度及湿度的影响，在大坝运行期坝体温度主要受环境气温以及水库水温的影响。当外界气温急剧变化时，坝体内部的温度的延缓性而导致坝体内外形成较大的温度梯度，以至于产生温度裂缝。

混凝土因湿度变化与扩散受多因素的影响。在水化作用下，混凝土浇筑过程中内部孔隙分布、孔径大小、孔隙几何结构等细观结构、含水量、湿度等孔隙流体状态、温度应力状态易发生变化。混凝土凝固后因内部湿度扩散发生变化会失去部分结合水，产生的干缩应力将导致其开裂或使已有裂缝扩展，混凝土内部湿度及湿度场急剧变化所产生的干缩应力是其开裂尤其是早期开裂的重要原因。

我国西北部分地区冬季寒冷，年平均气温低于5℃、日气温极端最大温差超过30℃、年极端最大温差甚至高达81℃。受这种多变恶劣气候环境影响，混凝土内部温度发生急剧变化，同时环境温度的变化对混凝土内部湿度分布和规律也会产生一定的影响，几种因素相互作用混凝土承受的应力更大,更容易导致裂缝的产生。

为满足大坝工程尤其是寒冷地区混凝土大坝的温控防裂要求，针对内外影响因素的不同，国内外水利工程领域工作者采用了多种方式来控制混凝土的内外温度和湿度梯度。

施工期温度控制：为了减少其内部水化热产生的较大温度梯度，主要包括预冷骨料、限制拌合温度、控制入仓温度、铺设冷却水管等。通过控制混凝土的最大温升，从而降低施工期大坝混凝土内外的温度梯度，来减小温度应力。

施工期湿度控制：为了控制混凝土在自然蒸发条件下不断失水引起的体积收缩，传统的保湿措施通常是在浇筑期洒水保湿，对于寒冷地区的混凝土大坝表面的保温材料也具有一定的保湿作用。但总体来说，对变温条件下混凝土湿度及其应力的研究相对较少，控制及保护手段也相对有限。