大體積混凝土中點式溫度計存活率影響因素的研究

，，，

(1.黃河上游水電開發(fā)有限公司工程建設(shè)分公司，青海西寧810008；2.黃河上游水電開發(fā)有限公司拉西瓦發(fā)電分公司，青海貴德811700；3.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

大體積混凝土的溫度需要幾年甚至幾十年才會下降到穩(wěn)定、準(zhǔn)穩(wěn)定溫度，貫穿性裂縫常出現(xiàn)在建成若干年以后，如普定拱壩建成5～6 a后出現(xiàn)多條貫穿性裂縫和大量表面裂縫[1-2]。國內(nèi)外調(diào)查資料表明，工程結(jié)構(gòu)中裂縫的20%來源于荷載，而另外約80%是由溫度變形、干縮變形及結(jié)構(gòu)不均勻沉降引起的，而其中又以溫度變形為主[3]。同時質(zhì)量檢測受施工進(jìn)度影響較大；受環(huán)境變化和施工參與人員的經(jīng)驗影響。通過合理的、有效的監(jiān)測施工組織，可以有效地保證監(jiān)測儀器的可靠安裝并使安裝的監(jiān)測儀器能夠達(dá)到監(jiān)測的目的，相應(yīng)地延長監(jiān)測儀器的使用壽命，有效提高監(jiān)測儀器成活率、提高監(jiān)測施工的工程質(zhì)量，同時做好監(jiān)測施工組織還可以相應(yīng)地提高主體施工的可靠性[4]。為了有效地解決高密度大體積鋼筋混凝土在施工過程中結(jié)構(gòu)受到溫度應(yīng)力的影響，必須在施工過程中對混凝土內(nèi)部、地溫和氣溫進(jìn)行有效的監(jiān)測，掌握施工過程和后續(xù)養(yǎng)護(hù)中溫度實時變化的情況。當(dāng)平均氣溫均高于20℃，降溫幅度大、保溫難度高，且春秋更替，寒潮較頻繁，混凝土溫度控制成為其施工的關(guān)鍵[5]。

本文中點式溫度計測溫系統(tǒng)最早用于水利工程施工中混凝土大壩壩體溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控，經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)已廣泛用于各種超高層地基、大體積混凝土的溫度監(jiān)控中。它不僅在大型施工過程中能夠做到自動連續(xù)的監(jiān)控，及時地提供各監(jiān)測點溫度和溫度隨時間變化的曲線，而且由于其埋設(shè)簡便等優(yōu)勢在高密度鋼筋混凝土中越來越受歡迎。實際工程應(yīng)用中點式溫度計埋設(shè)技術(shù)和工藝扮演著重要的角色，鋪設(shè)過程中必須考慮溫度計的存活率，過多的施工干擾明顯增加傳感線路的損耗，從而造成監(jiān)測穩(wěn)定性降低或者失效。混凝土澆筑過程中施工干擾對埋設(shè)的溫度計和線路損壞有較大的影響，主要表現(xiàn)在測點位置選擇、混凝土卸料沖擊、施工振搗碰撞等影響。因此，優(yōu)化點式溫度計測點布置和埋設(shè)工藝，選擇精選少量的測點在合理的位置上進(jìn)行監(jiān)測，并且在施工過程中識別測溫設(shè)備損壞因素、優(yōu)化埋設(shè)工藝、后續(xù)維護(hù)顯得尤為重要。

1 點式溫度計損壞風(fēng)險分析及風(fēng)險因素等級

1.1 風(fēng)險因素分解分析

風(fēng)險因素分解(Risk Breakdown Structure，RBS)分析是水利水電工程風(fēng)險分析的主要方法之一，風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)是按照區(qū)分潛在風(fēng)險存在的各種領(lǐng)域和產(chǎn)生的多種原因的風(fēng)險類別，形象而有條理地說明已經(jīng)識別的醒目風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)的一種方法。基于這種方法在外部施工和內(nèi)部點式溫度計本身進(jìn)行兩方面的分析，從不同的角度尋找風(fēng)險源。為使保護(hù)點式溫度計的措施更加全面且有針對性，識別可能造成點式溫度計損壞的風(fēng)險因素，并對其進(jìn)行分析和評判是十分必要的。引起點式溫度計損壞的主要因素見圖1。

1.2 評估風(fēng)險因素等級

風(fēng)險因素除了具有發(fā)生概率外，還有一個重要的屬性，即風(fēng)險因素的影響程度，反映在大體積混凝土點式溫度計鋪設(shè)方面就是對溫度計損壞因素的影響程度。點式溫度計損壞風(fēng)險因素的分析與量化過程就是考慮風(fēng)險因素的二維屬性，即風(fēng)險發(fā)生的幾率和發(fā)生后導(dǎo)致的風(fēng)險結(jié)果。結(jié)合工程實際情況將風(fēng)險概率與結(jié)果影響結(jié)合起來針對點式溫度計損壞的風(fēng)險因素給出各風(fēng)險因素的評判等級(表1)。

表1 點式溫度計損壞風(fēng)險因素等級

經(jīng)過分析，施工機(jī)械造成點式溫度計損壞以及測點布置不當(dāng)是造成點式溫度計損壞的主要風(fēng)險。

1.3 基于最大成活數(shù)量和測點溫度信息誤差最小的點式溫度計優(yōu)化布置模型

1.3.1點式溫度計最大成活數(shù)量優(yōu)化模型

本文以最大成活數(shù)量和測點有限為目標(biāo)，綜合考慮各種施工因素對點式溫度計存活率的影響，建立最大成活點式溫度計數(shù)目優(yōu)化的模型。

由N個測點構(gòu)成的點式溫度計測溫系統(tǒng)，用N維矢量(X1,X2,…,XN)來表示1,2,…,N位置成活點式溫度計的數(shù)量；令A(yù)i、Bi、Ci、Di、Ei分別為溫度計質(zhì)量、鋒利骨料、固定裝置、施工機(jī)械、測點布置風(fēng)險因素對i位置點式溫度計影響因子，通過降維處理，則對i位置不影響溫度計的影響因子為Pi，則：

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

因此優(yōu)化點式溫度計最大成活數(shù)數(shù)學(xué)模型可如下表示：

1.3.2點式溫度計測點優(yōu)化布置模型

測點優(yōu)化布置是精選監(jiān)測斷面位置，以最少的溫度計數(shù)目在測點布置圖上的位置選擇。溫度計在某一斷面上的任一布置方案，都有一個由方案不同帶來的誤差對應(yīng)。在確定點式溫度計測點個數(shù)n和滿足施工工藝約束的前提下，優(yōu)化測點溫度數(shù)值傳遞誤差最小。

設(shè)測點布設(shè)位置為x1,x2,…,xn，T(x)是測點x的溫度函數(shù)值，T由T(x1),T(x2),…,T(xn)決定，則：

T=g(T(x1),T(x2),…,T(xn))

令λ1,λ2,…,λn分別為T(x1),T(x2),…,T(xn)引起的誤差，ΔT為λ1,λ2,…,λn帶來T的誤差，則有：

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

利用泰勒級數(shù)展開并略去高階無窮小得到：

則最大傳遞誤差為：

ΔTmax=

故優(yōu)化模型為：

minf(x)=minΔTmax=

式中f(x)——傳遞誤差函數(shù)。

2 工程實例

某進(jìn)洪閘是蓄洪滯區(qū)的一項重要控制性工程，主要工程任務(wù)是擋洪和進(jìn)洪，非分蓄洪時擋長江洪水，分蓄洪時開閘進(jìn)洪。該閘設(shè)計進(jìn)洪流量為8 000 m3/s，為Ⅰ等工程，規(guī)模為大(1)型。該進(jìn)洪閘閘室為整體開敞式結(jié)構(gòu)，共44孔，兩孔1聯(lián)，每孔凈寬12.0 m，底板頂高程為25.8 m。閘室底板順流向長22.0 m、單聯(lián)寬27.5 m，底板厚2.0 m(上游齒槽處厚2.8 m、下游齒槽處厚3.0 m)。每倉底板混凝土1 258.6 m3,22聯(lián)合計27 689.2 m3。

澆筑期處于高溫月份，降溫幅度大、保溫難度高，混凝土溫度控制成為其施工的關(guān)鍵[6]。為了全面掌握該工程在混凝土澆筑和后期保養(yǎng)過程中溫度變化，定性分析混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外界進(jìn)行熱交換，本文選擇監(jiān)測混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度、地面溫度和大氣溫度；取內(nèi)外溫差和溫降速率為溫度控制的主要指標(biāo)。溫度應(yīng)力不僅與溫降幅度即溫差有關(guān), 還與溫度過程有關(guān)[7]。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，混凝土內(nèi)外溫差即混凝土中部1/2厚度處溫度和距混凝土表面5 cm處溫度的差值不得超過25℃；以大體積混凝土中部溫降速率作為控制型指標(biāo)，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)其溫降速率不宜超過1.5℃/d[8-9]。

2.1 監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置優(yōu)化

2.1.1點式溫度計監(jiān)測操作要點

混凝土澆筑過程中各施工工序相互交叉干擾，機(jī)械設(shè)備和管線較多，工藝流程復(fù)雜。而點式溫度計精細(xì)、易折斷、敏感度強，要實現(xiàn)測溫和傳輸混凝土內(nèi)部的溫度，適用的埋設(shè)工藝是關(guān)鍵內(nèi)容。同時為了有效控制大體積混凝土水化熱，防止最高溫度超出設(shè)計最高溫度，根據(jù)相關(guān)要求，當(dāng)前大體體積混凝土監(jiān)測項目操作要點總結(jié)如下。

a) 本文工程實例為厚3 m的鋼筋混凝土，點式溫度計在混凝土澆筑之前鋪設(shè)，為滿足施工現(xiàn)場的操作和工程特性，對點式溫度計統(tǒng)一采用JDC-1無線測溫系統(tǒng)和若干溫度傳感導(dǎo)線。

b) 測溫點在豎直方向上測量混凝土3個不同高程的溫度，即距混凝土表面約5 cm處的上部溫度、混凝土離頂面距100 cm處溫度和距混凝土下底面10 cm處的溫度。采取這樣的埋設(shè)主要是為了控制上述幾個高程處溫度變化及差值，防止溫差帶來有害裂縫。

c) 點式溫度計埋設(shè)時，距上游面20～85 cm，距下游面30～60 cm。溫度計距橫縫和周邊空洞30～50 cm，若遇特殊情況可適當(dāng)調(diào)整。

d) 一般混凝土澆筑后，第二、第三天為升溫高峰，其后逐漸降溫。混凝土終凝拆除模板后，及時鋪蓋棉氈毯進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，保持不少于14 d的濕潤養(yǎng)護(hù)，防止混凝土因溫差應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。監(jiān)測過程中，若出現(xiàn)溫降速率大于1.5℃/d或表里溫差超過25℃時及時調(diào)整保溫方式。混凝土澆筑后按表2頻率進(jìn)行監(jiān)測，直到混凝土表面下10 cm處與大氣溫差不大于25℃并且混凝土厚度1/2處溫降速率趨于0時停止測溫。

表2 點式溫度計測溫頻率

2.1.2點式溫度計監(jiān)測項目設(shè)置

水工建筑物安全檢測的結(jié)果首先需要用于水工建筑物的安全評價，而安全評價的結(jié)果又可以用來對安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，即低風(fēng)險的水工建筑物可以降低安全監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模[10]。點式溫度計測溫點布置按大體積混凝土結(jié)構(gòu)平面圖和最優(yōu)測點位置選擇，按大體積混凝土結(jié)構(gòu)特殊部位，如底板中間、結(jié)構(gòu)拐角等基本能反映出大體積混凝土溫度變化的點來確定埋設(shè)點數(shù)及位置。測點優(yōu)化布置一方面是為了通過盡可能少的監(jiān)測儀器來獲取可靠、能夠代表某一區(qū)域的溫度信息，另一方面是由于受現(xiàn)場施工條件和監(jiān)測成本的限制，點式溫度計位置、數(shù)量布置是有限的。因此通過對監(jiān)測溫度信息的分析來優(yōu)化測點的布置、鋪設(shè)工藝和保護(hù)措施是必要的，監(jiān)測項目和監(jiān)控優(yōu)化流程見圖2。

2.1.3監(jiān)測項目和測點布置優(yōu)化

通過有限測點監(jiān)測掌握整個建筑物安全信息就要求測點必須具有代表性和最大風(fēng)險性部位2個條件。因此測點的布置就沒有必要均勻布置，可以在溫度梯度大和混凝土開裂風(fēng)險高的部位加密，對于結(jié)構(gòu)對稱等部位可減少測點。對本文監(jiān)測項目測點布置優(yōu)化前后對比見圖3。

2.1.4點式溫度計鋪設(shè)施工工藝優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場檢測，點式溫度計在混凝土澆筑過程中，不同程度都有變形破壞，造成這些破壞的原因主要是下料過程中，混凝土對溫度傳感導(dǎo)線的碰撞和擠壓，以及在施工過程中混凝土料、施工機(jī)械對溫度傳感導(dǎo)線的碰撞、擾動造成的損壞。為此制定以下防損壞點式溫度計措施。

a) 固定裝置的優(yōu)化。根據(jù)點式溫度計的施工過程，對點式溫度計鋪設(shè)進(jìn)行觀察、分析、總結(jié)，對點式溫度計埋設(shè)工藝進(jìn)行優(yōu)化，溫度傳感導(dǎo)線加固卡的間距由原來的200 cm調(diào)整為100 cm，更加均勻地對傳感導(dǎo)線進(jìn)行固定。特別是對垂直于鋪料方向的傳感導(dǎo)線重點加固，確保在鋪料或推料過程中不發(fā)生位移。一方面，加固的固定位置和間距也是線路損壞的重要因素，線路敷設(shè)過程中，固定間距布設(shè)越均勻，線路覆蓋過程中發(fā)生損壞的程度就比較低。另一方面，容易發(fā)生扯斷的部位加密布設(shè)固定卡能夠減少損壞的風(fēng)險。在混凝土澆筑前，按圖3將溫度傳感導(dǎo)線測溫探頭端綁扎在鋼筋上，避免溫度計探頭端與鋼筋直接接觸。嚴(yán)格要求工人操作,嚴(yán)禁綁扎不牢固、綁扎點松脫、溫度計滑移歪斜等。

b) 鋪設(shè)線路優(yōu)化及混凝土施工要求。點式溫度計傳感導(dǎo)線牽引時按“牽一個固定一個”的原則，在牽引過程中多名工人在不同部位協(xié)同牽出，嚴(yán)禁集中批量牽出，防止在牽引過程中受力不均而損壞。另外，點式溫度計傳感導(dǎo)線全程沿鋼筋表面緊貼穿梭，在齒槽等特殊結(jié)構(gòu)處沿構(gòu)件表面牽出，避免下方產(chǎn)生懸空使傳感導(dǎo)線振動擠壓而破壞。

c) 優(yōu)化混凝土下料和攤鋪要求。點式溫度計鋪設(shè)以后，在施工過程中，混凝土下料、平倉、振搗、機(jī)械設(shè)備行走等原因，都有可能損壞鋪設(shè)好的點式溫度計。在布料過程中，避免在點式溫度計上直接卸料，造成對傳感導(dǎo)線擠壓損壞；推料高度也不宜過高，避免施工機(jī)械出力過大導(dǎo)致?lián)p壞點式溫度計。

2.2 工程優(yōu)化措施實施效果

點式溫度計在混凝土澆筑過程中會受到各種因素的影響導(dǎo)致?lián)p壞。通過對點式溫度計在鋪設(shè)前后試驗檢測分析，優(yōu)化測點位置和施工方法，點式溫度計存活率得到明顯的提升。

選取3個倉進(jìn)行點式溫度計存活檢測及防損壞措施效果驗證。試驗按不同的埋設(shè)時間將存活率分為3組數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果詳見表3。從表中數(shù)據(jù)可以看出，點式溫度計從埋設(shè)到監(jiān)測結(jié)束，取得了一定的效果。其中3個倉存活率分別為33%、87.5%、100%，第一根損壞時間從原先的2 d延長到23 d。相對第一倉(未采取防損壞措施)中檢測結(jié)果，采取針對性工程措施后，點式溫度計的損壞得到了控制，說明防損壞工程措施是有效的，并且損壞率與風(fēng)險預(yù)判因素較有緊密的相關(guān)性。

表3 檢測點式溫度計存活率結(jié)果詳

在采取“事前預(yù)設(shè)、事中控制、事后維護(hù)”的策略下，通過優(yōu)化測點布置、改進(jìn)施工工藝并加強后期維護(hù)確保了點式溫度計正常工作，從根本上保證了測溫安全監(jiān)控在項目全壽命期監(jiān)控大體積混凝土的溫度變化，從而避免了混凝土大的結(jié)構(gòu)裂縫。案例中第二倉點式溫度計各測點溫度過程曲線見圖4。

3 結(jié)論

a) 本文結(jié)合鋪設(shè)點式溫度計的現(xiàn)場施工方案分析，完成了可能造成點式溫度計在施工過程中損壞因素的識別，并且通過現(xiàn)場試驗確定了風(fēng)險因素等級預(yù)判。

b) 以最大成活數(shù)量和測點布置誤差最小為目標(biāo)，建立了點式溫度計存活率優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。

c) 結(jié)合對某進(jìn)洪閘閘底板埋設(shè)的3組點式溫度計，全程跟蹤發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化測點布置、混凝土下料、攤鋪順序、固定和布線等過程控制措施后，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明點式溫度計的存活率得到了顯著的提高，說明了點式溫度計防損壞工程措施與溫度計存活率之間有較強的相關(guān)性。