大體積混凝土中點(diǎn)式溫度計(jì)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(shí)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(yàn)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(shí)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(shí)時(shí)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(diǎn)式溫度計(jì)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(shí)地提供各監(jiān)測點(diǎn)溫度和溫度隨時(shí)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(shí)際工程應(yīng)用中點(diǎn)式溫度計(jì)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(jì)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(jì)和線路損壞有較大的影響，主要表現(xiàn)在測點(diǎn)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(diǎn)式溫度計(jì)測點(diǎn)布置和埋設(shè)工藝，選擇精選少量的測點(diǎn)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(diǎn)式溫度計(jì)損壞風(fēng)險(xiǎn)分析及風(fēng)險(xiǎn)因素等級

1.1 風(fēng)險(xiǎn)因素分解分析

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

1.2 評估風(fēng)險(xiǎn)因素等級

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

表1 點(diǎn)式溫度計(jì)損壞風(fēng)險(xiǎn)因素等級

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

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

1.3.1點(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)有限為目標(biāo)，綜合考慮各種施工因素對點(diǎn)式溫度計(jì)存活率的影響，建立最大成活點(diǎn)式溫度計(jì)數(shù)目優(yōu)化的模型。

由N個(gè)測點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)式溫度計(jì)測溫系統(tǒng)，用N維矢量(X1,X2,…,XN)來表示1,2,…,N位置成活點(diǎn)式溫度計(jì)的數(shù)量；令A(yù)i、Bi、Ci、Di、Ei分別為溫度計(jì)質(zhì)量、鋒利骨料、固定裝置、施工機(jī)械、測點(diǎn)布置風(fēng)險(xiǎn)因素對i位置點(diǎn)式溫度計(jì)影響因子，通過降維處理，則對i位置不影響溫度計(jì)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(diǎn)式溫度計(jì)最大成活數(shù)數(shù)學(xué)模型可如下表示：

1.3.2點(diǎn)式溫度計(jì)測點(diǎn)優(yōu)化布置模型

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

設(shè)測點(diǎn)布設(shè)位置為x1,x2,…,xn，T(x)是測點(diǎn)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(shí)例

某進(jìn)洪閘是蓄洪滯區(qū)的一項(xiàng)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(shí)擋長江洪水，分蓄洪時(shí)開閘進(jìn)洪。該閘設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)指標(biāo)其溫降速率不宜超過1.5℃/d[8-9]。

2.1 監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置和測點(diǎn)布置優(yōu)化

2.1.1點(diǎn)式溫度計(jì)監(jiān)測操作要點(diǎn)

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(diǎn)式溫度計(jì)精細(xì)、易折斷、敏感度強(qiáng)，要實(shí)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(shí)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(jì)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(xiàng)目操作要點(diǎn)總結(jié)如下。

a) 本文工程實(shí)例為厚3 m的鋼筋混凝土，點(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)在豎直方向上測量混凝土3個(gè)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(gè)高程處溫度變化及差值，防止溫差帶來有害裂縫。

c) 點(diǎn)式溫度計(jì)埋設(shè)時(shí)，距上游面20～85 cm，距下游面30～60 cm。溫度計(jì)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(shí)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(shí)及時(shí)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(shí)停止測溫。

表2 點(diǎn)式溫度計(jì)測溫頻率

2.1.2點(diǎn)式溫度計(jì)監(jiān)測項(xiàng)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(jià)，而安全評價(jià)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(xiǎn)的水工建筑物可以降低安全監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模[10]。點(diǎn)式溫度計(jì)測溫點(diǎn)布置按大體積混凝土結(jié)構(gòu)平面圖和最優(yōu)測點(diǎn)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(diǎn)來確定埋設(shè)點(diǎn)數(shù)及位置。測點(diǎn)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(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)的布置、鋪設(shè)工藝和保護(hù)措施是必要的，監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)控優(yōu)化流程見圖2。

2.1.3監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)布置優(yōu)化

通過有限測點(diǎn)監(jiān)測掌握整個(gè)建筑物安全信息就要求測點(diǎn)必須具有代表性和最大風(fēng)險(xiǎn)性部位2個(gè)條件。因此測點(diǎn)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(xiǎn)高的部位加密，對于結(jié)構(gòu)對稱等部位可減少測點(diǎn)。對本文監(jiān)測項(xiàng)目測點(diǎn)布置優(yōu)化前后對比見圖3。

2.1.4點(diǎn)式溫度計(jì)鋪設(shè)施工工藝優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場檢測，點(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)式溫度計(jì)措施。

a) 固定裝置的優(yōu)化。根據(jù)點(diǎn)式溫度計(jì)的施工過程，對點(diǎn)式溫度計(jì)鋪設(shè)進(jìn)行觀察、分析、總結(jié)，對點(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)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(xiǎn)。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(jì)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(diǎn)松脫、溫度計(jì)滑移歪斜等。

b) 鋪設(shè)線路優(yōu)化及混凝土施工要求。點(diǎn)式溫度計(jì)傳感導(dǎo)線牽引時(shí)按“牽一個(gè)固定一個(gè)”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(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)式溫度計(jì)。在布料過程中，避免在點(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)式溫度計(jì)。

2.2 工程優(yōu)化措施實(shí)施效果

點(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)式溫度計(jì)在鋪設(shè)前后試驗(yàn)檢測分析，優(yōu)化測點(diǎn)位置和施工方法，點(diǎn)式溫度計(jì)存活率得到明顯的提升。

選取3個(gè)倉進(jìn)行點(diǎn)式溫度計(jì)存活檢測及防損壞措施效果驗(yàn)證。試驗(yàn)按不同的埋設(shè)時(shí)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(diǎn)式溫度計(jì)從埋設(shè)到監(jiān)測結(jié)束，取得了一定的效果。其中3個(gè)倉存活率分別為33%、87.5%、100%，第一根損壞時(shí)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(diǎn)式溫度計(jì)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(xiǎn)預(yù)判因素較有緊密的相關(guān)性。

表3 檢測點(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)布置、改進(jìn)施工工藝并加強(qiáng)后期維護(hù)確保了點(diǎn)式溫度計(jì)正常工作，從根本上保證了測溫安全監(jiān)控在項(xiàng)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(diǎn)式溫度計(jì)各測點(diǎn)溫度過程曲線見圖4。

3 結(jié)論

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

b) 以最大成活數(shù)量和測點(diǎn)布置誤差最小為目標(biāo)，建立了點(diǎn)式溫度計(jì)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(diǎn)式溫度計(jì)，全程跟蹤發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化測點(diǎn)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(shí)測數(shù)據(jù)表明點(diǎn)式溫度計(jì)的存活率得到了顯著的提高，說明了點(diǎn)式溫度計(jì)防損壞工程措施與溫度計(jì)存活率之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。