用于大坝温控的可变拓扑网格及其控制方法技术

本发明专利技术公开了用于大坝温控的可变拓扑网格，所述可变拓扑网格为立体连通性热交换介质循环网络，热交换介质循环网络中管道相互交汇处设有网格节点，所述网格节点为多通控制单元；所述可变拓扑网格设置有多个开口，开口与温度补偿源连接；所述可变拓扑网格通过控制相邻网格节点之间的连通性进而控制其拓扑结构，并控制相邻网格节点之间的管道中热交换介质的流通方向、流量，使得热交换介质集中在温度调控需求大的坝体区域的网格单元的管道中流动、循环。本发明专利技术提供了用于大坝温控的可变拓扑网格，可根据坝体不同区域的温差情况和大坝防裂、形变控制和湿度控制需要，控制可变拓扑网格的拓扑结构，提高了大坝温度调控的灵活性和针对性。

【技术实现步骤摘要】
用于大坝温控的可变拓扑网格及其控制方法
本专利技术水利水电工程施工、混凝土大坝工程运行温度控制领域，具体涉及用于大坝温控的可变拓扑网格及其控制方法。
技术介绍
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。抵御环境温度影响：目前主要通过对坝体采取被动保温措施以减少坝体与外界的热交换，从而减小寒潮或寒冷地区周期性的外界气温变化导致的混凝土开裂。常见的保温措施有铺设保温板、保温被和喷涂保温材料等，这些措施能够使坝体在气温日变幅不大的环境里一定程度的抵御极端气温变化，例如寒潮等。运行期控制效果有限：现有温度控制技术在施工期采取了一些主动温度控制措施，如当大坝混凝土内部温度过高时，采取给内部通冷却水和表面洒水的方式进行降温，消减内外温度差。但是到了运行期，通常情况下仅有大坝混凝土表面的一层保温层来进行被动的防护。通过进行有无保温层下的混凝土温度试验并对监测数据分析发现，混凝土外布置保温层在短期对外界环境温度的影响有一定保护作用，但是伴随受干扰时间增长，有保护和无保护的混凝土最终都会随着环境温度的变化而变化，缺乏一种主动的温度调控方法来对大坝运行期的混凝土进行有效长期保护，图1为有5cm聚氨酯保温层下的混凝土不同部位温度，图2为无任何保温层下的混凝土不同部位温度。经过工程实践和长期的运行，虽然上述温度及湿度控制措施相对来说在某些时段降低了混凝土的温度和湿度梯度，消减了温度和湿度应力，也减少了混凝土裂缝的产生，但由于控制措施功能单一且自身存在的缺陷，使得无法全面满足大坝混凝土全周期防裂需求，大坝混凝土的裂缝和破坏仍无法避免。其主要问题如下：（1）现有的对内降低温度梯度的主要措施为通水冷却，该措施利用大坝浇筑过程中在混凝土内一般呈水平布置的管网通水给予降温，降温效果良好。但是其通水温度不能随时调节，水源通常为工程所在地河水，当水温较低时易产生温度梯度，特别是对于我国西北严寒地区的工程，这种温度梯度更大，产生的应力也更大；（2）传统的应对寒潮降低内外温度梯度主要措施为覆盖保温层，该措施以被动应对外界气温变化，从长远看不能够有效的降低坝体温度应力，恶劣的外界环境甚至还会导致表面保温材料的剥落；（3）现有的温控技术主要是依靠人工调整，测量和手动调控不但时间上存在滞后性，且可能存在人为因素造成不准确，错失最佳的温控时间；（4）目前温控措施控制节点的滞后性，需在影响大坝混凝土温度的不利因素出现后，针对不利因素被动的进行控制，往往容易出现混凝土温度的失控，缺乏温度控制的前瞻性；（5）目前温控措施无法针对大坝混凝土中温度场的变异性，分区域且有针对性的对特定部位进行温度精确调控；（6）目前的温控措施还是以被动为主，同时也是更具季节性温度的变化才形成具体的应对措施，有一定的滞后性，缺乏预测性无法提前防护；（7）传统温度和湿度控制范围不够精确，以温度控制手段为例，一般以浇筑仓段或一个升降仓次的高度作为一个最小控制单元，这些控制单元内受外界因素（如水温、光照）的影响也会有温度差，传统方法对于更小范围内的温度差缺乏有效的调控措施。此外，为了突破传统的温控技术，一些专家学者进行了相关研究，产生了比较新颖的科研成果，但主要是控制策略，并未真正提出混凝土坝全生命周期温度调控的方案。例如在授权公告号“CN101701495A”中公开的“大体积混凝土温度控制的个性化通水方法”，其主要是对传统冷却水管进行优化，通过改变流量和变换冷却水或河水的方式对大坝混凝土内部进行降温处理，不具备升温作用。授权公告号“CN102852145A”中公开的“在建大坝混凝土智能温度控制方法及系统”，主要设想了一种在建大坝的温度控制方法，缺乏对运行期的大坝温度进行控制。授权公告号“ZL201611116913.5”中公开了“可永久调控混凝土大坝温度的方法及装置”，打破了传统对混凝土大坝温度的调控方法，从框架上对混凝土大坝的温度控制可行性提供了一种设想，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于大坝温控的可变拓扑网格，设置在大坝坝体中，其特征在于，所述可变拓扑网格（33）为立体连通性热交换介质循环网络，热交换介质循环网络中管道相互交汇处设有网格节点，所述网格节点为多通控制单元（331）；所述可变拓扑网格（33）设置有多个开口，开口与温度补偿源（32）连接；所述可变拓扑网格，根据坝体不同区域的温差情况和大坝防裂、形变控制和湿度控制需要，通过控制相邻网格节点之间的连通性进而控制其拓扑结构，并控制相邻网格节点之间的管道中热交换介质的流通方向、流量，使得热交换介质集中在温度调控需求大的坝体区域的网格单元的管道中流动、循环，提高温度调控效率。/n

【技术特征摘要】
1.用于大坝温控的可变拓扑网格，设置在大坝坝体中，其特征在于，所述可变拓扑网格（33）为立体连通性热交换介质循环网络，热交换介质循环网络中管道相互交汇处设有网格节点，所述网格节点为多通控制单元（331）；所述可变拓扑网格（33）设置有多个开口，开口与温度补偿源（32）连接；所述可变拓扑网格，根据坝体不同区域的温差情况和大坝防裂、形变控制和湿度控制需要，通过控制相邻网格节点之间的连通性进而控制其拓扑结构，并控制相邻网格节点之间的管道中热交换介质的流通方向、流量，使得热交换介质集中在温度调控需求大的坝体区域的网格单元的管道中流动、循环，提高温度调控效率。


2.根据权利要求1所述的可变拓扑网格，其特征在于，所述多通控制单元（331）包括介质容腔、温度传感器、控制器、多个电控阀；所述多通控制单元（331）设置有多个开口，介质容腔靠近开口端设置电控阀，电控阀的控制端与控制器连接；温度传感器与控制器连接。


3.根据权利要求2所述的可变拓扑网格，其特征在于，所述多通控制单元（331）为六通控制单元，所述六通控制单元沿三维坐标轴方向分别设置有6个开口。


4.根据权利要求3所述的可变拓扑网格，其特征在于，可变拓扑网格（33）的网格单元中分别设有温度传感器（21），大坝坝体中分布的温度传感器（21）形成温度传感器网。


5.根据权利要求4所述的可变拓扑网格，其特征在于，可变拓扑网格（33）的网格单元中分别设有湿度传感器（22），大坝坝体中分布的湿度传感器（22）形成湿度传感器网。


6.根据权利要求5所述的可变拓扑网格，其特征在于，可变拓扑网格（33）的网格单...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜彬，张秀崧，田斌，张子瑞，乐阳，谭琨，杜钢，张敏，刘敏，卢晓春，童富果，徐港，
申请(专利权)人：宜昌天宇科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42