本发明涉及水利水电工程大坝混凝土防护，具体地指一种严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统及运行方法。
背景技术：
1、目前在我国西北地区陆续建设完成了一大批大型水利水电工程，并且还有许多处于在建和规划之中。这些地区纬度高，冬季极端最低气温可达-50℃，在这些地区的大坝建设过程中发现，恶劣低温环境会导致工程在建设时面临许多复杂的技术难题。其中很重要的一个难题就是大坝越冬长间歇面新、老混凝土的浇筑及温控防裂，主要体现在以下三个方面。
2、（1）环境低温限制大坝混凝土的浇筑时间，缩短年有效施工时段。
3、低温下进行混凝土浇筑，初凝与终凝的时间均会延长，终凝时间延长的更为明显。其次低温条件会降低水泥的水化速率，影响混凝土的强度发展。根据现有规程规范和水利工程大坝混凝土浇筑施工经验，寒冷地区环境平均气温连续3天在5℃以下应按照低温季节施工。当温度降至-4℃以下时，混凝土内部的水结冰，水化反应趋于停止，而水结冰体积膨胀又可能使混凝土胀裂，此时不宜继续进行混凝土的浇筑施工。
4、我国西北严寒地区冬季气温低且低温季节较长，这些地区的大坝混凝土浇筑通常从11月~次年4月为停工期，年有效浇筑时间只有6个月，低温环境对工程建设进度影响明显。
5、（2）上下层新老混凝土温度控制难，大温差产生的温度应力导致越冬层间开裂。
6、低温导致大坝混凝土浇筑无法持续进行只得在低温季节停工，待来年气温回升后重新开始浇筑，这就在大坝不同高程按施工年度形成多个越冬长间歇面。冬歇前最后浇筑的那一层混凝土，暴露仓面直接面对低温环境，因早龄期强度不足可能会被冻伤，内外不同温度形成的大温差带来的高温度应力还会导致下层老混凝土发生开裂。此外，下层老混凝土在冬季环境低温的长期影响下会降的很低，甚至会到0℃以下。当第二年开春复工后进行上层新混凝土浇筑时，由于新浇混凝土温度较高会产生较大的上下层温差，当超过设计容许温差时，会在越冬层面形成较大的温度应力，导致层间开裂现象的发生。
7、一旦发生层间裂缝，就需要花费大量的人力、物力进行处理，包括化学灌浆、裂缝修补和水泥灌浆等，将大幅增加建设和维护成本，且预期效果不好，面临重复多次修复的状况，对工程安全运行产生不利影响。
8、（3）对来年上层新混凝土的浇筑工艺限制，影响工程整体工期。
9、水利工程大坝体积庞大，混凝土浇筑强度大，浇筑工艺复杂，投资也较大，工期的控制尤为重要。但严寒地区的环境低温会对混凝土的浇筑时间、工艺和整体工期带来影响。
10、首先是对浇筑时间的限制，由于严寒地区变温幅度大且变温频繁，每年长达5~7个月的间歇期使工程年有效施工期相比于南方大幅缩短。其次是对浇筑工艺的影响，来年在进行新混凝土浇筑时，为了便于控制水化热温升，充分利用层面散热，提高降温效果，降低温度应力，通常会采用比大坝其它区域较小的层厚；如严寒地区某大坝自由区采用3m层厚，而在越冬长间歇面上部的5层混凝土浇筑时仅采用1.5m的层厚，在相同的时间内坝体上升速度仅为常规浇筑的一半，制约了整体工期。
11、为了降低严寒地区低温环境低温的影响，防止越冬长间歇面温度应力过大导致的开裂和挽回工期损失，水利工作者对此开展了多项研究，并采取了一些措施。包括以下方面：
12、表面保温方面：如林海涵等的“一种高寒地区大体积混凝土临时越冬保温方法cn107653839a”，提出在混凝土表面覆盖隔离层、保温层、防水层和防风墙，防止混凝土因温差过大而导致发生应力和裂缝危害。袁平等的“一种适用严寒地区混凝土坝越冬面的组合式保温保湿结构cn211773315u”，提出一种包括塑料保温保湿层、植物保温层、隔离层和防水层，适用于严寒地区混凝土坝越冬面的组合式保温保湿结构。张国新等的“高寒区混凝土坝长间歇薄层浇筑越冬保温方”，提出了一种借助于天然降雪或人工降雪的混凝土越冬保温新方法，即首先在越冬层面覆盖较少的保温被，然后覆盖一定厚度的雪层对越冬面混凝土进行保护。
13、施工环境方面：张峰的“混凝土冬季施工的质量问题及应对措施”，提出了外部加热法，对于体积不大，施工集中的部位，可以搭建暖棚，在棚内利用加热设备维持温度在15~20℃以上，为混凝土持续浇筑创造条件。苏联专家ф.比揚諾夫的“水工建設中混凝土冬季施工”，提出了冬季大体积混凝土水工建筑物混凝土的蓄热法和表面电热法，即在双层保温模板的夹层安装有电加热丝，混凝土浇筑后加热丝通电给模板升温，然后热量向内传给混凝土加热。
14、内部温控方面：何邦旭等的“高海拔寒冷地区碾压混凝土大坝温控施工技术研究”，提出了天然雪山融水冷却降温技术，配合新型保温保湿工艺来控制新老混凝土的温差和温度应力。李庆斌等的“可永久调控混凝土大坝温度的方法及装置”，提出了通过温度调控设备和调控管路来对大坝混凝土进行主动调温。蒋小健等的“一种解决严寒地区碾压混凝土坝越冬层层间开裂的施工方法”和陈波等的“一种寒冷地区碾压混凝土越冬保温防裂结构”，提出了在下层混凝土中埋设水管通热水的方式进行升温的方法来缩小温差。
15、实践证明，上述措施主要还是通过在混凝土表面覆盖保温防护材料和营造正温施工小气候环境来减少严寒低温天气带来的影响。虽然有助于解决严寒地区低温环境对越冬长间歇面新老混凝土带来的影响，但是效果还不够理想，存在一些不足和有待改进之处。
16、一、表面保温措施和内部降温保护能力有限
17、解决越冬长间歇面混凝土温度应力防止开裂的核心就是要控制两者的温度，通过缩小温差达到消减温度应力的目的。现有技术主要通过在老混凝土冬季间歇面覆盖一层保温材料来进行临时保护，但严寒地区冬季漫长，长时间低温仍然会透过保温层影响到混凝土温度，待第二年准备浇筑上层混凝土，掀开临时保温层时下层老混凝土的温度一般都在5℃左右，当保温结构受人为因素（铺设厚度不够、搭接不严）和外界因素（大风、泡水）等影响出现损坏时温度更低。
18、二、营造小环境投入高，经济性差，适用范围小
19、为了解决越冬长间歇面新老混凝土低温季节的浇筑问题，现有技术提出在混凝土上方搭建暖棚，然后采用火炉、蒸气、电加热设备、红外线等对暖棚进行升温，形成正温小环境来满足混凝土浇筑对温度的需求。但是这种方法适用范围小、体积小的混凝土，而且成本较大，经济性较差，不适合大面积推广应用。
20、三、混凝土主动升温技术还不够成熟
21、除了表面保温措施外，现有技术还提出了一些主动升温措施来对混凝土温度进行干预控制，例如通过在混凝土表层预埋加热电阻丝，在低温季节通电来给混凝土升温，这种方法耗电量大，运行成本高，加热电阻丝后期无法拆除，只能使用一次，成本高昂。近几年宜昌天宇科技有限公司提出了对大坝进行主动升温双向调控的温控新技术，其主要还是针对大坝混凝土的内外温差控制，目前还未在实际工程中得到应用，对于越冬长间歇面新老混凝土特殊部位的调温还没有涉及。
22、四、针对上层新混凝土温度控制的研究较少
23、越冬长间歇面新老混凝土开裂的原因在于上下层温差过大，目前针对上层新混凝土温度控制的研究较少，主要还是采用通水冷却的方法来将水化热温升降下去，从而实现控制其最高温度和平均温度。但是由于新浇混凝土早期温升剧烈，最高温度将近30℃，而老混凝土的温度受环境低温影响又较低，这样就会形成较大的上下层温差，当超过设计允许的温差时就可能会导致混凝土开裂。
24、五、可有效追赶严寒地区大坝建设工期的措施有限
25、为了减少低温环境对工期的影响，严寒地区大坝建设需尽量创造条件多浇筑混凝土。比如创造强度快速增长的条件：在冬季采用高热或者快凝水泥，减小水灰比，掺加速凝剂和塑化剂，加速混凝土的凝固，增加发热量，提高早期强度。但是氯化钠等氯盐因对钢筋有腐蚀作用，其掺入量受限。还有浇筑时间的安排，充分利用温度和湿度有利条件，争取在寒潮到达之前使混凝土的强度达到设计强度50%，并且强度值不低5mp～10mp，但严寒地区冬季温度低，昼夜温差大，低温时间长，可有效利用的时间较少，措施有限。
26、综上所述，现有技术还不够完善，需要研究一种新的技术来实现对越冬长间歇面新老混凝土的保护。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服上述不足，提供一种严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统及运行方法，以解决背景技术中提出的问题。
2、本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统，包括设于下层老混凝土内的老混凝土调温管网，所述下层老混凝土位于大坝越冬长间歇面下方，所述大坝越冬长间歇面上方的上层新混凝土内设置新混凝土调温管网，所述老混凝土调温管网用于对下层老混凝土进行升温和降温过程，所述新混凝土调温管网用于对上层新混凝土进行升温和降温过程。
3、优选地，所述老混凝土调温管网包括设于下层老混凝土内中部区域的第一内部调温管路和设于下层老混凝土内顶部表层的顶表层调温管路；所述新混凝土调温管网包括设于上层新混凝土内中部区域的第二内部调温管路和设于上层新混凝土内底部表层的底表层调温管路。
4、优选地，所述老混凝土调温管网还包括设于下层老混凝土内左右侧表层的第一侧表层调温管路；所述新混凝土调温管网还包括设于上层新混凝土内左右侧表层的第二侧表层调温管路。
5、优选地，所述老混凝土调温管网进、出口分别与相应的双向调温设备输出、输入端连接，所述新混凝土调温管网进、出口分别与相应的双向调温设备输出、输入端连接；所述下层老混凝土和上层新混凝土内均埋设有温度传感器，所述温度传感器信号输出端与控制系统输入端连接，控制系统输出端与双向调温设备控制信号输入端连接。
6、优选地，所述双向调温设备的输入端和输出端之间并联连接有升温管路和降温管路；
7、所述升温管路上安装有加热器，升温管路的进口端和出口端各安装有阀门，升温管路的出口端与贮液器连接；
8、所述降温管路上依次设有蒸发器、压缩机、冷凝器、节流机构，降温管路的进口端和出口端也各安装有阀门，降温管路的出口端与贮液器连接，所述贮液器与输送泵连接。
9、另外，本发明还公开上述严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统的运行方法，它包括如下步骤：
10、s1：第一年寒冷季节下层老混凝土浇筑开始后至水化热高峰期前的升温调控；
11、s2：第一年下层老混凝土水化热高峰期的降温调控；
12、s3：冬歇期对下层老混凝土的内降外升双向调温；
13、s4：第二年冬歇期结束至上层新混凝土浇筑开始前，对下层老混凝土的升温调控；
14、s5：第二年上层新混凝土浇筑开始后，对上层新混凝土升温调控，以维持其水化反应所需温度；
15、s6、第二年上层新混凝土浇筑后水化热高峰期的降温调控；
16、s7、第二年在上层新混凝土浇筑开始后对下层老混凝土的主动双向调温；
17、s8、第二年对上层新浇混凝土水化热高峰期结束后的调温。
18、进一步地，所述步骤s1具体包括：伴随着下层老混凝土开始浇筑即开始对混凝土进行调温，通过温度传感器实时监测混凝土入仓后的实际温度t0，并与冬季混凝土养护需要的最低温度t允许最低进行比较；当混凝土实际温度t0＜t允许最低时，控制系统对双向调温设备下达升温调控指令；并将生产的高温介质输送给老混凝土调温管网，对混凝土进行主动引导式升温调控，将混凝土实际温度缓慢匀速提升，维持在区间；
19、所述步骤s2具体包括：通过温度传感器实时监测混凝土实际温度t0，并与混凝土浇筑控制的最高温度t允许最高进行比较；当混凝土实际温度t0＞t允许最高时，控制系统对双向调温设备下达降温调控指令；并将生产的低温介质输送给老混凝土调温管网，对混凝土进行主动引导式降温调控，将混凝土实际温度缓慢匀速降低，维持在区间；
20、所述步骤s3具体包括：通过温度传感器实时监测下层老混凝土内部实际温度t0内和下层老混凝土表层实际温度t0外，并将两者进行的差值与t允许最大内外温差值进行比较，当t0内减t0外的差值＞t允许最大允许内外温差时，控制系统对双向调温设备下达降温调控指令；将生产的低温介质输送给老混凝土调温管网的第一内部调温管路，对混凝土内部进行主动引导式降温调控；将生产的高温介质输送给老混凝土调温管网的顶表层调温管路，对混凝土表层进行主动引导式升温调控；将混凝土内外温差控制在允许范围内。
21、进一步地，所述步骤s4具体包括：冬歇期后控制系统对双向调温设备下达升温调控指令，将生产的高温介质输送给老混凝土调温管网，对下层老混凝土内部和表层进行主动双向升温调控；
22、所述步骤s5具体包括：通过温度传感器实时监测上层新混凝土入仓后的实际温度t0，并与冬季混凝土养护需要的最低温度t允许最低进行比较；当混凝土实际温度t0＜t最低时，控制系统对双向调温设备下达升温调控指令，并将生产的高温介质输送给新混凝土调温管网，对混凝土进行主动引导式升温调控，将混凝土实际温度缓慢匀速提升，维持在区间；
23、所步骤s6具体包括：当上层新混凝土温度随着水化热剧烈作用迅速上升时，通过温度传感器实时监测上层新混凝土实际温度t0，并与混凝土浇筑控制的最高温度t允许最高进行比较；当混凝土实际温度t0＞t最高时，控制系统对双向调温设备下达降温调控指令，并将生产的低温介质输送给新混凝土调温管网，对混凝土进行主动引导式降温调控，将混凝土实际温度缓慢匀速降低，维持在区间。
24、进一步地，所述步骤s7具体包括：上层新混凝土开始浇筑后，根据实时监测得到的上层新混凝土的平均温度，动态调整下层老混凝土的平均温度，使上下层温差控制在允许范围之内。
25、进一步地，所述步骤s8具体包括：
26、s8.1、当首层上层新混凝土浇筑完成后，按照大坝浇筑计划进行后续其他层新混凝土的持续浇筑，在后续其他层新混凝土浇筑过程中，对新浇混凝土进行升温调控，以维持其水化反应温度；
27、s8.2、根据实时监测得到的后续浇筑新混凝土的平均温度，动态调整首层上层新混凝土以及后续浇筑其他层新混凝土的平均温度，使上下层温差控制在允许范围之内。
28、本发明的有益效果：
29、1、本发明通过埋设在严寒地区大坝越冬长间歇面新老混凝土中的调温管网、温度传感器，双向调温设备和控制系统，可以实现对新老混凝土的实时监测和温度调控，使上下层温差控制在容许范围之内，减少了大坝越冬长间歇面老混凝土内部和表层、新老混凝土之间、新混凝土内部和表层的温度梯度和温度应力，对大坝混凝土浇筑特殊时段、特殊部位和薄弱环节的温度进行有效控制，防止开裂现象的产生，为大坝安全运行提供有力保障。
30、2、本发明采用上述方法和现有技术相比，即可以对越冬层面进行有效保护，由于采取了高效、经济和操作性简单的方法对新老混凝土进行主动升温调控，可以减少环境低温对混凝土浇筑的限制，为实现低温季节进行混凝土的早浇创造了良好的条件，可以增加年有效施工时间，为控制工期提供了有力保障；同时可优化越冬长间歇面部位上层新浇混凝土的浇筑层厚和层数，减少低温环境对工期的影响，创造巨大的经济效益。
31、3、本发明通过对新、老混凝土在不同阶段进行差异化的主动双向引导式调温，可以将越冬长间歇面混凝土上下层温差始终控制在允许范围内，甚至可以做到接近0温差，减少了下层老混凝土对上层新混凝土的约束；在此条件下，越冬长间歇上层混新凝土的浇筑层高和层数可以得到优化改善，可以改变现有严寒地区大坝混凝土浇筑计划中采取低层高和分多层浇筑的限制，明显加快坝体上升速度，缩短建设工期，若提前完工和发电，将创造巨大的经济效益。
32、4、本发明采用双向调温设备、监测单元和控制系统联合进行控温，和现有冷却通水技术相比，调温设备的介质温度、流量、流速和流向可根据需要任意变化，调控能力强大；监测单元对混凝土进行实时监控，调温更加精准；控制系统自动分析决策，让整个温控系统自动运行，减少人力投入成本，还可以避免人为因素的干扰，更加科学高效。
33、5、本发明针对越冬长间歇面应力集中部位和薄弱环节，防护更加精准和有效。
34、6、本发明和现有技术相比，比如在混凝土上方搭建暖棚形成正温小环境，在混凝土内部布置加热丝通电进行升温等，本发明的措施得当，可操作性强，经济性好，效率高，创造了严寒地区越冬长间歇面的温控的新模式和新方法，可将混凝土的温度控制在安全范围内，减小温度梯度和温度应力，从而提高耐久性。
1.一种严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统，包括设于下层老混凝土（2）内的老混凝土调温管网（3），所述下层老混凝土（2）位于大坝越冬长间歇面（1）下方，其特征在于：所述大坝越冬长间歇面（1）上方的上层新混凝土（4）内设置新混凝土调温管网（5），所述老混凝土调温管网（3）用于对下层老混凝土（2）进行升温和降温过程，所述新混凝土调温管网（5）用于对上层新混凝土（4）进行升温和降温过程。
2.根据权利要求1所述的严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统，其特征在于：所述老混凝土调温管网（3）包括设于下层老混凝土（2）内中部区域的第一内部调温管路（3.1）和设于下层老混凝土（2）内顶部表层的顶表层调温管路（3.2）；所述新混凝土调温管网（5）包括设于上层新混凝土（4）内中部区域的第二内部调温管路（5.1）和设于上层新混凝土（4）内底部表层的底表层调温管路（5.2）。
3.根据权利要求2所述的严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统，其特征在于：所述老混凝土调温管网（3）还包括设于下层老混凝土（2）内左右侧表层的第一侧表层调温管路（3.3）；所述新混凝土调温管网（5）还包括设于上层新混凝土（4）内左右侧表层的第二侧表层调温管路（5.3）。
4.根据权利要求1所述的严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统，其特征在于：所述老混凝土调温管网（3）进、出口分别与相应的双向调温设备（6）输出、输入端连接，所述新混凝土调温管网（5）进、出口分别与相应的双向调温设备（6）输出、输入端连接；所述下层老混凝土（2）和上层新混凝土（4）内均埋设有温度传感器，所述温度传感器信号输出端与控制系统输入端连接，控制系统输出端与双向调温设备（6）控制信号输入端连接。
5.根据权利要求4所述的严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统，其特征在于：所述双向调温设备（6）的输入端和输出端之间并联连接有升温管路（6.1）和降温管路（6.2）；
6.一种权利要求1至5任一项所述严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统的运行方法，其特征在于：它包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统的构建方法，其特征在于：
8.根据权利要求6所述严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统的构建方法，其特征在于：
9.根据权利要求6所述严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统的构建方法，其特征在于：
10.根据权利要求6所述严寒地区大坝越冬长间歇面混凝土调温系统的构建方法，其特征在于：所述步骤s8具体包括：
