混凝土坝后期温度时空分布动态预测模型探讨.pdf

第 3 6卷第 3期 2 0 1 4年 3月 人民黄河 YELL 0W RI VER Vo 1 36 No 3 Ma r ， 2 01 4 【 水利 水 电工程 】 混凝土坝后期温度时空分布动态预测模型探讨 丁月梅 ， 黄耀英， 唐腾飞， 程 中凯， 田开平 ( 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要： 施工期混凝土坝的温度场是复杂的非稳定空间温度场， 将混凝土坝中后期冷却期间浇筑仓单测点温度动态预测 模型推广为混凝土坝后期水管冷却温度时空分布动态预测模型。结合西南某建设中的混凝土坝典型坝段分布式光纤测 温数据， 对混凝土坝后期水管冷却温度时空分布进行预测， 结果表明， 基于分布式光纤测温建立混凝土坝后期水管冷却 温度时空分布动态预测模型是可行的， 可以方便快捷地对未来 7 d的温度时空分布状态和垂直向温度分布进行动态 预 测 。 关键词：动态预测模型；时空分布；分布式光纤测温；后期水管冷却；混凝土坝 中图分类号 ：T V 3 1 5 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 - 1 3 7 9 2 0 1 4 0 3 0 3 6 S t u dy o n Dy na mi c Pr e di c t i o n M o d e l f o r Te mpe r a t ur e S pa t i a l a nd Te mpo r a l Di s t r i bu t i o n a t Co nc r e t e Da m S La t e r S t a g e DI NG Yu e - me i ，HUANG Ya o y i n g，T AN G T e n g f e i ，C HE NG Z h o n g - k a i ，T I AN Ka i p i n g ( C o l l e g e o f H y d r a u l i cE n v i r o n me n t a l E n g i n e e ri n g ， T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ，Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：As t h e t e mp e r a t u r e fi l e d d u rin g c o n s t r u c t i o n p e rio d i s a c o mp l e x a n d n o n s t a t i o n a r y s p a c e t e mp e r a t u r e fie l d，t h e n e x t e n d i n g t h e t e mp e r a t u r e d y n a mi c p r e d i c t i o n mo d e l o f t h e mi d d l e l a t e r c o o l i n g p e rio d f o r s i n g l e p o i n t o n t h e c a s t i n g s t o r e h o u s e t o a s p a t i a l a n d t e mp o r a l d i s t ri b u t i o n d y - n a mi c p r e d i c t i o n mo d e l d u rin g t h e l a t e r p i p e c o o l i n g p e ri o d C o mb i n i n g wi t h t h e da t a t h a t c a me f r o m t h e d i s t rib ut e d fi b e r s o f a s o u t h we s t d a m，i t p r e d i c t e d t h e t e mp e r a t u r e s p a t i al an d t e mp o r a l d i s t rib u t i o n o f p i p e c o o l i n g a t t he l a t e r s t a g e o f t he c o n c r e t e d a mTh e o u t c o me s s h o w t h a t t h e t e n- p e r a t u r e mo d e l b a s e d o n d i s t rib u t e d o p t i c al fib e r i s f e a s i b l e，a n d i t C an c o n v e n i e n t l y p r e d i c t t e mp e r a t u r e S s p a t i a l a nd t e mp o r a l d i s t rib u t i o n a n d v e r - t i e al t e mp e r a t u r e d i s t rib u t i o n i n 7 d a y s Ke y wo r d s ：d y n a mi c p r e d i c t i o n mo d e l ；s pa t i a l a n d t e mp o r a l d i s t ri b u t i o n；d i s t rib u t e d o p t i c al fi b e r t e mp e r a t ur e me a s u r e me n t ；l a t e r p i p e c o o l i n g； c o n c r e t e d a m 昆 凝土坝后期水管冷却对坝体温度应力有重要影响， 尽管 温降相同， 但是不同冷却方式产生的温度应力相差很大， 稍有 不慎即可能引起坝体裂缝 I 2 J 。为此 ， 朱伯芳 首次系统研究 了冷却区高度 、 水管间距、 冷却分期及水温控制对温度应力的 影响， 并建议对后期冷却进行细致的分析和规划。为了对混凝 土坝中后期通水冷却期问进行快速 、 准确地温度预测 ， 必须采 用一种计算工作量小的先验性模型， 黄耀英等 在朱伯芳研究 的基础上 ， 建议了一种混凝土坝中后期冷却期间浇筑仓单测点 温度动态预测模型， 但该模型不能全面反映坝内温度分布状 态。分布式光纤具有实时在线监测的优势， 只需将分布式光纤 埋设在混凝土浇筑仓内， 即可快速、 连续地监测温度， 可直观、 方便地分析混凝土坝体 内部温度的变化规律 。笔者结合西 南某建设中的混凝土坝典型坝段分布式光纤测温数据， 探讨了 基于分布式光纤测温的混凝土坝后期水管冷却温度时空分布 动态预测模 型。 1 基于分布式光纤测温的动态预测模型 黄耀英等建议的混凝土坝中后期冷却期间浇筑仓单测 点温度动态预测模型见图 1 ， 即采用无热源水管冷却的混凝土 平均温度计算式， 联合实测温度 ， 对无热源水管冷却的混凝土 平均温度计算式中的 进行动态更新， 动态预测浇筑仓降温 过程线。但是施工期混凝土坝的温度场是复杂的非稳定空间 温度场， 该动态预测模型不能完全反映混凝土坝整体温度分布 状 态。 光纤测温作为一个系统工程 ， 具有测点多( 线测温) 、 精度 高、 实时陛高、 可靠性高的特点 。J ， 在典型混凝土坝段各浇筑 仓内埋设分布式光纤， 可以较好地获得混凝土坝典型坝段剖面 温度时空分布状态。笔者将图 1 所示的预测模型与混凝土坝 埋设的分布式光纤测温信息有机的结合起来， 建立了混凝土坝 后期水管冷却温度时空分布动态预测模型， 见图 2 ( 其中 为 各浇筑仓光纤温度测点数， l 为浇筑仓数) 。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 6 - 0 2 基 金项目： 国家 自 然科 学基金 资助项 目( 5 1 2 0 9 1 2 4 ) 。 作者简介： 丁月梅( 1 9 8 8 一) ， 女， 山东潍坊人， 硕士研究生， 研究方向为大体积 混凝 土温控 防裂。 E ma i l ：d i n g y u e me i 1 2 3 1 2 6 c o m l1 1 人 民 黄 河2 0 1 4年第 3 期 垂 测 温 度信 息 图 1 中后期冷却时混凝土浇筑仓单测点 温度动态预测 图 2 混凝土坝后期水管冷却温度时空分布动态预测模型 由图2可知， 对典型坝段各浇筑仓内埋设的每一个分布式 光纤温度测点逐一进行考察 ， 由当前的温度信息， 采用无热源 冷却水管计算式， 结合未来 n天拟通水水温、 通水流量等信息， 实时动态预测未来 n 天的温度时空分布状态， 综合各浇筑仓各 温度测点 动态预测值 ， 即可重构获得该坝段剖面温度时空 分布 。 2 工程实例分析 西南某建设 中的特 高拱 坝位 于 四川 省雷 波县 和云南 省永 善县接壤的金沙江峡谷段， 拦河大坝为混凝土双曲拱坝， 坝顶 高程 6 1 0 m， 最大坝高2 8 5 5 m， 大坝共 3 1个坝段， 为达到温控 防裂的目的， 在混凝土浇筑仓埋设常规温度计， 并且在典型坝 段埋设分布式光纤进行温度监测。 2 1 典型坝段分布式光纤布置及测点选取 采用分布式光纤测温主机进行监测时， 将测温系统的空间 分辨率和采样间隔均设置为 1 0 m， 采样频率为每 2 h一次， 这 样可保证沿分布式光纤传感网络每米获得一个温度测值， 分布 式光纤布置及沿程温度测点分布见图3 。笔者选取该特高拱坝 l 6 坝段典型混凝土浇筑仓 l 6 6 01 6 7 0 ( 高程 4 8 6 3 5 1 6 3 m) 的分布式光纤测温信息， 进行 昆凝土坝后期水管冷却温度 时空分布动态预测。各浇筑仓层厚均为 3 m， 冷却水管为塑料 水管， 其中 1 6 6 0仓水管横、 纵向间距分别为 1 0 m和 1 5 m， 其余各仓水管横纵向间距均为 1 5 m， 冷却水管长度为实际埋 1 1 2 设长度 ， 通水水温和通水流量也采用实际值。 5 2 1 5 l 5 5 毒 5 【 I 4 9 7 4 9 l 4 8 5 流方向 图3各浇筑仓分布式光 纤布置 2 2 动态预测后期水管冷却温度时空分布 由图2建立的混凝土坝后期水管冷却温度时空分布动态 预测模型， 结合图 3分布式光纤 的测温信息， 采用无热源冷却 水管计算式 ， 实时动态预测未来 7 d的温度信息。对实时动态 预测的未来 7 d的时空温度值与分布式光纤实测温度值， 分别 采用 s u ff e r 8 0画图软件 ， 基于克里格插值法绘制成剖面温度 场 ， 并对典型时刻的垂直向预测温度分布和垂直向实测温度分 布进行对比分析。动态预测剖面温度时空分布和实测剖面温 度时空分布对比见图4 ， 垂直向温度分布对比见图5 。 图4动态预测剖面温度与实测剖面温度对 比 g 姬 温度代 温度代 d ( b l： 7 d 图5动态预测垂直向温度与实测温 度对 比 由图4可见， 在混凝土大坝后期通水冷却时， 基于分布式 光纤建立的温度时空分布预测模型预测的温度时空分布与实 测温度分布吻合较好， 其 3 、 7 d的复相关 系数分别为0 9 9 4 、 0 9 7 6 。由图 5可见 ， 实测垂 直 向温度 分布 与基 于所 建立 动态 预测模型计算的垂直向温度分布基本吻合。这说明建立混凝 土坝后期水管冷却温度时空分布动态预测模型是可行的。 由图4 ( b ) 和图5 ( b ) 预测值与实测值的对比可见， 由当前 温度动 态预测第 7 d的温度 时， 误 差逐渐增大 ， 此 时需要 结合分 布式光纤实测温度按图2对浇筑仓的 ( 下转第 1 1 6页)