施工期混凝土坝温度混合模型初探.pdf

第 3 4卷第 l 0期 2 0 1 2年 1 O月 人民黄河 YELL0W RI VER Vo 1 3 4 NO 1 0 0e t 2 01 2 【 水利水 电工程 】 施工期混凝土坝温度混合模型初探 刘丹丹 ， 谌 东升 ， 黄耀英 ， 周宜红 ， 高祥泽 ， 周绍武 ， 李金河 ( 1 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ； 2 中国长江三峡开发集团公司， 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要： 采用三维温度场仿真分析有限元程序确定环境气温与浇筑仓温度之间的函数关系， 用两个指数函数累加来考虑 水化热温升和通水冷却的影响 ， 然后基 于实测温度 ， 联 立环境 气温分量 、 水泥水化 热及通 水冷却 分量 ， 采用逐 步回归法进 行回归分析， 建立施工期混凝土坝温度混合模型。实例分析表明， 该温度混合模型可用于对混凝土浇筑仓的温度进行预 测 。 关键词 ：混凝土坝 ；施 工期 ；温度混合模型 中图分类号 ：T V 3 1 5 文献标识码 ： 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 2 1 0 0 3 9 Re s e a r c h o n Co nc r e t e Da m Te mp e r a t ur e M i x t ur e M o d e l Dur i ng Co ns t r uc t i o n L I U D a n 。 d a n ，S HEN Do n g s h e n g ，HU ANG Ya o y i n g ，Z HOU Yi h o n g ，GAO X i a n g z e ，Z HOU S h a o W U ，L I J i n h e ( 1 C o l l e g e o fH y d r a u l i c E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i 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 in a； 2 C h i n a Y a n g e T h r e e G o r g e s D e v e l o p me n t G r o u p C o m p a n y ，Y i e h a n g 443 0 0 2，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th r e e d i me n s i o n a l f i n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n a n a l y s i s p r o g r a m o f t e mp e r a t u r e h a d b e e n t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n o f r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e e n v i r o n me n t t e mp e r a t u r e a n d c o n c r e t e t e mp e r a t u r e wh i l e t wo e x p o n e n t i a l f u n c t i o n s s u p e r p o s e d h a d b e e n t a k e n i n t o a c c o u n t o f c e me n t h y d r a t i o n h e a t a n d w a t e r c o o l i n g s y s t e mBa s e d o n me a s u r e d t e mp e r a t u r e，c o mb i n i n g wi t h t h e e n v i r o n me n t a l t e mp e r a t u r e f a c t o r a n d c e me n t h y d r a t i o n h e a t a n d wa t e r c o o l i n g s y s t e m f a c t o r ，a n d t h e n a d o p t i n g s t e p wi s e r e g r e s s i o n t o c a r r y o u t r e g r e s s i o n a n a l y s i s ，t h e c o n c r e t e d a m t e mp e r a t u r e mi x t u r e mo d e l d u rin g c o n s t r u c t i o n h a d b e e n s e t u p Ex a mp l e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e mp e r a t u r e mi x t u r e mo d e l c a n b e us e d t o f o r e c a s t t h e c o n c r e t e t e mp e r a t u r e o f t h e d a m p l a c e me n t Ke y wo r d s ：c o n c r e t e d a m ；c o n s t ru c t i o n p e ri o d；t e mp e r a t u r e mi x e d mo d e l 大坝安全监控中的统计模型是根据以往较长时间、 数量较 多的历史监测资料建立的原因量和监测效应量相互关系数学 模型 ， 用以预测未来时刻效应量的变化趋势。受随机因素的影 响， 统计模型的外延预报时间较短 ， 精度较低。确定性模型是 采用确定性方法， 如有限元方法、 其他数值算法或解析法 ， 计算 求得所研究问题的解 ， 然后结合实测值进行优化拟合， 实现对 物理力学参数和其他拟合待定参数的调整 ， 从而建立确定性模 型。由于建立确定性模型技术难度高、 工作量大， 对于一些效 应分量 ， 目前还没有较为合适的确定性模型算法， 因此限制了 该模型的应用。为了克服统计模型和确定性模型的缺点， 1 9 8 0 年 P B o n a l d i 等发展了混合性模型， 对于各效应分量视具体情 况选用不同的模型进行计算 ， 即采用混合模型， 通过确定性算 法对关系明确的环境因素与效应量建立函数关系， 对与效应量 关系不十分明确的环境 因素则采用数理统计方法来确定它们 之间的统计关系。例如在建立位移 昆 合模型时， 大坝的水位分 量采用确定性模型计算， 而温度和时效分量选用统计模型。研 究表明， 混合模型的预报精度较确定性模型和统计模型都高。 目前 ， 关于大坝变形、 应力应变等监测量的混合模型的研 究较多 J ， 但关于施工期混凝土坝温度混合模型的研究较 1 2 4 少。因此， 笔者对某施工期混凝土坝典型坝段进行了三维有限 元计算分析， 并利用逐步回归法建立了施工期混凝土坝温度混 合模型， 通过分析施工期混凝土温度过程线， 对影响坝体混凝 土温度的环境分量、 水泥水化热温升和通水冷却分量等的处理 进行 了详细介绍 。 1 温度混合模型的建立 通常浇筑大体积混凝土时， 要采取相应的温控防裂措施， 如骨料预冷 、 通水 冷却 、 表 面保温 等。通过分 析施 工期混 凝 土 温度过程线可知， 混凝土温度主要受初始温度( 浇筑温度) 、 环 境气温、 水泥水化热温升及通水冷却的影响。进一步分析影响 混凝土浇筑仓温度变化的相关因素可知， 环境气温对浇筑仓温 度的影响相对简单明确， 而水泥水化热及通水冷却对浇筑仓温 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 0 1 7 基金项 目： 国家 自然科 学基金 资助项 目( 5 1 0 7 9 0 7 9 ) ； 三峡 大 学基金 资助 项 目 ( K J 2 0 1 0 B 0 0 3 ) 。 作者简介 ： 刘丹丹( 1 9 8 6 一)， 女， 湖 北宜 昌人 ， 硕 士研 究生 ， 研 究方向 为大体 积 混凝土温控防裂。 E - ma il !d a n n y 7 7 1 2 1 2 6 c o n 人 民 黄 河2 0 1 2年第 1 0期 度的影响相对不明确， 因此环境因素和效应量之间的函数关系 采用温度场仿真分析程序来确定。 首先， 建立大体积混凝土浇筑仓有限元模型。假设混凝土 的热学参数 ， 采用温度场仿真分析程序计算混凝土温度受环境 气温影响的过程线。混凝土为热的不 良导体， 环境气温对混凝 土内部温度影响较小， 采用谐波表达式和指数表达式组合来拟 合计算温度过程线 ： = n 。 s in ( ) + 。 s ( ) sin ( ) + 。s( ) + n s e “ “ e ( ) 式中： n 为回归系数， 采用逐步回归分析法求得； A为经验 系数 ， 根据 回归经验 ， A= 0 2 5 2 。 其次 ， 建立施工期混凝土浇筑仓的混合模型。由于进行温 度场仿真分析的热学参数是假设的， 与实际情况存在差异， 因 此采用调整系数进行调整 ， 而水化热温升和通水冷却分量则采 用统计分量 ， 具体采用两个指数表达式。建立的混凝土施工期 温度混合模 型为 T ( )=6 n+ r， 1 ( )+ ( t ) ( 2 ) ( )=6 l e 一 一e 一 +6 2 e ” ”一e ( 3 ) 式 中： b 为常数项 ； 为调 整 系数 ； 6 、 b 均为 回归 系数 ； T 1 ( t ) 为环境气温分量； ( t ) 为水化热温升和通水冷却分量； 、 C均 为经验系数 ， 根据回归经验 ， B= 0 3 1 8 、 C= 0 2 9 5 。 实际回归分析时， 因式( 2 ) 含有常数项 ， 故 。 ( ) 中的常数 项 不参与 回归。 2 实例分析 某建设 中的混凝土 工程位 于 四川 省雷 波县 和云南 省永善 县接壤的金沙江峡谷段， 是一座以发电为主， 兼有拦沙、 防洪和 改善下游航运等综合 效益 的大型 水 电站。工程枢 纽主要 由拦 河坝 、 泄洪 、 引水 、 发 电等建筑 物组 成。拦河大坝为混凝 土双 曲 拱坝， 坝顶高程为6 1 0 I n ， 最大坝高2 8 5 5 m； 左、 右两岸均布置 有地下厂房， 各安装 9台水轮发电机组， 电站总装机 1 3 8 6万 k W， 多年平均发电量为5 7 1 2亿k W h 。大坝共3 1 个坝段， 为 达到温控防裂 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 。 选取典 型河床坝段 的混凝 土浇 筑仓温 度过 程线 为分析对 象 ， 选取的浇筑仓层厚 3 m， 分 6个坯层浇筑， 布置两层冷却水 管 ， 第 1 层水管布置在第 1 坯层顶部 ， 第2层水管布置在第4坯 层顶部 ， 温度计和分布式光纤埋设在第 3坯层。先建立混凝土 浇筑仓三维有 限元模型 ， 采用式 ( 1 ) 拟合计算 温度 过程 线 ， 获得 环境气温分量； 再建立施工期混凝土浇筑仓混合模型； 最后结 合实测温度采用式( 2 ) 进行拟合， 确定混合模型中的各项系数。 采用建立的模型进行温度预测， 并与实测值对 比， 检验所建模 型的正确性。典型坝段各浇筑仓温度过程线回归系数和特征 值见表 1 。典型坝段浇筑仓施工期温度混合模型拟合温度和实 测温度对比见图1 、 图2 ， 预报温度和实测温度对比见图3 、 图4 。 表 1 混合模 型回归系数及复相关系数 龄鲫d 图 1 典型坝段浇筑仓 1在龄期 0 3 5 d拟合温度与实测温度对 比 3 0 2 5 2 0 5 0 龄期 d 图2典型坝段浇筑仓 2在龄期 04 5 d拟合温度与实测温度对比 龄期，d 图3典型坝段浇筑仓 1在龄期 3 54 5 d预报温度与实测温度对 比 预报温度 一I_ 亘 垂 龄期 d 图4典型坝段浇筑仓 2在龄期 4 55 5 d预报温度与实测温度对 比 可见， 典型坝段浇筑仓温度拟合值和实测值吻合效果很 好 ， 如浇筑仓 1的复相关系数为0 9 9 2 ， 浇筑仓 2的复相关系数 为0 9 9 1 ； 基于温度混合模型的拟合和实测温度吻合效果令人 满意 ； 1 0 d温度预报的最大预报误差一般能控制在 1以内， 这说明建立混凝土温度混合模型对混凝土浇筑仓的温度进行 预测是可行 的。 3 结语 采用三维温度场仿真分析有限元程序确定环境气温分量， 水化热温升和通水冷却的影响则用两个指数函数累加来考虑， 采用逐步回归法进行回归分析 ， 建立施工期混凝土温度混合模 型。结合施工期某混凝土坝典型坝段 ( 下转第 1 2 8页) 1 25 殛哺 人 民 黄 河2 0 1 2年第 l 0期 况下， 受力增大。表明桥墩并不是直径越大越好， 充分说明合 理设计桥墩的重 要性。 3 结 语 圆柱直径， 图 6 崩塌体作用在桥墩上的最大碰撞力与圆柱直径的关系 桥墩直径为 1 2 m， 缓冲区长度为 8 m， 内阻尼系数分别为 0 4、 0 6 、 0 7时， 崩塌体对桥墩最大碰撞力都为 1 0 0 MN 。说 明最大碰撞力与阻尼系数大小无关。 崩塌体对结构物的作用力包括动力过渡阶段和最后静止阶 段。崩塌体对桥墩水平方向和竖直方向碰撞力见图7 、 图8 。由 图7可以看出， 滑动初期崩塌体对桥墩水平方向碰撞力最大， 且 碰撞力波动较大， 最后趋于稳定。滑动初期竖直方向碰撞力在 0 位置上下波动， 最后趋于稳定。原因是圆柱外壁粗糙， 和其他物 体接触有摩擦力， 因此颗粒对外壁有向下的作用力。 1 0 n 9 n 8 O 7 堇0 6 餐0 5 n4 0 3 0 2 01 0 步 l 0 5 图 7水平方 向碰撞力与增量步的关 系 步 数 ， 1 0 5 图8 竖直方向碰撞 力与增量步的关系 - -一 0 ( 上接第 1 2 5页) 浇筑仓温度预测实例分析表明， 所建立的施工 期混凝土温度混合模型拟合精度和预报精度令人满意 ， 用于对 混凝土浇筑仓的温度进行预测是可行的。 参考文献 ： 1 陈琳， 徐波， 吴波， 等 大坝安全监测的混合回归模型研究 J 水电能源科 学 ， 2 0 1 0 ( 3) ： 4 85 0 2 李珍照 大坝安全监测 M 北京： 中国水利水电出版社， 1 9 9 7 3 吴中如 水工建筑物安全监控理论及其应用 M 北京： 高等教育出版社， 2 O0 3 1 2 8 以离散元为手段 ， 采用 P F C 3 D程序模拟了滑坡崩塌体堆 积过程以及滑坡崩塌体对桥墩的冲击。滑坡滑动过程中设置 模拟桥墩 ， 模拟滑坡滑动堆积形态变化 ， 并模拟崩塌对桥墩的 影响。数值模拟结果表明： 滑坡崩塌体颗粒堆积过程 中， 堆积 半径随着时间的延长而增大， 崩塌体滑动初期堆积半径扩大速 度较快 ， 但是随着时间的延长， 堆积半径增大趋势逐渐变缓， 最 后稳定。崩塌体对圆柱体最大碰撞力随着缓冲区长度的增大 而减小 ， 最大碰撞力随着圆柱体直径的增大迅速增大， 最大碰 撞力随着颗粒摩擦角的增大近似线性增大， 而最大碰撞力与阻 尼系数大小无关。 参考文献： 1 P o t y o n d y D O ， C u n d a U P A A B o n d e d P a r t ic l e M o d e l f o r R o c k J I n t e r n a t io n al J 0 u ma l o f R o c k Me c h a n i c s a n d Mi n i n g S c ie n c e s 。2 0 0 4，41 ：1 2 3 9 一 l 3 6 4 2 Wa n g C ， T a r m a n t D D， L i l ly P A N u m e ri c a l A n a l v s i s 0 f t h e S ta b il i t y o f He a v i ly J o in t e d R o c k S l o p e s U s i n g P F C 2 D J I n t e rn a t i o n a l J o u r n a l o f R o c k M e c h a n i e s a n d Mi n i n g S c i e n c e s ，2 0 0 3 4 0： 4 1 5 4 2 4 3 H a t z o r Y H， A r z i A A， Z a s l a v s k y Y ， e t a1 D y n a m i c S ta b i l it y A n a l y s i s o f J o i n t - od R o c k S l o p s U s in g t h e DD A Me t h o d ：K i n g He r o d s P ala c e ， Ma s a d a ，I s r a e l J I m e ma t i o n al J o u rn a l o f R o c k M e c h a n i c s a n d Min i n g S c i e n c e s ， 2 0 0 4 ， 4 1 ： 81 3 83 2 4 S t e a d D， E b e r h a r d t E ， C o g g a n J S D e v e l o p m e n t s i n t h e C h a r a c t e ri z a t io n o f C o mp Mx R o c k S l o p e De f o r m a ti o n a n d F a i l u r e U s i n g N u me ri e Mo d e l i n g T e c h n iq u e s J E n g i n e e r i n g G e o l o g y ， 2 0 0 6 ， 8 3 ： 2 1 7 2 3 5 【 责任编辑吕艳梅】 +-一_- _-+一 - 4 吴世勇， 陈建康， 邓建辉 水电工程安全监测与管理 M 北京： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 9 5 朱伯芳 大体积混凝 土温度应力与温度控制 M 北京 ： 中国水 利水 电出版 社 ， 1 9 9 9 6 黄达海， 陈彦玉， 王祥峰， 等 基于分布式光纤测温的特高拱坝温控预报研 究 J 水利水电技术， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 9 ) ： 4 1 - 4 6 7 周建兵 基于分布式光纤测温系统的试验反馈及预报模型研究 D 宜昌： 三峡大学， 2 0 1 1 【 责任编辑张华岩】 z 善 噼