混凝土浇筑仓最高温度快速预测.pdf

水 力 发 电 第 3 9 卷第 1 1 期 2 0 1 3年 1 1月 琨 凝 土 瓷 筑 仓 最 高 温 度 ll 逮 预 测 周建兵 ，王 毅 ，何 小鹏 ，黄耀 英 ( 1 中国长江三峡集 团向家坝工程建设部 ，四川 宜宾 6 4 4 0 0 0 ； 2 三峡大学水利 与环境 学院 ，湖北宜 昌 4 2 3 0 0 2 ) 摘 要 ：建议 了一种基 于 B P神经 网络 的浇筑仓 最高 温度快 速预测方 法 。以影响 混凝 土浇筑仓 最高温 度的 主要 因 素浇筑温度 、水 管间距 、通水 流量 、通水水 温 、收仓后 2 3 d的环境 气温作为输入矢 量 ，浇筑仓最 高温度作为 输 出矢量 ，建立 预测模 型并进 行神经网络训练 ，然后将训练好 的神 经网络模 型用于新浇筑仓最高温度 的预测 。工程 实践表 明，该方法具有预测快速 、准确 、操作方便 的特点 。 关键词 ：混凝土 ；浇筑 ；最高温度 ；B P神经网络 ；快速预测 R a #d P r e d i c t i o n o f t h e Hi g h e s t T e mp e r a t u r e of C o n c r e t e B l o c k Z HOU J i a n b i n g ， WANG Yi ， HE Xi a o p e n g ，HUANG Ya o y i n g z ( 1 X i a n g j i a b a P r o j e c t C o n s t r u c t i o n D e p a r t me n t , T h r e e G o r g e s C o r p o r a t i o n ， Y i b i n 6 4 4 0 0 0 ， S i c h u a n ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Hy d r a u l i c& E 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 Un i v e r s i t y ， Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， Hu b e i ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： A p r e d i c t i o n me t h o d o f t h e h i g h e s t t e mp e r a t u r e o f c o n c r e t e b l o c k i s s u g g e s t e d h e r e i n b a s e d O i l B P n e u r a l n e t wo r k T h e ma i n f a c t o r s w h i c h i n fl u e n c e t h e h i g h e s t t e mp e r a t u r e o f c o n c r e t e b l o c k a r e a s i n p u t v e c t o r s ， i n c l u d i n g p o u r i n g t e mp e r a t u r e ， p i p e s p a c i n g, wa t e r fl o w ,wa t e r t e mp e r a t u r e a n d e n v i r o n me n t t e mp e r a t u r e o f 2- 3 d l a t e r o f p o u r i n g c o mp l e t i o n ，a n d t h e h i g h e s t t e mp e r a t u r e i s a s o u t p u t v e c t o r T h e p r e d i c t i o n mo d e l i s e s t a b l i s h e d a n d t h e n t h e n e u r a l n e t wo r k i s t r a i n e d t o p r e d i c t t h e h i g h e s t t e mp e r a t u r e o f c o n c r e t e b l o c k T h e e n g i n e e rin g p r a c t i c e s h o ws t h a t t h i s me t h o d c a n r a p i d l y ， a c c u r a t e l y a n d c o n v e n i e n tl y p r e d i c t t h e h i g h e s t t e mp e r a t u r e o f c o n c r e t e b l o c k Ke y W o r d s ： c o n c r e t e ； p o u rin g ； h i g h e s t t e mp e r a t u r e ； B P n e u r a l n e t w o r k ； r a p i d p r e d i c t i o n 中图分 类号 ： T V 3 1 5 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 4 6 0 3 0 引言 混 凝 土 浇 筑 仓 最 高 温 度 与 大 坝 基 础 温 差 、 内 外 温差 和 降 温速 率 密 切相 关 ，因 此 ，混 凝 土 浇 筑仓 最 高 温 度倍 受关 注 。施 工期 的混 凝 土大 坝 一 般 采 取骨 料 预 冷 、通水 冷 却 、流水 养 护 或 表 面保 温 等 温控 措 施 来 控 制 混 凝 土浇 筑 仓 最 高温 度 1 。但 由于 现 场条 件 复杂 ，浇 筑仓 最 高 温 度仍 可 能 超 过设 计 容 许 最 高 温 度 。对 大 坝混 凝 土 的浇 筑过 程 进 行 实 时跟 踪 预测 是 控制 混 凝 土 浇筑 仓 最 高 温度 的有 效 途径 ，按 照 拟 定 的 温控 措 施 ，建 立 混 凝 土 浇筑 仓 有 限元 模 型 ，结 合 坝址 气象 站环 境气 温 预报 以及 现场 实 际边 界条 件 ， 在混 凝 土 浇 筑仓 开 仓 前 2 3 d对 新 浇 筑仓 最 高 温度 进行 预 测 ，并与 允 许 最 高温 度 对 比 ，判 断 既 定 温控 措施 的合 理性 。 当最 高 温度 超 标 ，可根 据 现 场 施工 条件 ，提 出 温 控修 改 措 施 ，重 新 进 行 预测 直 到 最 高 温 度满 足 设 计要 求 。但 该 方法 存 在 计 算机 硬 件 要 求 高 、计 算 费 时 、边 界 和 初 始 条件 理 想 化 以及 预 测 精 度 依 赖 于混 凝 土 热学 参 数 等 缺 点 ，从 而 导 致 预 测精 度 不 理想 。另 外 ，采 用 温 度 场仿 真 来 预 测 浇筑 仓最 高温 度在施 工 中推 广应 用 尚存较 大难 度 。 为 了实 时 监控 混 凝 土 大 坝 的温 度 状 态 ，需 要 在 重 点 坝 段 内 埋 设 温 度 计 进 行 温 度 监 测 。 这 些 测 点 的 温度 测 值 是 现场 各 种 复 杂 因素 的综 合 反 映 ，分 析 这 些 因素 和 浇 筑仓 最 高 温 度 之 间 的 内在 关 系 ，建 立 科 学 有效 的预 测模 型是 一 条控 制 浇 筑 仓 最 高温 度 的新 途 径 。 为 此 本 文 利 用 BP人 工 神 经 网 络 建 立 浇 筑 仓 最 高温 度 预 测 模 型 ，通 过 训 练好 的模 型 对新 浇 筑 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 8 0 5 作 者简 介 ：周建 兵 ( 1 9 8 5 一 ) ，男 ，湖 北 武汉 人 ，工程 师 ，硕 士 ，主要从事工 程项 目管理工 作 寻弓39雹 弟l 2册 J剞 婚 ： 只 ， 号 ： ) 匠废疋 上 冗巩 巳 取 I荀 7丘 暖 犬】 U 仓 最 高温度 进 行 预测 并 指导 现场 混凝 土 温控 。 1 混凝土浇筑仓最高温度预测模型基本原理 1 1 模 型 的建 立 影 响混 凝 土 最 高 温度 的主 要 因素 有 浇 筑仓 的层 厚 、浇 筑 温度 、冷 却 水管 间距 、通水 流量 、通 水 温 度 、浇 筑期 间 的环 境气 温 等 。 由于混 凝 土 浇 筑仓 内 温 度 计 实 测 温 度 是 现 场 各 种 复 杂 因素 的综 合 反 映 ， 故 采 用 人 工 神 经 网 络 模 型 挖 掘 混 凝 土 浇 筑 仓 最 高 温 度 和相 关影 响 因素 之 间 的非 线性 关 系 。实 践表 明嘲， 3层 BP神 经 网络 在 隐含层 神 经元 数 目足 够 多 的情 况 下 ，无 需 事 先 揭 示 描 述 这 种 映 射 关 系 的数 学 方 程 ， 就 能 以 任 意 精 度 逼 近 有 界 区域 上 的任 意 连 续 函 数 。 因此 ，将 混 凝土 浇筑 仓 主要影 响 因素作 为 输入矢 量 ， 浇 筑仓 最 高温 度 作 为输 出矢 量 ，建 立 BP神 经 网 络 模 型 ，如 图 1所 示 。 隐含 层( 中间 层)的 神 经元 数 目很 大 程 度上 影 响着 网络 的预 测 性 能 ，但 是 其 数 目 较 难 确 定 。 为 了 得 到 比 较 好 的 网 络 预 测 性 能 ，通 过 试 验 比较不 同 隐含 层节 点 数 目时 的 拟合 效 果 。最 终 选 定 隐 层 的 神 经 元 数 目为 6个 。 已浇筑仓混凝土 实测温 度 B P 神经网络模型 初拟 温控计划 最 商温度 预测 温度达标 、 判 定 i 是 接受温控计划 调整温控计 划 图 1 混凝土浇筑 仓最高温度快速 预测模型示意 1 2神 经 网络学 习算法 的选 择 本 文 利 用 Ma t l a b 里 的 人 工 神 经 网 络 工 具 箱 ，开 发 了 BP神 经 网 络 程 序 。该 程 序 包 含 数 据 的输 入 输 出 、输 入 数 据 的 归 一 化 处 理 、泛 化 误 差 的 测 定 、 数 据 的还 原 以及进 行新 浇 筑仓 最高 温度 的预 测等 功 能 。 例 如 ，采用 n e w ff函数创 建 网络 ，隐含层 采用 正切 S 型 传递 函数 t a n s i g，输 出层 传 输 函数 为 l o g s i g 。进 行 网络训 练 仿 真 时 ，假 设 最 大学 习次 数 为 1 0 0 0 0。目 标误 差 为 0 0 01 。 1 3混凝土浇筑仓最高温度快速预测模型的实施 1 3 。 1 温度样本 的收集及快速预测模型的建立 依 据 混 凝 土 坝 安全 监 测 技术 规 范 规定 ，在 混凝 土 坝 温 度 监 测 坝 段 ，根 据 坝 高 不 同 可 布设 3 7 个 监 测 断 面 。为 此 ，在施 工 期 间 ，收 集 典 型监 测 断 面混 凝土 浇筑 仓 的层 厚 、浇筑 温度 、冷却 水 管间距 、 通 水 流 量 、通 水 温 度 、 收 仓 后 2 3 d的 环 境 气 温 以 及 浇 筑 仓 最 高温 度 作 为初 始 样 本 ，建 立 并 训 练混 凝 土浇 筑仓 最高 温度 神经 网络 预测 模型 7 1 。 由 于 坝 体 不 同部 位 所 浇 筑 混 凝 土 的 级 配 不 同 ， 不 同季 节 仓 面养 护 情 况 也不 同 。高温 季 节 一 般采 取 仓 面喷 雾 、流水 养 护 等措 施 ，而 在低 温 季 节 浇筑 仓 顶 面一 般 要覆 盖 保 温 被 等进 行 表 面保 温 。为保 证 所 建 立 混 凝 土浇 筑 仓 最 高温 度 快 速 预测 模 型 的可 靠 性 及预 测 精 度 ，在 选 取 输入 样 本 时 ，将 混 凝 土 浇筑 仓 进 行 高 温 季节 和低 温 季节 分 类 ，同 时 ，将 混凝 土浇 筑仓 按混 凝土 配合 比进 行分 区。 1 3 2浇筑仓 最高 温度 快速 预 测模 型 将初 始 样 本 信 息输 入 训 练好 的混 凝 土 浇筑 仓 最 高温 度 神 经 网络 预 测 模 型 ，即可 方便 、快 速 地预 测 出新 浇 筑 仓最 高 温 度 ，由此 进 行 现场 混 凝 土 浇筑 仓 的温 度 控 制 。基 于 混凝 土浇 筑 仓 最高 温 度 预测 神 经 网 络 模 型 的 温 度 控 制 流 程 如 图 1所 示 。 由 于 初 始 样 本 信 息 与 浇 筑仓 内是 否埋 设 温 度 计无 关 ，故本 预 测 模 型 既 可 用 于埋 设 了温度 计 的浇 筑仓 ，也 可用 于 没 有埋 设温 度计 的浇 筑仓 。 2 工程实例分析 2 1 初 始样 本处 理 2 1 1 温度样本分 区分 时段 西 南某 建 设 中 的混凝 土 坝工 程 浇 筑 层厚 3 m， 分 6个 坯 层 浇筑 ，在 浇筑 仓 第 1坯 层 和 第 4坯 层 顶 部 布 置 冷却 水 管 进 行 通水 冷 却 。为保 证 所 建立 混 凝 土 浇 筑 仓最 高 温 度 快速 预 测 模 型 的可 靠 性及 预测 精 度 ，分 区分 时段 选 取输 入 样 本 。根 据 混 凝 土强 度 等 级 差 别 ，共 分 2个 区 ，分 别 记 为 大 坝 A、B 区 。 因 为 高 温 季 节和 低 温 季节 新 浇 筑仓 混 凝 土 养护 条 件 不 一 样 ，5月 l 0月为 高温 季节 仓 面进行 流 水养 护 或 喷 雾 ； 1 1月 次年 4月 为 低 温 季节 ，仓 面 覆 盖保 温 被 ，为此 ，将 样 本分 为 低 温 季节 和 高 温 季节 。在 现 场 收 集 获得 混 凝 土 浇筑 仓 的 温 度信 息 并 按 分 区分 时段 的方式 进 行 区分 。其 中 ，大 坝 A 区高 温季 节共 收 集 1 3 6组 样 本 ： 大 坝 A 区 低 温 季 节 共 收 集 2 0 3组 样本 ：大 坝 B区高 温 季节 共 收 集 1 7 0组 样 本 ；大 坝 B区低 温 季节共 收集 1 2 7组样 本 。 2 1 _ 2输入数据量化 模 型输 入 的 初始 数 据 有 新 浇筑 仓 的 层 厚 、浇筑 温度 、冷 却水 管 间距 、通 水 流 量 、通 水 温 度 、收仓 后 2 3 d的 环 境 气 温 和 浇 筑 仓 实 测 最 高 温 度 。 其 W a t e r P o w e r V o 1 3 9 N o 1 2 囫 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 J仅电 U1 3士仁1 2 月 中 ， 3 m厚 的浇 筑 仓 一般 布 置两 层 冷却 水 管 ，水 管 间 距 为 1 5 mx 1 5 m 或 1 5 mx1 m ，水 管 间 距 的输 入 项 按 面积 相 等 的原 则 进行 等效 处 理 ，等效 半 径 6的 计 算 公 式 为 f 6 = 、 1 0 7 S 1 s 2 百= o 5 8 3 6 、 s 1 2 ( 1 ) 式 中 ，5 为水 平 间 距 ；S ， 为 铅 直 间 距 。 该坝浇 筑养 护过 程分 三期 通水 ，即一 期 、中期 、 二 期 通水 。在 浇 筑仓 达 到 最 高温 度 前 ，为一 期 控 温 阶段 ，该 阶段 通 水 流量 较 为恒 定 ，但 略 有 变化 为 此 ，通 水流 量 和 通水 温 度 取 主管 的平 均值 ，浇 筑 温 度 取 收 仓 时 的平 均 实测 温 度 。环 境 气 温取 收仓 后 3 d气 温 的平 均值 。浇筑 层厚 按 照实测 资料 输入 。表 1 为大 坝 A 区高温 季节 部分 样本 数据 。 表 1 大坝 A 区高温季节部分样本 仓 号 豢 蠢 2 2 模 型训 练 和预测 利 用 B P神 经 网络 算 法 对所 选 择 的 样 本 进 行 网 络训 练 ，网络 训 练 结束 后 ，采 用 检验 样 本 数 据对 其 进 行 仿 真 预 报 ，检 验 训 练 网 络 对 信 息 的逼 近 效 果 ， 如果 检 查 输 出值 与 样 本值 之 间 的误差 满 足 要 求 即 获 得混 凝 土浇 筑仓 最 高温 度 快 速 预 测模 型 。大 坝 B 区低 温 季 节 网 络 训 练 与 网 络 检 验 的拟 合 效 果 如 图 2 所 示 。 由图 2可知 ，所 建立 的模 型拟 合精 度令 人满 意 。 根 据 上 述训 练 获 得 的混 凝 土浇 筑仓 最 高 温 度 快 速 预测 模 型 ，选 取 典型 新 浇筑 仓 进 行 最 高 温度 的预 测 ，预 测 结 果 见 表 2 。 由 表 2可 知 ： 预 测 浇 筑 仓 最 高温 度 与实 测 浇 筑 仓最 高 温 度 比较 接 近 ，说 明本 文 建 立 的 模 型 可 行 。 3 结语 本 文 建 议 了一 种 基 于 BP神 经 网络 的混 凝 土 浇 筑 仓 最 高温 度 快速 预 测 模 型 。该 模 型 以 浇筑 仓 的层 厚 、浇筑 温度 、冷却 水 管 间 距 、通 水 流 量 、通 水 水 温 、收 仓 后 2 3 d的 环境 气 温 作 为 输 入矢 量 ，浇 筑 撼 赠 样木序 a 络 训 练 样本序 b 网络柃骀 图 2 大坝 B区低温季节 网络训练与 网络检验的拟合效果 表 2典型新浇仓温度预测结果 仓号 仓 实 测 最 高 温 度 作 为 输 出矢 量 ， 通 过 训 练 好 的模 型 可 对新 浇 筑 仓混 凝 土 的最 高温 度 进 行快 速 预 测 ，并 指 导 现 场 混 凝 土 温 控 。 经 工 程 实 例 验 证 ，本 文 建 议 的浇 筑仓 最 高 温度 预 测 模 型相 对 于温 度 场仿 真 分 析 预 测法 ，具 有预 测快 速 、准确 、操 作 方便 的特 点 。 参考文献 ： f l 1 朱伯芳 大体 积混凝 土温度应力与温度控 制f M 北京 ：中国水 电出版 1 9 9 9 2 朱伯芳 混凝土坝理论 与技术新进展 M 北 京：中国水利水 电 出版社 2 0 0 9 3 朱伯芳 ，张 超然 高拱坝结构安 全关键技术研 究 M 北京 ：中 国水利水电 出版社 2 0 1 0 4 D I 门 5 1 7 8 -2 0 0 3混凝土坝安全监测 技术规 范 S 5 S L 6 0 1 -2 0 1 3混凝土坝安全监测技术规范 S1 6 焦李 成 神 经 网络 理论 M 西 安 ：西安 电子科 技大学 出版社 ， 1 9 9 0 7 周建兵基于分布式光纤 测温的混凝 土坝温控反馈 分析 D 武 汉 ：i峡大学 2 0 1 1 8 周 宜红 ，周 建兵 ，黄耀英 ，等 基于分 布式光纤 的混凝 土低温 入仓监测试验及分析 J 水力发 电， 2 0 1 2 ，3 8 ( 2 ) ： 2 5 2 7，3 6 9 周宜红 ，黄耀英 ，瞿立新 ，等 低温 季节混凝 土浇筑仓 温度双 控指标拟定及预警研究 J 水力发电 ， 2 0 1 2 ，3 8 ( 8 ) ： 4 8 5 0 ( 责任编 辑王 琪 )