混凝土高壩施工期溫度與應力控制決策支持系統

1系統設計基本過程溫度控制、裂縫和接頭鉆孔是確保混凝土高壩的質量和進度的關鍵。國內外過去不少混凝土壩因施工中出現裂縫問題而造成被動局面,甚至被迫停工修補,有的工程因此延誤工期達數年之久,有的工程因不能及時進行接縫灌漿而被迫推遲蓄水發電。對于混凝土高壩,在施工過程中加強混凝土溫度的實時監控和科學管理是十分必要的。對混凝土高壩而言,影響高壩溫度控制的因素較多,包括:(1)溫度控制措施(混凝土預冷、水管冷卻、表面保溫、層面冷卻等);(2)施工時的氣候條件;(3)混凝土施工進度;(4)混凝土的熱學和力學特性;(5)壩體接縫灌漿溫度等。由于在實際施工時,有的條件與設計中的預計值相比,難免有所變化,例如混凝土澆筑進度提前或拖后,水泥或摻和料的特性有一定變化,氣候條件發生變化等等,這些條件的改變對大壩溫控的影響是至關重要的。此外,在設計中擬定的溫控措施的實際效果,也難免會與當初的設想有一定的出入。過去在混凝土壩施工的過程中,往往沒有對這些條件的變化進行細致的監測和分析,并及時采取相應的措施,這正是實際工程中出現裂縫或接縫灌漿被迫推遲的重要原因。隨著計算技術水平的提高,目前已有可能改變過去的局面,變被動為主動。其辦法之一就是建立一個基于混凝土壩溫控仿真的施工監控管理決策支持系統,在大壩施工過程中,對大壩的溫度及應力狀態不斷地進行動態仿真和實時監控,根據工程不斷變化的實際條件,適時調整溫控措施,以防止大壩裂縫、及時進行接縫灌漿前的壩體冷卻、確保大壩工程進度。過去,在混凝土壩的施工過程實際條件有所改變時,其影響如何,事先難以預測,當實際施工結果達不到設計要求時,已鑄成事實難以改變。作者針對我國混凝土高壩建設的需要,開發出本文軟件系統,從混凝土澆筑開始,在整個施工過程中,根據實際的大壩施工狀態、氣候條件和溫控措施,對全壩各壩塊進行仿真分析和實時監控,可及時了解大壩各壩塊溫度和應力狀態及溫控措施的實際效果,并可預報大壩竣工后在長期運行期中的溫度和應力狀態,如施工期或運行期壩體的溫度和應力狀態有問題,可及時發現并采取適當措施予以補救,避免出現事故。本文系統的運用,將使混凝土壩建設水平上一個新臺階。本系統的研制按下述基本思路進行:(1)廣泛調研實際工程的具體需求,最大限度地滿足實際工程的需要;(2)面向用戶,采用對用戶友好的界面,不惜花費了大量人力和時問研制較完善的前處理和后處理程序,用戶只要填寫少量數據,就可由計算機自動生成計算網格及計算所需數據文件,經過計算后,自動輸出各種溫度和應力的圖表曲線,如圖1及圖2所示;(3)按軟件工程原理進行研制,先進行需求分析和系統的總體設計,然后進行各子系統的設計和調試;(4)貫徹理論聯系實際的原則,系統研制后期,在周公宅拱壩工程中具體應用;(5)最大限度地方便系統的運行,在正常運行中,每周只需上機一次,將上周氣候條件、各新澆筑塊的有關數據填入,計算機就可自動運算;(6)通過聯網,當地及外地工程各有關單位均可及時了解本工程混凝土澆筑、混凝土溫度場和應力場的有關情況。2計算原理2.1單元差分的生成?Τ?τ=a(?2Τ?x2+?2Τ?y2+?2Τ?z2)+?θ?τ(1)?T?τ=a(?2T?x2+?2T?y2+?2T?z2)+?θ?τ(1)式中:T為溫度;τ為時間;θ為絕熱溫升;a為導溫系數。在空間域用等參數有限元離散,得到基本方程[Η]{Τ}+[R]{?Τ?τ}+{F}=0(2)[H]{T}+[R]{?T?τ}+{F}=0(2)矩陣[H]、[R]、[F]的元素如下:Ηij=∑e(heij+geij)；Rij=∑ereij；Fi=∑e(-fi?θ?τ-peiΤa)(3)Hij=∑e(heij+geij)；Rij=∑ereij；Fi=∑e(?fi?θ?τ?peiTa)(3)式中:∑e∑e表示對與結點i有關的單元求和;heij=?ΔR{?Νi?x?Νj?x+?Νi?y?Νj?y+?Νi?z?Νj?z}dxdydz;reij=1a?ΔRΝiΝjdxdydz;fei=1a?ΝiΝjdxdydz;geij=λβ?ΔCΝiΝjds;pei=λβ?ΔCΝids;Ni、Nj為形函數;ΔR為單元積分子域;ΔC為第三類邊界上積分子域。再在時間域采用差分法離散,得到([Η]+1sΔτn[R]){Τn+1}+(1-ss[Η]-1sΔτn[R]){Τn}+1-ss{Fn}+{Fn+1}=0(4)式中:{Tn+1}為τ=τn+1時的結點溫度列陣;s=0為向前差分;s=1為向后差分;s=1/2為中點差分。本系統采用向后差分。計算中可考慮實際氣候條件的變化及各種溫控措施,如混凝土預冷、水管冷卻、表面保溫、拆模、倉面噴霧、層面流水等。2.2構造有限元模型采用三維有限元增量法計算施工過程中的應力,基本方程為[Κ]{Δδn}={ΔΡLn}+{ΔΡCn}+{ΔΡΤn}+{ΔΡ0n}(5){ΔΡCn}=?[BΤ][ˉDn]{ηn}dxdydz(6){ΔΡΤn}=?[BΤ][ˉDn]{ΔεΤn}dxdydz(7){ΔΡ0n}=?[BΤ][ˉDn]{Δε0n}dxdydz(8)式中:[K]為剛度矩陣;{Δδn}為結點位移增量列陣;下標n代表第n個時段;{ΔPLn}為外荷載引起的結點荷載增量;{ΔPCn}為徐變引起的結點荷載增量;{ΔPTn}為溫度變化引起的荷載增量;{ΔPOn}為自生體積變形引起的荷載增量;[B]為幾何矩陣;[ˉDn]為彈性矩陣;{ΔεTn}為溫度變形增量;{ΔεOn}為自生體積變形增量。壩體縱橫接縫用節理單元模擬,破壞準則為帶最大拉應力的摩爾-庫侖準則。巖體采用帶最大拉應力的Drucker-Prager準則,混凝土采用Willam-Warnke五參數準則。混凝土與巖體被拉開,用分布裂縫模擬,混凝土被壓碎,則令相應的單元彈性模量取零值。3該系統的主要功能如圖3所示,本系統包括如下功能。(1)溫度場和應力場仿真從澆筑大壩第一方混凝土開始,直到大壩竣工投入運行,完全按照各壩段、各澆筑層的實際澆筑時間、實際材料參數、實際氣候條件、實際溫控措施和接縫灌漿進度進行三維有限元溫度場和應力場仿真計算。本系統輸出成果包括:任意時間大壩已澆筑的實際體形;任意時間的溫度狀態和應力狀態;任意點的溫度和應力變化過程線。(2)水庫熱場的反分析功能在施工過程中,對混凝土熱學性能、表面保溫效果等進行反分析,求出混凝土實際的熱學性能及表面保溫實際效果。(3)預報溫度場及應力場如施工中發現問題,需要改變施工進度和溫控措施,可擬定幾個不同方案,以當時大壩已澆筑好的混凝土的實際溫度場和應力場為起點,根據預定的施工進度及溫控措施,進行仿真計算,可預報各壩塊以后從施工期到運行期任意時間的溫度場和應力場,從而考查預定的溫控措施的效果。(4)大壩施工及溫度控制措施搜集整理了國內外專家的設計施工和溫控經驗、規程規范、設計施工準則及工程實例,分類整理,可在計算機上檢索,根據仿真分析結果,提供溫控咨詢服務;實際工程中施工條件、施工進度及溫控措施與設計中假定的情況難免有所變化,本系統可考慮施工條件的變化(如施工進度的改變、氣候條件及材料特性的改變等),根據擬定的幾種不同的溫度控制措施(包括混凝土澆筑層厚、間歇時間、混凝土預冷、表面保溫、水管冷卻、層面散熱、混凝土熱學與力學特性的改變、壩體孔口、混凝土自重、上下游面水壓力等),用三維有限元完全模擬大壩施工過程對施工期和運行期進行仿真計算,分析大壩溫度和應力的變化并進行顯示和繪圖,參照決策支持系統提供的資料,為根據工地實際條件修改大壩施工及溫度控制措施和制定大壩灌縫進度作出合理決定。(5)為圖3個子系統和其他數據創建服務平臺和綜合數據庫，并對三個子系統和其他數據進行綜合管理本系統在混凝土壩的設計、施工和運行階段均可發揮重要作用。4混凝土壩體施工高壩階段模擬周公宅水庫位于浙江寧波鄞縣大皎溪干流上,庫容1.12億m3,以供水防洪為主,兼有發電效益。擋水壩為雙曲拱壩,最大壩高126.5m,頂拱弧長447.1m,是華東地區第一高壩。大壩混凝土總量約60萬m3,全壩分為23個壩段,混凝土澆筑從2003年12月開始,2006年4月底結束,2007年2月底壩體接縫灌漿結束。混凝土高壩施工溫度控制決策支持系統應用于周公宅拱壩獲得成功,完全按照實際施工狀態進行了從澆筑第一方混凝土開始至壩體竣工投入運行的全過程溫度場和應力場的仿真計算。圖4為2004年7月的溫度云圖,圖5為2005年1月全壩第一主應力云圖,圖6為2005年1月各壩段順河向應力云圖。本工程只在施工初期出現很少幾條表面裂縫,其后未出現裂縫。5做好混凝土高壩施工模擬與控制措施支持系統(1)影響混凝土壩溫度控制的因素較多,實際施工時,與設計中預計的條件相比,有些條件難免有所改變;另外,設計中擬定的溫控措施的實際效果,也難免與當初的設想有一定的出入,過去在施工中沒有對這些條件的變化進行分析并及時采取措施,這正是實際工程中出現裂縫的重要原因;(2)作者建立了混凝土高壩施工仿真與溫控防裂決策支持系統,根據實際施工條件和溫控措施,對全壩各壩塊進行全過程仿真分析,可及時了解各壩塊的溫度與應力狀態以及各種溫控措