混凝土高壩施工期溫度與應(yīng)力控制決策支持系統(tǒng)

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhì)量和進(jìn)度的關(guān)鍵。國內(nèi)外過去不少混凝土壩因施工中出現(xiàn)裂縫問題而造成被動(dòng)局面,甚至被迫停工修補(bǔ),有的工程因此延誤工期達(dá)數(shù)年之久,有的工程因不能及時(shí)進(jìn)行接縫灌漿而被迫推遲蓄水發(fā)電。對(duì)于混凝土高壩,在施工過程中加強(qiáng)混凝土溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和科學(xué)管理是十分必要的。對(duì)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(yù)冷、水管冷卻、表面保溫、層面冷卻等);(2)施工時(shí)的氣候條件;(3)混凝土施工進(jìn)度;(4)混凝土的熱學(xué)和力學(xué)特性;(5)壩體接縫灌漿溫度等。由于在實(shí)際施工時(shí),有的條件與設(shè)計(jì)中的預(yù)計(jì)值相比,難免有所變化,例如混凝土澆筑進(jìn)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(fā)生變化等等,這些條件的改變對(duì)大壩溫控的影響是至關(guān)重要的。此外,在設(shè)計(jì)中擬定的溫控措施的實(shí)際效果,也難免會(huì)與當(dāng)初的設(shè)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(duì)這些條件的變化進(jìn)行細(xì)致的監(jiān)測(cè)和分析,并及時(shí)采取相應(yīng)的措施,這正是實(shí)際工程中出現(xiàn)裂縫或接縫灌漿被迫推遲的重要原因。隨著計(jì)算技術(shù)水平的提高,目前已有可能改變過去的局面,變被動(dòng)為主動(dòng)。其辦法之一就是建立一個(gè)基于混凝土壩溫控仿真的施工監(jiān)控管理決策支持系統(tǒng),在大壩施工過程中,對(duì)大壩的溫度及應(yīng)力狀態(tài)不斷地進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和實(shí)時(shí)監(jiān)控,根據(jù)工程不斷變化的實(shí)際條件,適時(shí)調(diào)整溫控措施,以防止大壩裂縫、及時(shí)進(jìn)行接縫灌漿前的壩體冷卻、確保大壩工程進(jìn)度。過去,在混凝土壩的施工過程實(shí)際條件有所改變時(shí),其影響如何,事先難以預(yù)測(cè),當(dāng)實(shí)際施工結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí),已鑄成事實(shí)難以改變。作者針對(duì)我國混凝土高壩建設(shè)的需要,開發(fā)出本文軟件系統(tǒng),從混凝土澆筑開始,在整個(gè)施工過程中,根據(jù)實(shí)際的大壩施工狀態(tài)、氣候條件和溫控措施,對(duì)全壩各壩塊進(jìn)行仿真分析和實(shí)時(shí)監(jiān)控,可及時(shí)了解大壩各壩塊溫度和應(yīng)力狀態(tài)及溫控措施的實(shí)際效果,并可預(yù)報(bào)大壩竣工后在長期運(yùn)行期中的溫度和應(yīng)力狀態(tài),如施工期或運(yùn)行期壩體的溫度和應(yīng)力狀態(tài)有問題,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取適當(dāng)措施予以補(bǔ)救,避免出現(xiàn)事故。本文系統(tǒng)的運(yùn)用,將使混凝土壩建設(shè)水平上一個(gè)新臺(tái)階。本系統(tǒng)的研制按下述基本思路進(jìn)行:(1)廣泛調(diào)研實(shí)際工程的具體需求,最大限度地滿足實(shí)際工程的需要;(2)面向用戶,采用對(duì)用戶友好的界面,不惜花費(fèi)了大量人力和時(shí)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(shù)據(jù),就可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成計(jì)算網(wǎng)格及計(jì)算所需數(shù)據(jù)文件,經(jīng)過計(jì)算后,自動(dòng)輸出各種溫度和應(yīng)力的圖表曲線,如圖1及圖2所示;(3)按軟件工程原理進(jìn)行研制,先進(jìn)行需求分析和系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),然后進(jìn)行各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試;(4)貫徹理論聯(lián)系實(shí)際的原則,系統(tǒng)研制后期,在周公宅拱壩工程中具體應(yīng)用;(5)最大限度地方便系統(tǒng)的運(yùn)行,在正常運(yùn)行中,每周只需上機(jī)一次,將上周氣候條件、各新澆筑塊的有關(guān)數(shù)據(jù)填入,計(jì)算機(jī)就可自動(dòng)運(yùn)算;(6)通過聯(lián)網(wǎng),當(dāng)?shù)丶巴獾毓こ谈饔嘘P(guān)單位均可及時(shí)了解本工程混凝土澆筑、混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有關(guān)情況。2計(jì)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(shí)間;θ為絕熱溫升;a為導(dǎo)溫系數(shù)。在空間域用等參數(shù)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(duì)與結(jié)點(diǎn)i有關(guān)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(shù);ΔR為單元積分子域;ΔC為第三類邊界上積分子域。再在時(shí)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(shí)的結(jié)點(diǎn)溫度列陣;s=0為向前差分;s=1為向后差分;s=1/2為中點(diǎn)差分。本系統(tǒng)采用向后差分。計(jì)算中可考慮實(shí)際氣候條件的變化及各種溫控措施,如混凝土預(yù)冷、水管冷卻、表面保溫、拆模、倉面噴霧、層面流水等。2.2構(gòu)造有限元模型采用三維有限元增量法計(jì)算施工過程中的應(yīng)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(jié)點(diǎn)位移增量列陣;下標(biāo)n代表第n個(gè)時(shí)段;{ΔPLn}為外荷載引起的結(jié)點(diǎn)荷載增量;{ΔPCn}為徐變引起的結(jié)點(diǎn)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(jié)理單元模擬,破壞準(zhǔn)則為帶最大拉應(yīng)力的摩爾-庫侖準(zhǔn)則。巖體采用帶最大拉應(yīng)力的Drucker-Prager準(zhǔn)則,混凝土采用Willam-Warnke五參數(shù)準(zhǔn)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(yīng)的單元彈性模量取零值。3該系統(tǒng)的主要功能如圖3所示,本系統(tǒng)包括如下功能。(1)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真從澆筑大壩第一方混凝土開始,直到大壩竣工投入運(yùn)行,完全按照各壩段、各澆筑層的實(shí)際澆筑時(shí)間、實(shí)際材料參數(shù)、實(shí)際氣候條件、實(shí)際溫控措施和接縫灌漿進(jìn)度進(jìn)行三維有限元溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算。本系統(tǒng)輸出成果包括:任意時(shí)間大壩已澆筑的實(shí)際體形;任意時(shí)間的溫度狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài);任意點(diǎn)的溫度和應(yīng)力變化過程線。(2)水庫熱場(chǎng)的反分析功能在施工過程中,對(duì)混凝土熱學(xué)性能、表面保溫效果等進(jìn)行反分析,求出混凝土實(shí)際的熱學(xué)性能及表面保溫實(shí)際效果。(3)預(yù)報(bào)溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)如施工中發(fā)現(xiàn)問題,需要改變施工進(jìn)度和溫控措施,可擬定幾個(gè)不同方案,以當(dāng)時(shí)大壩已澆筑好的混凝土的實(shí)際溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)為起點(diǎn),根據(jù)預(yù)定的施工進(jìn)度及溫控措施,進(jìn)行仿真計(jì)算,可預(yù)報(bào)各壩塊以后從施工期到運(yùn)行期任意時(shí)間的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),從而考查預(yù)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(nèi)外專家的設(shè)計(jì)施工和溫控經(jīng)驗(yàn)、規(guī)程規(guī)范、設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)則及工程實(shí)例,分類整理,可在計(jì)算機(jī)上檢索,根據(jù)仿真分析結(jié)果,提供溫控咨詢服務(wù);實(shí)際工程中施工條件、施工進(jìn)度及溫控措施與設(shè)計(jì)中假定的情況難免有所變化,本系統(tǒng)可考慮施工條件的變化(如施工進(jìn)度的改變、氣候條件及材料特性的改變等),根據(jù)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(shí)間、混凝土預(yù)冷、表面保溫、水管冷卻、層面散熱、混凝土熱學(xué)與力學(xué)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(duì)施工期和運(yùn)行期進(jìn)行仿真計(jì)算,分析大壩溫度和應(yīng)力的變化并進(jìn)行顯示和繪圖,參照決策支持系統(tǒng)提供的資料,為根據(jù)工地實(shí)際條件修改大壩施工及溫度控制措施和制定大壩灌縫進(jìn)度作出合理決定。(5)為圖3個(gè)子系統(tǒng)和其他數(shù)據(jù)創(chuàng)建服務(wù)平臺(tái)和綜合數(shù)據(jù)庫，并對(duì)三個(gè)子系統(tǒng)和其他數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理本系統(tǒng)在混凝土壩的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行階段均可發(fā)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(fā)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(qū)第一高壩。大壩混凝土總量約60萬m3,全壩分為23個(gè)壩段,混凝土澆筑從2003年12月開始,2006年4月底結(jié)束,2007年2月底壩體接縫灌漿結(jié)束?；炷粮邏问┕囟瓤刂茮Q策支持系統(tǒng)應(yīng)用于周公宅拱壩獲得成功,完全按照實(shí)際施工狀態(tài)進(jìn)行了從澆筑第一方混凝土開始至壩體竣工投入運(yùn)行的全過程溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真計(jì)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(yīng)力云圖,圖6為2005年1月各壩段順河向應(yīng)力云圖。本工程只在施工初期出現(xiàn)很少幾條表面裂縫,其后未出現(xiàn)裂縫。5做好混凝土高壩施工模擬與控制措施支持系統(tǒng)(1)影響混凝土壩溫度控制的因素較多,實(shí)際施工時(shí),與設(shè)計(jì)中預(yù)計(jì)的條件相比,有些條件難免有所改變;另外,設(shè)計(jì)中擬定的溫控措施的實(shí)際效果,也難免與當(dāng)初的設(shè)想有一定的出入,過去在施工中沒有對(duì)這些條件的變化進(jìn)行分析并及時(shí)采取措施,這正是實(shí)際工程中出現(xiàn)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(tǒng),根據(jù)實(shí)際施工條件和溫控措施,對(duì)全壩各壩塊進(jìn)行全過程仿真分析,可及時(shí)了解各壩塊的溫度與應(yīng)力狀態(tài)以及各種溫控措