基于VC的大體積混凝土智能通水系統(tǒng)開發(fā)研究

王 愷 李同春 陳祖榮 程 井

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.中國水利水電第十六工程局有限公司，福州 350003）

溫度控制、防止裂縫是保證大體積混凝土壩工程質(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)裂縫問題而造成進(jìn)度滯后等不利局面.因此，對大體積混凝土壩而言，尋求高質(zhì)量的溫控措施，保證施工期混凝土溫度控制的實(shí)效性是十分重要的［1－2］.

結(jié)合實(shí)際施工考慮，影響大體積混凝土壩溫度控制的因素較多［3］.與設(shè)計(jì)時預(yù)計(jì)的數(shù)值相比，這些因素在實(shí)際施工中總會出現(xiàn)程度各異的不同，例如混凝土的力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)有一定變化，施工工藝的不同和人員操作造成的材料參數(shù)變化，氣候條件發(fā)生變化等.此外，設(shè)計(jì)時所擬定的溫控措施的實(shí)際效果，也難免會與設(shè)計(jì)有一定的不同，例如冷卻水溫度隨氣溫的變化，冷卻水流量的不均勻，冷卻管路的熱傳導(dǎo)參數(shù)誤差等.

在實(shí)際工程中，施工期沒有準(zhǔn)確把握這些因素的實(shí)時差異并及時采取措施，成為了施工期混凝土壩體出現(xiàn)溫度裂縫的重要原因.面對這樣的現(xiàn)狀，如果能建立一個大體積混凝土智能通水系統(tǒng)，在施工期對大體積混凝土的溫度及應(yīng)力狀態(tài)不斷地進(jìn)行動態(tài)仿真，根據(jù)不斷變化的實(shí)際條件，根據(jù)設(shè)定的溫控標(biāo)準(zhǔn)，對溫控措施主要是冷卻水通水即時提出合理地修正意見，將會有效地防止施工期大體積混凝土的溫度裂縫，確保工程質(zhì)量及工程進(jìn)度［4］.

1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)是一種混凝土通水冷卻實(shí)時反饋分析及仿真預(yù)測系統(tǒng)（以下簡稱溫控?cái)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)），通過用戶輸入必要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)以下功能：1）自動建立考慮水管布置的混凝土澆筑塊有限元模型；2）基于冷卻水管精細(xì)算法進(jìn)行混凝土施工期溫度場計(jì)算分析；3）基于實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度場反饋分析和確定性參數(shù)反演分析.

2 開發(fā)原理

用微軟基礎(chǔ)類庫MFC 強(qiáng)大的界面設(shè)計(jì)能力，構(gòu)建可視化的信息處理界面.界面的整體框架圖如圖1所示（方形框表示數(shù)據(jù)信息，橢圓形框表示分析過程）.系統(tǒng)會根據(jù)用戶設(shè)置的加載信息、模型控制信息、材料信息等數(shù)據(jù)，對混凝土澆筑塊進(jìn)行有限元仿真分析.待澆筑工作完成一定時間后，根據(jù)預(yù)埋傳感器獲得的溫度場實(shí)測數(shù)據(jù)，對幾個重要的熱力學(xué)參數(shù)［5］進(jìn)行參數(shù)反演，如混凝土導(dǎo)溫系數(shù)α、表面散熱系數(shù)β、絕熱溫升θ等.最后，用經(jīng)過反演分析而得到修正后的參數(shù)，再次對混凝土澆筑塊進(jìn)行有限元仿真分析，得到更為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果.采用由這些功能構(gòu)成的流程，為一定階段溫控方案的評價和修正提供參考［6－7］.

圖1 界面整體框架圖

利用VC＋＋的結(jié)構(gòu)化編程，編寫針對仿真分析用混凝土澆筑塊體的有限元模型自動生成程序，生成的模型文件可以直接由可視化處理軟件Tecplot或者有限元前后處理軟件GID 打開，也可以按需要改寫成其他常用軟件對應(yīng)格式的文件.

3 系統(tǒng)功能模塊

3.1 混凝土澆筑塊信息管理模塊

本模塊的主要功能有兩方面.一方面，記錄用戶設(shè)置的各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)、邊界條件、加載信息等數(shù)據(jù)，并按照有限元計(jì)算程序的需要存儲至一系列數(shù)據(jù)文件.另一方面，根據(jù)記錄的模型控制信息，自動生成澆筑塊的有限元模型.通過一系列的對話框，使數(shù)據(jù)的錄入和讀取直觀和方便.以下將分別介紹各對話框涵蓋的信息.

3.1.1 混凝土加載信息對話框

如圖2所示：左側(cè)的ditime表示步長，單位為d；nstep表示步數(shù).右側(cè)的TA、TW、TR 分別表示氣溫、冷卻水溫、入倉溫度.其中，氣溫和冷卻水溫若設(shè)為常數(shù)，則填寫；若為曲線，則根據(jù)變化規(guī)律，在對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件中將變化規(guī)律修改成三角曲線或者折線.

圖2 混凝土加載信息對話框

3.1.2 混凝土有限元模型控制對話框

如圖3所示：左側(cè)的X、Y、Z 分別表示澆筑塊沿正交坐標(biāo)系三坐標(biāo)軸方向的尺寸定義，單位為m；diameter表示冷卻水管直徑，單位為mm；NDiv控制水管周邊網(wǎng)格剖分，表示在管壁附近網(wǎng)格加密的層數(shù).右側(cè)的nX、nY、nZ 表示澆筑塊沿正交坐標(biāo)系三坐標(biāo)軸方向的網(wǎng)格剖分控制數(shù).

圖3 混凝土有限元模型控制對話框

3.1.3 材料信息對話框

如圖4所示：上側(cè)的Density、Young＇s Modulus、Poisson Ratio分別表示材料密度、彈性模量、泊松比；下側(cè)的Heat Conductivity、Specific Heat（Water）、Adiabatic Temp.Rising T0 分別表示比熱容（冷卻水）、導(dǎo)熱系數(shù)、T＝at／（b＋t）型絕熱溫升曲線的兩個參數(shù).

圖4 材料信息對話框

3.2 計(jì)算分析模塊

本模塊的功能是，調(diào)用自編有限元程序GeHo－Madrid，對混凝土澆筑塊信息管理模塊自動建立的有限元模型，針對溫度場進(jìn)行有限元仿真分析.由于沒有經(jīng)過參數(shù)反演，仿真結(jié)果準(zhǔn)確性不足，故僅用做定性的規(guī)律分析.

3.3 反演分析模塊

本模塊的功能是，根據(jù)計(jì)算分析模塊的計(jì)算結(jié)果和傳感器實(shí)測值（監(jiān)測模塊的傳感器將測點(diǎn)的實(shí)時溫度實(shí)測值以Excel格式保存），基于遺傳算法，對幾個敏感系數(shù)較高的熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演分析.需要反演的熱力學(xué)參數(shù)一般包括：混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)和絕熱溫升參數(shù)、澆筑塊表面散熱系數(shù)、冷卻水管等效表面放熱系數(shù)等.從時間上，根據(jù)施工過程，每澆筑或碾壓一層混凝土，進(jìn)行一次熱力學(xué)參數(shù)反演；從空間上，采用合理的傳感器布置方案，在準(zhǔn)確反演熱學(xué)參數(shù)，得到真實(shí)溫度場數(shù)據(jù)的前提下，盡量減少傳感器的布置量.

3.4 混凝土溫控狀態(tài)預(yù)測模塊

本模塊的功能是，根據(jù)反演分析模塊修正后的計(jì)算參數(shù)，導(dǎo)入計(jì)算分析模塊再一次進(jìn)行計(jì)算，得到新的混凝土溫度場及溫度應(yīng)力場的仿真分析結(jié)果.根據(jù)實(shí)際需要，得到一定齡期后的混凝土澆筑塊熱力學(xué)性態(tài)數(shù)據(jù)，作為后續(xù)對溫控方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化的參考［8］.

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

為了驗(yàn)證系統(tǒng)工作流程中各個功能，評價系統(tǒng)的實(shí)際效果，決定通過實(shí)驗(yàn)來達(dá)到評價目的.設(shè)計(jì)采用長方體混凝土澆筑塊進(jìn)行混凝土施工期的通水冷卻效果實(shí)驗(yàn)［9－10］，采用本系統(tǒng)對澆筑塊溫度場進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)合實(shí)測值進(jìn)行熱力學(xué)參數(shù)反演.

4.1 實(shí)驗(yàn)綜述

設(shè)計(jì)混凝土澆筑塊的尺寸為600mm×600mm×1 800mm，用以模擬冷卻水管間距為600mm 的情況下，施工期大體積混凝土的溫度狀態(tài).冷卻水管采用目前大體積混凝土工程溫控措施中普遍應(yīng)用的PVC管，管徑為32mm.水管出入水口布置在兩端的600mm×600mm 平面形心.澆筑塊全外表面包裹保溫被，以模擬大體積混凝土內(nèi)部近似絕熱的不良導(dǎo)溫狀態(tài).

有限元分析時采用六面體單元.考慮到冷卻水管周邊，溫度梯度較大，為了更加準(zhǔn)確地計(jì)算其溫度場，系統(tǒng)自動生成有限元模型時，對混凝土與水管相鄰處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密.

4.2 澆筑塊溫度場仿真分析與反演分析

通過設(shè)定試件尺寸和剖分選項(xiàng)，系統(tǒng)自動生成有限元模型（見圖5）.該模型節(jié)點(diǎn)個數(shù)為2 652，單元個數(shù)為2 112.

圖5 試件有限元模型

絕熱溫升系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)的測定與通水冷卻實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)測得混凝土絕熱溫升系數(shù)為a＝46、b＝0.6，導(dǎo)溫系數(shù)為0.003 791 7m2／h，應(yīng)用計(jì)算分析模塊對試件的有限元模型進(jìn)行仿真分析，得到試件齡期19d（通水停止）的溫度場仿真值.

由于本實(shí)驗(yàn)旨在測試系統(tǒng)的可用性，故僅就混凝土導(dǎo)溫系數(shù)進(jìn)行反演.在預(yù)埋的溫度傳感器中，選取位置最有代表性的3個，位置如圖6所示（截面1、2均垂直于水管軸線，且與軸線的交點(diǎn)為軸線長度的四等分點(diǎn)），溫度實(shí)測值如圖7所示.

分別將傳感器A、B、C處溫度的實(shí)測值及仿真值導(dǎo)入反演分析模塊進(jìn)行分析，得到混凝土導(dǎo)溫系數(shù)的反演值為0.051 65m2／h.由于此處采用的是針對混凝土導(dǎo)溫系數(shù)的單參數(shù)反演，相對而言具有一定局限性，試驗(yàn)各環(huán)節(jié)的其他參數(shù)誤差（如絕熱溫升系數(shù)誤差、表面散熱系數(shù)誤差、儀器誤差、操作誤差等）無法客觀體現(xiàn)，而是集中體現(xiàn)在被反演的單一參數(shù)上，故導(dǎo)致反演前后參數(shù)值相差較大.在驗(yàn)證系統(tǒng)可用性后，應(yīng)針對反演算法加以改進(jìn).

使用反演后的導(dǎo)溫系數(shù)，通過混凝土溫控狀態(tài)預(yù)測模塊的計(jì)算，分別得到試件齡期為0.5d、1d、4d、9 d這4個時間步的溫度場仿真值，分布云圖如圖8～11所示.

將3個傳感器各自的T 實(shí)測值、T 仿真值［初始導(dǎo)溫系數(shù)］、T 仿真值［反演后導(dǎo)溫系數(shù)］3 個時程曲線做成比較圖，如圖12～14 所示.通過比較可以看出，經(jīng)過了針對混凝土導(dǎo)溫系數(shù)的反演計(jì)算，使用修正后的導(dǎo)溫系數(shù)計(jì)算得到的澆筑塊仿真值更接近實(shí)測值，修正效果明顯，符合實(shí)際規(guī)律.

通過本次實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)針對澆筑塊施工期溫度場的仿真分析、反演分析工作能力得到了驗(yàn)證.在此構(gòu)架的基礎(chǔ)上，可以通過下階段的開發(fā)工作進(jìn)一步完善系統(tǒng)，使之能夠更準(zhǔn)確地分析更復(fù)雜的溫控問題.

5 結(jié)論與展望

1）溫控?cái)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以直觀地反映混凝土澆筑塊的幾何信息、加載信息、材料信息，具備考慮參數(shù)反演的有限元仿真分析功能，實(shí)現(xiàn)對本階段溫控方案的評價，便于及時發(fā)現(xiàn)不良溫度狀態(tài)并采取對策.

2）結(jié)合實(shí)際施工情況考慮，日后在進(jìn)行大體積混凝土溫控可視化開發(fā)的同時，可以以模型實(shí)驗(yàn)與實(shí)際壩體的相似關(guān)系為切入點(diǎn)進(jìn)行研究.可以根據(jù)這方面研究的結(jié)論，在壩體澆筑的同時，同步進(jìn)行若干根據(jù)相似關(guān)系設(shè)計(jì)的通水實(shí)驗(yàn)，用以反映不同塊區(qū)混凝土的溫度場情況，并通過本系統(tǒng)決定該塊區(qū)混凝土的通水方案.如果實(shí)現(xiàn)這個思路，可以大大簡化對澆筑塊整體的監(jiān)測工作，提高效率，降低成本.

3）由于此版本系統(tǒng)的開發(fā)初衷是結(jié)合混凝土通水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證式的試運(yùn)行，所以系統(tǒng)的實(shí)用性和功能性存在一定的局限性，需要日后進(jìn)一步完善.具體來講，在實(shí)用性方面，自動建立的有限元模型中會添加與實(shí)際工程一致的S型冷卻水管，用戶只需設(shè)置水管間距、入水口位置、每層水管根數(shù)，即可生成帶有S型水管的澆筑層有限元模型；各個澆筑層的空間定義拓展為梯形斷面，更加符合實(shí)際；反演分析部分應(yīng)尋找更有效的算法和軟件，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)反演.在功能性方面，根據(jù)準(zhǔn)確的仿真分析結(jié)果，評價分析前階段溫控措施，同時給出下階段溫控措施的調(diào)整方案；進(jìn)行廣泛的技術(shù)調(diào)研，依托成熟的軟硬件交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫控方案的自動調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化.

［1］ 朱伯芳.混凝土壩溫度控制與防止裂縫的現(xiàn)狀與展望［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37（12）：1424－1432.

［2］ 朱伯芳.建設(shè)高質(zhì)量永不裂縫拱壩的可行性及實(shí)現(xiàn)策略［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37（10）：1155－1162.

［3］ 朱伯芳.大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國水利出版社，1998.

［4］ 朱伯芳，張國新，許 平，等.混凝土高壩施工期溫度與應(yīng)力控制決策系統(tǒng)［J］.水利學(xué)報(bào)，2008，39（1）：1－6.

［5］ 韓 燕，黃達(dá)海.基于混凝土施工過程的溫控參數(shù)敏感性分析［J］.水電科技進(jìn)展，2003（1）：55－60.

［6］ 李洋波，黃達(dá)海.高拱壩施工的溫控?cái)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2008，41（4）：52－55.

［7］ 李洋波，黃達(dá)海，黃 瑋，等.溪洛渡拱壩溫控?cái)?shù)據(jù)庫的功能［J］.水電站設(shè)計(jì)，2008，24（4）：105－107.

［8］ 中華人民共和國水利部.碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL314－2004）［S］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［9］ 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（DL／T5330－2005）［S］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［10］中華人民共和國水利部.水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程（SL352－2006）［S］.北京：中國水利水電出版社，2006.