烏東德拱壩低熱水泥混凝土絕熱溫升反演及溫控措施優(yōu)化研究

段 寅,潘洪月,梁仁強(qiáng),習(xí)蘭云,宛良朋

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司, 湖北 武漢 430010；2.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610041；3.三峽高科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100033)

烏東德水電站位于云南省祿勸縣和四川省會(huì)東縣交界的金沙江下游河段，是金沙江下游河段規(guī)劃的4個(gè)梯級(jí)電站的第1級(jí)。工程擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高270 m，最大底寬約54 m，不設(shè)縱縫。共劃分為15個(gè)壩段，其中5#—10#壩段為溢流壩段，其余為非溢流壩段，各壩段寬度約21 m～24 m[1-2]。

烏東德拱壩全壩采用低熱水泥混凝土施工[3]。大壩于2017年3月16日開(kāi)始澆筑首倉(cāng)混凝土。根據(jù)低熱水泥混凝土強(qiáng)度持續(xù)發(fā)展特點(diǎn)及其優(yōu)異的后期強(qiáng)度表現(xiàn)，在實(shí)際施工配合比中，大壩C18035混凝土采用了與大壩C18030相同的施工配合比。與原科研階段推薦配合比相比，C18035混凝土實(shí)際施工配合比的膠凝材料用量約減少19 kg/m3，且溫度監(jiān)測(cè)反映出實(shí)際采用的低熱水泥混凝土總發(fā)熱量更小，早期發(fā)熱也更加緩慢，在此有利條件下，實(shí)際施工過(guò)程中將溫控措施適當(dāng)放寬后，最高溫度仍能滿足設(shè)計(jì)要求。前3個(gè)月溫控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，大壩混凝土澆筑溫度放寬至12.0℃～17.6℃，混凝土最高溫度為24.4℃～26.4℃，均低于27℃，滿足最高溫度控制要求。

考慮到實(shí)際施工配合比條件下大壩低熱水泥混凝土發(fā)熱規(guī)律的差異性造成原設(shè)計(jì)溫控措施不匹配，需盡早分析掌握大壩混凝土真實(shí)的發(fā)熱規(guī)律，從而制定更為合適的溫控措施。本文采用三維有限單元法實(shí)際模擬烏東德大壩混凝土施工澆筑過(guò)程，進(jìn)行施工期溫度場(chǎng)仿真分析，并采取自適應(yīng)遺傳算法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演真實(shí)的混凝土絕熱溫升參數(shù)，并以此為依據(jù)對(duì)低熱水泥混凝土溫控措施進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，為大壩現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考依據(jù)。

1 計(jì)算原理及方法

1.1 溫度計(jì)算基本原理

由熱量平衡原理，導(dǎo)出熱傳導(dǎo)基本方程[4-10]：

(1)

式中：ax、ay、az為導(dǎo)溫系數(shù);c為材料比熱;ρ為材料容重;τ、T分別描述任意時(shí)刻和溫度。

上述偏微分方程需要初始條件及邊界條件才可以求解。熱傳導(dǎo)問(wèn)題初始條件及三類邊界條件分別為：

初始條件為：

T=T0(x、y、z)

(2)

第一類邊界條件(已知邊界上的溫度分布)：

T(τ)=f(τ)

(3)

第二類邊界條件(已知邊界上的熱流密度)：

(4)

第三類邊界條件(已知邊界上對(duì)流條件)：

(5)

上式中:β為混凝土表面散熱系數(shù);λx、λy、λz為導(dǎo)熱系數(shù);f(τ)為邊界上的溫度值;g(τ)為熱流量;Tf為環(huán)境溫度;lx，ly，lz為外法線方向余弦值。

1.2 最優(yōu)問(wèn)題求解的智能分析方法

基于混凝土內(nèi)部實(shí)測(cè)溫度的絕熱溫升參數(shù)反演問(wèn)題，最終可以簡(jiǎn)化為求解以反演參數(shù)溫度曲線與實(shí)測(cè)溫度曲線之差為目標(biāo)函數(shù)的最小值優(yōu)化問(wèn)題，可描述為下述數(shù)學(xué)規(guī)劃模型：

(6)

式中：X=[x1,x2,…,xn]T為決策變量，f(X)為目標(biāo)函數(shù)，X∈R、R?U為約束條件，U是基本空間，R是U的一個(gè)子集。滿足約束條件的解X稱為可行解，集合R表示由所有滿足約束條件的解所組成的一個(gè)集合，叫做可行解集合。此類優(yōu)化問(wèn)題求解有多種智能分析方法。本文采用自適應(yīng)遺傳算法進(jìn)行求解[11-14]。

2 計(jì)算條件及參數(shù)

2.1 基本資料

工程區(qū)氣溫水溫資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。所在區(qū)域?yàn)榈湫偷母蔁岷庸葰夂?，夏季溫度?高溫季月平均氣溫達(dá)到29.9℃)、蒸發(fā)大、大風(fēng)頻繁，對(duì)大體積混凝土溫控防裂和施工安全提出較高要求。

原科研階段采取的大壩低熱水泥混凝土主要熱學(xué)性能試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。根據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn)成果，基礎(chǔ)約束區(qū)部位C18035混凝土水泥用量約120 kg，粉煤灰65 kg，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算擬合得到最終絕熱溫升為20.65℃；脫離基礎(chǔ)約束區(qū)部位C18030混凝土水泥用量約108 kg，粉煤灰58 kg，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算擬合得到最終絕熱溫升為18.71℃。

表1 壩址氣溫水溫統(tǒng)計(jì)值

表2 大壩主要混凝土熱學(xué)性能試驗(yàn)成果

2.2 設(shè)計(jì)溫控標(biāo)準(zhǔn)及溫控措施

根據(jù)本工程壩址區(qū)氣象資料及建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮混凝土材料性能及發(fā)熱規(guī)律等因素，確定大壩各部位設(shè)計(jì)允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)及不同月份主要溫控措施建議見(jiàn)表3。

表3 基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土最高溫度控制措施建議表

3 低熱水泥混凝土真實(shí)絕熱溫升反演

與原科研階段推薦配合比相比，大壩C18035混凝土實(shí)際施工配合比的膠凝材料用量約減少19 kg/m3，且溫度監(jiān)測(cè)反映出實(shí)際采用的低熱水泥混凝土總發(fā)熱量更小，早期發(fā)熱也更加緩慢。為盡早能得到混凝土真實(shí)發(fā)熱規(guī)律，本文選取8#壩段第5、第6兩個(gè)典型倉(cāng)進(jìn)行了C18035混凝土絕熱溫升反演計(jì)算。施工過(guò)程中對(duì)各倉(cāng)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)監(jiān)測(cè)和記錄，主要檢測(cè)成果統(tǒng)計(jì)如下：

(1) 混凝土澆筑層厚為3.0 m。

(2) 冷卻水管布置間距為1.5 m×1.5 m，實(shí)際在混凝土溫度達(dá)到24℃左右開(kāi)始通水，初期通水水溫約12℃。

(3) 兩個(gè)澆筑倉(cāng)溫度計(jì)初始溫度分別為16.2℃、15.0℃，最高溫度分別為25.1℃、25.7℃，出現(xiàn)在澆筑后4 d～6 d。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件及混凝土實(shí)測(cè)溫升曲線資料，采用有限元法及數(shù)學(xué)優(yōu)化方法對(duì)混凝土主要熱學(xué)參數(shù)(絕熱溫升)進(jìn)行了反演，得到大壩C18035混凝土絕熱溫升計(jì)算式為：

T=18.3τ/(τ+4.0)

(7)

式中：T為混凝土絕熱溫升，τ為混凝土齡期。

最終反演得到的內(nèi)部混凝土溫度仿真曲線與實(shí)測(cè)溫度曲線對(duì)比見(jiàn)圖1、圖2，通過(guò)對(duì)比，兩者溫升規(guī)律接近，最高溫度相差在0.3℃～0.7℃以內(nèi)，最高溫度發(fā)生時(shí)間出現(xiàn)在混凝土澆筑后4 d～6 d，表明反演參數(shù)基本可靠。

根據(jù)反演得到的混凝土絕熱溫升計(jì)算式與表2所列原科研階段絕熱溫升成果對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)施工配合比條件下基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土最終絕熱溫升降低約2.4℃，并且混凝土早期發(fā)熱也更緩慢，約4.0 d完成混凝土一半左右發(fā)熱量，進(jìn)一步降低了現(xiàn)場(chǎng)最高溫度控制難度。

圖1 8#-5倉(cāng)反演與實(shí)測(cè)溫度曲線對(duì)比

圖2 8#-6倉(cāng)反演與實(shí)測(cè)溫度曲線對(duì)比

4 溫控措施優(yōu)化調(diào)整

考慮到混凝土真實(shí)絕熱溫升發(fā)熱較原科研階段偏低偏慢，最高溫度控制難度相對(duì)更低。施工過(guò)程中需及時(shí)對(duì)溫控措施進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以滿足當(dāng)前條件下混凝土設(shè)計(jì)允許最高溫度控制要求。為此，本文采用反演得到的混凝土絕熱溫升計(jì)算式，計(jì)算了大壩C18035混凝土最高溫度。表4給出最高溫度計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)情況，分析計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 相同條件下，澆筑溫度每升高1℃，最高溫度增加約0.5℃～0.6℃。

(2) 通水水溫每提高2℃，混凝土最高溫度將增加約0.4℃～0.5℃。

(3) 根據(jù)混凝土反演絕熱溫升溫度計(jì)算結(jié)果，若仍按原設(shè)計(jì)溫控措施執(zhí)行，即控制澆筑溫度不超過(guò)12℃，初期通8℃～10℃冷卻水，大壩內(nèi)部最高溫度僅22℃～23℃，過(guò)低的最高溫度不僅在溫控措施上造成浪費(fèi)，對(duì)后期橫縫張開(kāi)也可能存在一定影響。

(4) 結(jié)合反演絕熱溫升擬合式計(jì)算結(jié)果，將烏東德大壩低熱水泥混凝土澆筑溫度、通水冷卻等主要溫控措施做如下優(yōu)化調(diào)整：① 基礎(chǔ)約束區(qū)部位澆筑溫度按16℃～18℃控制，脫離基礎(chǔ)約束區(qū)按18℃～20℃控制; ② 水管間距仍按全壩1.5 m×1.5 m布設(shè)，但高溫季節(jié)初期通水水溫可放寬至10℃～12℃，氣溫較低時(shí)可進(jìn)一步放寬至14℃～16℃。

表4 不同條件下C18035混凝土最高溫度計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)

按優(yōu)化溫控措施對(duì)8#典型壩段進(jìn)行了三維有限元溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，根據(jù)圖3、圖4最高溫度及最大拉應(yīng)力仿真計(jì)算成果，大壩基礎(chǔ)約束區(qū)部位最高溫度為26.2℃，脫離基礎(chǔ)約束區(qū)最高溫度一般在26℃～29℃以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)允許最高溫度控制要求；壩段最大拉應(yīng)力1.51 MPa，抗裂安全系數(shù)達(dá)到2.2以上，滿足混凝土抗裂安全要求[15]。

圖3 最高溫度包絡(luò)圖 圖4 最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 為掌握大壩低熱水泥混凝土在現(xiàn)有施工配合比條件下溫升變化規(guī)律，本文在分析大壩典型倉(cāng)實(shí)測(cè)溫度資料基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)遺傳算法，對(duì)混凝土的真實(shí)絕熱溫升值進(jìn)行了反演分析。經(jīng)反演得到的溫度曲線與實(shí)測(cè)溫度曲線規(guī)律接近，兩則最高溫度相差在0.3℃～0.8℃以內(nèi)，最高溫度發(fā)生時(shí)間均出現(xiàn)在澆筑后4 d～6 d，證明本文反演得到的絕熱溫升值是合理的。

(2) 基于反演絕熱溫升成果對(duì)大壩低熱水泥混凝土溫控措施進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)整，并采用三維有限元仿真分析方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，在采用優(yōu)化調(diào)整過(guò)的溫控措施后，8#河床壩段基礎(chǔ)約束區(qū)部位最高溫度為26.2℃，脫離基礎(chǔ)約束區(qū)最高溫度一般在26℃～29℃，滿足最高溫度控制要求，抗裂安全系數(shù)達(dá)到2.2以上。研究成果為現(xiàn)場(chǎng)施工指導(dǎo)提供依據(jù)。