一種用于混凝土壩中后期通水快速調(diào)控的方法
【專利摘要】一種用于混凝土壩中后期通水快速調(diào)控的方法，它包括如下步驟，首先建立混凝土壩中后期通水快速預(yù)測模型，然后基于混凝土澆筑倉實測溫度，動態(tài)更新混凝土壩中后期通水快速預(yù)測模型的重要項，以消除不確定性因素引起的誤差，然后動態(tài)預(yù)測待優(yōu)選通水措施下未來若干天的溫度響應(yīng)，以動態(tài)預(yù)測溫度響應(yīng)和設(shè)計溫度監(jiān)控指標建立目標函數(shù)，引入優(yōu)化算法，從通水措施可行域空間中，優(yōu)選獲得當(dāng)前最優(yōu)的通水措施，實時調(diào)控未來若干天的通水冷卻，若干天后，再次獲得澆筑倉當(dāng)前實測溫度，再次動態(tài)更新-預(yù)測-優(yōu)化調(diào)控。本發(fā)明建立了一種快速、準確且計算工作量小的溫度動態(tài)預(yù)測模型，溫度動態(tài)預(yù)測模型的建立為溫控措施的快速優(yōu)選的實現(xiàn)提供了可行性。
【專利說明】一種用于混凝土壩中后期通水快速調(diào)控的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于混凝土壩中后期通水快速調(diào)控的方法，屬于大壩相關(guān)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 混凝土壩水管中后期冷卻問題是一個重要而復(fù)雜的問題。由于水管冷卻是一把 雙刃劍，雖然通水冷卻可以有效降低混凝土施工最高溫度以及在較短時間內(nèi)把壩體溫度降 低至目標溫度，但在開始通水時在水管附近會引起較大拉應(yīng)力，而且如果降溫速率過快，仍 可能引起裂縫。過去這個問題沒有得到重視，實際施工中允許混凝土初溫與水溫之差?^-?； =20?25°C。研究指出，在二期冷卻時，如果采用1擋水溫，混凝土初溫30°C，冷卻水溫 9°C，即混凝土初溫與水溫之差為21°C，在混凝土齡期90d時開始冷卻，孔邊最大拉應(yīng)力約 為5MPa，拉應(yīng)力深度為0· 33m(水管間距L 5mX L 5m)至0· 70m(水管間距3. OmX 3. 0m)。這 個拉應(yīng)力足以引起裂縫。另外，以往對混凝土水管冷卻的安排比較簡單，控制手段單一；為 了避免混凝土壩溫度過高，往往采取加大通水流量的策略，這樣不可避免造成通水資源浪 費；此外，由于現(xiàn)有混凝土水管冷卻安排比較簡單，控制手段單一，導(dǎo)致實際混凝土壩溫度 控制與設(shè)計溫度控制差異較大，仍然難以避免混凝土壩裂縫的產(chǎn)生。
[0003] 為了有效地控制混凝土壩裂縫，有必要對后期水管冷卻應(yīng)進行規(guī)劃，即考慮冷卻 區(qū)高度、水管間距、冷卻分期及水溫控制，進行細致分析和多方案比較，從中選擇最優(yōu)方案。 嚴格來說，對于中后期通水冷卻規(guī)劃問題，應(yīng)結(jié)合實測溫度進行熱學(xué)參數(shù)反演，然后進行多 方案的含冷卻水管問題的混凝土壩溫度場和徐變應(yīng)力場仿真分析對比，從中選擇最優(yōu)方 案。
[0004] 混凝土壩溫控防裂是一個與溫控措施和混凝土熱力學(xué)參數(shù)相關(guān)的復(fù)雜多因素問 題，宜采用優(yōu)化理論來確定最優(yōu)方案。當(dāng)采用優(yōu)化理論進行規(guī)模重大的混凝土壩工程溫控 措施的優(yōu)化設(shè)計時，如果進行較精確的溫度場和徐變應(yīng)力場仿真分析，由于涉及到不同溫 控措施和混凝土熱力學(xué)參數(shù)等多個因素的優(yōu)選，其計算工作量極大。即使在進行混凝土壩 中后期通水冷卻時，水管間距，水管材質(zhì)（金屬水管或塑料水管），混凝土熱力學(xué)性能等完 全確定，對于規(guī)模重大的混凝土壩工程，如果仍基于較精確的溫度場和徐變應(yīng)力場仿真分 析，采用優(yōu)化理論優(yōu)選通水措施，計算工作量仍然很大。顯然，如果不能方便地為混凝土壩 中后期通水調(diào)控提供及時指導(dǎo)，這將導(dǎo)致大壩施工現(xiàn)場溫控人員在具體實施通水措施時， 存在較大的盲目性。
[0005] 雖然關(guān)于混凝土通水冷卻自動控制系統(tǒng)陸續(xù)已有一些報導(dǎo)，例如，周厚貴，譚愷 炎等根據(jù)測控裝置采集的溫度、流量信號以及開度信息，然后實施對電動控制閥的開度控 制，調(diào)節(jié)通水流量和通水水溫。林鵬，李慶斌等在新澆筑倉內(nèi)埋設(shè)數(shù)字溫度傳感器，在進出 水管上安裝一體流溫控制裝置，根據(jù)能量守恒和傳熱學(xué)原理確定實時通水流量，采用最高 溫度、溫度變化率和異常溫度的控溫原則，建立了大體積混凝土通水冷卻智能溫度控制方 法與系統(tǒng)。趙恩國，郭晨等研發(fā)了一套大壩混凝土內(nèi)部溫度、冷卻水溫、冷卻水流量等信息 的實時采集以及冷卻水流量的自動控制的儀器設(shè)備，并在魯?shù)乩娬鹃_展了實用研究。 但在這些混凝土通水冷卻自動控制系統(tǒng)中尚未引入優(yōu)化算法，仍然難以避免造成通水資源 浪費。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于混凝土壩中后期通水快速調(diào)控的方法， 引入優(yōu)化算法，從通水措施可行域空間中，優(yōu)選獲得當(dāng)前最優(yōu)的通水措施，實時指導(dǎo)現(xiàn)場 通水冷卻。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案：
[0008] -種用于混凝土壩中后期通水快速調(diào)控的方法，其特征在于：它包括如下步驟， 首先建立混凝土壩中后期通水快速預(yù)測模型，然后基于混凝土澆筑倉實測溫度，動態(tài)更新 混凝土壩中后期通水快速預(yù)測模型的重要項，以消除不確定性因素引起的誤差，然后動態(tài) 預(yù)測待優(yōu)選通水措施下未來若干天的溫度響應(yīng)，以動態(tài)預(yù)測溫度響應(yīng)和設(shè)計溫度監(jiān)控指標 建立目標函數(shù)，引入優(yōu)化算法，從通水措施可行域空間中，優(yōu)選獲得當(dāng)前最優(yōu)的通水措施， 實時調(diào)控未來7-10天的通水冷卻，7-10天后，再次獲得澆筑倉當(dāng)前實測溫度，再次動態(tài)更 新-預(yù)測-優(yōu)化調(diào)控；
[0009] 具體包括：1)中后期通水冷卻期間混凝土壩溫度快速預(yù)測模型
[0010] 為了對混凝土塊中后期通水冷卻期間進行快速、準確地溫度預(yù)測，必須采用一種 計算工作量小的先驗性模型，由于在進行混凝土塊中后期通水冷卻時，大部分的水泥水化 熱已經(jīng)釋放完成，且上下游表面一般粘貼了保溫苯板，此時，水管水平間距和垂直間距，水 管材質(zhì)，混凝土熱力學(xué)性能也是已知的，即可以認為大壩混凝土的中后期冷卻僅是一個與 通水水溫、通水流量和通水時間有關(guān)的復(fù)雜多因素問題；
[0011] 混凝土澆筑倉內(nèi)埋設(shè)冷卻水管進行通水冷卻，設(shè)等效冷卻直徑為D，長度為L，無 熱源，混凝土初溫為?；，進口水溫為T w，則混凝土平均溫度可表示為
[0012] T = Tw+(T〇-Tw) Φ (1)
[0013] 函數(shù)Φ有如下兩種計算式
[0014] (1)函數(shù)Φ計算式1
[0015] Φ = exp (_Pi τ s) (2)
[0016] 其中，p! = ki (a/D2) % ki = 2. 08- 1. 1 74 ξ +0. 256 ξ 2, s = 0. 971+0. 1485 ξ -0. 0445 ξ 2, ξ = λ I7(cwP wqw)，式中：a為混凝土導(dǎo)溫系數(shù)，D為澆筑倉水 管等效冷卻直徑，λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，L為冷卻水管長度,c w為冷卻水比熱，PWS冷卻水 密度，qw為通水流量；
[0017] (2)函數(shù)Φ計算式2
[0018] Φ = exp (-ρ2 τ ) (3)
[0019] 其中，口2 = 1^/1)2，1^2 = 2.09-1.35 €+0.320 €2，式中：&、0和€含義同前，
[0020] 當(dāng)b/c尹100時，函數(shù)Φ的計算式中的導(dǎo)溫系數(shù)a應(yīng)采用等效導(dǎo)溫系數(shù)a'，對于 金屬水管，有
[0021] a1 = 1. 947 (α ^)2β (4) (b Y b
[0022] 其中，α,/) = 0.926exp -0.03 丨4 - 20 ，20 S 二 S 丨30，式中：b 為等效冷卻半
[ Vc J \ c 徑，C為金屬水管外半徑，
[0023] 對于塑料水管，有 , In 100 卜、
[0024] ? =-；---a {〇) L J \n(blc) + ai λ,)\η{α?ιι)
[0025] 式中：λ i為塑料水管的導(dǎo)熱系數(shù)，c為塑料水管外半徑，r(1為塑料水管的內(nèi)半徑， 其余符號含義同前，
[0026] 當(dāng)冷卻時間較大時，采用函數(shù)Φ的計算式1，當(dāng)冷卻時間不超過15天時，采用函數(shù) Φ的計算式2，
[0027] 當(dāng)通水流量不變，采用多擋水溫進行冷卻時，混凝土的平均溫度采用下式計算
[0028] 1 = (6)
[0029] 式中：Twi為第i擋通水溫度，為第i-Ι擋水溫通水結(jié)束且第i擋水溫開始通水 時的混凝土溫度，Φ?為第i擋水溫通水時的水冷函數(shù)，函數(shù)中的時間τ需要從〇開始，
[0030] 當(dāng)通水水溫不變，采用多擋流量進行冷卻時，混凝土的平均溫度計算式與式（6) 類同，同樣地，水冷函數(shù)中的時間τ需要從〇開始；
[0031] 2)混凝土壩中后期冷卻期間澆筑倉溫度動態(tài)預(yù)測模型
[0032] 無熱源水管冷卻計算式隱含了等效冷卻直徑為D的混凝土棱柱體的外表面為絕 熱邊界，以及假設(shè)了混凝土棱柱體的水化熱完全完成，處于無熱源狀態(tài)。由于中后期冷卻階 段的混凝土澆筑塊并非無熱源狀態(tài)；另外，中后期冷卻階段的混凝土澆筑塊也不是絕熱狀 態(tài)，外界環(huán)境溫度對混凝土塊內(nèi)部的溫度仍然存在一定的影響，即直接采用無熱源水管冷 卻計算式（6)進行中后期冷卻期間的混凝土澆筑倉溫度預(yù)測，效果不理想，動態(tài)更新無熱 源水管冷卻計算式中的1\，從而克服無熱源水管冷卻計算式溫度預(yù)測效果不理想的問題， 可以準確地進行未來7-10天混凝土澆筑倉溫度信息的預(yù)測；
[0033] 3)混凝土壩中后期通水冷卻快速調(diào)控方法的具體分析步驟
[0034] (1)當(dāng)前溫度狀態(tài)及當(dāng)前通水可行域獲得，首先獲得中期冷卻開始時或二期冷卻 開始時的典型壩段各混凝土澆筑倉溫度Ti ;然后根據(jù)工程經(jīng)驗，確定通水水溫Tw、通水流量 TQ和通水時間Tt等通水措施的初始值；
[0035] (2)動態(tài)預(yù)測未來若干天的溫度響應(yīng)，采用無熱源水管冷卻計算式，進行混凝土降 溫曲線的計算，獲得各混凝土澆筑倉在通水措施取值組合下的冷卻最終溫度T imd和最大日 降溫速率;
[0036] (3)將計算的中冷或二冷下的最終溫度和最大日降溫速率，與中冷或二冷設(shè)計目 標溫度和合適的降溫速率fpt的殘差平方和作為目標函數(shù)，由此建立的通水措施優(yōu)化 模型為
[0037] min /(石，T；，rQ，rt) = (dmd)2 + (?_ -?腿)2 (7) Τ^<Τ^<?\ν
[0038] s.t.< TQ<TQ< TQ Tt<Tt< Tt
[0039] 式中：IS、f分別為通水水溫Tw的上下限值，！《_、t分別為通水流量T Q的上下限 值，It、?分別為通水時間Tt的上下限值；
[0040] (4)采用帶約束的優(yōu)化算法優(yōu)選獲得各倉混凝土優(yōu)化的通水方案；
[0041] (5)對典型壩段處于中后期通水冷卻的每一個澆筑倉逐一進行分析，根據(jù)工程實 際情況以及工程經(jīng)驗，對優(yōu)選出的通水措施略作調(diào)整，然后指導(dǎo)中后期通水冷卻。
[0042] 上述由于采用無熱源水管冷卻計算式計算混凝土降溫曲線時，需要已知中期冷卻 開始時或二期冷卻開始時的混凝土澆筑倉溫度1\，該溫度可采用如下方式獲得：方式一，混 凝土澆筑倉內(nèi)埋設(shè)了溫度計，以實測溫度作為中期冷卻開始時或二期冷卻開始時的混凝土 澆筑倉溫度；方式二，在進行中期冷卻或二期冷卻前，通過悶水測溫，作為中期冷卻開始時 或二期冷卻開始時的混凝土澆筑倉溫度；為了保證獲得混凝土澆筑倉溫度的準確性，可將 方式一和方式二獲得的溫度進行加權(quán)平均計算。
[0043] 上述在進行中期冷卻或二期冷卻時，有時需要多次調(diào)節(jié)水溫或流量進行冷卻，此 時，基于優(yōu)化算法進行中后期的通水冷卻快速調(diào)控的主要步驟，類同于中期冷卻期間和二 期冷卻期間采用一種水溫和流量進行冷卻的步驟，但需要在每次調(diào)節(jié)水溫或流量時，進行 調(diào)節(jié)水溫或流量時的混凝土澆筑倉溫度的通水方案的優(yōu)選，由于基于無熱源水管冷卻計算 式的澆筑倉溫度動態(tài)預(yù)測模型計算工作量小，這可保證在每次調(diào)節(jié)水溫或流量時優(yōu)選通水 方案的可行。
[0044] 上述在計算水冷函數(shù)Φ時，涉及到混凝土導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)以及塑料水管導(dǎo)熱 系數(shù)，這些參數(shù)采用設(shè)計值和廠家質(zhì)檢值，或基于實測溫度進行參數(shù)反演獲得。
[0045] 本發(fā)明取得的技術(shù)效果：
[0046] (1)針對混凝土壩中后期通水是一個與通水水溫、通水流量和通水時間等相關(guān)的 復(fù)雜多因素問題，將實測溫度有機地融合到無熱源水管冷卻計算式中，基于實測溫度動態(tài) 更新無熱源水管冷卻計算式中的重要項，消除邊界條件、材料參數(shù)和計算模型等不確定性 帶來的溫度預(yù)測誤差，從而建立了一種快速、準確且計算工作量小的溫度動態(tài)預(yù)測模型。溫 度動態(tài)預(yù)測模型的建立為溫控措施的快速優(yōu)選的實現(xiàn)提供了可行性。
[0047] (2)針對現(xiàn)有混凝土水管冷卻安排比較簡單，控制手段單一，導(dǎo)致實際混凝土壩溫 度控制與設(shè)計溫度控制差異較大，以及現(xiàn)有混凝土通水冷卻自動控制系統(tǒng)中尚未引入優(yōu)化 算法，仍然難以避免造成通水資源浪費，本發(fā)明專利將優(yōu)化算法引入通水冷卻調(diào)控，建立溫 度動態(tài)預(yù)測-優(yōu)化調(diào)控一體化監(jiān)控模型，從通水措施可行域空間中，優(yōu)選獲得當(dāng)前最優(yōu)的 通水措施，實時調(diào)控未來若干天的通水冷卻。從而避免通水資源的浪費，以及有效地實時指 導(dǎo)混凝土壩的中后期通水冷卻。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0048] 圖1為中后期冷卻時混凝土澆筑倉單測點溫度動態(tài)預(yù)測框圖；
[0049] 圖2為典型壩段中后期通水冷卻優(yōu)化調(diào)控框圖，其中，NI為處于中后期通水階段 的燒筑倉數(shù)；
[0050] 圖3為中后期冷卻期間典型壩段垂直向溫度。
【具體實施方式】
[0051] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式做進一步的說明。
[0052] 本發(fā)明專利主要適用于混凝土壩中后期通水措施快速調(diào)控。首先建立混凝土壩中 后期通水快速預(yù)測模型，然后基于混凝土澆筑倉實測溫度，動態(tài)更新混凝土壩中后期通水 快速預(yù)測模型的重要項，以消除不確定性因素引起的誤差，然后動態(tài)預(yù)測待優(yōu)選通水措施 下未來若干天的溫度響應(yīng)，以動態(tài)預(yù)測溫度響應(yīng)和設(shè)計溫度監(jiān)控指標建立目標函數(shù)，引入 優(yōu)化算法，從通水措施可行域空間中，優(yōu)選獲得當(dāng)前最優(yōu)的通水措施，實時調(diào)控未來若干天 的通水冷卻。若干天后，再次獲得澆筑倉當(dāng)前實測溫度，再次動態(tài)更新-預(yù)測-優(yōu)化調(diào)控。
[0053] 本發(fā)明專利詳細技術(shù)方案如下：
[0054] 1)中后期通水冷卻期間混凝土壩溫度快速預(yù)測模型
[0055] 為了對混凝土塊中后期通水冷卻期間進行快速、準確地溫度預(yù)測，必須采用一種 計算工作量小的先驗性模型。由于在進行混凝土塊中后期通水冷卻時，大部分的水泥水化 熱已經(jīng)釋放完成，且上下游表面一般粘貼了保溫苯板，此時，水管水平間距和垂直間距，水 管材質(zhì)（金屬水管或塑料水管），混凝土熱力學(xué)性能等也是已知的，即可以認為大壩混凝土 的中后期冷卻僅是一個與通水水溫、通水流量和通水時間等有關(guān)的復(fù)雜多因素問題。為此， 本發(fā)明專利采用無熱源水管冷卻計算式進行中后期通水冷卻期間混凝土壩溫度快速預(yù)測。
[0056] 以下詳細給出無熱源水管冷卻計算式計算公式?；炷翝仓}內(nèi)埋設(shè)冷卻水管進 行通水冷卻，設(shè)等效冷卻直徑為D，長度為L，無熱源，混凝土初溫為?；，進口水溫為T w，則混 凝土平均溫度可表示為
[0057] T = Tw+(T〇-Tw) Φ ⑴
[0058] 函數(shù)Φ有如下兩種計算式
[0059] (1)函數(shù)Φ計算式1
[0060] Φ = exp (_Pi τ s) (2)
[0061] 其中，p! = ki (a/D2) % ki = 2. 08- 1. 1 74 ξ +0. 256 ξ 2, s = 0. 971+0. 1485 ξ-0.0445 ξ2, ξ = AL/(cwPwqw)〇
[0062] 式中：a為混凝土導(dǎo)溫系數(shù)，D為澆筑倉水管等效冷卻直徑，λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)， L為冷卻水管長度，cw為冷卻水比熱，P w為冷卻水密度，qw為通水流量。
[0063] (2)函數(shù)Φ計算式2
[0064] Φ = exp (-ρ2 τ ) (3)
[0065] 其中，p2 = k2a/D2, k2 = 2· 09-1. 35 ξ +0· 320 ξ 2
[0066] 式中：a、D和ξ含義同前。
[0067] 當(dāng)b/c尹100時，函數(shù)Φ的計算式中的導(dǎo)溫系數(shù)a應(yīng)采用等效導(dǎo)溫系數(shù)a'，對于 金屬水管，有
[0068] a1 = 1. 947 (α ^)2β (4) (b Y'48"| b
[0069] 苴中，α力= 0.926cxp -0.0314 - -20 ，20乞一<130 '、 L )」 c
[0070] 式中：b為等效冷卻半徑，c為金屬水管外半徑，
[0071] 對于塑料水管，有
[0072] , In 100 化、 a --a {〇) \n(b / c) + (λ / Λ,) \n(c / r())
[0073] 式中：λ i為塑料水管的導(dǎo)熱系數(shù)，c為塑料水管外半徑，r。為塑料水管的內(nèi)半徑， 其余符號含義同前。
[0074] 當(dāng)冷卻時間較大，超過15天時，最好采用函數(shù)Φ的計算式1，但在實際混凝土工程 中，函數(shù)Φ的計算式2使用的更多些。
[0075] 當(dāng)通水流量不變，采用多擋水溫進行冷卻時，混凝土的平均溫度采用下式計算
[0076] T = Φ? (6)
[0077] 式中：Twi為第i擋通水溫度，?\為第i_l擋水溫通水結(jié)束且第i擋水溫開始通水 時的混凝土溫度，Φ?為第i擋水溫通水時的水冷函數(shù)，函數(shù)中的時間τ需要從〇開始。
[0078] 當(dāng)通水水溫不變，采用多擋流量進行冷卻時，混凝土的平均溫度計算式與式（6) 類同，同樣地，水冷函數(shù)中的時間τ需要從〇開始。
[0079] 2)混凝土壩中后期冷卻期間澆筑倉溫度動態(tài)預(yù)測模型
[0080] 如圖1，由于無熱源水管冷卻計算式隱含了等效冷卻直徑為D的混凝土棱柱體的 外表面為絕熱邊界，以及假設(shè)了混凝土棱柱體的水化熱完全完成，處于無熱源狀態(tài)。由于中 后期冷卻階段的混凝土澆筑塊并非無熱源狀態(tài)，例如一般混凝土壩高摻粉煤灰，存在后期 緩慢放熱等；另外，中后期冷卻階段的混凝土澆筑塊也不是絕熱狀態(tài)，例如外表面黏貼了保 溫苯板，外界環(huán)境溫度對混凝土塊內(nèi)部的溫度仍然存在一定的影響。即直接采用無熱源水 管冷卻計算式（6)進行中后期冷卻期間的混凝土澆筑倉溫度預(yù)測，效果不理想。
[0081] 本發(fā)明專利基于混凝土澆筑倉當(dāng)前實測溫度，動態(tài)更新無熱源水管冷卻計算式中 的Ti，可以將高摻粉煤灰緩慢放熱，以及上下游表面不是絕熱邊界等引起的誤差，通過動態(tài) 更新?\來動態(tài)實時修正，從而克服無熱源水管冷卻計算式溫度預(yù)測效果不理想的問題，可 以準確地進行未來7-10天混凝土澆筑倉溫度信息的預(yù)測。
[0082] 3)混凝土壩中后期通水冷卻快速調(diào)控方法
[0083] 本發(fā)明專利采用建立的計算工作量小、快速、準確的混凝土澆筑倉動態(tài)預(yù)測模型， 動態(tài)預(yù)測待優(yōu)選通水措施下未來若干天的溫度響應(yīng)，以動態(tài)預(yù)測溫度響應(yīng)和設(shè)計溫度監(jiān)控 指標建立目標函數(shù)，引入帶約束的優(yōu)化算法（例如復(fù)合型算法），從通水措施可行域空間 中，優(yōu)選獲得當(dāng)前最優(yōu)的通水措施，實時調(diào)控未來若干天的通水冷卻。若干天后，再次獲得 澆筑倉當(dāng)前實測溫度，再次動態(tài)更新-預(yù)測-優(yōu)化調(diào)控。由此建立混凝土壩中后期通水冷 卻快速調(diào)控模型。
[0084] 如圖2,以下詳細給出混凝土壩中后期通水冷卻快速調(diào)控方法的分析步驟。
[0085] (1)當(dāng)前溫度狀態(tài)及當(dāng)前通水可行域獲得。首先獲得中期冷卻開始時或二期冷卻 開始時的典型壩段各混凝土澆筑倉溫度Ti ;然后根據(jù)工程經(jīng)驗，確定通水水溫Tw、通水流量 TQ和通水時間Tt等通水措施的初始值。
[0086] (2)動態(tài)預(yù)測未來若干天的溫度響應(yīng)。采用無熱源水管冷卻計算式，進行混凝土降 溫曲線的計算，獲得各混凝土澆筑倉在通水措施取值組合下的冷卻最終溫度T imd和最大日 降溫速率之
[0087] (3)將計算的中冷或二冷下的最終溫度和最大日降溫速率，與中冷或二冷設(shè)計目 標溫度和合適的降溫速率t pt的殘差平方和作為目標函數(shù)，由此建立的通水措施優(yōu)化 模型為
[0088] min ^ (T^-TienAf + (fr ~TimJ (7) Κ<Τν<--
[0089] S.t.' JQ < 7Q < TQ ^<Τ,<ΤΧ
[0090] 式中：IS、f分別為通水水溫Tw的上下限值，L、&分別為通水流量T Q的上下限 值，L、?分別為通水時間Tt的上下限值。
[0091] (4)采用帶約束的優(yōu)化算法（例如復(fù)合型算法）優(yōu)選獲得各倉混凝土優(yōu)化的通水 方案。
[0092] (5)對典型壩段處于中后期通水冷卻的每一個澆筑倉逐一進行分析。根據(jù)工程實 際情況以及工程經(jīng)驗等，對優(yōu)選出的通水措施略作調(diào)整，然后指導(dǎo)中后期通水冷卻。
[0093] 在基于優(yōu)化算法進行中后期通水冷卻快速調(diào)控時，有如下幾個問題需要注意
[0094] (1)由于采用無熱源水管冷卻計算式計算混凝土降溫曲線時，需要已知中期冷卻 開始時或二期冷卻開始時的混凝土澆筑倉溫度Ti，該溫度可采用如下方式獲得：方式一，混 凝土澆筑倉內(nèi)埋設(shè)了溫度計，以實測溫度作為中期冷卻開始時或二期冷卻開始時的混凝土 澆筑倉溫度；方式二，在進行中期冷卻或二期冷卻前，通過悶水測溫，作為中期冷卻開始時 或二期冷卻開始時的混凝土澆筑倉溫度；為了保證獲得混凝土澆筑倉溫度的準確性，可將 方式一和方式二獲得的溫度進行加權(quán)平均計算。
[0095] (2)在計算水冷函數(shù)Φ時，涉及到混凝土導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)以及塑料水管導(dǎo)熱 系數(shù)等，這些參數(shù)采用設(shè)計值和廠家質(zhì)檢值，或基于實測溫度進行參數(shù)反演獲得。
[0096] (3)在進行中期冷卻或二期冷卻時，有時需要多次調(diào)節(jié)水溫或流量進行冷卻，此 時，基于優(yōu)化算法進行中后期的通水冷卻快速調(diào)控的主要步驟，類同于中期冷卻期間和二 期冷卻期間采用一種水溫和流量進行冷卻的步驟，但需要在每次調(diào)節(jié)水溫或流量時，進行 調(diào)節(jié)水溫或流量時的混凝土澆筑倉溫度的通水方案的優(yōu)選。由于基于無熱源水管冷卻計算 式的澆筑倉溫度動態(tài)預(yù)測模型計算工作量小，這可保證在每次調(diào)節(jié)水溫或流量時優(yōu)選通水 方案的可行。
[0097] 工程實例
[0098] 西南某建設(shè)中的高拱壩分31個壩段，壩頂高程610m，最大壩高285. 5m。為了將施 工期混凝土溫度降低至封拱溫度，根據(jù)拱壩混凝土溫控防裂特點，分一期冷卻、中期冷卻、 二期冷卻等三個時期進行混凝土冷卻降溫，以達到小溫差、緩冷卻的效果。與此同時，在壩 段垂直向設(shè)置了已灌區(qū)、灌漿區(qū)、同冷區(qū)、過渡區(qū)、蓋重區(qū)和澆筑區(qū)來減小垂直向溫度梯度 以及控制冷卻區(qū)高度等。為了較好的進行通水冷卻控制以及獲得大壩混凝土的溫度狀態(tài)， 在混凝土澆筑倉埋設(shè)溫度計進行溫度監(jiān)測。現(xiàn)選取典型壩段12個混凝土澆筑倉進行中后 期通水冷卻優(yōu)化調(diào)控分析，如圖3。該高拱壩各灌區(qū)高9m，澆筑倉厚3m，一期冷卻目標溫度 20°C，中期冷卻目標溫度16°C，二期冷卻目標溫度（封拱溫度）12°C。圖中實線為各澆筑倉 當(dāng)前溫度狀態(tài)，虛線為各澆筑倉冷卻目標溫度，按上述混凝土中后期通水優(yōu)化調(diào)控原理進 行分析。
[0099] (1)優(yōu)選因素的確定
[0100] 混凝土壩中后期通水冷卻需要對通水水溫、通水流量和通水時間3個因素進行優(yōu) 選。由于為節(jié)省制冷成本，該高拱壩只提供兩擋水溫：中期冷卻時，采用15?16°C水溫，該 水溫接近中期冷卻目標溫度；二期冷卻時，采用8?9 °C水溫，該水溫低于封拱溫度的水溫。 因此，對于該實際混凝土工程，本次分析時指定中期冷卻時通水水溫為15. 2°C，二期通水冷 卻時通水水溫為8. 5°C。僅對通水流量和通水時間2個通水因素進行優(yōu)選。
[0101] (2)通水措施取值范圍
[0102] 根據(jù)該混凝土壩工程經(jīng)驗及該工程實際條件，對于中期通水冷卻，選定通水流量 取值范圍為10?30L/min，通水時間取值范圍為5?45d ;對于二期通水冷卻，選定通水流 量取值范圍為5?25L/min，通水時間取值范圍為5?25d。
[0103] (3)通水措施的快速調(diào)控
[0104] 選取典型壩段的12個混凝土澆筑倉水管間距均為1.5mX 1.5m，均采用聚乙烯塑 料水管，由于該混凝土壩工程在垂直向設(shè)置已灌區(qū)、灌漿區(qū)、同冷區(qū)、過渡區(qū)、蓋重區(qū)和澆筑 區(qū)，其可較好的避免混凝土澆筑塊垂直向溫度梯度過大以及控制冷卻區(qū)高度，與此同時，該 混凝土工程分三個時期進行小溫差、緩慢冷卻。由該混凝土壩工程已經(jīng)完成中期冷卻和二 期冷卻的混凝土澆筑倉的實測溫度統(tǒng)計分析可見，中期和二期通水冷卻期間最大日降溫速 率均滿足設(shè)計要求，為此，本文主要由澆筑倉中冷或二冷開始時的溫度信息、以及中冷或二 冷目標溫度，結(jié)合無熱源水管冷卻計算式，采用優(yōu)化算法來確定優(yōu)化的通水流量和通水時 間。其中，優(yōu)化算法采用帶約束條件的復(fù)合型算法，通水流量和通水時間的約束條件為通水 措施取值范圍。
[0105] 處于中后期通水冷卻階段的12個混凝土澆筑倉優(yōu)選出的通水參數(shù)見表1，再根據(jù) 工程實際情況以及工程經(jīng)驗等，對優(yōu)選出的通水措施略作調(diào)整，調(diào)整時間和調(diào)整流量見表 1。由表1可見，各混凝土澆筑倉通水冷卻時間不一樣，此時，為保證冷卻的均勻性，宜對各 混凝土澆筑倉同時開始進行中期冷卻降溫和二期冷卻降溫，當(dāng)某混凝土澆筑倉冷卻時間達 到優(yōu)選出的通水時間時，該澆筑倉轉(zhuǎn)為控溫階段。
[0106] 表1各燒筑倉優(yōu)選出的通水措施
[0107] 澆筑倉 開始冷冷卻目標優(yōu)選出優(yōu)選出調(diào)整后調(diào)整后 序號 卻 溫度 通水 通水 通水 通水 冷卻 時溫度 浐 流量 時間 流量 時間 狀態(tài) (°C) (°C) (L/min) (d) (L/min) (d) 澆筑倉 1 20 19.333 10.350 5. 104 ?〇Γδ 5 中冷 澆筑倉 2 20 18 16.687 7.502 16.5 7,5 中冷 澆筑倉 3 20 16.667 24.383 24.822 24 25 中冷 澆筑倉 4 19.333 16 16.615 44.003 16.5 44 中冷 澆筑倉 5 18 16 17. 151 25.584 17 25.5 中冷 澆筑倉 6 16.667 16 21.432 14.820 21 15 中冷 澆筑倉 7 16 15.333 5. 134 5,052 5 5 二冷 澆筑倉 8 16 14 5,301 14.039 5.5 14 二冷 澆筑倉 9 16 12.667 15.007 16.014 15 16 二冷 澆筑倉 10 15.333 12 19.327 15.874 19 16 二冷 澆筑倉 11 14 12 15.328 11.855 15 12 二冷 澆筑倉 12 12.667 12 8.259 6.462 8 6.5 二冷
【權(quán)利要求】
1. 一種用于混凝土壩中后期通水快速調(diào)控的方法，其特征在于：它包括如下步驟，首 先建立混凝土壩中后期通水快速預(yù)測模型，然后基于混凝土澆筑倉實測溫度，動態(tài)更新混 凝土壩中后期通水快速預(yù)測模型的重要項，以消除不確定性因素引起的誤差，然后動態(tài)預(yù) 測待優(yōu)選通水措施下未來若干天的溫度響應(yīng)，以動態(tài)預(yù)測溫度響應(yīng)和設(shè)計溫度監(jiān)控指標建 立目標函數(shù)，引入優(yōu)化算法，從通水措施可行域空間中，優(yōu)選獲得當(dāng)前最優(yōu)的通水措施，實 時調(diào)控未來7 - 10天的通水冷卻，7 - 10天，再次獲得澆筑倉當(dāng)前實測溫度，再次動態(tài)更 新-預(yù)測-優(yōu)化調(diào)控； 具體包括：1)中后期通水冷卻期間混凝土壩溫度快速預(yù)測模型： 為了對混凝土塊中后期通水冷卻期間進行快速、準確地溫度預(yù)測，必須采用一種計算 工作量小的先驗性模型，由于在進行混凝土塊中后期通水冷卻時，大部分的水泥水化熱已 經(jīng)釋放完成，且上下游表面一般粘貼了保溫苯板，此時，水管水平間距、垂直間距、水管材質(zhì) 和混凝土熱力學(xué)性能也是已知的，即可以認為大壩混凝土的中后期冷卻僅是一個與通水水 溫、通水流量和通水時間有關(guān)的復(fù)雜多因素問題； 混凝土澆筑倉內(nèi)埋設(shè)冷卻水管進行通水冷卻，設(shè)等效冷卻直徑為D，長度為L，無熱源， 混凝土初溫為L，進口水溫為Tw，則混凝土平均溫度可表示為： T = Tw+(T〇-Tw) Φ (1) 函數(shù)Φ有如下兩種計算式 (1) 函數(shù)Φ計算式1 Φ = exp (-Pi τ s) (2) 其中，p! = h (a/D2)s，h = 2· 08-1. 174 ξ +0· 256 ξ 2, s = 0· 971+0. 1485 ξ -0· 0445 ξ 2， ξ = AlV(CwPwqw)，式中：a為混凝土導(dǎo)溫系數(shù)，D為澆筑倉水管等效冷卻直徑，λ為混凝 土導(dǎo)熱系數(shù)，L為冷卻水管長度，c w為冷卻水比熱，P w為冷卻水密度，qw為通水流量； (2) 函數(shù)Φ計算式2 Φ = exp (-ρ2 τ ) (3) 其中，口2 = 1^/1)2，1^2 = 2.09-1.35 €+0.320 €2，式中：&、0和€含義同前， 當(dāng)b/c尹100時，函數(shù)Φ的計算式中的導(dǎo)溫系數(shù)a應(yīng)采用等效導(dǎo)溫系數(shù)a'，對于水管 材質(zhì)為金屬水管，有 a，= 1. 947(a ib)2a (4) ' /, \〇·48? , 其中，# = 0.9261，-0·0314|Ζ-20 ，130，式中：b 為等效冷卻半徑，c 7. c 為金屬水管外半徑， 對于水管材質(zhì)為塑料水管，有 , In 100 廣、 a =-a (,ο； \nih I ο) + {λ I\) ln(c / r0) 式中：λ i為塑料水管的導(dǎo)熱系數(shù)，c為塑料水管外半徑，r(1為塑料水管的內(nèi)半徑，其余 符號含義同前， 當(dāng)冷卻時間較大時，采用函數(shù)Φ的計算式1，當(dāng)冷卻時間不超過15天時，采用函數(shù)Φ 的計算式2， 當(dāng)通水流量不變，采用多擋水溫進行冷卻時，混凝土的平均溫度采用下式計算 Τ = Τ￥?+(Τ?-Τ￥?)Φ? (6) 式中：Twi為第i擋通水溫度，?\為第i-1擋水溫通水結(jié)束且第i擋水溫開始通水時的 混凝土溫度，Φ?為第i擋水溫通水時的水冷函數(shù)，函數(shù)中的時間τ需要從〇開始， 當(dāng)通水水溫不變，采用多擋流量進行冷卻時，混凝土的平均溫度計算式與式（6)類同， 同樣地，水冷函數(shù)中的時間τ需要從〇開始； 2) 混凝土壩中后期冷卻期間澆筑倉溫度動態(tài)預(yù)測模型 無熱源水管冷卻計算式隱含了等效冷卻直徑為D的混凝土棱柱體的外表面為絕熱邊 界，以及假設(shè)了混凝土棱柱體的水化熱完全完成，處于無熱源狀態(tài)。由于中后期冷卻階段的 混凝土澆筑塊并非無熱源狀態(tài)；另外，中后期冷卻階段的混凝土澆筑塊也不是絕熱狀態(tài)，夕卜 界環(huán)境溫度對混凝土塊內(nèi)部的溫度仍然存在一定的影響，即直接采用無熱源水管冷卻計算 式（6)進行中后期冷卻期間的混凝土澆筑倉溫度預(yù)測，效果不理想，動態(tài)更新無熱源水管 冷卻計算式中的！\，從而克服無熱源水管冷卻計算式溫度預(yù)測效果不理想的問題，可以準 確地進行未來7-10天混凝土澆筑倉溫度信息的預(yù)測； 3) 混凝土壩中后期通水冷卻快速調(diào)控方法的具體分析步驟 (1) 當(dāng)前溫度狀態(tài)及當(dāng)前通水可行域獲得，首先獲得中期冷卻開始時或二期冷卻開始 時的典型壩段各混凝土澆筑倉溫度?\ ;然后根據(jù)工程經(jīng)驗，確定通水水溫Tw、通水流量TQ和 通水時間Tt等通水措施的初始值； (2) 動態(tài)預(yù)測未來若干天的溫度響應(yīng)，采用無熱源水管冷卻計算式，進行混凝土降溫曲 線的計算，獲得各混凝土澆筑倉在通水措施取值組合下的冷卻最終溫度T imd和最大日降溫 速率2; ⑶將計算的中冷或二冷下的最終溫度和最大日降溫速率，與中冷或二冷設(shè)計目標溫 度和合適的降溫速率tpt的殘差平方和作為目標函數(shù)，由此建立的通水措施優(yōu)化模型 為 min /(7;，7；) = (7Tbj - 7；.,ld r' + - t',mJ2 (7) t^<tw<Tw s,t.<7^<rQ<rQ Tt<Tt<Tt 式中：IE、€分別為通水水溫tw的上下限值，l、巧分別為通水流量tq的上下限值，l ?分別為通水時間Tt的上下限值； (4) 采用帶約束的優(yōu)化算法優(yōu)選獲得各倉混凝土優(yōu)化的通水方案； (5) 對典型壩段處于中后期通水冷卻的每一個澆筑倉逐一進行分析，根據(jù)工程實際情 況以及工程經(jīng)驗，對優(yōu)選出的通水措施略作調(diào)整，然后指導(dǎo)中后期通水冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于混凝土壩中后期通水快速調(diào)控的方法，其特征在于：由 于采用無熱源水管冷卻計算式計算混凝土降溫曲線時，需要已知中期冷卻開始時或二期冷 卻開始時的混凝土澆筑倉溫度Ti，該溫度可采用如下方式獲得：方式一，混凝土澆筑倉內(nèi)埋 設(shè)了溫度計，以實測溫度作為中期冷卻開始時或二期冷卻開始時的混凝土澆筑倉溫度；方 式二，在進行中期冷卻或二期冷卻前，通過悶水測溫，作為中期冷卻開始時或二期冷卻開始 時的混凝土澆筑倉溫度；為了保證獲得混凝土澆筑倉溫度的準確性，可將方式一和方式二 獲得的溫度進行加權(quán)平均計算。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于混凝土壩中后期通水快速調(diào)控的方法，其特征在于：在 進行中期冷卻或二期冷卻時，有時需要多次調(diào)節(jié)水溫或流量進行冷卻，此時，基于優(yōu)化算法 進行中后期的通水冷卻快速調(diào)控的主要步驟，類同于中期冷卻期間和二期冷卻期間采用一 種水溫和流量進行冷卻的步驟，但需要在每次調(diào)節(jié)水溫或流量時，進行調(diào)節(jié)水溫或流量時 的混凝土澆筑倉溫度的通水方案的優(yōu)選，由于基于無熱源水管冷卻計算式的澆筑倉溫度動 態(tài)預(yù)測模型計算工作量小，這可保證在每次調(diào)節(jié)水溫或流量時優(yōu)選通水方案的可行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于混凝土壩中后期通水快速調(diào)控的方法，其特征在于：在 計算水冷函數(shù)Φ時，涉及到混凝土導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)以及塑料水管導(dǎo)熱系數(shù)，這些參數(shù) 采用設(shè)計值和廠家質(zhì)檢值，或基于實測溫度進行參數(shù)反演獲得。
【文檔編號】E02B1/00GK104110008SQ201410311743
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】黃耀英, 周紹武, 周宜紅 申請人:三峽大學(xué)