一种用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法
【专利摘要】一种用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法，它包括如下步骤，首先建立混凝土坝中后期通水快速预测模型，然后基于混凝土浇筑仓实测温度，动态更新混凝土坝中后期通水快速预测模型的重要项，以消除不确定性因素引起的误差，然后动态预测待优选通水措施下未来若干天的温度响应，以动态预测温度响应和设计温度监控指标建立目标函数，引入优化算法，从通水措施可行域空间中，优选获得当前最优的通水措施，实时调控未来若干天的通水冷却，若干天后，再次获得浇筑仓当前实测温度，再次动态更新-预测-优化调控。本发明建立了一种快速、准确且计算工作量小的温度动态预测模型，温度动态预测模型的建立为温控措施的快速优选的实现提供了可行性。
【专利说明】一种用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法，属于大坝相关领域。
【背景技术】
[0002] 混凝土坝水管中后期冷却问题是一个重要而复杂的问题。由于水管冷却是一把 双刃剑，虽然通水冷却可以有效降低混凝土施工最高温度以及在较短时间内把坝体温度降 低至目标温度，但在开始通水时在水管附近会引起较大拉应力，而且如果降温速率过快，仍 可能引起裂缝。过去这个问题没有得到重视，实际施工中允许混凝土初温与水温之差?^-?； =20?25°C。研究指出，在二期冷却时，如果采用1挡水温，混凝土初温30°C，冷却水温 9°C，即混凝土初温与水温之差为21°C，在混凝土龄期90d时开始冷却，孔边最大拉应力约 为5MPa，拉应力深度为0· 33m(水管间距L 5mX L 5m)至0· 70m(水管间距3. OmX 3. 0m)。这 个拉应力足以引起裂缝。另外，以往对混凝土水管冷却的安排比较简单，控制手段单一；为 了避免混凝土坝温度过高，往往采取加大通水流量的策略，这样不可避免造成通水资源浪 费；此外，由于现有混凝土水管冷却安排比较简单，控制手段单一，导致实际混凝土坝温度 控制与设计温度控制差异较大，仍然难以避免混凝土坝裂缝的产生。
[0003] 为了有效地控制混凝土坝裂缝，有必要对后期水管冷却应进行规划，即考虑冷却 区高度、水管间距、冷却分期及水温控制，进行细致分析和多方案比较，从中选择最优方案。 严格来说，对于中后期通水冷却规划问题，应结合实测温度进行热学参数反演，然后进行多 方案的含冷却水管问题的混凝土坝温度场和徐变应力场仿真分析对比，从中选择最优方 案。
[0004] 混凝土坝温控防裂是一个与温控措施和混凝土热力学参数相关的复杂多因素问 题，宜采用优化理论来确定最优方案。当采用优化理论进行规模重大的混凝土坝工程温控 措施的优化设计时，如果进行较精确的温度场和徐变应力场仿真分析，由于涉及到不同温 控措施和混凝土热力学参数等多个因素的优选，其计算工作量极大。即使在进行混凝土坝 中后期通水冷却时，水管间距，水管材质（金属水管或塑料水管），混凝土热力学性能等完 全确定，对于规模重大的混凝土坝工程，如果仍基于较精确的温度场和徐变应力场仿真分 析，采用优化理论优选通水措施，计算工作量仍然很大。显然，如果不能方便地为混凝土坝 中后期通水调控提供及时指导，这将导致大坝施工现场温控人员在具体实施通水措施时， 存在较大的盲目性。
[0005] 虽然关于混凝土通水冷却自动控制系统陆续已有一些报导，例如，周厚贵，谭恺 炎等根据测控装置采集的温度、流量信号以及开度信息，然后实施对电动控制阀的开度控 制，调节通水流量和通水水温。林鹏，李庆斌等在新浇筑仓内埋设数字温度传感器，在进出 水管上安装一体流温控制装置，根据能量守恒和传热学原理确定实时通水流量，采用最高 温度、温度变化率和异常温度的控温原则，建立了大体积混凝土通水冷却智能温度控制方 法与系统。赵恩国，郭晨等研发了一套大坝混凝土内部温度、冷却水温、冷却水流量等信息 的实时采集以及冷却水流量的自动控制的仪器设备，并在鲁地拉水电站开展了实用研究。 但在这些混凝土通水冷却自动控制系统中尚未引入优化算法，仍然难以避免造成通水资源 浪费。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术的不足，提供一种用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法， 引入优化算法，从通水措施可行域空间中，优选获得当前最优的通水措施，实时指导现场 通水冷却。
[0007] 本发明采用的技术方案：
[0008] -种用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法，其特征在于：它包括如下步骤， 首先建立混凝土坝中后期通水快速预测模型，然后基于混凝土浇筑仓实测温度，动态更新 混凝土坝中后期通水快速预测模型的重要项，以消除不确定性因素引起的误差，然后动态 预测待优选通水措施下未来若干天的温度响应，以动态预测温度响应和设计温度监控指标 建立目标函数，引入优化算法，从通水措施可行域空间中，优选获得当前最优的通水措施， 实时调控未来7-10天的通水冷却，7-10天后，再次获得浇筑仓当前实测温度，再次动态更 新-预测-优化调控；
[0009] 具体包括：1)中后期通水冷却期间混凝土坝温度快速预测模型
[0010] 为了对混凝土块中后期通水冷却期间进行快速、准确地温度预测，必须采用一种 计算工作量小的先验性模型，由于在进行混凝土块中后期通水冷却时，大部分的水泥水化 热已经释放完成，且上下游表面一般粘贴了保温苯板，此时，水管水平间距和垂直间距，水 管材质，混凝土热力学性能也是已知的，即可以认为大坝混凝土的中后期冷却仅是一个与 通水水温、通水流量和通水时间有关的复杂多因素问题；
[0011] 混凝土浇筑仓内埋设冷却水管进行通水冷却，设等效冷却直径为D，长度为L，无 热源，混凝土初温为?；，进口水温为T w，则混凝土平均温度可表示为
[0012] T = Tw+(T〇-Tw) Φ (1)
[0013] 函数Φ有如下两种计算式
[0014] (1)函数Φ计算式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为混凝土导温系数，D为浇筑仓水 管等效冷却直径，λ为混凝土导热系数，L为冷却水管长度,c w为冷却水比热，PWS冷却水 密度，qw为通水流量；
[0017] (2)函数Φ计算式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€含义同前，
[0020] 当b/c尹100时，函数Φ的计算式中的导温系数a应采用等效导温系数a'，对于 金属水管，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 为等效冷却半
[ Vc J \ c 径，C为金属水管外半径，
[0023] 对于塑料水管，有 , In 100 卜、
[0024] ? =-；---a {〇) L J \n(blc) + ai λ,)\η{α?ιι)
[0025] 式中：λ i为塑料水管的导热系数，c为塑料水管外半径，r(1为塑料水管的内半径， 其余符号含义同前，
[0026] 当冷却时间较大时，采用函数Φ的计算式1，当冷却时间不超过15天时，采用函数 Φ的计算式2，
[0027] 当通水流量不变，采用多挡水温进行冷却时，混凝土的平均温度采用下式计算
[0028] 1 = (6)
[0029] 式中：Twi为第i挡通水温度，为第i-Ι挡水温通水结束且第i挡水温开始通水 时的混凝土温度，Φ?为第i挡水温通水时的水冷函数，函数中的时间τ需要从〇开始，
[0030] 当通水水温不变，采用多挡流量进行冷却时，混凝土的平均温度计算式与式（6) 类同，同样地，水冷函数中的时间τ需要从〇开始；
[0031] 2)混凝土坝中后期冷却期间浇筑仓温度动态预测模型
[0032] 无热源水管冷却计算式隐含了等效冷却直径为D的混凝土棱柱体的外表面为绝 热边界，以及假设了混凝土棱柱体的水化热完全完成，处于无热源状态。由于中后期冷却阶 段的混凝土浇筑块并非无热源状态；另外，中后期冷却阶段的混凝土浇筑块也不是绝热状 态，外界环境温度对混凝土块内部的温度仍然存在一定的影响，即直接采用无热源水管冷 却计算式（6)进行中后期冷却期间的混凝土浇筑仓温度预测，效果不理想，动态更新无热 源水管冷却计算式中的1\，从而克服无热源水管冷却计算式温度预测效果不理想的问题， 可以准确地进行未来7-10天混凝土浇筑仓温度信息的预测；
[0033] 3)混凝土坝中后期通水冷却快速调控方法的具体分析步骤
[0034] (1)当前温度状态及当前通水可行域获得，首先获得中期冷却开始时或二期冷却 开始时的典型坝段各混凝土浇筑仓温度Ti ;然后根据工程经验，确定通水水温Tw、通水流量 TQ和通水时间Tt等通水措施的初始值；
[0035] (2)动态预测未来若干天的温度响应，采用无热源水管冷却计算式，进行混凝土降 温曲线的计算，获得各混凝土浇筑仓在通水措施取值组合下的冷却最终温度T imd和最大日 降温速率;
[0036] (3)将计算的中冷或二冷下的最终温度和最大日降温速率，与中冷或二冷设计目 标温度和合适的降温速率fpt的残差平方和作为目标函数，由此建立的通水措施优化 模型为
[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分别为通水水温Tw的上下限值，！《_、t分别为通水流量T Q的上下限 值，It、?分别为通水时间Tt的上下限值；
[0040] (4)采用带约束的优化算法优选获得各仓混凝土优化的通水方案；
[0041] (5)对典型坝段处于中后期通水冷却的每一个浇筑仓逐一进行分析，根据工程实 际情况以及工程经验，对优选出的通水措施略作调整，然后指导中后期通水冷却。
[0042] 上述由于采用无热源水管冷却计算式计算混凝土降温曲线时，需要已知中期冷却 开始时或二期冷却开始时的混凝土浇筑仓温度1\，该温度可采用如下方式获得：方式一，混 凝土浇筑仓内埋设了温度计，以实测温度作为中期冷却开始时或二期冷却开始时的混凝土 浇筑仓温度；方式二，在进行中期冷却或二期冷却前，通过闷水测温，作为中期冷却开始时 或二期冷却开始时的混凝土浇筑仓温度；为了保证获得混凝土浇筑仓温度的准确性，可将 方式一和方式二获得的温度进行加权平均计算。
[0043] 上述在进行中期冷却或二期冷却时，有时需要多次调节水温或流量进行冷却，此 时，基于优化算法进行中后期的通水冷却快速调控的主要步骤，类同于中期冷却期间和二 期冷却期间采用一种水温和流量进行冷却的步骤，但需要在每次调节水温或流量时，进行 调节水温或流量时的混凝土浇筑仓温度的通水方案的优选，由于基于无热源水管冷却计算 式的浇筑仓温度动态预测模型计算工作量小，这可保证在每次调节水温或流量时优选通水 方案的可行。
[0044] 上述在计算水冷函数Φ时，涉及到混凝土导温系数、导热系数以及塑料水管导热 系数，这些参数采用设计值和厂家质检值，或基于实测温度进行参数反演获得。
[0045] 本发明取得的技术效果：
[0046] (1)针对混凝土坝中后期通水是一个与通水水温、通水流量和通水时间等相关的 复杂多因素问题，将实测温度有机地融合到无热源水管冷却计算式中，基于实测温度动态 更新无热源水管冷却计算式中的重要项，消除边界条件、材料参数和计算模型等不确定性 带来的温度预测误差，从而建立了一种快速、准确且计算工作量小的温度动态预测模型。温 度动态预测模型的建立为温控措施的快速优选的实现提供了可行性。
[0047] (2)针对现有混凝土水管冷却安排比较简单，控制手段单一，导致实际混凝土坝温 度控制与设计温度控制差异较大，以及现有混凝土通水冷却自动控制系统中尚未引入优化 算法，仍然难以避免造成通水资源浪费，本发明专利将优化算法引入通水冷却调控，建立温 度动态预测-优化调控一体化监控模型，从通水措施可行域空间中，优选获得当前最优的 通水措施，实时调控未来若干天的通水冷却。从而避免通水资源的浪费，以及有效地实时指 导混凝土坝的中后期通水冷却。
【专利附图】
【附图说明】
[0048] 图1为中后期冷却时混凝土浇筑仓单测点温度动态预测框图；
[0049] 图2为典型坝段中后期通水冷却优化调控框图，其中，NI为处于中后期通水阶段 的烧筑仓数；
[0050] 图3为中后期冷却期间典型坝段垂直向温度。
【具体实施方式】
[0051] 下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
[0052] 本发明专利主要适用于混凝土坝中后期通水措施快速调控。首先建立混凝土坝中 后期通水快速预测模型，然后基于混凝土浇筑仓实测温度，动态更新混凝土坝中后期通水 快速预测模型的重要项，以消除不确定性因素引起的误差，然后动态预测待优选通水措施 下未来若干天的温度响应，以动态预测温度响应和设计温度监控指标建立目标函数，引入 优化算法，从通水措施可行域空间中，优选获得当前最优的通水措施，实时调控未来若干天 的通水冷却。若干天后，再次获得浇筑仓当前实测温度，再次动态更新-预测-优化调控。
[0053] 本发明专利详细技术方案如下：
[0054] 1)中后期通水冷却期间混凝土坝温度快速预测模型
[0055] 为了对混凝土块中后期通水冷却期间进行快速、准确地温度预测，必须采用一种 计算工作量小的先验性模型。由于在进行混凝土块中后期通水冷却时，大部分的水泥水化 热已经释放完成，且上下游表面一般粘贴了保温苯板，此时，水管水平间距和垂直间距，水 管材质（金属水管或塑料水管），混凝土热力学性能等也是已知的，即可以认为大坝混凝土 的中后期冷却仅是一个与通水水温、通水流量和通水时间等有关的复杂多因素问题。为此， 本发明专利采用无热源水管冷却计算式进行中后期通水冷却期间混凝土坝温度快速预测。
[0056] 以下详细给出无热源水管冷却计算式计算公式。混凝土浇筑仓内埋设冷却水管进 行通水冷却，设等效冷却直径为D，长度为L，无热源，混凝土初温为?；，进口水温为T w，则混 凝土平均温度可表示为
[0057] T = Tw+(T〇-Tw) Φ ⑴
[0058] 函数Φ有如下两种计算式
[0059] (1)函数Φ计算式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为混凝土导温系数，D为浇筑仓水管等效冷却直径，λ为混凝土导热系数， L为冷却水管长度，cw为冷却水比热，P w为冷却水密度，qw为通水流量。
[0063] (2)函数Φ计算式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含义同前。
[0067] 当b/c尹100时，函数Φ的计算式中的导温系数a应采用等效导温系数a'，对于 金属水管，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为等效冷却半径，c为金属水管外半径，
[0071] 对于塑料水管，有
[0072] , In 100 化、 a --a {〇) \n(b / c) + (λ / Λ,) \n(c / r())
[0073] 式中：λ i为塑料水管的导热系数，c为塑料水管外半径，r。为塑料水管的内半径， 其余符号含义同前。
[0074] 当冷却时间较大，超过15天时，最好采用函数Φ的计算式1，但在实际混凝土工程 中，函数Φ的计算式2使用的更多些。
[0075] 当通水流量不变，采用多挡水温进行冷却时，混凝土的平均温度采用下式计算
[0076] T = Φ? (6)
[0077] 式中：Twi为第i挡通水温度，?\为第i_l挡水温通水结束且第i挡水温开始通水 时的混凝土温度，Φ?为第i挡水温通水时的水冷函数，函数中的时间τ需要从〇开始。
[0078] 当通水水温不变，采用多挡流量进行冷却时，混凝土的平均温度计算式与式（6) 类同，同样地，水冷函数中的时间τ需要从〇开始。
[0079] 2)混凝土坝中后期冷却期间浇筑仓温度动态预测模型
[0080] 如图1，由于无热源水管冷却计算式隐含了等效冷却直径为D的混凝土棱柱体的 外表面为绝热边界，以及假设了混凝土棱柱体的水化热完全完成，处于无热源状态。由于中 后期冷却阶段的混凝土浇筑块并非无热源状态，例如一般混凝土坝高掺粉煤灰，存在后期 缓慢放热等；另外，中后期冷却阶段的混凝土浇筑块也不是绝热状态，例如外表面黏贴了保 温苯板，外界环境温度对混凝土块内部的温度仍然存在一定的影响。即直接采用无热源水 管冷却计算式（6)进行中后期冷却期间的混凝土浇筑仓温度预测，效果不理想。
[0081] 本发明专利基于混凝土浇筑仓当前实测温度，动态更新无热源水管冷却计算式中 的Ti，可以将高掺粉煤灰缓慢放热，以及上下游表面不是绝热边界等引起的误差，通过动态 更新?\来动态实时修正，从而克服无热源水管冷却计算式温度预测效果不理想的问题，可 以准确地进行未来7-10天混凝土浇筑仓温度信息的预测。
[0082] 3)混凝土坝中后期通水冷却快速调控方法
[0083] 本发明专利采用建立的计算工作量小、快速、准确的混凝土浇筑仓动态预测模型， 动态预测待优选通水措施下未来若干天的温度响应，以动态预测温度响应和设计温度监控 指标建立目标函数，引入带约束的优化算法（例如复合型算法），从通水措施可行域空间 中，优选获得当前最优的通水措施，实时调控未来若干天的通水冷却。若干天后，再次获得 浇筑仓当前实测温度，再次动态更新-预测-优化调控。由此建立混凝土坝中后期通水冷 却快速调控模型。
[0084] 如图2,以下详细给出混凝土坝中后期通水冷却快速调控方法的分析步骤。
[0085] (1)当前温度状态及当前通水可行域获得。首先获得中期冷却开始时或二期冷却 开始时的典型坝段各混凝土浇筑仓温度Ti ;然后根据工程经验，确定通水水温Tw、通水流量 TQ和通水时间Tt等通水措施的初始值。
[0086] (2)动态预测未来若干天的温度响应。采用无热源水管冷却计算式，进行混凝土降 温曲线的计算，获得各混凝土浇筑仓在通水措施取值组合下的冷却最终温度T imd和最大日 降温速率之
[0087] (3)将计算的中冷或二冷下的最终温度和最大日降温速率，与中冷或二冷设计目 标温度和合适的降温速率t pt的残差平方和作为目标函数，由此建立的通水措施优化 模型为
[0088] min ^ (T^-TienAf + (fr ~TimJ (7) Κ<Τν<--
[0089] S.t.' JQ < 7Q < TQ ^<Τ,<ΤΧ
[0090] 式中：IS、f分别为通水水温Tw的上下限值，L、&分别为通水流量T Q的上下限 值，L、?分别为通水时间Tt的上下限值。
[0091] (4)采用带约束的优化算法（例如复合型算法）优选获得各仓混凝土优化的通水 方案。
[0092] (5)对典型坝段处于中后期通水冷却的每一个浇筑仓逐一进行分析。根据工程实 际情况以及工程经验等，对优选出的通水措施略作调整，然后指导中后期通水冷却。
[0093] 在基于优化算法进行中后期通水冷却快速调控时，有如下几个问题需要注意
[0094] (1)由于采用无热源水管冷却计算式计算混凝土降温曲线时，需要已知中期冷却 开始时或二期冷却开始时的混凝土浇筑仓温度Ti，该温度可采用如下方式获得：方式一，混 凝土浇筑仓内埋设了温度计，以实测温度作为中期冷却开始时或二期冷却开始时的混凝土 浇筑仓温度；方式二，在进行中期冷却或二期冷却前，通过闷水测温，作为中期冷却开始时 或二期冷却开始时的混凝土浇筑仓温度；为了保证获得混凝土浇筑仓温度的准确性，可将 方式一和方式二获得的温度进行加权平均计算。
[0095] (2)在计算水冷函数Φ时，涉及到混凝土导温系数、导热系数以及塑料水管导热 系数等，这些参数采用设计值和厂家质检值，或基于实测温度进行参数反演获得。
[0096] (3)在进行中期冷却或二期冷却时，有时需要多次调节水温或流量进行冷却，此 时，基于优化算法进行中后期的通水冷却快速调控的主要步骤，类同于中期冷却期间和二 期冷却期间采用一种水温和流量进行冷却的步骤，但需要在每次调节水温或流量时，进行 调节水温或流量时的混凝土浇筑仓温度的通水方案的优选。由于基于无热源水管冷却计算 式的浇筑仓温度动态预测模型计算工作量小，这可保证在每次调节水温或流量时优选通水 方案的可行。
[0097] 工程实例
[0098] 西南某建设中的高拱坝分31个坝段，坝顶高程610m，最大坝高285. 5m。为了将施 工期混凝土温度降低至封拱温度，根据拱坝混凝土温控防裂特点，分一期冷却、中期冷却、 二期冷却等三个时期进行混凝土冷却降温，以达到小温差、缓冷却的效果。与此同时，在坝 段垂直向设置了已灌区、灌浆区、同冷区、过渡区、盖重区和浇筑区来减小垂直向温度梯度 以及控制冷却区高度等。为了较好的进行通水冷却控制以及获得大坝混凝土的温度状态， 在混凝土浇筑仓埋设温度计进行温度监测。现选取典型坝段12个混凝土浇筑仓进行中后 期通水冷却优化调控分析，如图3。该高拱坝各灌区高9m，浇筑仓厚3m，一期冷却目标温度 20°C，中期冷却目标温度16°C，二期冷却目标温度（封拱温度）12°C。图中实线为各浇筑仓 当前温度状态，虚线为各浇筑仓冷却目标温度，按上述混凝土中后期通水优化调控原理进 行分析。
[0099] (1)优选因素的确定
[0100] 混凝土坝中后期通水冷却需要对通水水温、通水流量和通水时间3个因素进行优 选。由于为节省制冷成本，该高拱坝只提供两挡水温：中期冷却时，采用15?16°C水温，该 水温接近中期冷却目标温度；二期冷却时，采用8?9 °C水温，该水温低于封拱温度的水温。 因此，对于该实际混凝土工程，本次分析时指定中期冷却时通水水温为15. 2°C，二期通水冷 却时通水水温为8. 5°C。仅对通水流量和通水时间2个通水因素进行优选。
[0101] (2)通水措施取值范围
[0102] 根据该混凝土坝工程经验及该工程实际条件，对于中期通水冷却，选定通水流量 取值范围为10?30L/min，通水时间取值范围为5?45d ;对于二期通水冷却，选定通水流 量取值范围为5?25L/min，通水时间取值范围为5?25d。
[0103] (3)通水措施的快速调控
[0104] 选取典型坝段的12个混凝土浇筑仓水管间距均为1.5mX 1.5m，均采用聚乙烯塑 料水管，由于该混凝土坝工程在垂直向设置已灌区、灌浆区、同冷区、过渡区、盖重区和浇筑 区，其可较好的避免混凝土浇筑块垂直向温度梯度过大以及控制冷却区高度，与此同时，该 混凝土工程分三个时期进行小温差、缓慢冷却。由该混凝土坝工程已经完成中期冷却和二 期冷却的混凝土浇筑仓的实测温度统计分析可见，中期和二期通水冷却期间最大日降温速 率均满足设计要求，为此，本文主要由浇筑仓中冷或二冷开始时的温度信息、以及中冷或二 冷目标温度，结合无热源水管冷却计算式，采用优化算法来确定优化的通水流量和通水时 间。其中，优化算法采用带约束条件的复合型算法，通水流量和通水时间的约束条件为通水 措施取值范围。
[0105] 处于中后期通水冷却阶段的12个混凝土浇筑仓优选出的通水参数见表1，再根据 工程实际情况以及工程经验等，对优选出的通水措施略作调整，调整时间和调整流量见表 1。由表1可见，各混凝土浇筑仓通水冷却时间不一样，此时，为保证冷却的均匀性，宜对各 混凝土浇筑仓同时开始进行中期冷却降温和二期冷却降温，当某混凝土浇筑仓冷却时间达 到优选出的通水时间时，该浇筑仓转为控温阶段。
[0106] 表1各烧筑仓优选出的通水措施
[0107] 浇筑仓 开始冷冷却目标优选出优选出调整后调整后 序号 却 温度 通水 通水 通水 通水 冷却 时温度 浐 流量 时间 流量 时间 状态 (°C) (°C) (L/min) (d) (L/min) (d) 浇筑仓 1 20 19.333 10.350 5. 104 ?〇Γδ 5 中冷 浇筑仓 2 20 18 16.687 7.502 16.5 7,5 中冷 浇筑仓 3 20 16.667 24.383 24.822 24 25 中冷 浇筑仓 4 19.333 16 16.615 44.003 16.5 44 中冷 浇筑仓 5 18 16 17. 151 25.584 17 25.5 中冷 浇筑仓 6 16.667 16 21.432 14.820 21 15 中冷 浇筑仓 7 16 15.333 5. 134 5,052 5 5 二冷 浇筑仓 8 16 14 5,301 14.039 5.5 14 二冷 浇筑仓 9 16 12.667 15.007 16.014 15 16 二冷 浇筑仓 10 15.333 12 19.327 15.874 19 16 二冷 浇筑仓 11 14 12 15.328 11.855 15 12 二冷 浇筑仓 12 12.667 12 8.259 6.462 8 6.5 二冷
【权利要求】
1. 一种用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法，其特征在于：它包括如下步骤，首 先建立混凝土坝中后期通水快速预测模型，然后基于混凝土浇筑仓实测温度，动态更新混 凝土坝中后期通水快速预测模型的重要项，以消除不确定性因素引起的误差，然后动态预 测待优选通水措施下未来若干天的温度响应，以动态预测温度响应和设计温度监控指标建 立目标函数，引入优化算法，从通水措施可行域空间中，优选获得当前最优的通水措施，实 时调控未来7 - 10天的通水冷却，7 - 10天，再次获得浇筑仓当前实测温度，再次动态更 新-预测-优化调控； 具体包括：1)中后期通水冷却期间混凝土坝温度快速预测模型： 为了对混凝土块中后期通水冷却期间进行快速、准确地温度预测，必须采用一种计算 工作量小的先验性模型，由于在进行混凝土块中后期通水冷却时，大部分的水泥水化热已 经释放完成，且上下游表面一般粘贴了保温苯板，此时，水管水平间距、垂直间距、水管材质 和混凝土热力学性能也是已知的，即可以认为大坝混凝土的中后期冷却仅是一个与通水水 温、通水流量和通水时间有关的复杂多因素问题； 混凝土浇筑仓内埋设冷却水管进行通水冷却，设等效冷却直径为D，长度为L，无热源， 混凝土初温为L，进口水温为Tw，则混凝土平均温度可表示为： T = Tw+(T〇-Tw) Φ (1) 函数Φ有如下两种计算式 (1) 函数Φ计算式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为混凝土导温系数，D为浇筑仓水管等效冷却直径，λ为混凝 土导热系数，L为冷却水管长度，c w为冷却水比热，P w为冷却水密度，qw为通水流量； (2) 函数Φ计算式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€含义同前， 当b/c尹100时，函数Φ的计算式中的导温系数a应采用等效导温系数a'，对于水管 材质为金属水管，有 a，= 1. 947(a ib)2a (4) ' /, \〇·48? , 其中，# = 0.9261，-0·0314|Ζ-20 ，130，式中：b 为等效冷却半径，c 7. c 为金属水管外半径， 对于水管材质为塑料水管，有 , In 100 广、 a =-a (,ο； \nih I ο) + {λ I\) ln(c / r0) 式中：λ i为塑料水管的导热系数，c为塑料水管外半径，r(1为塑料水管的内半径，其余 符号含义同前， 当冷却时间较大时，采用函数Φ的计算式1，当冷却时间不超过15天时，采用函数Φ 的计算式2， 当通水流量不变，采用多挡水温进行冷却时，混凝土的平均温度采用下式计算 Τ = Τ￥?+(Τ?-Τ￥?)Φ? (6) 式中：Twi为第i挡通水温度，?\为第i-1挡水温通水结束且第i挡水温开始通水时的 混凝土温度，Φ?为第i挡水温通水时的水冷函数，函数中的时间τ需要从〇开始， 当通水水温不变，采用多挡流量进行冷却时，混凝土的平均温度计算式与式（6)类同， 同样地，水冷函数中的时间τ需要从〇开始； 2) 混凝土坝中后期冷却期间浇筑仓温度动态预测模型 无热源水管冷却计算式隐含了等效冷却直径为D的混凝土棱柱体的外表面为绝热边 界，以及假设了混凝土棱柱体的水化热完全完成，处于无热源状态。由于中后期冷却阶段的 混凝土浇筑块并非无热源状态；另外，中后期冷却阶段的混凝土浇筑块也不是绝热状态，夕卜 界环境温度对混凝土块内部的温度仍然存在一定的影响，即直接采用无热源水管冷却计算 式（6)进行中后期冷却期间的混凝土浇筑仓温度预测，效果不理想，动态更新无热源水管 冷却计算式中的！\，从而克服无热源水管冷却计算式温度预测效果不理想的问题，可以准 确地进行未来7-10天混凝土浇筑仓温度信息的预测； 3) 混凝土坝中后期通水冷却快速调控方法的具体分析步骤 (1) 当前温度状态及当前通水可行域获得，首先获得中期冷却开始时或二期冷却开始 时的典型坝段各混凝土浇筑仓温度?\ ;然后根据工程经验，确定通水水温Tw、通水流量TQ和 通水时间Tt等通水措施的初始值； (2) 动态预测未来若干天的温度响应，采用无热源水管冷却计算式，进行混凝土降温曲 线的计算，获得各混凝土浇筑仓在通水措施取值组合下的冷却最终温度T imd和最大日降温 速率2; ⑶将计算的中冷或二冷下的最终温度和最大日降温速率，与中冷或二冷设计目标温 度和合适的降温速率tpt的残差平方和作为目标函数，由此建立的通水措施优化模型 为 min /(7;，7；) = (7Tbj - 7；.,ld r' + - t',mJ2 (7) t^<tw<Tw s,t.<7^<rQ<rQ Tt<Tt<Tt 式中：IE、€分别为通水水温tw的上下限值，l、巧分别为通水流量tq的上下限值，l ?分别为通水时间Tt的上下限值； (4) 采用带约束的优化算法优选获得各仓混凝土优化的通水方案； (5) 对典型坝段处于中后期通水冷却的每一个浇筑仓逐一进行分析，根据工程实际情 况以及工程经验，对优选出的通水措施略作调整，然后指导中后期通水冷却。
2.根据权利要求1所述的用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法，其特征在于：由 于采用无热源水管冷却计算式计算混凝土降温曲线时，需要已知中期冷却开始时或二期冷 却开始时的混凝土浇筑仓温度Ti，该温度可采用如下方式获得：方式一，混凝土浇筑仓内埋 设了温度计，以实测温度作为中期冷却开始时或二期冷却开始时的混凝土浇筑仓温度；方 式二，在进行中期冷却或二期冷却前，通过闷水测温，作为中期冷却开始时或二期冷却开始 时的混凝土浇筑仓温度；为了保证获得混凝土浇筑仓温度的准确性，可将方式一和方式二 获得的温度进行加权平均计算。
3. 根据权利要求2所述的用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法，其特征在于：在 进行中期冷却或二期冷却时，有时需要多次调节水温或流量进行冷却，此时，基于优化算法 进行中后期的通水冷却快速调控的主要步骤，类同于中期冷却期间和二期冷却期间采用一 种水温和流量进行冷却的步骤，但需要在每次调节水温或流量时，进行调节水温或流量时 的混凝土浇筑仓温度的通水方案的优选，由于基于无热源水管冷却计算式的浇筑仓温度动 态预测模型计算工作量小，这可保证在每次调节水温或流量时优选通水方案的可行。
4. 根据权利要求2所述的用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法，其特征在于：在 计算水冷函数Φ时，涉及到混凝土导温系数、导热系数以及塑料水管导热系数，这些参数 采用设计值和厂家质检值，或基于实测温度进行参数反演获得。
【文档编号】E02B1/00GK104110008SQ201410311743
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】黄耀英, 周绍武, 周宜红 申请人:三峡大学