考虑渗水影响的胶凝砂砾石坝温度场计算方法与流程

本发明涉及建筑结构分析计算，尤其是一种考虑渗水影响的胶凝砂砾石坝温度场计算方法。
背景技术：
：胶凝砂砾石坝骨料采用天然级配河床砂砾石，胶凝材料用量少，施工工艺粗放，导致坝体材料渗透性较大，抗渗性能不良。即便在上游坝面设有防渗层，胶凝砂砾石坝也很容易出现坝体浸润线时常保持高位的情况，这就使得坝体内部较大范围不可避免地受到渗水影响。渗透水会产生显著的降温效果，这一影响因素在胶凝砂砾石坝温度场分析中是不容忽视的。由于胶凝砂砾石坝发展历史较短，其坝体温度场计算理论尚处在初级阶段，对这种坝体温度场进行计算分析时，如果不考虑这种新坝型的坝体渗流场特征，照搬混凝土坝的温度场计算方法，必然会带来很大的误差，计算成果不能真实反映出胶凝砂砾石坝的实际温度分布和变化规律。技术实现要素：本发明的目的在于根据胶凝砂砾石坝的渗透性特征，提供一种考虑渗水影响的胶凝砂砾石坝温度场计算方法，以获得反映胶凝砂砾石坝真实温度场规律的分析成果。为达到上述目的，本发明采用的技术方案：一种考虑渗水影响的胶凝砂砾石坝温度场计算方法，包括以下步骤：步骤一：分析确定坝体内部渗水影响范围1)如果有坝体渗压计监测资料，采用实测的坝内渗压数据推求坝体浸润线；2)如果没有坝体渗压计监测资料，采用渗流分析方法计算坝体渗流场，得到坝体随时间动态变化的浸润线；3)浸润线以下为受渗水影响部位，浸润线以上为不受渗水影响部位；步骤二：计算坝体渗流量1)如果有坝体渗流量监测资料，采用实测流量值；2)如果没有坝体渗流量监测资料，采用渗流分析方法计算得到坝体随时间动态变化的渗流量；步骤三：建立三维温度场有限元计算模型按坝体实际体型、初始条件、边界条件进行三维温度场有限元建模，采用8节点6面体等参单元对坝体及基础进行有限元离散；坝体受到渗水影响部位与不受渗水影响部位以不同的材料分区进行区分；1)受渗水影响部位施加冷源荷载，绝热条件下，渗水影响的胶凝砂砾石温度u(τ)等于上一时刻温度u(τ-1)，减去渗透水吸收坝体热量而产生的温度增量δu(τ):u(τ)＝u(τ-1)-δu(τ)(1)其中：cw，ρw分别为水的比热和密度；uw(τ)为渗水温度；θ，λ分别为胶凝砂砾石绝热温升和导热系数；qw为坝体渗流量；a为坝体浸润线以下纵剖面面积；l为坝体浸润线以下横剖面平均宽度；2)不受渗水影响部位不施加冷源荷载，即δu(τ)＝0，绝热条件下，胶凝砂砾石温度u(τ)保持不变；步骤四：三维温度场有限元仿真计算1)受渗水影响部位:用有限元方法求解给定初始条件和边界条件下，受渗水影响的空间区域不稳定温度场t，渗水影响以冷源形式引入热传导方程，根据变分原理，这一热传导问题等价于求解下列泛函的极值问题：式中：β为胶凝砂砾石表面放热系数系数；ta为边界温度；r为空间求解域；c为第三类边界；2)不受渗水影响部位：公式(2)中冷源项即用有限元方法求解给定初始条件和边界条件下的空间区域不稳定温度场t，这一热传导问题等价于求解下列泛函的极值问题：式中：β为胶凝砂砾石表面放热系数系数；ta为边界温度；r为空间求解域；c为第三类边界。所述步骤四中1)和2)中,初始条件为胶凝砂砾石逐层浇筑温度，如果有温度场实测资料，采用实测浇注温度值；初始条件的设定不考虑坝内渗水影响范围。所述步骤四中1)和2)中，边界条件取上下游水位以下为水边界，其余坝面为气边界，均为第三类边界条件，边界条件的设定不考虑坝内渗水影响范围。本发明的有益效果：考虑了胶凝砂砾石材料具有较高的渗透性，在温度场计算中将坝内渗透水的降温作用作为温度场重要影响因素，使得胶凝砂砾石坝温度场计算分析成果能够客观地反映这种坝真实的坝体温度场规律。本发明可广泛应用于胶凝砂砾石坝的温度场分析和研究工作，具有较高的应用价值。附图说明图1为本实例中坝内浸润线随时间变化情况(a为低水位，b为高水位)；图2为本实例的温度场网格划分图；图3为实例中1396m高程上游和下游两个测点温度变化时程计算结果与实测数据对比图(a为上游，b为下游)；图4为本实例计算的温度场最高温度包络图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：本发明的考虑渗水影响的胶凝砂砾石坝温度场计算方法，具体实施步骤如下：步骤一：分析确定坝体内部渗水影响范围。坝体内渗水影响范围需要通过渗流场的相关成果进行分析，其中坝体渗流场采用常规计算方法，建立渗流场计算模型，得到坝体随时间动态变化的浸润线。每一时刻以浸润线将坝体区分为上下两部分，浸润线以下为受渗水因素影响部位，浸润线以上为不受渗水因素影响部位。如果有坝体渗流场监测资料，可以根据实测坝内渗压计读数，确定坝体浸润线。步骤二：计算坝体渗流量。本发明中渗透水对胶凝砂砾石坝的降温公式涉及坝内渗流量，在渗流场计算时需要得到坝体随时间动态变化的渗流量，如果有坝体渗流量监测资料，可以采用实测值。步骤三：建立三维温度场有限元模型。3.1胶凝砂砾石坝一般不设置横缝，有限元计算模型为三维整体模型，网格划分不需要考虑渗水影响范围，仅需常规的根据浇筑过程进行逐层划分，单元类型为8节点6面体单元。3.2初始条件为胶凝砂砾石逐层浇筑温度，不需要考虑渗水影响范围，按常规计算方法进行设定，如果有温度场实测资料，可以采用实测浇注温度值。3.3边界条件取上下游水位以下为水边界，其余坝面为气边界，均为第三类边界条件，边界条件的设定不需要考虑坝内渗水影响范围。3.4内热荷载除材料水化热温升外，还包括渗水影响的坝体温降。受渗水影响部位与不受渗水影响部位以不同的材料区分，受渗水影响部位施加温降的冷源荷载。绝热条件下，渗水影响的胶凝砂砾石温度u(τ)等于上一时刻温度u(τ-1)，减去渗透水吸收的坝体热量而产生的温度增量δu(τ):u(τ)＝u(τ-1)-δu(τ)(1)其中：cw，ρw分别为水的比热和密度；uw(τ)为渗水温度；θ，λ分别为胶凝砂砾石绝热温升和导热系数；qw为坝体渗流量；a为坝体浸润线以下纵剖面面积；l为坝体浸润线以下横剖面平均宽度。步骤四：三维温度场有限元仿真计算。4.1将渗水影响引入有限元计算公式：温度场热传导方程中，材料绝热温升引起坝体的温度提高为正热源项，以偏微分形式参与，考虑渗水影响引起的坝体温度降低与绝热温升引起坝体的温度升高方式类似，为同类型冷源项，也以偏微分形式参与进不稳定温度场的热传导方程中，求解温度场t的热传导问题等价于求解下列泛函的极值问题式中：β为表面放热系数系数，λ为导热系数；t为温度；ta为边界温度；θ为绝热温升；r为空间求解域；c为第三类边界。4.2求解维温度场。运用有限元软件进行温度场计算，得到渗水影响下胶凝砂砾石坝真实的温度场成果，其中受渗水影响范围采用以上公式，不受渗水影响范围求解温度场t的泛函为：现结合和实例分析对本发明技术做进一步说明。国内某工程胶凝砂砾石过水围堰，有施工至运行期完整的渗压和温度监测资料，由于有实测渗压数据，本实例以实测渗压值分析渗水影响范围。选取施工至运行期内若干典型时刻绘制浸润线见图1，具体情况参见下表。实测渗流量100～200m3/h，汛期取高值，枯水期取低值。渗透水水温近似取上游水温。项目1月2月3月4月5月6月7月8月9月0月11月12月水温6.18.010.813.215.318.019.818.717.414.010.67.2图2为温度场计算模型。胶凝砂砾石绝热温升为17.6℃，导热系数为9.51kj/(m·h·℃)，表面放热系数为52.01kj/m2·h·℃。坝体浇筑层厚1.8m，间歇2～3d。坝体浇筑温度采用实测值，沿高程为19～22℃。坝体上游面施工期为气边界，边界温度采用气温加辐射热3℃，运行期为水边界，边界温度采用水温；坝体顶面和下游面为气边界，边界温度采用气温加辐射热3℃。浸润线以下受渗水影响部位的材料参数中，以1396m测点所在浇筑层为例进行冷源荷载的计算，该层浇筑时间为2015/4/7，首次进入浸润线以下时间为2015/5/30，温度为30℃，浸润线以下横剖面平均宽度为44.96m，浸润线以下纵剖面面积为1144.8m2，渗流量取150m3/h，水温取17.04℃，水的密度取1000kg/m3，水的比热取4.18kj/(kg·℃)，以1d为时间步，计算得到绝热条件下，2015/5/31由渗透水吸收坝体热量而产生的温度增量即该时刻胶凝砂砾石温度为27.72℃，热量变化为-5358kj。依据此方法得到浸润线以下各部位逐时刻的温度后，以冷源荷载形式，作为材料参数(热量)输入进温度场有限元前处理，浸润线以上部位则不用输入这种冷源荷载的材料参数。经有限元计算后，得到考虑了渗水影响的坝体温度场，图3(a)(b)分别为1396m高程上下游两个测点的计算值与实测值对比曲线，计算值与实测值符合度好，对温度场分析中的一些重点关注的特征量如最高温度，最大温度降幅等都能很好的还原，误差较小，表明本发明所提出的考虑渗水因素的真实温度场计算方法用来进行胶凝砂砾石坝温度场分析，其计算结果精度较高，可以反映胶凝砂砾石坝真实的温度场规律。图4为温度场最高温度云图。本发明的计算方法具有很好的实际应用价值。以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。当前第1页12