混凝土坝体临时面应力分析方法与流程

本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其是涉及一种混凝土坝体临时面应力分析方法。

背景技术：

因局部温差而产生裂缝是混凝土坝常见质量问题，常规的温控防裂方法包括：降低浇筑温度、通水冷却和表面保温等措施。因此混凝土表面的保温状态对坝体表面的开裂状况具有较大影响，然而由于备仓等原因，冬季浇筑的坝体仓面施工间歇期的保温措施难免被揭开，并且为了降低生产成本坝体表面应力求使用低成本保温设施，由此在寒潮期间因环境降温将导致坝体表面开裂问题。由于缺乏保温状态的合理规划，混凝土坝体施工时，通常采用在坝体表面进行保温预处理的方式，当发现坝体表面出现开裂则加强保温措施，由此在施工期间存在较大试错成本，且因坝体表面开裂影响了坝体施工质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种混凝土坝体临时面应力分析方法，以缓解现有技术中坝体表面保温状态的施工缺乏合理依据的技术问题。

第一方面，本发明提供的混凝土坝体临时面应力分析方法，包括：确定坝体表面的预设保温状态；确定表面散热系数；根据表面散热系数计算混凝土温场，并根据混凝土温场模拟计算温差产生的温度应力；判断坝体安全状况，并对坝体表面保温措施进行调整。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述确定坝体表面的预设保温状态的步骤包括：依据坝体表面状态，将坝体表面划分为如下种类：GK1：铺设湿润状态的保温被；GK2：保温被铺设不良；GK3：铺设下部有积水的保温被；坝体表面无保温被。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，在所述坝体表面无保温被的条件下，检测坝体表面风速是否大于预设风速；若所述坝体表面风速小于等于所述预设风速，则所述坝体表面的种类为GK4：第一类无保温被状态；若所述坝体表面风速大于所述预设风速，则所述坝体表面的种类为GK5：第二类无保温被状态。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述混凝土坝体临时面应力分析方法还包括：以预设时间为间隔检测环境信息，所述环境信息包括温度数据和坝体表面风速；所述预设时间为2min～5min。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述确定表面散热系数的步骤包括：预设表面散热系数的初设值β0，模拟测算测试点的初始计算温度；根据如下公式计算第一次误差值，其中，Teer(1)为第一次误差值，单位为摄氏度；n为计算过程中划分的时间总步数；Kb(i0)为表面散热系数β0条件下，时间步为i步时测点的计算温度，单位为摄氏度；Kc(i)为时间步为i步时测点的实际温度，单位为摄氏度；根据如下公式计算第m次表面散热系数，βm＝β0+Δβ·(m-1)，其中，βm为第m次表面散热系数，Δβ为预设递增值，m大于等于2；模拟测算测试点第m次计算温度，并根据如下公式计算第m次误差值，其中，Kb(im)为表面散热系数βm条件下，时间步为i步时测点的计算温度；直至Teer(m)<Teer(m+1)，则表面散热系数β＝βm。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述确定表面散热系数的步骤包括：当所述坝体表面无保温被时，根据如下公式计算表面散热系数，β＝523.2+324.72va，其中va为坝体表面风速，单位m/s。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述判断坝体安全状况的步骤包括：根据公式计算坝体安全系数Kf，其中，σ为各种温差产生的温度应力之和，单位为MPa；εp为混凝土极限拉升值；Ec为混凝土弹性模量，单位为MPa。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，若Kf<1.5，且坝体表面铺设湿润状态的保温被，则增加所述保温被的层数；若Kf≥1.5，坝体表面无保温被，则判定为坝体无开裂风险。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，若Kf(q)≥1.5，且Kf(q+1)<1.5时，则将所述坝体表面状态配置为GKq；其中，q为所述坝体表面状态的种类编号，GKq为编号为q的坝体表面状态，Kf(q)为第q种坝体表面状态对应的安全系数。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述混凝土坝体临时面应力分析方法还包括：根据预测寒潮气温模拟计算寒潮期间的所述温度应力；根据所述温度应力计算所述坝体安全系数Kf；若所述安全系数Kf小于1.5，则发布预警，并加强所述坝体的保温。

本发明实施例带来了以下有益效果：采用确定坝体表面的预设保温状态，确定表面散热系数，根据表面散热系数计算混凝土温场，并根据混凝土温场模拟计算温差产生的温度应力，判断坝体安全状况，并对坝体表面保温措施进行调整的方式，根据预设的保温设置测算坝体表面散热系数，并计算温差所产生的温度应力，从而评价预设保温状态下的坝体开裂风险，从而获悉坝体安装状况，并根据坝体安全状况合理调整坝体表面的保温措施，无需待坝体表面开裂而加强保温，且可避免保温过度而产生较高成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的混凝土坝体临时面应力分析方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的混凝土坝体临时面应力分析方法，包括：确定坝体表面的预设保温状态；确定表面散热系数；根据表面散热系数计算混凝土温场，并根据混凝土温场模拟计算温差产生的温度应力；判断坝体安全状况，并对坝体表面保温措施进行调整。

具体地，现场自动采集气温数据、太阳辐射数据和坝体信息数据，并将数据传输至服务器。在预设保温状态的条件下，采用有限元分析方法模拟测算坝体表面散热系数，并根据表面散热系数计算坝体表面应力绘制坝体表面应力预测曲线。根据表面应力和混凝土允许抗拉强度判断坝体表面的安全状况，或者，根据坝体表面应力确定对应的安全系数，从而划分坝体安全等级，再根据坝体表面安全状况调整坝体表面的保温措施。例如，若坝体存在开裂风险则加强坝体保温措施，并进行上述计算，直至坝体表面达到安全状态；若坝体表面无开裂风险，则减弱当前保温措施，并进行上述计算，在坝体表面无开裂风险的条件下，采用成本较低的保温措施，从而降低施工成本。

在本发明实施例中，确定坝体表面的预设保温状态的步骤包括：依据坝体表面状态，将坝体表面划分为如下种类：GK1：铺设湿润状态的保温被；GK2：保温被铺设不良；GK3：铺设下部有积水的保温被；坝体表面无保温被。其中，GK1的保温效果好于GK2，GK2的保温效果好于GK3；在GK1的基础上，可通过增加保温被的层数从而进一步提高保温效果；当保温被搭接不良、保温被存在破损或者相邻保温被之间存在间距的情况下，可视为保温被铺设不良。

进一步的，在坝体表面无保温被的条件下，检测坝体表面风速是否大于预设风速；若坝体表面风速小于等于预设风速，则坝体表面的种类为GK4：第一类无保温被状态；若坝体表面风速大于预设风速，则坝体表面的种类为GK5：第二类无保温被状态。其中，预设风速可设为4m/s～5m/s，以预设风速设为4m/s为例，当坝体表面风速大于4m/s时，则判定为无保温被且大风条件，即将坝体表面状态判定为GK5：第二类无保温被状态。当坝体表面风速小于等于4m/s时，则判定为无保温被且微风或无风条件，即将坝体表面状态判定为GK4：第一类无保温被状态。

进一步的，混凝土坝体临时面应力分析方法还包括：以预设时间为间隔检测环境信息，环境信息包括温度数据和坝体表面风速；预设时间为2min～5min。其中，环境信息还包括有小气象仪器获取的太阳辐射数据，可将小气候仪器设置在上游围堰处，以3min/次的频率调取气温数据和太阳辐射数据，用以作为预测坝体表面温度的依据，即坝体表面温度趋近于坝体表面气温，并根据白表面温度绘制温场曲线。

进一步的，混凝土坝体临时面应力分析方法还包括：对坝体表面进行有限元网格划分，网格划分步骤包括：以一定时期内浇筑的坯层作为分析对象进行网格划分；其中，沿横河方向网格尺寸比例采用0.1：0.9：2：7：7：2：0.9：0.1；顺河方向网格尺寸比例采用1：2：8：8：2：1；网格高度选取六个高度层的高度，最新浇筑层高度方向上的尺寸为0.1m，其余浇筑层高度方向上的尺寸为0.5m。采用有限元分析计算坝体温度和对应的应力，坝体内部温度可通过有限元分析或反演计算的方式确定，并与实测数据比较以实现校验。

进一步的，针对GK1：铺设湿润状态的保温被，GK2：保温被铺设不良，以及GK3：铺设下部有积水的保温被这三种状态，可采取如下步骤反演分析：监测被保温被内部温度计情况；通过调用大坝管理系统内部信息的方式获取：大坝浇筑温度、大坝尺寸信息、大坝浇筑时间、大坝所面临的气温信息、风速信息和太阳辐射信息；采用有限元计算，温度场有限元计算根据以下公式离散后编程实现：边界条件：其中，代表偏微分运算，τ为时间(s)，λ为导热系数，α为导温系数，θ为绝热温升，为第一类边界条件温度，e为边界上给定的热流量，β为边界上的放热系数，Ta为自然对流情况下的环境温度。

确定表面散热系数的步骤包括：预设表面散热系数的初设值β0，模拟测算测试点的初始计算温度；根据如下公式计算第一次误差值，其中，Teer(1)为第一次误差值，单位为摄氏度；n为计算过程中划分的时间总步数；Kb(i0)为表面散热系数β0条件下，时间步为i步时测点的计算温度，单位为摄氏度；Kc(i)为时间步为i步时测点的实际温度，单位为摄氏度；根据如下公式计算第m次表面散热系数，βm＝β0+Δβ(m-1)，其中，βm为第m次表面散热系数，Δβ为预设递增值，m大于等于2；模拟测算测试点第m次计算温度，并根据如下公式计算第m次误差值，其中，Kb(im)为表面散热系数βm条件下，时间步为i步时测点的计算温度；直至Teer(m)<Teer(m+1)，则表面散热系数β＝βm。例如：预设表面散热系数的初设值β0为100kJ/(m²·h·℃)，Δβ为预设递增值选取为30kJ/(m²·h·℃)，则计算得到的表面散热系数为β＝100+30(m-1)kJ/(m²·h·℃)。

进一步的，确定表面散热系数的步骤包括：当坝体表面无保温被时，根据如下公式计算表面散热系数，β＝523.2+324.72va，其中va为坝体表面风速，单位m/s。

进一步的，计算坝体表面应力的步骤包括：用增量法求解，把时间τ划分成一系列时间段：Δτ1、Δτ2......Δτn，在时段Δτn内产生的应变增量为：其中：为弹性应变增量；为徐变应变增量；为温度应变增量；为自生体积变形增量；为干缩应变增量。采用有限元法，进行整体的单元集成，可得整体平衡方程：

[K]{Δδn}＝{ΔPn}^L+{ΔPn}^C+{ΔPn}^T+{ΔPn}⁰+{ΔPn}^S，其中：[K]为整体刚度矩阵；{ΔPn}^L为外荷载引起的结点荷载增量；{ΔPn}^C为徐变引起的结点荷载增量；{ΔPn}^T为温度引起的结点荷载增量；{ΔPn}⁰为自生体积变形引起的结点荷载增量；{ΔPn}^S为干缩引起的结点荷载增量。求出各个结点的位移增量{Δδn}之后，根据Δσn＝[D][B]{Δδn}计算得到应力增量Δσn，其中[B]为位移应变矩阵，[D]为应力应变矩阵，累加得到各个单元τn时刻的应力σn＝∑{Δσn}。

进一步的，判断坝体安全状况的步骤包括：根据公式计算坝体安全系数Kf，其中，σ为各种温差产生的温度应力之和，单位为MPa；εp为混凝土极限拉升值；Ec为混凝土弹性模量，单位为MPa。安全系数在1.5以上为安全状态，1.3-1.5会影响质量，1.3以下存在开裂风险，安全系数在1.0以下有较大的开裂风险。

进一步的，若Kf<1.5，且坝体表面铺设湿润状态的保温被，则增加保温被的层数；若Kf≥1.5，坝体表面无保温被，则判定为坝体无开裂风险。

当坝体表面处于GK1：铺设湿润状态的保温被，GK2：保温被铺设不良，或者GK3：铺设下部有积水的保温被这三种状态中任一种时，若Kf(q)≥1.5，且Kf(q+1)<1.5时，则将坝体表面状态配置为GKq；其中，q为坝体表面状态的种类编号，GKq为编号为q的坝体表面状态，Kf(q)为第q种坝体表面状态对应的安全系数。根据坝体安全状况合理调整坝体表面的保温措施，无需待坝体表面开裂而加强保温，进而不存在试错成本，且可避免保温过度而产生较高成本。

此外，混凝土坝体临时面应力分析方法还包括：根据预测寒潮气温模拟计算寒潮期间的温度应力；根据温度应力计算坝体安全系数Kf；若安全系数Kf小于1.5，则发布预警，并加强坝体的保温。其中，每三分钟调取一次气温数据和太阳辐射数据，采用寒潮预警气温作为预测气温，并计算寒潮持续期间安全系数Kf的最小值，若在寒潮期间存在安全系数Kf小于1.5的情况，则进一步加强坝体保温措施，以避免寒潮期间坝体表面因局部温差而产生开裂。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。