混凝土高坝施工期温度与应力控制决策支持系统

年月水利学报第卷第期收稿日期基金项目水利部科技创新项目作者简介朱伯芳江西余江人中国工程院院士长期从事水工结构研究文章编号混凝土高坝施工期温度与应力控制决策支持系统朱伯芳张国新许平吕振江中国水利水电科学研究院结构材料研究所北京宁波市周公宅水库建设开发有限公司浙江宁波摘要本文建立了混凝土高坝施工期温度与应力控制决策支持系统该系统包括大坝温度场仿真子系统大坝温度场反分析子系统大坝温度徐变应力仿真分析子系统大坝温度场和应力场预报子系统以及大坝温度控制决策支持子系统该系统可在大坝施工过程中根据实际施工条件和温控措施对全坝各坝块进行全过程仿真分析及时了解大坝各坝块的温度与应力状态以及各种温控措施的实际效果并可预报竣工后运用期的温度和应力状态本系统已成功应用于周公宅拱坝对混凝土坝在设计施工和运行期的安全评估发挥了重要作用关键词混凝土坝全过程仿真温度应力反分析决策支持系统中图分类号文献标识码研究背景温度控制防止裂缝接缝灌浆是保证混凝土高坝工程质量和进度的关键国内外过去不少混凝土坝因施工中出现裂缝问题而造成被动局面甚至被迫停工修补有的工程因此延误工期达数年之久有的工程因不能及时进行接缝灌浆而被迫推迟蓄水发电对于混凝土高坝在施工过程中加强混凝土温度的实时监控和科学管理是十分必要的对混凝土高坝而言影响高坝温度控制的因素较多包括温度控制措施混凝土预冷水管冷却表面保温层面冷却等施工时的气候条件混凝土施工进度混凝土的热学和力学特性坝体接缝灌浆温度等由于在实际施工时有的条件与设计中的预计值相比难免有所变化例如混凝土浇筑进度提前或拖后水泥或掺和料的特性有一定变化气候条件发生变化等等这些条件的改变对大坝温控的影响是至关重要的此外在设计中拟定的温控措施的实际效果也难免会与当初的设想有一定的出入过去在混凝土坝施工的过程中往往没有对这些条件的变化进行细致的监测和分析并及时采取相应的措施这正是实际工程中出现裂缝或接缝灌浆被迫推迟的重要原因随着计算技术水平的提高目前已有可能改变过去的局面变被动为主动其办法之一就是建立一个基于混凝土坝温控仿真的施工监控管理决策支持系统在大坝施工过程中对大坝的温度及应力状态不断地进行动态仿真和实时监控根据工程不断变化的实际条件适时调整温控措施以防止大坝裂缝及时进行接缝灌浆前的坝体冷却确保大坝工程进度过去在混凝土坝的施工过程实际条件有所改变时其影响如何事先难以预测当实际施工结果达不到设计要求时已铸成事实难以改变作者针对我国混凝土高坝建设的需要开发出本文软件系统从混凝土浇筑开始在整个施工过程中根据实际的大坝施工状态气候条件和温控措施对全坝各坝块进行仿真分析和实时监控可及时了解大坝各坝块温度和应力状态及温控措施的实际效果并可预报大坝竣工后在长期运行期中的温度和应力状态如施工期或运行期坝体的温度和应力状态有问题可及时发现并采取适当措施予以补救避免出现事故本文系统的运用将使混凝土坝建设水平上一个新台阶本系统的研制按下述基本思路进行广泛调研实际工程的具体需求昀大限度地满足实际工程的需要面向用户采用对用户友好的界面不惜花费了大量人力和时问研制较完善的前处理和后处理程序用户只要填写少量数据就可由计算机自动生成计算网格及计算所需数据文件经过计算后自动输出各种温度和应力的图表曲线如图及图所示按软件工程原理进行研制先进行需求分析和系统的总体设计然后进行各子系统的设计和调试贯彻理论联系实际的原则系统研制后期在周公宅拱坝工程中具体应用昀大限度地方便系统的运行在正常运行中每周只需上机一次将上周气候条件各新浇筑块的有关数据填入计算机就可自动运算通过联网当地及外地工程各有关单位均可及时了解本工程混凝土浇筑混凝土温度场和应力场的有关情况图系统前处理计算流程图系统后处理计算流程计算原理温度场计算热传导方程为式中为温度为时间为绝热温升为导温系数在空间域用等参数有限元离散得到基本方程矩阵的元素如下式中表示对与结点有关的单元求和为形函数为单元积分子域为第三类边界上积分子域再在时间域采用差分法离散得到式中为时的结点温度列阵为向前差分为向后差分?为中点差分本系统采用向后差分计算中可考虑实际气候条件的变化及各种温控措施如混凝土预冷水管冷却表面保温拆模仓面喷雾层面流水等应力场计算采用三维有限元增量法计算施工过程中的应力基本方程为式中为刚度矩阵为结点位移增量列阵下标代表第个时段为外荷载引起的结点荷载增量为徐变引起的结点荷载增量为温度变化引起的荷载增量为自生体积变形引起的荷载增量为几何矩阵为弹性矩阵为温度变形增量为自生体积变形增量坝体纵横接缝用节理单元模拟破坏准则为带昀大拉应力的摩尔库仑准则岩体采用带昀大拉应力的准则混凝土采用五参数准则混凝土与岩体被拉开用分布裂缝模拟混凝土被压碎则令相应的单元弹性模量取零值图系统结构与功能系统的主要功能如图所示本系统包括如下功能大坝温度场和应力场全过程仿真功能从浇筑大坝第一方混凝土开始直到大坝竣工投入运行完全按照各坝段各浇筑层的实际浇筑时间实际材料参数实际气候条件实际温控措施和接缝灌浆进度进行三维有限元温度场和应力场仿真计算本系统输出成果包括任意时间大坝已浇筑的实际体形任意时间的温度状态和应力状态任意点的温度和应力变化过程线大坝温度场反分析功能在施工过程中对混凝土热学性能表面保温效果等进行反分析求出混凝土实际的热学性能及表面保温实际效果大坝温度及应力预报功能如施工中发现问题需要改变施工进度和温控措施可拟定几个不同方案以当时大坝已浇筑好的混凝土的实际温度场和应力场为起点根据预定的施工进度及温控措施进行仿真计算可预报各坝块以后从施工期到运行期任意时间的温度场和应力场从而考查预定的温控措施的效果大坝温度控制决策支持功能搜集整理了国内外专家的设计施工和温控经验规程规范设计施工准则及工程实例分类整理可在计算机上检索根据仿真分析结果提供温控咨询服务实际工程中施工条件施工进度及温控措施与设计中假定的情况难免有所变化本系统可考虑施工条件的变化如施工进度的改变气候条件及材料特性的改变等根据拟定的几种不同的温度控制措施包括混凝土浇筑层厚间歇时间混凝土预冷表面保温水管冷却层面散热混凝土热学与力学特性的改变坝体孔口混凝土自重上下游面水压力等用三维有限元完全模拟大坝施工过程对施工期和运行期进行仿真计算分析大坝温度和应力的变化并进行显示和绘图参照决策支持系统提供的资料为根据工地实际条件修改大坝施工及温度控制措施和制定大坝灌缝进度作出合理决定建立运行平台和综合数据库对如图子系统和各种数据进行综合管理本系统在混凝土坝的设计施工和运行阶段均可发挥重要作用在周公宅拱坝工程中的应用周公宅水库位于浙江宁波鄞县大皎溪干流上库容亿以供水防洪为主兼有发电效益挡水坝为双曲拱坝昀大坝高顶拱弧长是华东地区第一高坝大坝混凝土总量约万全坝分为个坝段混凝土浇筑从年月开始年月底结束年月底坝体接缝灌浆结束混凝土高坝施工温度控制决策支持系统应用于周公宅拱坝获得成功完全按照实际施工状态进行了从浇筑第一方混凝土开始至坝体竣工投入运行的全过程温度场和应力场的仿真计算图为年月的温度云图图为年月全坝第一主应力云图图为年月各坝段顺河向应力云图本工程只在施工初期出现很少几条表面裂缝其后未出现裂缝图周公宅拱坝年月日的温度云图单位图周公宅拱坝年月日大坝整体第一主应力云图单位图周公宅拱坝年月日各坝段顺河向应力云图单位结语影响混凝土坝温度控制的因素较多实际施工时与设计中预计的条件相比有些条件难免有所改变另外设计中拟定的温控措施的实际效果也难免与当初的设想有一定的出入过去在施工中没有对这些条件的变化进行分析并及时采取措施这正是实际工程中出现裂缝的重要原因作者建立了混凝土高坝施工仿真与温控防裂决策支持系统根据实际施工条件和温控措施对全坝各坝块进行全过程仿真分析可及时了解各坝块的温度与应力状态以及各种温控措施的实际效果并可预报运行期的温度与应力状态如施工期或运行期有问题可及时发现本系统具有强大的预报功能在发现温度或应力状态有问题后可以现有的温度场和应力场为起点拟定几种不同的补救方案按照预定的施工进度和施工条件预报后来的温度和应力状态在咨询系统的帮助下及时选定较好的技术措施把问题消灭于萌芽状态本系统对混凝土坝在设计阶段施工阶段和运行期的安全评估都可发挥重要作用致谢参加研制工作的还有杨波梁建文张翼周剑峰魏群吴龙　李　郭之章等参考文献朱伯芳混凝土坝温度控制与防止裂缝的现状与展望水利学报朱伯芳建设高质量永不裂缝拱坝的可行性及实现策略水利学报朱伯芳大体积混凝土温度应力与温度控制北京中国电力出版社朱伯芳有限单元法原理与应用第二版北京中国水利水电出版社朱伯芳张国新许平等混凝土高坝施工温度控制决策支持系统开发总结报告北京中国水利水电科学研究院朱伯芳许平张国新混凝土高坝施工温度控制决策支持系统使用手册北京中国水利水电科学研究院张翼许平混凝土高坝施工温度控制决策支持系统软件测试报告北京中国水利水电科学研究院张国新梁建文吕振江混凝土高坝施工温度控制决策支持系统系统应用范例周公宅拱坝仿真分析北京中国水利水电科学研究院责任编辑王冰伟水利学报编辑部在线办公系统试运行公告尊敬的作者水利学报编辑部在线办公系统将于年月日起试运行自年月日以后我刊将全面采用网上投稿系统作者可通过登陆本刊网站进行投稿本刊网站地址特此公告水利学报编辑部