基于VC的大体积混凝土智能通水系统开发研究

王 恺 李同春 陈祖荣 程 井

（1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.中国水利水电第十六工程局有限公司，福州 350003）

温度控制、防止裂缝是保证大体积混凝土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进度滞后等不利局面.因此，对大体积混凝土坝而言，寻求高质量的温控措施，保证施工期混凝土温度控制的实效性是十分重要的［1－2］.

结合实际施工考虑，影响大体积混凝土坝温度控制的因素较多［3］.与设计时预计的数值相比，这些因素在实际施工中总会出现程度各异的不同，例如混凝土的力学和热力学参数有一定变化，施工工艺的不同和人员操作造成的材料参数变化，气候条件发生变化等.此外，设计时所拟定的温控措施的实际效果，也难免会与设计有一定的不同，例如冷却水温度随气温的变化，冷却水流量的不均匀，冷却管路的热传导参数误差等.

在实际工程中，施工期没有准确把握这些因素的实时差异并及时采取措施，成为了施工期混凝土坝体出现温度裂缝的重要原因.面对这样的现状，如果能建立一个大体积混凝土智能通水系统，在施工期对大体积混凝土的温度及应力状态不断地进行动态仿真，根据不断变化的实际条件，根据设定的温控标准，对温控措施主要是冷却水通水即时提出合理地修正意见，将会有效地防止施工期大体积混凝土的温度裂缝，确保工程质量及工程进度［4］.

1 系统功能

本系统是一种混凝土通水冷却实时反馈分析及仿真预测系统（以下简称温控数据处理系统），通过用户输入必要参数，实现以下功能：1）自动建立考虑水管布置的混凝土浇筑块有限元模型；2）基于冷却水管精细算法进行混凝土施工期温度场计算分析；3）基于实测数据进行温度场反馈分析和确定性参数反演分析.

2 开发原理

用微软基础类库MFC 强大的界面设计能力，构建可视化的信息处理界面.界面的整体框架图如图1所示（方形框表示数据信息，椭圆形框表示分析过程）.系统会根据用户设置的加载信息、模型控制信息、材料信息等数据，对混凝土浇筑块进行有限元仿真分析.待浇筑工作完成一定时间后，根据预埋传感器获得的温度场实测数据，对几个重要的热力学参数［5］进行参数反演，如混凝土导温系数α、表面散热系数β、绝热温升θ等.最后，用经过反演分析而得到修正后的参数，再次对混凝土浇筑块进行有限元仿真分析，得到更为准确的仿真结果.采用由这些功能构成的流程，为一定阶段温控方案的评价和修正提供参考［6－7］.

图1 界面整体框架图

利用VC＋＋的结构化编程，编写针对仿真分析用混凝土浇筑块体的有限元模型自动生成程序，生成的模型文件可以直接由可视化处理软件Tecplot或者有限元前后处理软件GID 打开，也可以按需要改写成其他常用软件对应格式的文件.

3 系统功能模块

3.1 混凝土浇筑块信息管理模块

本模块的主要功能有两方面.一方面，记录用户设置的各项计算参数、边界条件、加载信息等数据，并按照有限元计算程序的需要存储至一系列数据文件.另一方面，根据记录的模型控制信息，自动生成浇筑块的有限元模型.通过一系列的对话框，使数据的录入和读取直观和方便.以下将分别介绍各对话框涵盖的信息.

3.1.1 混凝土加载信息对话框

如图2所示：左侧的ditime表示步长，单位为d；nstep表示步数.右侧的TA、TW、TR 分别表示气温、冷却水温、入仓温度.其中，气温和冷却水温若设为常数，则填写；若为曲线，则根据变化规律，在对应的数据文件中将变化规律修改成三角曲线或者折线.

图2 混凝土加载信息对话框

3.1.2 混凝土有限元模型控制对话框

如图3所示：左侧的X、Y、Z 分别表示浇筑块沿正交坐标系三坐标轴方向的尺寸定义，单位为m；diameter表示冷却水管直径，单位为mm；NDiv控制水管周边网格剖分，表示在管壁附近网格加密的层数.右侧的nX、nY、nZ 表示浇筑块沿正交坐标系三坐标轴方向的网格剖分控制数.

图3 混凝土有限元模型控制对话框

3.1.3 材料信息对话框

如图4所示：上侧的Density、Young＇s Modulus、Poisson Ratio分别表示材料密度、弹性模量、泊松比；下侧的Heat Conductivity、Specific Heat（Water）、Adiabatic Temp.Rising T0 分别表示比热容（冷却水）、导热系数、T＝at／（b＋t）型绝热温升曲线的两个参数.

图4 材料信息对话框

3.2 计算分析模块

本模块的功能是，调用自编有限元程序GeHo－Madrid，对混凝土浇筑块信息管理模块自动建立的有限元模型，针对温度场进行有限元仿真分析.由于没有经过参数反演，仿真结果准确性不足，故仅用做定性的规律分析.

3.3 反演分析模块

本模块的功能是，根据计算分析模块的计算结果和传感器实测值（监测模块的传感器将测点的实时温度实测值以Excel格式保存），基于遗传算法，对几个敏感系数较高的热力学参数进行反演分析.需要反演的热力学参数一般包括：混凝土的导温系数和绝热温升参数、浇筑块表面散热系数、冷却水管等效表面放热系数等.从时间上，根据施工过程，每浇筑或碾压一层混凝土，进行一次热力学参数反演；从空间上，采用合理的传感器布置方案，在准确反演热学参数，得到真实温度场数据的前提下，尽量减少传感器的布置量.

3.4 混凝土温控状态预测模块

本模块的功能是，根据反演分析模块修正后的计算参数，导入计算分析模块再一次进行计算，得到新的混凝土温度场及温度应力场的仿真分析结果.根据实际需要，得到一定龄期后的混凝土浇筑块热力学性态数据，作为后续对温控方案进行调整优化的参考［8］.

4 实验应用

为了验证系统工作流程中各个功能，评价系统的实际效果，决定通过实验来达到评价目的.设计采用长方体混凝土浇筑块进行混凝土施工期的通水冷却效果实验［9－10］，采用本系统对浇筑块温度场进行有限元仿真分析，结合实测值进行热力学参数反演.

4.1 实验综述

设计混凝土浇筑块的尺寸为600mm×600mm×1 800mm，用以模拟冷却水管间距为600mm 的情况下，施工期大体积混凝土的温度状态.冷却水管采用目前大体积混凝土工程温控措施中普遍应用的PVC管，管径为32mm.水管出入水口布置在两端的600mm×600mm 平面形心.浇筑块全外表面包裹保温被，以模拟大体积混凝土内部近似绝热的不良导温状态.

有限元分析时采用六面体单元.考虑到冷却水管周边，温度梯度较大，为了更加准确地计算其温度场，系统自动生成有限元模型时，对混凝土与水管相邻处的网格进行局部加密.

4.2 浇筑块温度场仿真分析与反演分析

通过设定试件尺寸和剖分选项，系统自动生成有限元模型（见图5）.该模型节点个数为2 652，单元个数为2 112.

图5 试件有限元模型

绝热温升系数和导温系数的测定与通水冷却实验同步进行.实验测得混凝土绝热温升系数为a＝46、b＝0.6，导温系数为0.003 791 7m2／h，应用计算分析模块对试件的有限元模型进行仿真分析，得到试件龄期19d（通水停止）的温度场仿真值.

由于本实验旨在测试系统的可用性，故仅就混凝土导温系数进行反演.在预埋的温度传感器中，选取位置最有代表性的3个，位置如图6所示（截面1、2均垂直于水管轴线，且与轴线的交点为轴线长度的四等分点），温度实测值如图7所示.

分别将传感器A、B、C处温度的实测值及仿真值导入反演分析模块进行分析，得到混凝土导温系数的反演值为0.051 65m2／h.由于此处采用的是针对混凝土导温系数的单参数反演，相对而言具有一定局限性，试验各环节的其他参数误差（如绝热温升系数误差、表面散热系数误差、仪器误差、操作误差等）无法客观体现，而是集中体现在被反演的单一参数上，故导致反演前后参数值相差较大.在验证系统可用性后，应针对反演算法加以改进.

使用反演后的导温系数，通过混凝土温控状态预测模块的计算，分别得到试件龄期为0.5d、1d、4d、9 d这4个时间步的温度场仿真值，分布云图如图8～11所示.

将3个传感器各自的T 实测值、T 仿真值［初始导温系数］、T 仿真值［反演后导温系数］3 个时程曲线做成比较图，如图12～14 所示.通过比较可以看出，经过了针对混凝土导温系数的反演计算，使用修正后的导温系数计算得到的浇筑块仿真值更接近实测值，修正效果明显，符合实际规律.

通过本次实验，本系统针对浇筑块施工期温度场的仿真分析、反演分析工作能力得到了验证.在此构架的基础上，可以通过下阶段的开发工作进一步完善系统，使之能够更准确地分析更复杂的温控问题.

5 结论与展望

1）温控数据处理系统可以直观地反映混凝土浇筑块的几何信息、加载信息、材料信息，具备考虑参数反演的有限元仿真分析功能，实现对本阶段温控方案的评价，便于及时发现不良温度状态并采取对策.

2）结合实际施工情况考虑，日后在进行大体积混凝土温控可视化开发的同时，可以以模型实验与实际坝体的相似关系为切入点进行研究.可以根据这方面研究的结论，在坝体浇筑的同时，同步进行若干根据相似关系设计的通水实验，用以反映不同块区混凝土的温度场情况，并通过本系统决定该块区混凝土的通水方案.如果实现这个思路，可以大大简化对浇筑块整体的监测工作，提高效率，降低成本.

3）由于此版本系统的开发初衷是结合混凝土通水实验进行验证式的试运行，所以系统的实用性和功能性存在一定的局限性，需要日后进一步完善.具体来讲，在实用性方面，自动建立的有限元模型中会添加与实际工程一致的S型冷却水管，用户只需设置水管间距、入水口位置、每层水管根数，即可生成带有S型水管的浇筑层有限元模型；各个浇筑层的空间定义拓展为梯形断面，更加符合实际；反演分析部分应寻找更有效的算法和软件，实现多参数反演.在功能性方面，根据准确的仿真分析结果，评价分析前阶段温控措施，同时给出下阶段温控措施的调整方案；进行广泛的技术调研，依托成熟的软硬件交互技术，实现温控方案的自动调整，从而实现系统的智能化.

［1］ 朱伯芳.混凝土坝温度控制与防止裂缝的现状与展望［J］.水利学报，2006，37（12）：1424－1432.

［2］ 朱伯芳.建设高质量永不裂缝拱坝的可行性及实现策略［J］.水利学报，2006，37（10）：1155－1162.

［3］ 朱伯芳.大体积混凝土结构温度应力与温度控制［M］.北京：中国水利出版社，1998.

［4］ 朱伯芳，张国新，许 平，等.混凝土高坝施工期温度与应力控制决策系统［J］.水利学报，2008，39（1）：1－6.

［5］ 韩 燕，黄达海.基于混凝土施工过程的温控参数敏感性分析［J］.水电科技进展，2003（1）：55－60.

［6］ 李洋波，黄达海.高拱坝施工的温控数据库系统［J］.武汉大学学报：工学版，2008，41（4）：52－55.

［7］ 李洋波，黄达海，黄 玮，等.溪洛渡拱坝温控数据库的功能［J］.水电站设计，2008，24（4）：105－107.

［8］ 中华人民共和国水利部.碾压混凝土坝设计规范（SL314－2004）［S］.北京：中国水利水电出版社，2004.

［9］ 中华人民共和国国家发展和改革委员会.水工混凝土配合比设计规程（DL／T5330－2005）［S］.北京：中国水利水电出版社，2005.

［10］中华人民共和国水利部.水工混凝土试验规程（SL352－2006）［S］.北京：中国水利水电出版社，2006.