碾压混凝土非绝热温升参数反演分析.pdf

第 3 2卷第 2期 2 0 1 1年 4月 华北水利水电学院学报 J o u r na l o f No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c Po we r Vo 】 3 2 No 2 Ap r 2 011 文章编号： 1 0 0 2 5 6 3 4( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 5 6 0 4 碾压混凝土非绝热温升参数反演分析 韩永林 ，陈守开 ，孙冬海 ，郭 磊 ( 1 渐江省水利水电建 筑监理公司， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 0 ； 2 华北水利水 电学院， 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ； 3 黑龙江农垦勘 测设 计研 究院 ， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 9 0 ) 摘要 ： 混凝土边界传热过程的确定是进行温度场和应力场仿 真分 析的关键 ， 是研究混凝 土结构温控防裂问 题 的重要方 面之 一 依托某工程 ， 进行碾压混凝土在非绝热状态下 的温度试验 ， 并获得实测数据 采用 改进遗 传算法作为数值 反演方法 ， 对实测数据进行 了温度场 的反演计算 ， 并将计算值与实测值进行了比较 ， 分析反演 结果 的合理性 ， 同时获得 了与工程条件相符 的不同物盖条件 下混凝土表 面和不 同尺 寸冷 却水管管壁 的等效 热交换 系数 ， 以供类似工程参考 关键词 ： 热交换 系数 ； 碾压混凝 土； 非绝热温 升试验 ； 改进遗传算法 混凝 土温度 场 的 确定 受诸 多 因素影 响 ， 其 中之 一 就是边界传热过程的给定 混凝土与流体接触边 界传热过程可定性地分为 3类 ： 给定混凝土边界 的温度 ， 且为 时间 的 函数 ， 可 表示 为 T= ( r ) ； 给 定混凝 土边界 的热 流密 度 ， 可 表 示 为 q= 一k a T O n = ( r ) ； 实际热交换过程 中， 混凝土边界的热流 量 与边界 温度相 关 ， 即与接 触面 温度差值 成正 比， 即 q=一k a T a n= ( T ) 。 在这 3类 边 界条 件 中， 第类边界条件的确定最为困难 ， 当混凝土表面 热交换 系数 JIl 一 +时 ， 混 凝 土 表 面边 界为 第 一类 边界 ； 而当 一O时， O T O n= 0 ， 此时， 混凝土表面为 绝热边界 由此 可知， 混凝土边界传热过程的确定关 键 在于 如何获 得混 凝土 的边界热 交换 系数 1 改进遗传算法 遗传算法是一种随机化全局优化搜索方法， 为 解决 最优 化 问题 提 供 了一 个 有 效 的 途 径 和 通 用 框 架 普通遗 传 算 法 的局 部 搜 索 能 力 低 ， 且 对 于 大 规模计 算量 时易 出现早 熟现象 因此 ， 笔者 利用改进 遗传算 法对 非绝 热温 升 试 验进 行 反演 分 析 ， 改进 遗 传算法 的思 路和 方法详 见文 献 6 2 碾压混凝土非绝热温升试验 2 1试验计 划和 内容 某 大 坝工 程 各 方 为 研 究 碾压 混 凝 土 配 合 比性 能 、 施工环境 条件及 温控 等 ， 进行 了一个 大型的碾压 混凝 土现场 试验 该试 验 块很 大 ， 被 分 割成 了 3 O多 个试验 区域 ， 分别进 行不 同 目的 的试 验 为 了考察水 管冷却 和表 面保温 效 果 ， 选 择 在 第二 升程 中心高 度 ( 即第二 升程 的第 1个碾 压层 与 第 2个碾 压层 的交 界面上) 布置冷却水管， 进行冷却水管效果的试验 ； 在 原位抗剪 层仓 面各 区覆 盖不 同厚度 的大坝保温被 进行保温效果的试验 冷却水管只布置在试验块 的 第二 升程 区 的平 面 范 围 内 ， 有 3根 不 同 型号 的塑 料质水 管 ， 为 了考察 水管 的冷却效果 ， 在 3根水 管周 围共 布置 1 1 个 测点 在 原位抗剪 层仓 面的 6个 区分 别 采用 不 同厚 度 的大坝 保 温被 进 行保 温 ， 且在 大 坝 保 温被覆 盖前在 仓面先覆 盖 1 层不 透气 的农 用塑料 膜 ， 且每个分区布置 2个测点， 共 l 2个测点 对应分 区的测点 布置如 图 1所示 2 2温度 数据采 集及整理 在试 验块施工 期 ， 每 隔一定 的时 间用 温度巡检 收稿 日期 ： 2 0 1 10 2一o 3 基金项 目： 国家 自然科 学基金重点项 目( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) 作者 简介 ： 韩 永林 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 河南信阳人 ， 高级工程师 ， 主要从事水电工程监理方面的研究 第 3 2卷第 2期 韩永林 ， 等 ： 碾压混凝 土非绝热温升参数反演分析 5 7 ，水管1 ， 水管2 水管3 Pl ，P2 P 5 ， P 6 区 区 区 PS P 9 P4 P1 0 切缝线 P 3 P 7 P 1 l 区 区 区 2 0 碾压层 分层线 温度试验区 分 区线 ：2 0 7 50 0 7 5 1 0 0 0 1 0 0 0 7 50 0 7 5 区 B 9 、 B 1 O 区堇 B 5 、 B 6 区 B 1 、 B 2 ：2 L 0 7 5 0 7 5 1【 x 】 0 1 0 0 O 7 5。 0 7 5 隧 B 1 l 、 B 1 区 B 7 、 B 8 B 3 、 B 4 区 堇 一 1 50 O0 l 50 0n 一 截面水管和测点布置 一 截 面分 区和测点布置 图 1碾 压 混 凝 土试 验 块 、 温 度 试 验 区 、 水 管 及 测 点 ( 单 位 ： m) 仪 对各 测点 温度 测 1次 ， 同时 监 测 记 录周 围环 境 温 度及 风速情 况 具体 记 录 时 间 为 ： 入 仓 温 度 测 1次 ， 浇筑后 的前 3天每 3 h测 1次 ， 第 4 6天 每 6 h测 1 次 ， 第 7 1 5天每 1 2 h测 1次 ， 此后 每 天 测 1 次 ， 测 量 总历 时为 2 8 d 遇到 气温 骤 降时恢 复每 3 h观测 1 次 开始 时段 、 最高 温 时段 和龄期 71 0 d时 的温 度 过程 线上 的 “ 低温 拐 弯 区 ” 时 段 应 每 3 h测 1 次 ， 以 提 高观测 工 作 的精 度 根据 试验 安排 ， 试 验块 不 同升 程 不 同分 区采用 了不 同标 号 的碾 压 混 凝 土 ， 其 中用 于 温控试 验 的有 ： 试验 段第 二 升程 区模 拟 大坝 R I 区采用 三 级 配 c 2 5碾 压 混 凝 土浇 筑 ； 原 位 抗 剪 层 区、 区 、 区模拟 大坝 R I 区采用 三级配 c 。 。 2 5 碾压混凝土浇筑 ； 原位抗剪层 区、 区、 区模拟 大坝 R I I 区采 用二 级 配 C 。 。 2 0碾 压 混凝 土浇 筑 各 分 区混凝 土材 料 的热 力学 特性 已根 据 试 验 确 定 ， 因此 该 次试 验 的 目的主 要 是 确定 混 凝 土 边 界 传 热 系 数 ， 即不 同尺寸 水管 的 管壁 热交 换 系数 、 不 同厚 度 大 坝 保温被 的等 效 热交换 系数 3 反演模 型与计算 3 1 反演计 算模 型 反 演计 算 的 网格模 型如 图 2所示 ， 网格节 点 总 数 2 5 8 9 6 ， 单 元 总数 2 2 0 8 3个 根 据 试 验 块 结 构 型 式 ， 采 用 8节 点 等参单 元 进行 网格 剖分 工作 对 于第 二升程区及原位抗剪层 ， 剖分时加密 网格 与其 临 近 的其他 区域采 用 线 性 过 渡 网格 ， 而 与其 较 远 的部 分采 用粗糙 网格 此 外 在 水 管 和 测 点 位 置进 一 步 加 密 网格 反 演计 算 时采用 改进 遗传算 法 ， 计算过 程模 型不 同升 程不 同 区域 的 浇 筑 时 间 ， 且计 算 时 的各 区 碾 压混凝 土绝 热 温升 、 导 热 系数 和 导 温 系数 均 由试 验 确定 图 2试验块反演计算网格 3 2反演 结果 及分 析 将现 场实 测 的温度 数 据 ( 包 括气 温 和进 出 口水 温 ) 作 为 已 知 条件 输 入 到 反 演 程 序 ， 经过 反 复 的优 化计 算 ， 得 到 了一组 最 优参数 ， 见 表 1 将 反演 获 得 这 些参 数 进 行 温度 场 的仿 真计 算 ， 并将计算结果与实测数据相 比较， 并结合考虑现场 温控 措施 的实 施情 况 ， 可 以看 出 ： a 由图 3可 以看 出 ， 3 0 d龄 期 内实 测 最 高气 温 3 5 5 6 ， 最低气温 1 8 0 0 ， 且实测一天 内最 大温差 达 1 7 0 o 这一方 面说 明 了原位 抗剪层各 分 区保 温 效果越差 、 表层测 点 的温 度波 动 越大 的原 因； 另一 方 面给保温力 度较 低 的表 面传 热 系数 的辨识 带来 了一 定的难度 ， 毕竟计算机还不能完全模拟工程实际情况 5 8 华北水利水 电学院学报 2 0 1 1 年 4月 时 1 日 J d 图 3 6月 3 日至 7月 2 E l 实 测气 温 b 由图4可知 ， 由于第二升程 区试验块 内水 管 较短 ， 流速较 大 ， 进 出 口温 差 相差 不 大 ， 最 大 时也 仅 2 0 0 ， 最 小的仅 0 3 0 但 由于水管 在通水过 程 中有过 停水现 象 ， 而 且通水水 温 随龄期变 幅较大 ， 最 高 2 5 5 0 ， 最低 1 7 O O c c 这给 管壁传热 系数 的 反演 辨识带 来 了一定 的难 度 ， 增加 了反演 计 算 的寻 优时 间 ， 同时也对算 法 寻优能力 提 出了新 的考验 c 由图 4和 图 5可 知 ， 利 用反 演 所 得 的参 数 计 3 0 2 5 赠 2 O l 5 触 r 一 进 口水 温； 十 出 口水温 O 2 4 6 8 1 o l 2 时间 d f a )进出 口水温 龄期， d ( C )第二升程区水管2 控制点P 6 算 得到 的温度值 ( 即反演 值 ) 与现 场实 测 温度相 比， 其 温升规 律能够保 持 一致 ， 除 了部 分 测 次偏 离较 大 外 ， 大部分测 次温 度值 都 较接 近 ， 吻合 较 好 ， 这 说 明 了反演 所得 的参数 具有 较 好 的可 靠性 ， 可应用 于 碾 压混凝土大坝施工的温控仿真预报工作中 d 由图 5可知 ， 原位 抗 剪层 各 分 区保 温力度 越 好 ， 混凝 土温度 随气温 的变化 幅度就越小 ， 反演效果 也就越好 浇筑初期 由于外界平均气温高于混凝土 温度 ， 因此 ， 保温力 度小 的控制测点 温度高 于保 温力 度 大的控制 测点 温度 ， 不过 只要将 实 测 气温 作为 已 知 条件 ， 这并 不影 响反 演计算 过程 e 在缺乏试 验 数据 的 情况 下 ， 有 必要对 碾 压 混 凝土边界参数进行反演计算 ， 毕竟混凝土边界传热 过程相当复杂 ， 加之工程现场复杂多变的气候条件 ， 很难采 用理论方 法获得 与工程现 场相符 的结果 龄期，d ( b )第二升程区水管1 控制点P 2 龄期 d ( d )第二升程区水管3 控制点P I O 图 4 水 管控制测点反演值与试验值结果比较