混凝土壩溫度應力實時反饋仿真系統研究

張 磊，彭松濤，田德智，李 進，石子明，王世軍

(1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.華電西藏能源有限公司大古水電分公司，西藏拉薩856200；3.華能西藏雅魯藏布江水電開發投資有限公司，西藏拉薩850000；4.四川省綿陽武都引水工程建設管理局，四川綿陽621000)

0 引 言

水利水電工程正朝著大規模方向發展，施工手段多樣，施工速度快，但施工過程中混凝土的裂縫是一個帶有普遍性的問題，因此有“無壩不裂”的說法。國內國外都有不少施工期或運行期出現嚴重裂縫的例子，有的工程因此延誤工期達數年之久，被迫推遲蓄水發電；有的大壩因為裂縫嚴重影響安全和正常使用，甚至報廢。在大壩裂縫事故中，大部分是由溫度應力引起，尤其是施工期內的裂縫。

目前，大壩施工期和運行早期的裂縫問題主要是通過施工期的溫度控制[1]來解決，因此，在混凝土壩施工中，加強混凝土溫度的實時監控[2，3]和科學管理分析是十分必要的。為了保障施工質量，實時跟蹤并分析施工過程中混凝土大壩溫度過程和應力變化，及時了解當前施工情況并對今后的情況進行預測，可以及時發現問題，及時采取措施，調整施工方案，對確保工程質量是相當有指導意義的。早年，由于仿真計算手段的落后，施工過程的模擬很復雜等原因，很難實現實時的溫度應力仿真分析及反分析。隨著計算機及網絡技術的發展、數據庫技術的應用以及施工模擬計算方法等的突破，進行實時的溫度應力仿真分析及反分析已經不是可望不可及的事情了。

本文提出了一種基于數據庫的溫度應力實時仿真分析及反分析系統。該系統基于數據庫中實時自動采集到的各種數據，這些數據通過自動化和半自動化的采集設備，將混凝土澆筑過程中的溫控要素信息實時采集到數據庫，這些信息包括出機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、溫度溫度、降溫速率、通水水溫、通水流量、氣溫、太陽輻射熱等。

1 系統的技術方案及系統架構

溫度應力實時仿真分析及反分析系統是利用數據庫技術、高性能計算技術以及網頁編程等技術構建數據采集分析模塊，實時采集數據庫中的可用數據，對數據進行處理分析形成計算數據文件；進一步構建仿真計算模塊，通過調用SapTis[4]仿真計算軟件在各種體系結構的計算平臺進行溫度應力的計算；然后通過構建智能反分析模塊進行溫度的反饋分析，并進一步計算得到真實的溫度和應力；最后通過后處理模塊實現計算結果的可視化、直觀化展示，并根據安全系數值進行安全預警。

整個系統分為4個子系統(如圖1所示)，分別是數據采集分析子系統、高效能仿真計算子系統、智能反分析子系統以及后處理分析預警子系統。每個子系統都作為一個模塊，組成整個溫度應力實時仿真分析及反分析系統，系統數據流程如圖2所示。系統具有實時、自動化、智能化及直觀化的特點，可以實現混凝土澆筑現場施工質量的實時、智能、快速分析和反分析，以及結果的直觀展示和安全預警。

圖1 系統架構示意

圖2 系統模塊和數據流程

系統采用3層B/S架構設計。①表現層。為數據采集層，以網頁的形式分布，系統管理界面、數據管理、成果的圖表展示、預警信息等。表現層將系統的操作界面與系統的功能實現分離開來。②應用層。包括WEB服務器和應用服務器以及中間件技術的實現。應用系統的業務邏輯實現層是系統的核心部分，接收來自表現層的功能請求，是實現各種業務功能的邏輯實體，這些邏輯實體在實現上表現為數據庫的觸發器及存儲過程及各種功能組件如調用SapTis計算組件，反分析控制組件及結果處理組件等。③數據層。存放并管理各種信息，采用SQLserver數據庫，實現對各種數據庫和數據源的訪問，也是系統訪問其它數據源的統一接口?；贐/S模式的3層體系結構將表示層、應用邏輯、數據資源層分布到不同的單元中，使系統具有良好的擴展性，可支持更多的客戶，可根據訪問量動態配置WEB服務器、應用服務器，系統容易擴展且維護簡單，安全性好，代碼可重用性好。

2 系統設計

2.1 數據采集分析子系統

數據采集分析子系統主要通過數據庫技術獲取可用數據，并自動將各種數據處理分析，形成SapTis仿真計算需要的數據文件。主要數據文件及實現方法如下：

(1)網格信息文件mesh.sap。主要包括單元、節點、荷載、邊界、澆筑分層等信息。選定澆筑倉，確定模擬的倉號，通過系統可以形成mesh.sap文件，這個文件包括仿真計算所需的計算網格數據以及邊界條件和初始條件信息。由于生成mesh.sap需要一些列的處理工作，這些工作通過批處理實現形成mesh.sap的程序執行流程。

(2)澆筑信息文件sup-step.sap。包括混凝土澆筑分層、時間步長信息等。選定澆筑倉后，系統可以輸出澆筑時間和高程，讀取mesh.sap通過澆筑時間對每個倉的整個計算時間歷程進行分段，每個倉的澆筑時間為一個起點，以這個起點進行標準化的細分，細分過程根據溫控計算的精度要求采用規定的程式方法。

(3)材料參數信文件els-para.sap。包括線脹系數、變模、泊松比、容重、徐變、自生體積變形、MgO等信息。系統中保存了各種材料參數信息。選擇計算區域后，系統根據各計算區域的信息生成各種材料的材料參數信息文件。

(4)冷卻信息文件temp-para.sap。包括水化熱過程、比熱、導熱散熱系數等熱學參數以及水管各期冷卻參數。從系統中獲取每倉的實際冷卻信息及計劃澆筑信息，自動生成冷卻信息文件。冷卻期數限制為10期，每倉一個水管信息表，將各期的起始時間及相應的參數作簡單運算對號入座。

(5)邊界條件信息文件temp-bdy3.sap。包括各計算時步的氣溫、水溫、水位、沙位等邊界條件。系統可以根據氣溫信息和水溫信息通過嵌入輔助程序輸出成所需文件，實現該文件的生成。

(6)水溫文件temp-water.sap。該文件通過讀取數據庫中水溫信息生成。

(7)縫單元信息文件joint-mesh.sap。包括縫的本構模型、節點號及縫單元信息等。通過嵌入縫單元搜索程序，系統生成所需格式的joint-mesh.sap文件。

(8)灌漿信息文件grouting-step.sap。系統可以根據灌漿進度信息以及sup-step.sap文件，通過嵌入程序搜索灌漿時間對應的澆筑步數實現該文件的生成。

(9)其他計算輔助信息control文件。通過讀取數據庫中已有設置數據生成。

同時，為了配合反分析子系統的運行，數據采集分析子系統能夠提供反分析子系統運行需要的數據文件。

2.2 高效能仿真計算子系統

該系統通過調用SapTis仿真計算軟件在各種體系結構的計算平臺進行溫度應力的計算。系統中集成了SapTis仿真計算軟件，該子系統運行前，首先將數據采集分析子系統中形成9個數據文件以及SapTis可執行程序打包，之后通過管理模塊將此程序包以計算任務的方式提交到中間層應用服務器上，應用服務器根據需要可以是單臺服務器或者工作站，也可以是服務器集群或者多核SMP并行機，任務提交后，SapTis程序可以采用串行和并行[5- 6]兩種計算模式，計算模式通過表現層數據管理界面進行設置。此外管理模塊可以將計算得到的結果傳遞給智能反分析模塊或者將數據存儲到數據層的數據庫中。圖3為系統的計算任務提交調度過程。

圖3 計算任務調度過程

2.3 智能反分析子系統

系統自動對混凝土當前溫度進行反饋分析，根據設定的反分析溫度誤差進行相關參數調整，直到滿足誤差要求。反分析誤差根據混凝土本身的冷卻過程以及歷史關鍵時刻確定，每倉混凝土采用倉中間和靠近倉上游面的2個點的實測溫度過程為依據，每天1個溫度測值。冷卻過程根據溫度過程的轉折點分為一期冷卻溫升階段、一期冷卻降溫階段、一期冷卻控溫階段、中期冷卻降溫階段、中期冷卻控溫階段、二期冷卻降溫階段、二期冷卻控溫階段等，歷史關鍵時刻主要是實測溫度過程各轉折點時刻，包括最高溫度出現時刻、一期冷卻末時刻、中期冷卻開始時刻、中期冷卻結束時刻、二期冷卻開始時刻、二期冷卻結束時刻以及其他溫度曲線有轉折時刻。各冷卻過程的平均誤差為±0.5℃，各歷史關鍵時刻的誤差為±0.5℃，每次反饋計算需同時滿足這兩個誤差要求反饋計算才可以結束。

圖4是一個標準的溫度過程曲線，只有一期冷卻和中期冷卻，那么反饋分析子系統需要根據每次仿真計算的誤差判斷是否需要調整溫控參數，繼續進行仿真計算。圖4中，Tm為最高溫度；Tc1為一期冷卻目標溫度；Tc2為中期冷卻目標溫度；D1為達到最高溫度時刻；D2為達到一期冷卻目標溫度時刻；D3為達到中期冷卻目標溫度時刻；D4為控溫結束時刻。

圖4 標準溫度過程曲線

圖5 后處理結果示意

各個冷卻階段的誤差為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，rfk、rfj、rmj、rmk分別為一期控溫階段誤差、一期降溫階段誤差、中期降溫階段誤差、中期控溫階段誤差；Tic、Tim分別為每天的計算溫度和每天實測溫度。

各關鍵時刻計算誤差為

rm=Tmc-Tmm

(5)

rc1=Tc1c-Tc1m

(6)

rc2=Tc2c-Tc2m

(7)

rfc2=Tfc2c-Tfc2m

(8)

式中，rm、r1c、rc2、rfc2分別為D1、D2、D3、D4時刻的誤差；Tmc、Tc1c、Tc2c和Tfc2c分別為計算最高溫度、計算一期冷卻目標溫度、計算中期冷卻目標溫度和中期冷卻控溫結束時刻計算溫度；Tmm、Tc1m、Tc2m和Tfc2m代表實測最高溫度、實測一期冷卻目標溫度、實測中期冷卻目標溫度和中期冷卻控溫結束時刻實測溫度。每次反饋計算綜合考慮關鍵時刻的誤差正負值以及過程誤差的正負值對相應部位的冷卻參數進行調整，逐步實現反饋計算的收斂。

2.4 后處理分析及預警子系統

后處理模塊從數據庫讀取相關計算結果，對結果數據進行分析和處理，實現計算結果的可視化、直觀化展示，并根據安全系數值進行安全預警。后處理分析的功能通過內嵌后處理程序實現對數據的可視化輸出，通過批處理命令實現后處理圖表的自動生成，通過網頁內嵌圖形模塊實現在系統中顯示。輸出顯示包括溫度過程曲線、應力過程曲線、安全系數過程曲線、最高和最低溫度包絡圖及云圖、最大和最小應力包絡圖及云圖、安全系數包絡圖和云圖、典型位置溫度和應力對比表等。系統的另一個功能是智能化的進行各部位安全系數的分析，同設定的允許安全系數對比，輸出安全系數不達標位置坐標信息并在表示層進行預警。

3 結 論

溫度應力實時仿真分析及反分析系統可應用在混凝土壩以及其他混凝土工程的施工中，旨在加強混凝土溫度的實時監控和科學管理。本系統可以實時跟蹤并分析施工過程中混凝土的溫度過程和應力變化，及時了解當前施工情況并對今后情況進行預測，可以及時發現問題，及時采取措施，調整施工方案，保障施工質量。該系統使混凝土施工過程監控變得自動化、智能化、科學化和簡單化，提高了施工過程的監控效率，具有很大的推廣價值。