[發明專利]一種用于混凝土壩中后期通水快速調控的方法

有效

• 申請號: 201410311743.0
• 申請日: 2014-07-02
• 公開（公告）號: CN104110008A
• 公開（公告）日: 2014-10-22
• 發明（設計）人: 黃耀英;周紹武;周宜紅
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: E02B1/00
• 分類號: E02B1/00
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 成鋼

1.一種用于混凝土壩中后期通水快速調控的方法，其特征在于：它包括如下步驟，首先建立混凝土壩中后期通水快速預測模型，然后基于混凝土澆筑倉實測溫度，動態更新混凝土壩中后期通水快速預測模型的重要項，以消除不確定性因素引起的誤差，然后動態預測待優選通水措施下未來若干天的溫度響應，以動態預測溫度響應和設計溫度監控指標建立目標函數，引入優化算法，從通水措施可行域空間中，優選獲得當前最優的通水措施，實時調控未來7－10天的通水冷卻，7－10天，再次獲得澆筑倉當前實測溫度，再次動態更新-預測-優化調控；

具體包括：1)中后期通水冷卻期間混凝土壩溫度快速預測模型：

為了對混凝土塊中后期通水冷卻期間進行快速、準確地溫度預測，必須采用一種計算工作量小的先驗性模型，由于在進行混凝土塊中后期通水冷卻時，大部分的水泥水化熱已經釋放完成，且上下游表面一般粘貼了保溫苯板，此時，水管水平間距、垂直間距、水管材質和混凝土熱力學性能也是已知的，即可以認為大壩混凝土的中后期冷卻僅是一個與通水水溫、通水流量和通水時間有關的復雜多因素問題；

混凝土澆筑倉內埋設冷卻水管進行通水冷卻，設等效冷卻直徑為D，長度為L，無熱源，混凝土初溫為T₀，進口水溫為T_w，則混凝土平均溫度可表示為：

T＝T_w+(T₀-T_w)φ?????????????????(1)

函數φ有如下兩種計算式

(1)函數φ計算式1

φ＝exp(-p₁τ^s)??????????????????(2)

其中，p₁＝k₁(a/D²)^s，k₁＝2.08-1.174ξ+0.256ξ²，s＝0.971+0.1485ξ-0.0445ξ²，ξ＝λL/(c_wρ_wq_w)，式中：a為混凝土導溫系數，D為澆筑倉水管等效冷卻直徑，λ為混凝土導熱系數，L為冷卻水管長度，c_w為冷卻水比熱，ρ_w為冷卻水密度，q_w為通水流量；

(2)函數φ計算式2

φ＝exp(-p₂τ)??????????????????(3)

其中，p₂＝k₂a/D²，k₂＝2.09-1.35ξ+0.320ξ²，式中：a、D和ξ含義同前，

當b/c≠100時，函數φ的計算式中的導溫系數a應采用等效導溫系數a′，對于水管材質為金屬水管，有

a′＝1.947(α₁b)²a???????????????????(4)

其中，α1b=0.926exp[-0.0314(bc-20)0.48],20≤bc≤130,]]>式中：b為等效冷卻半徑，c為金屬水管外半徑，

對于水管材質為塑料水管，有

a′=ln100ln(b/c)+(λ/λ1)ln(c/r0)a---(5)]]>

式中：λ₁為塑料水管的導熱系數，c為塑料水管外半徑，r₀為塑料水管的內半徑，其余符號含義同前，

當冷卻時間較大時，采用函數φ的計算式1，當冷卻時間不超過15天時，采用函數φ的計算式2，

當通水流量不變，采用多擋水溫進行冷卻時，混凝土的平均溫度采用下式計算

T＝T_wi+(T_i-T_wi)φ_i??????????????????(6)

式中：T_wi為第i擋通水溫度，T_i為第i-1擋水溫通水結束且第i擋水溫開始通水時的混凝土溫度，φ_i為第i擋水溫通水時的水冷函數，函數中的時間τ需要從0開始，

當通水水溫不變，采用多擋流量進行冷卻時，混凝土的平均溫度計算式與式(6)類同，同樣地，水冷函數中的時間τ需要從0開始；

2)混凝土壩中后期冷卻期間澆筑倉溫度動態預測模型

無熱源水管冷卻計算式隱含了等效冷卻直徑為D的混凝土棱柱體的外表面為絕熱邊界，以及假設了混凝土棱柱體的水化熱完全完成，處于無熱源狀態。由于中后期冷卻階段的混凝土澆筑塊并非無熱源狀態；另外，中后期冷卻階段的混凝土澆筑塊也不是絕熱狀態，外界環境溫度對混凝土塊內部的溫度仍然存在一定的影響，即直接采用無熱源水管冷卻計算式(6)進行中后期冷卻期間的混凝土澆筑倉溫度預測，效果不理想，動態更新無熱源水管冷卻計算式中的T_i，從而克服無熱源水管冷卻計算式溫度預測效果不理想的問題，可以準確地進行未來7-10天混凝土澆筑倉溫度信息的預測；

3)混凝土壩中后期通水冷卻快速調控方法的具體分析步驟

(1)當前溫度狀態及當前通水可行域獲得，首先獲得中期冷卻開始時或二期冷卻開始時的典型壩段各混凝土澆筑倉溫度T_i；然后根據工程經驗，確定通水水溫T_w、通水流量T_Q和通水時間T_t等通水措施的初始值；

(2)動態預測未來若干天的溫度響應，采用無熱源水管冷卻計算式，進行混凝土降溫曲線的計算，獲得各混凝土澆筑倉在通水措施取值組合下的冷卻最終溫度T_iend和最大日降溫速率

(3)將計算的中冷或二冷下的最終溫度和最大日降溫速率，與中冷或二冷設計目標溫度T_i^obj和合適的降溫速率的殘差平方和作為目標函數，由此建立的通水措施優化模型為

min f(Ti,Tw,TQ,Tt)=(Tiobj-Tiend)2+(T·iopt-T·imax)2---(7)]]>

s.t.Tw‾≤Tw≤Tw‾TQ‾≤TQ≤TQ‾Tt‾≤Tt≤Tt‾]]>

式中：T_w、分別為通水水溫T_w的上下限值，T_Q、分別為通水流量T_Q的上下限值，T_t、分別為通水時間T_t的上下限值；

(4)采用帶約束的優化算法優選獲得各倉混凝土優化的通水方案；

(5)對典型壩段處于中后期通水冷卻的每一個澆筑倉逐一進行分析，根據工程實際情況以及工程經驗，對優選出的通水措施略作調整，然后指導中后期通水冷卻。