[发明专利]一种用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法

摘要

一种用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法，它包括如下步骤，首先建立混凝土坝中后期通水快速预测模型，然后基于混凝土浇筑仓实测温度，动态更新混凝土坝中后期通水快速预测模型的重要项，以消除不确定性因素引起的误差，然后动态预测待优选通水措施下未来若干天的温度响应，以动态预测温度响应和设计温度监控指标建立目标函数，引入优化算法，从通水措施可行域空间中，优选获得当前最优的通水措施，实时调控未来若干天的通水冷却，若干天后，再次获得浇筑仓当前实测温度，再次动态更新-预测-优化调控。本发明建立了一种快速、准确且计算工作量小的温度动态预测模型，温度动态预测模型的建立为温控措施的快速优选的实现提供了可行性。

主权项

一种用于混凝土坝中后期通水快速调控的方法，其特征在于：它包括如下步骤，首先建立混凝土坝中后期通水快速预测模型，然后基于混凝土浇筑仓实测温度，动态更新混凝土坝中后期通水快速预测模型的重要项，以消除不确定性因素引起的误差，然后动态预测待优选通水措施下未来若干天的温度响应，以动态预测温度响应和设计温度监控指标建立目标函数，引入优化算法，从通水措施可行域空间中，优选获得当前最优的通水措施，实时调控未来7－10天的通水冷却，7－10天，再次获得浇筑仓当前实测温度，再次动态更新‑预测‑优化调控；具体包括：1)中后期通水冷却期间混凝土坝温度快速预测模型：为了对混凝土块中后期通水冷却期间进行快速、准确地温度预测，必须采用一种计算工作量小的先验性模型，由于在进行混凝土块中后期通水冷却时，大部分的水泥水化热已经释放完成，且上下游表面一般粘贴了保温苯板，此时，水管水平间距、垂直间距、水管材质和混凝土热力学性能也是已知的，即可以认为大坝混凝土的中后期冷却仅是一个与通水水温、通水流量和通水时间有关的复杂多因素问题；混凝土浇筑仓内埋设冷却水管进行通水冷却，设等效冷却直径为D，长度为L，无热源，混凝土初温为T₀，进口水温为T_w，则混凝土平均温度可表示为：T＝T_w+(T₀‑T_w)φ                 (1)函数φ有如下两种计算式(1)函数φ计算式1φ＝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为混凝土导温系数，D为浇筑仓水管等效冷却直径，λ为混凝土导热系数，L为冷却水管长度，c_w为冷却水比热，ρ_w为冷却水密度，q_w为通水流量；(2)函数φ计算式2φ＝exp(‑p₂τ)                  (3)其中，p₂＝k₂a/D²，k₂＝2.09‑1.35ξ+0.320ξ²，式中：a、D和ξ含义同前，当b/c≠100时，函数φ的计算式中的导温系数a应采用等效导温系数a′，对于水管材质为金属水管，有a′＝1.947(α₁b)²a                   (4)其中，${\mathrm{\α}}_{1}b=0.926\exp [-0.0314{(\frac{b}{c}-20)}^{0.48}],20\≤\frac{b}{c}\≤130,$式中：b为等效冷却半径，c为金属水管外半径，对于水管材质为塑料水管，有$a^{\′}=\frac{\ln 100}{\ln (b/c)+(\mathrm{\λ}/{\mathrm{\λ}}_1)\ln (c/r_0)}a---\left(5\right)$式中：λ₁为塑料水管的导热系数，c为塑料水管外半径，r₀为塑料水管的内半径，其余符号含义同前，当冷却时间较大时，采用函数φ的计算式1，当冷却时间不超过15天时，采用函数φ的计算式2，当通水流量不变，采用多挡水温进行冷却时，混凝土的平均温度采用下式计算T＝T_wi+(T_i‑T_wi)φ_i                  (6)式中：T_wi为第i挡通水温度，T_i为第i‑1挡水温通水结束且第i挡水温开始通水时的混凝土温度，φ_i为第i挡水温通水时的水冷函数，函数中的时间τ需要从0开始，当通水水温不变，采用多挡流量进行冷却时，混凝土的平均温度计算式与式(6)类同，同样地，水冷函数中的时间τ需要从0开始；2)混凝土坝中后期冷却期间浇筑仓温度动态预测模型无热源水管冷却计算式隐含了等效冷却直径为D的混凝土棱柱体的外表面为绝热边界，以及假设了混凝土棱柱体的水化热完全完成，处于无热源状态。由于中后期冷却阶段的混凝土浇筑块并非无热源状态；另外，中后期冷却阶段的混凝土浇筑块也不是绝热状态，外界环境温度对混凝土块内部的温度仍然存在一定的影响，即直接采用无热源水管冷却计算式(6)进行中后期冷却期间的混凝土浇筑仓温度预测，效果不理想，动态更新无热源水管冷却计算式中的T_i，从而克服无热源水管冷却计算式温度预测效果不理想的问题，可以准确地进行未来7‑10天混凝土浇筑仓温度信息的预测；3)混凝土坝中后期通水冷却快速调控方法的具体分析步骤(1)当前温度状态及当前通水可行域获得，首先获得中期冷却开始时或二期冷却开始时的典型坝段各混凝土浇筑仓温度T_i；然后根据工程经验，确定通水水温T_w、通水流量T_Q和通水时间T_t等通水措施的初始值；(2)动态预测未来若干天的温度响应，采用无热源水管冷却计算式，进行混凝土降温曲线的计算，获得各混凝土浇筑仓在通水措施取值组合下的冷却最终温度T_iend和最大日降温速率(3)将计算的中冷或二冷下的最终温度和最大日降温速率，与中冷或二冷设计目标温度T_i^obj和合适的降温速率的残差平方和作为目标函数，由此建立的通水措施优化模型为$\min f(T_i,T_w,T_Q,T_t)={({T_i}^{\mathrm{obj}}-T_{\mathrm{iend}})}^2+{({{\stackrel{\·}{T}}_i}^{\mathrm{opt}}-{\stackrel{\·}{T}}_{i\max })}^2---\left(7\right)$$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{\‾}{T_w}\≤T_w\≤\stackrel{\‾}{T_w}\\ \underset{\‾}{T_Q}\≤T_Q\≤\stackrel{\‾}{T_Q}\\ \underset{\‾}{T_t}\≤T_t\≤\stackrel{\‾}{T_t}\end{array}\right.$式中：T_w、分别为通水水温T_w的上下限值，T_Q、分别为通水流量T_Q的上下限值，T_t、分别为通水时间T_t的上下限值；(4)采用带约束的优化算法优选获得各仓混凝土优化的通水方案；(5)对典型坝段处于中后期通水冷却的每一个浇筑仓逐一进行分析，根据工程实际情况以及工程经验，对优选出的通水措施略作调整，然后指导中后期通水冷却。