含冷却水管混凝土坝温度计埋设位置优选.pdf

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1、第３期水利水运工程学报Ｎｏ．３２０１７年６月ＨＹＤＲＯ⁃ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＪｕｎ．２０１７ＤＯＩ：１０．１６１９８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００９－６４０Ｘ．２０１７．０３．０１３高俊，黄耀英，万智勇，等．含冷却水管混凝土坝温度计埋设位置优选［Ｊ］．水利水运工程学报，２０１７（３）：９３－９８．（ＧＡＯＪｕｎ，ＨＵＡＮＧＹａｏｙｉｎｇ，ＷＡＮＺｈｉｙｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅｔｔｉｎｇｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅｄａｍｗｉｔｈｃｏｏｌｉｎｇｗ

2、ａｔｅｒｐｉｐｅｓ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏ⁃ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７（３）：９３－９８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））含冷却水管混凝土坝温度计埋设位置优选高俊，黄耀英，万智勇，殷德胜，袁斌（三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌４４３００２）摘要：在水工混凝土坝温控过程中，以温度计实测温度表征混凝土浇筑仓的平均温度，则可方便准确地监控混凝土浇筑仓的温度。结合１．０ｍ×１．０ｍ，１．５ｍ×１．５ｍ，１．０ｍ×１．５ｍ，２．０ｍ×１．５ｍ四种典型水管间距的混凝土棱柱体模型，首先采用水管冷却有限元法进行温度场仿真计算，接着选取

3、含冷却水管混凝土模型典型截面，并通过引入四边形１２节点等参单元来简化获取截面内任意点温度，然后建立温度计位置优选模型，最后采用优化算法求解获得最优的温度计几何位置。算例分析表明，在混凝土浇筑仓内存在多个位置的温度历程与浇筑仓平均温度历程接近，１．０ｍ×１．５ｍ截面的温度计位置分布近似为线性分布，其他截面为抛物线分布。在这些位置处埋设温度计，所测温度可较好地表征浇筑仓的平均温度，供温度监控参考。关键词：混凝土坝；浇筑仓；冷却水管；温度控制；埋设位置中图分类号：ＴＶ６４２文献标志码：Ａ文章编号：１００９－６４０Ｘ（２０１７）０３－００

4、９３－０６［１－３］水管冷却是大体积混凝土温度控制的重要措施。由于水管冷却时产生的温度场十分复杂，它实际上是一把双刃剑，既可有效降低混凝土温度，但若降温速率过快，又会引起混凝土严重开裂。针对这个问题，［４］朱伯芳提出了“小温差、早冷却、缓慢冷却”的通水冷却原则。目前，该通水冷却原则在高混凝土坝工程中得到广泛应用。例如，针对溪洛渡特高拱坝，设计单位根据拱坝混凝土温度防裂特点，将水管冷却分为３期［５］（１期、中期和２期）９个阶段，并设计给出了分期冷却温度过程线（简称：设计温控过程线），每个阶段严格控制目标温度和温度变化速率等，施工单位

5、按设计温控过程线进行通水冷却，获得了良好的温控防裂效果。由于混凝土浇筑仓尺寸较大，一般厚１～３ｍ，横河向宽２０ｍ左右，顺河向长２０～６０ｍ不等。实际施工时，每个混凝土浇筑仓至多埋设１～２支温度计。在温控实践过程中发现，由于混凝土浇筑仓在通水冷却期间的温度场十分复杂，而封拱温度一般是指混凝土浇筑仓平均温度，如何对混凝土浇筑仓平均温度进行实时监测是一个重要问题。分析设计温控过程线可知，混凝土最高温度、冷却目标温度、封拱温度和降温速率等，均是针对混凝土浇筑仓平均温度而言，即设计温控过程线是混凝土浇筑仓的平均温度历程。显然，在混凝土浇筑仓

6、中如何埋设温度计，使实测温度能够表征混凝土浇筑仓的平均温度为工程建设单位所关注，但该问题尚未见有关文献报导。本文拟采用优化算法和水管冷却有限元法相结合，探讨含冷却水管混凝土坝中温度计位置的分布规律。１温度计埋设位置优选原理１.１水管冷却有限单元法计算原理水管冷却效果的模拟是含冷却水管大体积混凝土温度场仿真分析的一个难点。目前，分析混凝土坝水收稿日期：２０１６－０３－２８基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２０９１２４）作者简介：高俊（１９８９—），男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事大坝安全监控研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：１０９５７３

7、２６８３＠ｑｑ．ｃｏｍ通信作者：黄耀英（Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｙａｏｙｉｎｇ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ）９４水利水运工程学报２０１７年６月管冷却效果主要有两种计算模型：水管冷却有限元法和水管冷却等效热传导法。水管冷却有限元法是在水管附近布置密集的有限元网格，以反映水管附近很大的温度梯度，采用迭代法计算水管水温与混凝土进行热交换而导致沿程水温逐渐增大，从而获得温度场；而水管冷却等效热传导法则把冷却水管看成热汇，在平均意义上考虑水管冷却的效果，不需要在水管附近布置密集的有限元网格，采用通常的网格即可获得温度场。水管冷却有限元法的计算原理和水

8、管冷却等效热传导法计算原理在文献［１，６－８］中有详细叙述，不再赘述。为了获得精度良好的含冷却水管混凝土浇筑仓的温度分布，采用水管冷却有限元法仿真计算的温度场更符［９－１０］［７］合实际情况，为此，采用ＶｉｓｕａｌＦｏｒｔｒａｎ编制的水管冷却有限元