CN103741692A - 一种大体积混凝土的智能通水方法及使用该方法的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大体积混凝土的智能通水方法，该方法包括步骤：（1）开始；（2）将含气象、水文、材料、施工信息的历史数据存储到数据库，作为基础数据资料；（3）根据不同的材料分区，采用有限元方法确定不同分区混凝土的理想温度过程线；（4）混凝土浇筑后，实时记录通水水温、流量、混凝土内部温度、天气预报信息，将这些信息发送至数据库；（5）根据步骤（4）所提供的实时水温、流量、混凝土内部温度、天气预报及理想温度过程线计算各仓下一阶段的通水冷却流量；（6）将通水冷却流量的指令下达至通水系统，完成通水冷却流量的自动调控；（7）通水结束。还提供了一种大体积混凝土的智能通水系统。

Description

一种大体积混凝土的智能通水方法及使用该方法的系统

技术领域

本发明属于水利水电工程、核电工程、港口工程的技术领域，具体地涉及一种大体积混凝土的智能通水方法，以及使用该方法的系统。

背景技术

大体积混凝土的温控防裂问题长期困扰着工程建设者，而通水冷却是温控防裂的一项重要措施，传统意义上通水冷却方式采用人工通水的方式，该种方式存在以下问题：（1）通水调节依靠人工，耗时费力；（2）通水冷却过程中，某一时段采用固定的水温及流量，不能够实现通水的实时调节，降温速率不能够有效的保证；（3）通水数据及通水过程的真实性受人的主观意识形态影响较大，不能够保证通水数据的真实性与及时性。

基于此，随着自动化监测技术、GPS技术、无线传输技术、网络与数据库技术、信息挖掘技术、数值仿真技术、自动控制技术的迅速发展，提出了大体积混凝土智能通水系统及方法，该系统及方法基于理想化温控的施工要求，运用统一的信息平台和实时自动入库的实测数据，运用经过率定和验证的预测分析模型，自动预测下一时段目标温度，同时给出通水冷却流量指令，通过自动控制设备自动调节完成下一个时段的通水流量控制。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种准确预测下一时段的目标温度、自动精确地控制下一个时段的通水流量的大体积混凝土的智能通水方法。

本发明的技术解决方案是：这种大体积混凝土的通水方法，该方法包括以下步骤：

（1）开始；

（2）将含气象、水文、材料、施工信息的历史数据存储到数据库，作为基础数据资料；

（3）采用有限元方法，根据不同的混凝土材料分区计算出各区混凝土的理想温度过程线；

（4）混凝土浇筑后，实时记录通水水温、流量，混凝土内部温度、天气预报信息，将这些信息发送至数据库；

（5）根据步骤（4）的实测信息及公式（1）-（6）预测第二天混凝土通水流量：

T₁(t)=T_w+(T₀-T_w)e^-pt+θ₀Ψ(t)+ΔT_外界               （1）

其中混凝土的温度为T_w，混凝土初温为T₀，绝热温升为θ₀f(τ)，进口水温为T_w，

p=p₂=k₂ga/D²                  （2）

式中g为重力加速度，a为水管导温系数，D为水管直径；

k₂=2.09-1.35ξ+0.320ξ²           （3）

$\mathrm{\Δerf}\left(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}\right)=\mathrm{erf}(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}-\mathrm{erf}(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}\left(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j+\mathrm{\Δ}{t}_j}}\right))---\left(5\right)$

式中：

du为误差函数，h水管至混凝土表面的距离，a为导温系数；

式中：(T₁(t)-T₀)≤Δt,Δt为要求混凝土降温速率，根据计算确定，一般一冷不大于0.5℃/天，中冷及二冷阶段不大于0.3℃/天；

已知ΔT，ΔT_外界，T₁(t)，可求出ξ，则通过 $q_w=\frac{\mathrm{\λL}}{c_w{\mathrm{\ρ}}_w\mathrm{\ξ}}---\left(6\right)$

式中q_w为通水流量，λ为沿程损失系数，L为管长，c_w为水的比热，ρ_w为水的密度；求出预测通水冷却流量。

（6）将通水冷却流量的指令下达至通水系统，完成通水冷却流量的自动调控；

（7）通水结束。

还提供了一种大体积混凝土的智能通水系统，该系统包括流量计、可调谐电动球阀、温度传感器、温度流量测控单元、服务器；温度传感器安装在进水管内和大体积混凝土内部，流量计和可调谐电动球阀串接在冷却水管的主水管管路中，流量计、可调谐电动球阀、温度传感器通过总线连接器连接到温度流量测控单元，温度流量测控单元经中继路由器通过无线网络将信息传送给监控服务器，监控服务器具有存储信息的数据库并通过无线数据接收器接收来自温度流量测控单元的信息，监控服务器将处理后的信息指令经过温度流量测控单元发送给可调谐电动球阀。

本方法及系统具有以下优点：（1）通过对大体积混凝土内部温度的精准预测可有效实现混凝土内部温度的预知，为下一时段温控措施提供依据；（2）通过本系统对混凝土通水设备的自动精准控制，可实现混凝土内部温度的可控，使得混凝土内部温度按照理想化温度进行控制；（3）通过本方法及系统可有效防止混凝土由于温控原因而发生危害性裂缝的可能。

附图说明

图1示出了根据本发明的理想温度过程线一；

图2示出了根据本发明的理想温度过程线二；

图3示出了根据本发明的大体积混凝土的通水系统的结构示意图；

图4示出了根据本发明的大体积混凝土的通水系统的一个优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

这种大体积混凝土的智能通水方法，该方法包括以下步骤：

（1）开始；

（2）将含气象、水文、材料、施工信息的历史数据存储到数据库，作为基础数据资料；

（3）根据不同的材料分区，采用有限元方法确定不同分区混凝土的理想温度过程线；

（4）混凝土浇筑后，实时记录通水水温、流量，混凝土内部温度、天气预报信息，将这些信息发送至数据库；

（5）根据步骤4及公式（1）-（6）计算预测第二天混凝土

T₁(t)=T_w+(T₀-T_w)e^-pt+θ₀Ψ(t)+ΔT_外界              （1）

其中混凝土的温度为T_w，混凝土初温为T₀，绝热温升为θ₀f(τ)，进口水温为T_w，

p=p₂=k₂ga/D²                 （2）

式中g为重力加速度，a为水管导温系数，D为水管直径；

k₂=2.09-1.35ξ+0.320ξ²            （3）

$\mathrm{\Δerf}\left(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}\right)=\mathrm{erf}(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}-\mathrm{erf}(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}\left(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j+\mathrm{\Δ}{t}_j}}\right))---\left(5\right)$

式中：为误差函数，h水管至混凝土表面的距离，a为导温系数；

式中：(T₁(t)-T₀)≤Δt,Δt为要求混凝土降温速率，根据计算确定，一般一冷不大于0.5℃/天，中冷及二冷阶段不大于0.3℃/天；

已知ΔT，ΔT_外界，T₁(t)，可求出ξ，则通过 $q_w=\frac{\mathrm{\λL}}{c_w{\mathrm{\ρ}}_w\mathrm{\ξ}}---\left(6\right)$

式中q_w为通水流量，λ为沿程损失系数，L为管长，c_w为水的比热，ρ_w为水的密度；求出预测通水冷却流量；

（6）将通水冷却流量的指令下达至通水系统，完成通水冷却流量的自动调控；

（7）通水结束。

如图3所示，还提供了一种大体积混凝土的智能通水系统，该系统包括流量计、可调谐电动球阀、温度传感器、温度流量测控单元、服务器；温度传感器安装在进水管内和大体积混凝土内部，流量计和可调谐电动球阀串接在冷却水管的主水管管路中，流量计、可调谐电动球阀、温度传感器通过总线连接器连接到温度流量测控单元，温度流量测控单元经中继路由器通过无线网络将信息传送给监控服务器，监控服务器具有存储信息的数据库并通过无线数据接收器接收来自温度流量测控单元的信息，监控服务器将处理后的信息指令经过温度流量测控单元发送给可调谐电动球阀。此外，如图4所示，还提供了这种大体积混凝土的通水系统的一个优选实施例的结构示意图。

本方法及系统具有以下优点：（1）通过对大体积混凝土内部温度的精准预测可有效实现混凝土内部温度的预知，为下一时段温控措施提供依据；（2）通过本系统对混凝土通水设备的自动精准控制，可实现混凝土内部温度的可控，使得混凝土内部温度按照理想化温度进行控制；（3）通过本方法及系统可有效防止混凝土由于温控原因而发生危害性裂缝的可能。

优选地，流量计是LWGY-25型涡轮流量计，温度传感器是LN-TC型数字温度传感器，总线连接器是LN2026-L型总线连接器，温度流量测控单元是LN2026-TK型智能动态温度流量测控单元，中继路由器是LN2026-J型中继路由器，无线数据接收器是LN2026-R型无线数据接收器。

以下更详细地说明本发明的实施例。

考虑大体积混凝土温度控制特点，在已有温控实践经验的基础上，研究各种坝型的温度场、温度应力分布规律，提出不同部位、不同材料分区、不同季节浇筑的混凝土的理想温度控制曲线模型。理想温度控制曲线具有同等温控标准条件下温度应力最小的特点。

1）理想温度过程线一

对于无横缝灌浆要求的大体积混凝土，可采用附图1所示的理想温度过程线，图中Tm、Tc1、Tc2可通过各个工程的温控技术要求获得或通过应力仿真计算获得,不同的月份对应不同的浇筑温度、最高温度等温控要素。

2）理想温度过程线二

对于有中期冷却、二期冷却要求的大体积混凝土，一般为具有灌浆要求的重力坝或拱坝可采用附图2所示的理想温度过程线，图中Tm、Tc1、Tc2及Td的确定根据各个工程的温控技术要求或通过应力仿真计算获得不同的月份对应不同的浇筑温度、最高温度等温控要素。

混凝土智能通水冷却参数预测模型

该模型的主要功能是根据理想温度过程线已知降温目标的条件下预测通水水温和流量。该模型需考虑绝热温升、温度梯度及降温速率等多种因素。

考虑外表绝热的圆柱体，直径为D，长度为L，混凝土初温为T₀，进口水温为T_w,绝热温升为θ(τ)=θ0f(τ)，在绝热温升和水管冷却的共同作用下，柱体平均温度为

考虑外表绝热的混凝土圆柱体，直径为D，长度为L，混凝土初温为T₀，进口水温为T_w，绝热温升为θ(τ)=θ₀f(τ)，在绝热温升和水管冷却的共同作用下，混凝土平均温度为

把φ(t)=e^-pt代入（1）式，得到

$T_1\left(t\right)=T_w+(T_0-T_w)e^{-\mathrm{pt}}+{\∫}_0^t{e}^{-p(t-\mathrm{\τ})}\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(2\right)$

p=p₂=k₂ga/D²                                           （3）

φ（t）=e^-kt                               （4）

k₂=2.09-1.35ξ+0.320ξ²                         （5）

现在分析式（13）右边第三项，即

$T_3\left(t\right)={\∫}_0^t{e}^{-p(t-\mathrm{\τ})}\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(6\right)$

下面按三种情况，分别进行分析。

1）指数型绝热温升

θ(τ)=θ₀(1-e^-mτ)                           （7）

代入式（6），得到

T₃(t)=θ₀Ψ(t)                             （8）

式中 $\mathrm{\Ψ}\left(t\right)=\frac{m}{m-p}(e^{-\mathrm{pt}}-e^{-\mathrm{mt}})---\left(9\right)$

2）双曲线型绝热温升

θ(τ)=θ₀τ/(n+τ)                            （10）

代入式（6），得到T(t)=θ₀Ψ(t)，而

$\mathrm{\Ψ}\left(t\right)={\mathrm{npe}}^{-p(n+t)}\{\frac{e^{\mathrm{pn}}}{\mathrm{np}}-\frac{e^{p(n+1)}}{p(n+1)}+E_i\left(\mathrm{pn}\right)-E_i[p(n+t)\left]\right\}---\left(11\right)$

式中 $E_i\left(\mathrm{px}\right)=\∫\frac{e^{\mathrm{px}}}{x}\mathrm{dx}$

在一般条件下，设混凝土初温为T₀，绝热温升为θ₀f(τ)，进口水温为T_w，则混凝土平均温度按下式计算

T₁(t)=T_w+(T₀-T_w)e^-pt+θ₀Ψ(t)+ΔT_外界                       （12）

其中混凝土的温度为T_w，混凝土初温为T₀，绝热温升为θ₀f(τ)，进口水温为T_w，

p=p₂=k₂ga/D²                         （13）

式中g为重力加速度，a为水管导温系数，D为水管直径；

k₂=2.09-1.35ξ+0.320ξ²               （14）

考虑温度梯度,即上下层温差的影响，混凝土的温度为Tw，水管距离混凝土的表面距离为h，则外界温度在水管附近引起的温度增量为：

$\mathrm{\Δerf}\left(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}\right)=\mathrm{erf}(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}-\mathrm{erf}(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}\left(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j+\mathrm{\Δ}{t}_j}}\right))---\left(16\right)$

式中：

为误差函数，h水管至混凝土表面的距离，a为导温系数。

T₁(t)=T_w+(T₀-T_w)φ(t)+θ₀Ψ(t)+ΔT_外界

式中：(T₁(t)-T₀)≤Δt,Δt为要求混凝土降温速率，根据计算确定，一般一冷不大于0.5℃/天，中冷及二冷阶段不大于0.3℃/天。

已知ΔT，ΔT_外界，T₁(t)，可求出ξ，则通过 $q_w=\frac{\mathrm{\λL}}{c_w{\mathrm{\ρ}}_w\mathrm{\ξ}}---\left(17\right)$

式中q_w为通水流量，λ为沿程损失系数，L为管长，c_w为水的比热，ρ_w为水的密度；求出预测通水冷却流量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种大体积混凝土的智能通水方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）开始；

（2）将含气象、水文、材料、施工信息的历史数据存储到数据库，作为基础数据资料；

（3）根据不同的材料分区，采用有限元方法确定不同分区混凝土的理想温度过程线；

（4）混凝土浇筑后，实时记录通水水温、流量、混凝土内部温度、天气预报信息，将这些信息发送至数据库；

（5）根据步骤（4）通水水温、流量、混凝土内部温度、天气预报等信息及公式（1）-（6）计算第二天混凝土通水流量：

T₁(t)=T_w+(T₀-T_w)e^-pt+θ₀Ψ(t)+ΔT_外界                 （1）

其中混凝土的温度为T_w，混凝土初温为T₀，绝热温升为θ₀f(τ)，进口水温为T_w，

p=p₂=k₂ga/D²                 （2）

式中g为重力加速度，a为水管导温系数，D为水管直径；

k₂=2.09-1.35ξ+0.320ξ²          （3）

$\mathrm{\Δerf}\left(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}\right)=\mathrm{erf}(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}-\mathrm{erf}(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}\left(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j+\mathrm{\Δ}{t}_j}}\right))---\left(5\right)$

式中：

du为误差函数，h水管至混凝土表面的距离，a为导温系数；

式中：(T₁(t)-T₀)≤Δt,Δt为要求混凝土降温速率，根据计算确定，一般一冷不大于0.5℃/天，中冷及二冷阶段不大于0.3℃/天；

已知ΔT，ΔT_外界，T₁(t)，可求出ξ，则通过 $q_w=\frac{\mathrm{\λL}}{c_w{\mathrm{\ρ}}_w\mathrm{\ξ}}---\left(6\right)$

式中q_w为通水流量，λ为沿程损失系数，L为管长，c_w为水的比热，ρ_w为水的密度；求出预测通水冷却流量；

（6）将通水冷却流量的指令下达至通水系统，完成通水冷却流量的自动调控；

（7）通水结束。

2.一种大体积混凝土的智能通水系统，其特征在于：该系统包括流量计、可调谐电动球阀、温度传感器、温度流量测控单元、服务器；温度传感器安装在进水管内和大体积混凝土内部，流量计和可调谐电动球阀串接在冷却水管的主水管管路中，流量计、可调谐电动球阀、温度传感器通过总线连接器连接到温度流量测控单元，温度流量测控单元经中继路由器通过无线网络将信息传送给监控服务器，监控服务器具有存储信息的数据库并通过无线数据接收器接收来自温度流量测控单元的信息，监控服务器将处理后的信息指令经过温度流量测控单元发送给可调谐电动球阀。

3.根据权利要求2所述的大体积混凝土的智能通水系统，其特征在于：流量计是LWGY-25型涡轮流量计，温度传感器是LN-TC型数字温度传感器，总线连接器是LN2026-L型总线连接器，温度流量测控单元是LN2026-TK型智能动态温度流量测控单元，中继路由器是LN2026-J型中继路由器，无线数据接收器是LN2026-R型无线数据接收器。

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