简要信息

【获奖类型】应用特等奖
【任务来源】水利部水利科技创新项目
【课题编号】材-010583
【课题起止时间】2002年10月～2006年12月
【完成单位】结构所（研）
【主要完成人】朱伯芳、张国新、许  平、杨  波、贾金生、魏  群、吕振江、周剑峰、郑璀莹、刘  毅、胡  平、杨  萍、梁建文、张  翼、吴龙珅

    立项背景

    我国是混凝土坝大国，在建的混凝土坝，数量居世界之首，坝体高度也居世界首位，如在建的锦屏一级拱坝（高305m）、小湾拱坝（高292m）和溪洛渡拱坝（高278m）的高度均超过了目前世界最高的英古里拱坝（高272m）；在建的龙滩RCC重力坝（高210m）也是世界最高的RCC坝，一个国家同时兴建4座世界最高的混凝土坝是史无前例的。

    温度控制是保证混凝土高坝工程质量和进度的关键之一，国内外过去不少混凝土坝因施工中出现裂缝问题而造成被动局面，甚至被迫停工修补，有的工程因此延误工期达数年之久，有的工程因不能及时进行接缝灌浆而被迫推迟蓄水发电。因此，在混凝土高坝施工中，加强混凝土温度的实时监控和科学管理是十分必要的。

    影响高坝温度控制的因素主要包括：（1）温度控制措施（混凝土预冷、水管冷却、表面保温、层面冷却等）；（2）施工时的气候条件；（3）混凝土施工进度；（4）混凝土的热学和力学特性；（5）坝体接缝灌浆温度等等。由于实际施工时，控制条件与设计中的预计值之间存在差异，例如：混凝土浇筑进度提前或拖后，水泥或掺和料的特性有一定变化，气候条件发生变化等等，这些条件的改变对大坝温控的影响至关重要。此外，在设计中拟定的温控措施的实际效果，也难免会与当初的设想有一定的出入。
实际工程中，只在少数观测坝段埋设观测仪器，绝大多数坝块内没有观测仪器。当实际情况与当初预计有所不同时，一般难以及时发现并采取相应的措施，这正是实际工程中出现裂缝或接缝灌浆被迫推迟的重要原因。本研究成果的应用已使这些问题得以有效控制。其方法之一就是建立一个基于混凝土坝温控仿真的施工监控管理决策支持系统，在大坝施工过程中，对大坝的温度及应力状态不断地进行动态仿真和实时监控，根据工地不断变化的实际条件，适时调整温控措施，及时进行接缝灌浆前的坝体冷却，防止大坝出现危害性的裂缝，确保大坝工程质量和进度。

    过去在混凝土坝的施工过程中，实际条件有所改变时，其影响如何，事先难以预测，当实际施工结果达不到设计要求时，问题已经形成，难以改变。针对我国混凝土高坝建设的需要，本项目研发的高水平软件系统，在施工过程中，可了解大坝各坝块施工条件、温度、应力状态及各种温控措施的效果，并且在浇筑混凝土之前，根据当时实际条件，对施工期及运行期大坝温度及应力进行预报，如施工期或运行期坝体的温度和应力状态有问题，可及时发现并当机立断，采取适当措施予以补救，避免出现事故。本系统的运用，将使混凝土坝建设水平迈上一个新台阶。

    研究内容

    主要研究内容包括：

    （1）大坝温度场和应力场的现场仿真分析
    从浇筑第一方混凝土开始，根据现场实际施工进度、气候条件、材料特性及实际温控措施，仿真计算各坝块的实际温度场和应力场，可随时了解已浇混凝土的温度及应力状态及其变化规律。

    （2）大坝温度场和应力场的预报
    当施工达到一定阶段后，可根据当时已浇坝体的实际温度情况，按照预定计划，进行仿真分析，以预报完工后坝体的温度和应力状态，检查是否符合要求；当施工条件（材料特性、气候条件、温控措施、施工进度等）有所改变时，可根据新的条件及已浇坝体的实际情况，拟定几个施工方案，进行仿真计算，预报竣工后坝体温度与应力状态，从中选择一个满足要求的可行方案；在坝体接缝灌浆之前，根据已浇混凝土的实际温度进行仿真计算，预报达到灌浆温度所需时间，及时调整温控措施，保证大坝能够及时灌缝蓄水。

    （3）大坝温度场反分析
    室内试验求得的混凝土热学性能与实际情况往往有一定出入。根据现场实测混凝土温度，可对混凝土热学性能进行反分析。

    （4）大坝温度控制决策支持系统
    收集专家丰富的温控经验，根据仿真分析结果，提供温控咨询服务；本系统可考虑施工条件的变化（如施工进度的改变、气候条件及材料特性的改变等），根据拟定的几种不同的施工条件（包括混凝土浇筑层厚、间歇时间、混凝土预冷、表面保温、水管冷却、层面散热、混凝土热学与力学特性的改变、坝体孔口、混凝土自重、上下游面水压力等），用三维有限元完全模拟大坝施工过程，进行仿真计算，分析大坝温度的变化并进行显示和绘图，参照温控专家经验，为根据工地实际条件修改大坝温度控制措施和决定大坝灌浆进度提供决策支持。

    创新点

    主要创新点包括：

    （1）国内外第一个混凝土坝施工温控决策支持系统；

    （2）施工现场仿真的新型数据结构；

    （3）包括各种自动化功能在内的友好的用户界面；

    （4）完备的错误检查、错误信息显示及丰富的绘图功能。

    应用前景及社会经济效益

    本系统已成功用于浙江宁波鄞县周公宅拱坝施工期全坝整体仿真分析，该坝为我国华东第一高坝，坝高126.5m，共分23个坝段。仿真分析结果与实测温度吻合良好。

混凝土高坝施工温度控制决策支持系统主界面

某拱坝3#浇筑仓平均温度和最高温度过程线图

某拱坝施工期各坝段7月份坝体温度云图