張 磊，彭松濤，田德智，李 進(jìn)，石子明，王世軍

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038；2.華電西藏能源有限公司大古水電分公司，西藏拉薩856200；3.華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司，西藏拉薩850000；4.四川省綿陽武都引水工程建設(shè)管理局，四川綿陽621000)

0 引 言

水利水電工程正朝著大規(guī)模方向發(fā)展，施工手段多樣，施工速度快，但施工過程中混凝土的裂縫是一個帶有普遍性的問題，因此有“無壩不裂”的說法。國內(nèi)國外都有不少施工期或運行期出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫的例子，有的工程因此延誤工期達(dá)數(shù)年之久，被迫推遲蓄水發(fā)電；有的大壩因為裂縫嚴(yán)重影響安全和正常使用，甚至報廢。在大壩裂縫事故中，大部分是由溫度應(yīng)力引起，尤其是施工期內(nèi)的裂縫。

目前，大壩施工期和運行早期的裂縫問題主要是通過施工期的溫度控制[1]來解決，因此，在混凝土壩施工中，加強(qiáng)混凝土溫度的實時監(jiān)控[2，3]和科學(xué)管理分析是十分必要的。為了保障施工質(zhì)量，實時跟蹤并分析施工過程中混凝土大壩溫度過程和應(yīng)力變化，及時了解當(dāng)前施工情況并對今后的情況進(jìn)行預(yù)測，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施，調(diào)整施工方案，對確保工程質(zhì)量是相當(dāng)有指導(dǎo)意義的。早年，由于仿真計算手段的落后，施工過程的模擬很復(fù)雜等原因，很難實現(xiàn)實時的溫度應(yīng)力仿真分析及反分析。隨著計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用以及施工模擬計算方法等的突破，進(jìn)行實時的溫度應(yīng)力仿真分析及反分析已經(jīng)不是可望不可及的事情了。

本文提出了一種基于數(shù)據(jù)庫的溫度應(yīng)力實時仿真分析及反分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)庫中實時自動采集到的各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過自動化和半自動化的采集設(shè)備，將混凝土澆筑過程中的溫控要素信息實時采集到數(shù)據(jù)庫，這些信息包括出機(jī)口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、溫度溫度、降溫速率、通水水溫、通水流量、氣溫、太陽輻射熱等。

1 系統(tǒng)的技術(shù)方案及系統(tǒng)架構(gòu)

溫度應(yīng)力實時仿真分析及反分析系統(tǒng)是利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、高性能計算技術(shù)以及網(wǎng)頁編程等技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集分析模塊，實時采集數(shù)據(jù)庫中的可用數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析形成計算數(shù)據(jù)文件；進(jìn)一步構(gòu)建仿真計算模塊，通過調(diào)用SapTis[4]仿真計算軟件在各種體系結(jié)構(gòu)的計算平臺進(jìn)行溫度應(yīng)力的計算；然后通過構(gòu)建智能反分析模塊進(jìn)行溫度的反饋分析，并進(jìn)一步計算得到真實的溫度和應(yīng)力；最后通過后處理模塊實現(xiàn)計算結(jié)果的可視化、直觀化展示，并根據(jù)安全系數(shù)值進(jìn)行安全預(yù)警。

整個系統(tǒng)分為4個子系統(tǒng)(如圖1所示)，分別是數(shù)據(jù)采集分析子系統(tǒng)、高效能仿真計算子系統(tǒng)、智能反分析子系統(tǒng)以及后處理分析預(yù)警子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)都作為一個模塊，組成整個溫度應(yīng)力實時仿真分析及反分析系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖2所示。系統(tǒng)具有實時、自動化、智能化及直觀化的特點，可以實現(xiàn)混凝土澆筑現(xiàn)場施工質(zhì)量的實時、智能、快速分析和反分析，以及結(jié)果的直觀展示和安全預(yù)警。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意

圖2 系統(tǒng)模塊和數(shù)據(jù)流程

系統(tǒng)采用3層B/S架構(gòu)設(shè)計。①表現(xiàn)層。為數(shù)據(jù)采集層，以網(wǎng)頁的形式分布，系統(tǒng)管理界面、數(shù)據(jù)管理、成果的圖表展示、預(yù)警信息等。表現(xiàn)層將系統(tǒng)的操作界面與系統(tǒng)的功能實現(xiàn)分離開來。②應(yīng)用層。包括WEB服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器以及中間件技術(shù)的實現(xiàn)。應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)層是系統(tǒng)的核心部分，接收來自表現(xiàn)層的功能請求，是實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)功能的邏輯實體，這些邏輯實體在實現(xiàn)上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)庫的觸發(fā)器及存儲過程及各種功能組件如調(diào)用SapTis計算組件，反分析控制組件及結(jié)果處理組件等。③數(shù)據(jù)層。存放并管理各種信息，采用SQLserver數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)源的訪問，也是系統(tǒng)訪問其它數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一接口?；贐/S模式的3層體系結(jié)構(gòu)將表示層、應(yīng)用邏輯、數(shù)據(jù)資源層分布到不同的單元中，使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，可支持更多的客戶，可根據(jù)訪問量動態(tài)配置WEB服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，系統(tǒng)容易擴(kuò)展且維護(hù)簡單，安全性好，代碼可重用性好。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集分析子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集分析子系統(tǒng)主要通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)獲取可用數(shù)據(jù)，并自動將各種數(shù)據(jù)處理分析，形成SapTis仿真計算需要的數(shù)據(jù)文件。主要數(shù)據(jù)文件及實現(xiàn)方法如下：

(1)網(wǎng)格信息文件mesh.sap。主要包括單元、節(jié)點、荷載、邊界、澆筑分層等信息。選定澆筑倉，確定模擬的倉號，通過系統(tǒng)可以形成mesh.sap文件，這個文件包括仿真計算所需的計算網(wǎng)格數(shù)據(jù)以及邊界條件和初始條件信息。由于生成mesh.sap需要一些列的處理工作，這些工作通過批處理實現(xiàn)形成mesh.sap的程序執(zhí)行流程。

(2)澆筑信息文件sup-step.sap。包括混凝土澆筑分層、時間步長信息等。選定澆筑倉后，系統(tǒng)可以輸出澆筑時間和高程，讀取mesh.sap通過澆筑時間對每個倉的整個計算時間歷程進(jìn)行分段，每個倉的澆筑時間為一個起點，以這個起點進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的細(xì)分，細(xì)分過程根據(jù)溫控計算的精度要求采用規(guī)定的程式方法。

(3)材料參數(shù)信文件els-para.sap。包括線脹系數(shù)、變模、泊松比、容重、徐變、自生體積變形、MgO等信息。系統(tǒng)中保存了各種材料參數(shù)信息。選擇計算區(qū)域后，系統(tǒng)根據(jù)各計算區(qū)域的信息生成各種材料的材料參數(shù)信息文件。

(4)冷卻信息文件temp-para.sap。包括水化熱過程、比熱、導(dǎo)熱散熱系數(shù)等熱學(xué)參數(shù)以及水管各期冷卻參數(shù)。從系統(tǒng)中獲取每倉的實際冷卻信息及計劃澆筑信息，自動生成冷卻信息文件。冷卻期數(shù)限制為10期，每倉一個水管信息表，將各期的起始時間及相應(yīng)的參數(shù)作簡單運算對號入座。

(5)邊界條件信息文件temp-bdy3.sap。包括各計算時步的氣溫、水溫、水位、沙位等邊界條件。系統(tǒng)可以根據(jù)氣溫信息和水溫信息通過嵌入輔助程序輸出成所需文件，實現(xiàn)該文件的生成。

(6)水溫文件temp-water.sap。該文件通過讀取數(shù)據(jù)庫中水溫信息生成。

(7)縫單元信息文件joint-mesh.sap。包括縫的本構(gòu)模型、節(jié)點號及縫單元信息等。通過嵌入縫單元搜索程序，系統(tǒng)生成所需格式的joint-mesh.sap文件。

(8)灌漿信息文件grouting-step.sap。系統(tǒng)可以根據(jù)灌漿進(jìn)度信息以及sup-step.sap文件，通過嵌入程序搜索灌漿時間對應(yīng)的澆筑步數(shù)實現(xiàn)該文件的生成。

(9)其他計算輔助信息control文件。通過讀取數(shù)據(jù)庫中已有設(shè)置數(shù)據(jù)生成。

同時，為了配合反分析子系統(tǒng)的運行，數(shù)據(jù)采集分析子系統(tǒng)能夠提供反分析子系統(tǒng)運行需要的數(shù)據(jù)文件。

2.2 高效能仿真計算子系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過調(diào)用SapTis仿真計算軟件在各種體系結(jié)構(gòu)的計算平臺進(jìn)行溫度應(yīng)力的計算。系統(tǒng)中集成了SapTis仿真計算軟件，該子系統(tǒng)運行前，首先將數(shù)據(jù)采集分析子系統(tǒng)中形成9個數(shù)據(jù)文件以及SapTis可執(zhí)行程序打包，之后通過管理模塊將此程序包以計算任務(wù)的方式提交到中間層應(yīng)用服務(wù)器上，應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)需要可以是單臺服務(wù)器或者工作站，也可以是服務(wù)器集群或者多核SMP并行機(jī)，任務(wù)提交后，SapTis程序可以采用串行和并行[5- 6]兩種計算模式，計算模式通過表現(xiàn)層數(shù)據(jù)管理界面進(jìn)行設(shè)置。此外管理模塊可以將計算得到的結(jié)果傳遞給智能反分析模塊或者將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫中。圖3為系統(tǒng)的計算任務(wù)提交調(diào)度過程。

圖3 計算任務(wù)調(diào)度過程

2.3 智能反分析子系統(tǒng)

系統(tǒng)自動對混凝土當(dāng)前溫度進(jìn)行反饋分析，根據(jù)設(shè)定的反分析溫度誤差進(jìn)行相關(guān)參數(shù)調(diào)整，直到滿足誤差要求。反分析誤差根據(jù)混凝土本身的冷卻過程以及歷史關(guān)鍵時刻確定，每倉混凝土采用倉中間和靠近倉上游面的2個點的實測溫度過程為依據(jù)，每天1個溫度測值。冷卻過程根據(jù)溫度過程的轉(zhuǎn)折點分為一期冷卻溫升階段、一期冷卻降溫階段、一期冷卻控溫階段、中期冷卻降溫階段、中期冷卻控溫階段、二期冷卻降溫階段、二期冷卻控溫階段等，歷史關(guān)鍵時刻主要是實測溫度過程各轉(zhuǎn)折點時刻，包括最高溫度出現(xiàn)時刻、一期冷卻末時刻、中期冷卻開始時刻、中期冷卻結(jié)束時刻、二期冷卻開始時刻、二期冷卻結(jié)束時刻以及其他溫度曲線有轉(zhuǎn)折時刻。各冷卻過程的平均誤差為±0.5℃，各歷史關(guān)鍵時刻的誤差為±0.5℃，每次反饋計算需同時滿足這兩個誤差要求反饋計算才可以結(jié)束。

圖4是一個標(biāo)準(zhǔn)的溫度過程曲線，只有一期冷卻和中期冷卻，那么反饋分析子系統(tǒng)需要根據(jù)每次仿真計算的誤差判斷是否需要調(diào)整溫控參數(shù)，繼續(xù)進(jìn)行仿真計算。圖4中，Tm為最高溫度；Tc1為一期冷卻目標(biāo)溫度；Tc2為中期冷卻目標(biāo)溫度；D1為達(dá)到最高溫度時刻；D2為達(dá)到一期冷卻目標(biāo)溫度時刻；D3為達(dá)到中期冷卻目標(biāo)溫度時刻；D4為控溫結(jié)束時刻。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)溫度過程曲線

圖5 后處理結(jié)果示意

各個冷卻階段的誤差為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，rfk、rfj、rmj、rmk分別為一期控溫階段誤差、一期降溫階段誤差、中期降溫階段誤差、中期控溫階段誤差；Tic、Tim分別為每天的計算溫度和每天實測溫度。

各關(guān)鍵時刻計算誤差為

rm=Tmc-Tmm

(5)

rc1=Tc1c-Tc1m

(6)

rc2=Tc2c-Tc2m

(7)

rfc2=Tfc2c-Tfc2m

(8)

式中，rm、r1c、rc2、rfc2分別為D1、D2、D3、D4時刻的誤差；Tmc、Tc1c、Tc2c和Tfc2c分別為計算最高溫度、計算一期冷卻目標(biāo)溫度、計算中期冷卻目標(biāo)溫度和中期冷卻控溫結(jié)束時刻計算溫度；Tmm、Tc1m、Tc2m和Tfc2m代表實測最高溫度、實測一期冷卻目標(biāo)溫度、實測中期冷卻目標(biāo)溫度和中期冷卻控溫結(jié)束時刻實測溫度。每次反饋計算綜合考慮關(guān)鍵時刻的誤差正負(fù)值以及過程誤差的正負(fù)值對相應(yīng)部位的冷卻參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，逐步實現(xiàn)反饋計算的收斂。

2.4 后處理分析及預(yù)警子系統(tǒng)

后處理模塊從數(shù)據(jù)庫讀取相關(guān)計算結(jié)果，對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實現(xiàn)計算結(jié)果的可視化、直觀化展示，并根據(jù)安全系數(shù)值進(jìn)行安全預(yù)警。后處理分析的功能通過內(nèi)嵌后處理程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的可視化輸出，通過批處理命令實現(xiàn)后處理圖表的自動生成，通過網(wǎng)頁內(nèi)嵌圖形模塊實現(xiàn)在系統(tǒng)中顯示。輸出顯示包括溫度過程曲線、應(yīng)力過程曲線、安全系數(shù)過程曲線、最高和最低溫度包絡(luò)圖及云圖、最大和最小應(yīng)力包絡(luò)圖及云圖、安全系數(shù)包絡(luò)圖和云圖、典型位置溫度和應(yīng)力對比表等。系統(tǒng)的另一個功能是智能化的進(jìn)行各部位安全系數(shù)的分析，同設(shè)定的允許安全系數(shù)對比，輸出安全系數(shù)不達(dá)標(biāo)位置坐標(biāo)信息并在表示層進(jìn)行預(yù)警。

3 結(jié) 論

溫度應(yīng)力實時仿真分析及反分析系統(tǒng)可應(yīng)用在混凝土壩以及其他混凝土工程的施工中，旨在加強(qiáng)混凝土溫度的實時監(jiān)控和科學(xué)管理。本系統(tǒng)可以實時跟蹤并分析施工過程中混凝土的溫度過程和應(yīng)力變化，及時了解當(dāng)前施工情況并對今后情況進(jìn)行預(yù)測，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施，調(diào)整施工方案，保障施工質(zhì)量。該系統(tǒng)使混凝土施工過程監(jiān)控變得自動化、智能化、科學(xué)化和簡單化，提高了施工過程的監(jiān)控效率，具有很大的推廣價值。