基于三维有限元现场监测耦合坝体温控校核方法

1 引言

大体积混凝土坝在施工与运行过程中，温控问题始终是决定结构安全与耐久性的关键因素。混凝土在水化硬化阶段会释放大量热量，若不能有效散逸，坝体内部温度与外部环境温度之间就会形成较大梯度，进而引起热应力集中，导致裂缝产生。裂缝不仅降低结构整体性，还可能为渗流通道提供条件，从而威胁坝体的安全与寿命。传统温控分析方法多以二维有限元和经验公式为主，但其在反映空间非均匀性与施工动态方面存在不足。随着三维有限元技术和现场自动化监测手段的发展，将二者结合形成耦合校核方法，已成为提升坝体温控精度与可靠性的必然趋势。本文的研究目的即在于通过三维有限元与现场监测的耦合，提出一套可操作的坝体温控校核流程，并结合实际工程案例进行验证。

2 三维有限元建模与温控计算原理

三维有限元方法能够较全面地反映坝体的空间特性与施工演进。模型建立过程中，需要根据坝体几何形态、施工分块及浇筑顺序，合理划分实体单元，并考虑与坝基岩体的相互作用。为确保计算精度，需在温度场梯度显著的区域加密网格划分。材料参数包括导热系数、比热容、弹性模量及徐变特性等，这些参数通过实验室试验与工程实测进行标定。

温控计算原理基于非稳态热传导方程，将水化热释放过程引入热源项，同时考虑坝体表面的对流与辐射效应。外部边界条件由气象数据驱动，涵盖季节温差、风速变化与日照强度。内部条件则结合冷却水管布置与保温措施的作用，通过耦合计算实现对坝体温度场的动态模拟。在温度应力计算方面，采用热-力耦合分析方法，将温度变化引起的热应变作为附加荷载引入结构计算中，从而获得坝体内部应力分布与裂缝风险区。与二维分析相比，三维有限元不仅能揭示坝体纵横向温度分布，还能真实反映因分块施工与复杂边界引起的非均匀效应，对温控设计具有更强指导意义。

3 现场监测系统与数据处理

3.1 监测系统布设与数据采集

在大体积混凝土坝施工与运行过程中，现场监测体系的建立是温控校核的基础环节。为保证数值计算的可靠性，需在坝体内部与表层关键部位布设温度计、光纤光栅应变计和应力计，以获取坝体内部温度与应力随时间的变化过程。同时，在坝区周边配置气象监测站，实时采集外界温度、湿度、风速和太阳辐射等边界条件参数，为有限元模型提供可靠的外部驱动数据。该体系具有实时性与精细化的优势，但监测过程中不可避免地受到传感器漂移、数据缺失与环境干扰的影响。因此，在布设阶段不仅需注重测点的合理分布与冗余设计，还需建立分层次、多通道的监测网络，以增强系统的稳定性和数据的完整性。

3.2 数据预处理与融合方法

监测数据的有效利用取决于合理的预处理与融合手段。首先，需对原始数据进行异常值剔除、平滑滤波与缺测插值，以消除噪声干扰并保证数据的连续性。其次，基于时间序列的趋势分析可揭示坝体温度场的演变规律，为有限元模拟提供校正依据。在此基础上，引入数据同化技术，典型方法如扩展卡尔曼滤波与最小二乘修正，能够在模型预测与实测数据之间建立动态交互机制。当模拟结果与监测值存在系统偏差时，通过修正模型边界条件、调整热力学参数或优化冷却措施，实现预测结果的持续优化。该机制使温控校核由单次离线分析转变为实时迭代过程，从而能够有效应对施工环境的复杂多变性，提高校核结果的准确性与适用性。

4 三维有限元与监测耦合的温控校核方法及工程应用

4.1 耦合校核方法与技术流程

三维有限元模拟与现场监测的耦合校核，其核心思想是实现预测模型与实测信息之间的双向修正。具体流程包括：首先，基于坝体几何形态、施工分块顺序和材料特性建立三维有限元模型，获得温度场与应力场的初步预测结果；其次，将现场监测数据输入作为反馈量，对比模拟值与实测值之间的差异；若偏差超过预设阈值，则通过修正模型边界条件、调整热学与力学参数或重新配置冷却与保温措施进行迭代计算。该循环过程不断收敛，使得预测结果逐步逼近实际情况。

在技术实现上，耦合校核引入数据同化与参数更新机制，使模型能够适应施工过程中的不确定性。如当气象条件突变或冷却系统局部失效时，实测数据可及时反映异常，校核方法则能够通过迭代修正，确保计算结果的有效性与实时性。这一机制将温控校核由静态的前期设计拓展为动态的全过程优化，显著提升了坝体温控的科学性与可靠性。

4.2 工程案例与应用成效

为验证耦合校核方法的工程适用性，以某大型水电站混凝土重力坝为研究对象，研究团队在施工期建立了全坝三维有限元模型，并在坝体内部和表面布设超过200 个监测点，形成了完备的数据采集体系。对比分析结果表明，单纯数值模拟在坝体表层温度预测方面存在一定高估，而实测数据揭示了局部冷却水分布不均的情况。通过耦合校核修正后，预测温度曲线与监测曲线的偏差控制在2℃以内，相比传统方法大幅降低。应力分析进一步表明，裂缝风险主要集中于坝体上游迎水面表层，耦合校核方法为施工单位及时调整保温厚度与冷却水流量提供了科学依据，有效避免了温度裂缝的出现。

工程应用结果证明，该方法不仅能满足施工期对实时温控的需求，也可在运行期继续用于长期监测与健康评估，适用于不同坝型与复杂气候条件下的安全控制。其推广应用将有助于推动大体积混凝土结构温控由传统的经验管理走向数字化、智能化与自适应控制。

结论

本文提出了一种基于三维有限元与现场监测耦合的坝体温控校核方法。研究表明，该方法能够有效克服单一模拟或监测手段的不足，实现预测与实测的动态融合，提高坝体温控措施的科学性与可靠性。在工程应用中，该方法显著降低了温度预测误差，并为温控措施优化提供了重要依据。如今研究可在数据同化算法、多物理场耦合及智能化预警系统等方面进一步深化，以推动坝体温控技术向智能化与自适应方向发展。

参考文献

[1]刘红军，何陆灏，陈锋. SMW 工法桩施工过程中变形监测与三维有限元数值模型的建立[J].建筑术，2024，55（06）：668-671.DOI：10.13731/j.jzjs.2024.06.0668.

[2]张东明，王臻，白永杰，等. 流固耦合作用下邻近建筑的基坑开挖稳定性分析[J].安全与环境学报，2016，16（06）：109-115.DOI：10.13637/j.issn.1009-6094.2016.06.022.

[3]章新，赵升峰，黄广龙. 开口环形深基坑围护结构变形监测与数值分析[J].岩土工程技术，2014，28（03）：143-147.