基于改进K-means算法的坝体保温效果时空聚类分区评价方法
发布时间：2021-11-07 07:34
在高寒地区修建混凝土拱坝,超低极端气温和超大年内温差等环境温度荷载是影响混凝土结构拉裂破坏的关键因素,因此分析结构内部温度变化规律,开展长期保温防裂措施的效果评价意义重大。为解决传统保温效果评价过程中温度场蕴含规律和模式复杂,难以量化对比的问题,提出了一种基于时空聚类数据挖掘的混凝土坝保温效果分区评价方法,即以多测点时空监测数据为输入,以改进的K-means聚类算法为分区手段,通过有效性函数自动确定聚类数,降低聚类分析结果对参数的依赖性,解决了保温效果评价分区时聚类数目难以确定的问题。实例应用表明,该方法可对大体积混凝土内部温度测值和规律进行有效分区,能充分反映合理实施保温措施和维护保温材料完好对结构运行的重要性。
【文章来源】：水电能源科学. 2020,38(06)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
改进的K-means聚类算法流程图
以最大坝高87.5m的某混凝土重力拱坝为研究对象，为了不间断地同步测定混凝土内部及表面的温度变化，以#15坝块为典型断面，在6个不同高程的坝体内部分别布设22支温度计来量化大坝的温度荷载变化，其中141.5、132.5、117.5、102.5m高程分别布置3支混凝土温度计，87.5、70.5m高程分别布置5支温度计，见图2。图2中TX-1温度计的位置在坝体内部距离坝体表面约1m；温度计编号T3-2表示从坝基起第3排、从上游向下游第2支温度计。温度计选用NARI公司的NZWD型电阻温度计，可用于监测大坝混凝土内部的温度，也可用于水温、气温的测量，主要技术指标为量程-30～+70℃，测量精度±0.3℃，电阻温度系数5℃/Ω，耐水压0.5 MPa，温度计的监测频次为每天上午8:00时测量1次。利用埋设在坝体内的22支温度计，获取了2001年1月1日至2017年5月30日的坝体温度监测数据。其中，102.50 m高程T3-3温度计由于仪器故障而失效，未取得该测点的有效监测数据。受聚氨酯材料长期耐久性的影响，上游面134.00m高程附近由于长期水位升降变动和坝前涌浪作用而部分损坏，下游面118.00m高程检查平台因结构不平顺和人员劳作而部分损坏。
由表1可知，根据#15坝块的实测坝体温度场，改进K-means聚类算法将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类，聚类中心的温度由高到低，聚类后坝体温度测值的空间分布情况见图3。由图3可看出，坝体稳定温度场在增设保温层前，总体规律为：(1)冬季典型日（2006年2月15日）坝体温度由坝体内部向坝体外部逐渐降低，坝体中部温度最高，约为18.5℃，其次为上下游坝面温度，约为10～14℃，坝顶温度最低，低至5～6℃；夏季典型日（2006年8月15日）坝体温度由坝顶、下游坝面向坝踵逐渐降低，坝顶和下游坝面温度最高，约为34℃，坝踵深水区域温度最低，接近该部位的库水温度，约11℃。(2)冬季温度低温区主要在上游坝面水位变动区至坝顶区域；夏季温度高温区主要分布在上游水位变动区至坝顶区域及下游坝面高程118.0m以下区域。综合分析全年的温度变化分区可得，坝体内部温度受外界环境影响较大的区域为上游水位变动区至坝顶及下游坝面在118.0m高程以下部位。因此，对坝体采取保温措施时，从节材的角度考虑，可对这两个受环境变化影响较大的区域采用相同的保温措施。为了削减该混凝土重力拱坝坝体温度荷载，优化大坝工作性态，于2009年补强加固期间，采用喷射发泡聚氨酯保温材料的方式设置了坝体表面保温层。聚氨酯保温材料喷涂总面积24 180m2。喷涂范围为从坝顶防浪墙到上游坝面水位变动区118.0m高程，喷涂厚度5cm；下游坝面从坝顶至坝脚，其中坝顶至118.0m高程喷涂厚度3.5cm,118.0m高程至坝脚喷涂厚度5cm。由此可知，本文提出的改进K-means聚类算法对坝体温度的分区是合理的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种改进的K-means聚类算法在图像分割中的应用[J]. 任恒怡,贺松,陈文亮. 通信技术. 2017(12)
[2]K-means算法及其改进研究现状[J]. 常彤. 通讯世界. 2017(19)
[3]采用仿射传播的聚类集成算法[J]. 王羡慧,覃征,张选平,高洪江. 西安交通大学学报. 2011(08)
[4]严寒地区混凝土坝表面保护材料的敏感性研究[J]. 凌骐,黄淑萍. 水电能源科学. 2009(04)
[5]高寒地区混凝土重力坝温控防裂研究[J]. 邵战涛,朱岳明,强晟,朱鸣笛,马捷. 三峡大学学报(自然科学版). 2008(01)
本文编号：3481443
【文章来源】：水电能源科学. 2020,38(06)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
改进的K-means聚类算法流程图
以最大坝高87.5m的某混凝土重力拱坝为研究对象，为了不间断地同步测定混凝土内部及表面的温度变化，以#15坝块为典型断面，在6个不同高程的坝体内部分别布设22支温度计来量化大坝的温度荷载变化，其中141.5、132.5、117.5、102.5m高程分别布置3支混凝土温度计，87.5、70.5m高程分别布置5支温度计，见图2。图2中TX-1温度计的位置在坝体内部距离坝体表面约1m；温度计编号T3-2表示从坝基起第3排、从上游向下游第2支温度计。温度计选用NARI公司的NZWD型电阻温度计，可用于监测大坝混凝土内部的温度，也可用于水温、气温的测量，主要技术指标为量程-30～+70℃，测量精度±0.3℃，电阻温度系数5℃/Ω，耐水压0.5 MPa，温度计的监测频次为每天上午8:00时测量1次。利用埋设在坝体内的22支温度计，获取了2001年1月1日至2017年5月30日的坝体温度监测数据。其中，102.50 m高程T3-3温度计由于仪器故障而失效，未取得该测点的有效监测数据。受聚氨酯材料长期耐久性的影响，上游面134.00m高程附近由于长期水位升降变动和坝前涌浪作用而部分损坏，下游面118.00m高程检查平台因结构不平顺和人员劳作而部分损坏。
由表1可知，根据#15坝块的实测坝体温度场，改进K-means聚类算法将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类，聚类中心的温度由高到低，聚类后坝体温度测值的空间分布情况见图3。由图3可看出，坝体稳定温度场在增设保温层前，总体规律为：(1)冬季典型日（2006年2月15日）坝体温度由坝体内部向坝体外部逐渐降低，坝体中部温度最高，约为18.5℃，其次为上下游坝面温度，约为10～14℃，坝顶温度最低，低至5～6℃；夏季典型日（2006年8月15日）坝体温度由坝顶、下游坝面向坝踵逐渐降低，坝顶和下游坝面温度最高，约为34℃，坝踵深水区域温度最低，接近该部位的库水温度，约11℃。(2)冬季温度低温区主要在上游坝面水位变动区至坝顶区域；夏季温度高温区主要分布在上游水位变动区至坝顶区域及下游坝面高程118.0m以下区域。综合分析全年的温度变化分区可得，坝体内部温度受外界环境影响较大的区域为上游水位变动区至坝顶及下游坝面在118.0m高程以下部位。因此，对坝体采取保温措施时，从节材的角度考虑，可对这两个受环境变化影响较大的区域采用相同的保温措施。为了削减该混凝土重力拱坝坝体温度荷载，优化大坝工作性态，于2009年补强加固期间，采用喷射发泡聚氨酯保温材料的方式设置了坝体表面保温层。聚氨酯保温材料喷涂总面积24 180m2。喷涂范围为从坝顶防浪墙到上游坝面水位变动区118.0m高程，喷涂厚度5cm；下游坝面从坝顶至坝脚，其中坝顶至118.0m高程喷涂厚度3.5cm,118.0m高程至坝脚喷涂厚度5cm。由此可知，本文提出的改进K-means聚类算法对坝体温度的分区是合理的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种改进的K-means聚类算法在图像分割中的应用[J]. 任恒怡,贺松,陈文亮. 通信技术. 2017(12)
[2]K-means算法及其改进研究现状[J]. 常彤. 通讯世界. 2017(19)
[3]采用仿射传播的聚类集成算法[J]. 王羡慧,覃征,张选平,高洪江. 西安交通大学学报. 2011(08)
[4]严寒地区混凝土坝表面保护材料的敏感性研究[J]. 凌骐,黄淑萍. 水电能源科学. 2009(04)
[5]高寒地区混凝土重力坝温控防裂研究[J]. 邵战涛,朱岳明,强晟,朱鸣笛,马捷. 三峡大学学报(自然科学版). 2008(01)
本文编号：3481443
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