一种拱坝施工区风场预测方法及装置

技术领域

本申请属于拱坝施工技术领域，具体地讲，涉及一种拱坝施工区风场预测方法及装置。

背景技术

拱坝建设施工区域通常在地形复杂、气候条件恶劣的窄河谷中。复杂地形与大风天气耦合作用下，局部风场会有瞬时巨大的变化，而拱坝坝址区复杂的坝肩开挖面等结构形成了随时间变化的复杂风场边界，使坝址区风场变得更为复杂，部分结构形成狭管效应，会进一步放大风场的强度，而高强度风场会对拱坝的施工质量、进度、安全产生巨大的影响。

现有的风场模拟多用于平原、丘陵或海上风电场建设评估中，上述地区地形较为简单，风场边界也较为简单，通常采用小型气象站即可满足测量要求，但是对大尺度复杂地形风场高效分析缺乏，而且未是针对人员、材料、设备等提供精准有效的防控策略，未能提供及时的预警信息，导致发生缆机、人员等相关安全事故。

发明内容

本申请提供了一种拱坝施工区风场预测方法及装置，以至少解决使用当前的风场模拟对大尺度复杂地形的风场缺乏有效分析的问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种拱坝施工区风场预测方法，包括：

通过设置在拱坝施工区内的气象站获取拱坝施工区内的风场数据，风场数据包括风速数据、气象数据和天气数据；

通过风场数据构建拱坝施工区的真实地形模型；

基于获取的风场数据，根据真实地形模型、拱坝施工区的施工机械物料和施工进度确定不同情况下的风场边界条件；

根据风场边界条件，采用数值仿真方法对拱坝施工区内的风场进行分析。

在一实施例中，拱坝施工区风场预测方法还包括：

根据拱坝施工区内的风场分析结果进行安全预警。

在一实施例中，基于获取的风场数据，根据真实地形模型、拱坝施工区的施工机械物料和施工进度确定不同情况下的风场边界条件，包括：

对真实地形模型按地形进行分类，地形类型包括：植被区域、开挖裸露区域、混凝土边坡区域、水面和坝面；

按照地形类型测定并建立界面区域风速分布模型和粗糙度模型，用以构建风场边界；

根据施工机械物料的外形确定大风条件下施工机械物料产生的风场；

根据施工进度确定施工形貌变化情况；

根据风场边界、施工机械物料产生的风场和施工形貌变化情况生成不同情况下的风场边界条件。

在一实施例中，根据风场边界条件，采用数值仿真方法对拱坝施工区内的风场进行分析，包括：

基于风场边界条件，采用时间相关法求解湍流Navirt-stocks方程进行初步计算获得第一风场分析数据；

基于第一风场分析数据，采用中心节点的有限体积离散方法进行处理获得第二风场分析数据；

基于第二风场分析数据，采用显式runge-kutta法进行处理获得第三风场分析数据；

对第三风场分析数据进行全多重网格初场处理及多重网格迭代加速收敛获得拱坝施工区内风场的最终分析数据。

在一实施例中，根据拱坝施工区内的风场分析结果进行安全预警，包括：

从最终分析数据中实时监控风速数据，当风速数据超过预设值时，触发安全预警。

根据本申请的另一个方面，还提供了一种拱坝施工区风场预测装置，包括：

数据获取单元，用于通过设置在拱坝施工区内的气象站获取拱坝施工区内的风场数据，风场数据包括风速数据、气象数据和天气数据；

真实地形模型构建单元，用于通过风场数据构建拱坝施工区的真实地形模型；

风场边界条件获取单元，用于基于获取的风场数据，根据真实地形模型、拱坝施工区的施工机械物料和施工进度确定不同情况下的风场边界条件；

风场分析单元，用于根据风场边界条件，采用数值仿真方法对拱坝施工区内的风场进行分析。

在一实施例中，拱坝施工区风场预测装置还包括：

安全预警单元，用于根据拱坝施工区内的风场分析结果进行安全预警。

在一实施例中，风场边界条件获取单元包括：

地形分类模块，用于对真实地形模型按地形进行分类，地形类型包括：植被区域、开挖裸露区域、混凝土边坡区域、水面和坝面；

风场边界构建模块，用于按照地形类型测定并建立界面区域风速分布模型和粗糙度模型，用以构建风场边界；

第一要素确定模块，用于根据施工机械物料的外形确定大风条件下施工机械物料产生的风场；

第二要素确定模块，用于根据施工进度确定施工形貌变化情况；

风场边界条件生成模块，用于根据风场边界、施工机械物料产生的风场和施工形貌变化情况生成不同情况下的风场边界条件。

在一实施例中，风场分析单元包括：

第一计算模块，用于基于风场边界条件，采用时间相关法求解湍流Navirt-stocks方程进行初步计算获得第一风场分析数据；

第二计算模块，用于基于第一风场分析数据，采用中心节点的有限体积离散方法进行处理获得第二风场分析数据；

第三计算模块，用于基于第二风场分析数据，采用显式runge-kutta法进行处理获得第三风场分析数据；

分析模块，用于对第三风场分析数据进行全多重网格初场处理及多重网格迭代加速收敛获得拱坝施工区内风场的最终分析数据。

在一实施例中，安全预警单元包括：

阈值比较模块，用于从最终分析数据中实时监控风速数据，当风速数据超过预设值时，触发安全预警。

本申请通过采集真实的风场数据构建施工区真实地形模型，然后将大坝的施工过程划分为不同的进度，依照大坝的结构形式、不同坝段的施工进度、模板布设、缆机运行、泄水孔洞和左右坝肩开挖面等计算不同的风场边界条件，最后对关键部位模板在和进行分析并提供及时预警，实现了针对拱坝施工区的风场进行多元感知、高效分析和及时响应预防的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种拱坝施工区风场预测方法流程图。

图2为本申请实施例中确定不同情况下的风场边界条件的方法流程图。

图3为本申请实施例中对拱坝施工区内的风场进行分析的方法流程图。

图4为本申请实施例中本申请的一种模拟实施例。

图5为本申请提供的一种拱坝施工区风场预测装置结构框图。

图6为本申请实施例中风场边界条件获取单元的结构框图。

图7为本申请实施例中风场分析单元的结构框图。

图8为本申请实施例中一种电子设备的具体实施方式。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的拱坝施工区的风场模拟多用于平原、丘陵或海上风电场建设评估中，上述地区地形较为简单，风场边界也较为简单，通常采用小型气象站即可满足测量要求，但是对大尺度复杂地形风场高效分析缺乏，而且未是针对人员、材料、设备等提供精准有效的防控策略，未能提供及时的预警信息，导致发生缆机、人员等相关安全事故。

基于上述问题，本申请提供了一种拱坝施工区风场预测方法，如图1所示，包括：

S101：通过设置在拱坝施工区内的气象站获取拱坝施工区内的风场数据，风场数据包括风速数据、气象数据和天气数据。

S102：通过风场数据构建拱坝施工区的真实地形模型。

S103：基于获取的风场数据，根据真实地形模型、拱坝施工区的施工机械物料和施工进度确定不同情况下的风场边界条件。

S104：根据风场边界条件，采用数值仿真方法对拱坝施工区内的风场进行分析。

各类气象站获取的具体数据如下：

风速仪，用于获取风速、风向、持续时间、坐标高程等信息；

气象站，用于获取空间坐标、温度、湿度、风速、风向、空气密度、大气压强、太阳辐射等信息；

天气预报，用于获知区域温度分布、区域湿度分布、区域气压分布；

统计与概率分析，用于关键断面历史数据统计，其中包括不同年份、不同月份风速、风向、最大风速、持续时间等，并基于此建立每年风场预测模型，基于时间预测大风出现概率，用于后续预测预警。

在一具体实施例中，如何获得风场边界条件，具体如下：

复杂地形、复杂施工区域不同地形地貌、施工要素在不同尺度上有不同的风场分布及其边界条件。构建拱坝施工区的复杂地形模型系统可以采用无人机、InSar系统升降轨卫星等构建坝址区大尺度地形模型。

在一具体实施例中，地形地物有植被区域、开挖裸露区域、混凝土边坡区域、水面、坝面等，针对不同的地形地貌通过风速仪可以测定并建立界面区域风速分布、粗糙度等模型，准确构建风场边界。

在一具体实施例中，施工机械物料：仓面施工的不同机械(缆机、振捣机、挖掘机、自动喷雾机、卡车等、冷水机组、监控及数据中继装置等)、仓面施工的物料(模板、钢筋、保温板材等)，在大风条件下会产生不同的风场。

在一具体实施例中，施工进度：300m级高拱坝体型巨大、施工周期通常长达3-5年，数十个坝段同时施工，每天施工形貌均存在变化，其风场分布受峡谷风场、坝面结构、相邻坝段高差、泄洪孔、电梯井、廊道等结构的影响明显，在不同施工进度中风场分布具有一定的共性，但也有一定的差异性，因此需要及时测量评估。

在一实施例中，拱坝施工区风场预测方法还包括：

根据拱坝施工区内的风场分析结果进行安全预警。

为了便于现场执行和操作，根据仿真分析获得的人员、设备、结构承载能力，并针对不同的对象采用不同的防护措施，预警指标通常是风速。

在一实施例中，基于获取的风场数据，根据真实地形模型、拱坝施工区的施工机械物料和施工进度确定不同情况下的风场边界条件，如图2所示，包括：

S201：对真实地形模型按地形进行分类，地形类型包括：植被区域、开挖裸露区域、混凝土边坡区域、水面和坝面。

S202：按照地形类型测定并建立界面区域风速分布模型和粗糙度模型，用以构建风场边界。

S203：根据施工机械物料的外形确定大风条件下施工机械物料产生的风场。

S204：根据施工进度确定施工形貌变化情况。

S205：根据风场边界、施工机械物料产生的风场和施工形貌变化情况生成不同情况下的风场边界条件。

在一具体实施例中，不同施工阶段，坝体体型对坝区风场影响较大，随着坝体增高，在坝体被风面形成越来越明显的低压区，导致流过坝面的气体回流，且流速降低较明显，在不同风向和风速的条件下，坝后形成不同形式的涡流，流场能量随坝高增加损失增大，流速较低，沿河向坝前左侧风场主要依地势形成，流速较来流有所降低，右侧凹陷区域流场较复杂，形成不同形式的螺旋上升气流，且流速较大；坝肩位置风速较来流增加约5-9m/s。

近仓面风场大多来自坝体被风面的涡流回流，且由于受粘性层流作用使仓面风速较来流风速降低，在延河谷六级风来流的情况下，仓面风速不到5m/s；在模板高度分别为3m和4.5m时，模板高度越低，被风面形成涡流越小，且趋势较明显，风速也越高，相比增加约0.4m/s。

通过前述气象装置对不同区域风场精准测量，获取风速、风向、流速分布、湍流动能、湍流耗散率、湍流强度等风场分析边界条件。

在一实施例中，根据风场边界条件，采用数值仿真方法对拱坝施工区内的风场进行分析，如图3所示，包括：

S301：基于风场边界条件，采用时间相关法求解湍流Navirt-stocks方程进行初步计算获得第一风场分析数据。

S302：基于第一风场分析数据，采用中心节点的有限体积离散方法进行处理获得第二风场分析数据。

S303：基于第二风场分析数据，采用显式runge-kutta法进行处理获得第三风场分析数据。

S304：对第三风场分析数据进行全多重网格初场处理及多重网格迭代加速收敛获得拱坝施工区内风场的最终分析数据。

S301-S304部分主要包括两项内容，第一是施工区真实地形，第二是与拱坝相关特征。

其中真实地形用于风场分析的数据主要包括空间坐标信息、表面特征粗糙度(见前述step3，不同表面特征对风场分布有重要影响。)

其中拱坝相关特征包括：坝体附近混凝土边坡、坝基开挖面、坝基贴角、各类功能性孔洞(表孔、深孔、电梯井、廊道)、坝体、仓面等几何特征、空间坐标、表面粗糙度、湍流特征参数等。

基于前述步骤获取各类风场边界条件，结合数值仿真技术分析风场。

主要采用Fluent软件进行计算，数值计算及处理方法为时间相关法求解湍流Navirt-stocks方程、中心节点的有限体积离散、显式runge-kutta法，全多重网格初场处理以及多重网格迭代加速收敛。计算中使用的湍流模型为带壁面函数的湍流模型。

在一具体实施例中，针对仓面所处的不同相对位置以及各仓面所加模板高度的不同，大风对混凝土仓面风场环境的影响不同。如图4所示，在顺河向、横风向风影响下的风场分布，以及模板所受风载。

在一实施例中，根据拱坝施工区内的风场分析结果进行安全预警，包括：

从最终分析数据中实时监控风速数据，当风速数据超过预设值时，触发安全预警。

在一具体实施例中，为便于现场执行和操作，根据仿真分析获得的人员、设备、结构承载能力，并针对不同的对象采用不同的防护措施，预警指标通常是风速。

针对人员防护：由于施工区域复杂，同一时间不同区域风场差别很大，因此对不同区域工作的人员采用分级预警，预警风速值依据仿真成果给出。例如上游围堰气象站测得极大风速达到20m/s，此时仓面人员立即收到预警并停止工作，而搅拌站、廊道等区域人员可继续工作。

针对设备防护：不同施工设备采用不同的预警风速、措施。如极大风速突破某个值缆机需停止工作，仓面机械设备需要或不需要进行加固处理。

针对混凝土材料，当风速、湿度、温度达到阈值时仓面温差增大、湿度散失等导致混凝土开裂失效，需及时预警处置。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种拱坝施工区风场预测装置，可以用于实现上述实施例中所描述的方法，如下面实施例所述。由于该拱坝施工区风场预测装置解决问题的原理与拱坝施工区风场预测方法相似，因此拱坝施工区风场预测装置的实施可以参见拱坝施工区风场预测方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

根据本申请的另一个方面，还提供了一种拱坝施工区风场预测装置，如图5所示，包括：

数据获取单元501，用于通过设置在拱坝施工区内的气象站获取拱坝施工区内的风场数据，风场数据包括风速数据、气象数据和天气数据；

真实地形模型构建单元502，用于通过风场数据构建拱坝施工区的真实地形模型；

风场边界条件获取单元503，用于基于获取的风场数据，根据真实地形模型、拱坝施工区的施工机械物料和施工进度确定不同情况下的风场边界条件；

风场分析单元504，用于根据风场边界条件，采用数值仿真方法对拱坝施工区内的风场进行分析。

在一实施例中，拱坝施工区风场预测装置还包括：

安全预警单元，用于根据拱坝施工区内的风场分析结果进行安全预警。

在一实施例中，如图6所示，风场边界条件获取单元503包括：

地形分类模块601，用于对真实地形模型按地形进行分类，地形类型包括：植被区域、开挖裸露区域、混凝土边坡区域、水面和坝面；

风场边界构建模块602，用于按照地形类型测定并建立界面区域风速分布模型和粗糙度模型，用以构建风场边界；

第一要素确定模块603，用于根据施工机械物料的外形确定大风条件下施工机械物料产生的风场；

第二要素确定模块604，用于根据施工进度确定施工形貌变化情况；

风场边界条件生成模块605，用于根据风场边界、施工机械物料产生的风场和施工形貌变化情况生成不同情况下的风场边界条件。

在一实施例中，如图7所示，风场分析单元504包括：

第一计算模块701，用于基于风场边界条件，采用时间相关法求解湍流Navirt-stocks方程进行初步计算获得第一风场分析数据；

第二计算模块702，用于基于第一风场分析数据，采用中心节点的有限体积离散方法进行处理获得第二风场分析数据；

第三计算模块703，用于基于第二风场分析数据，采用显式runge-kutta法进行处理获得第三风场分析数据；

分析模块704，用于对第三风场分析数据进行全多重网格初场处理及多重网格迭代加速收敛获得拱坝施工区内风场的最终分析数据。

在一实施例中，安全预警单元包括：

阈值比较模块，用于从最终分析数据中实时监控风速数据，当风速数据超过预设值时，触发安全预警。

本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，参见图8，所述电子设备具体包括如下内容：

处理器(processor)801、内存802、通信接口(Communications Interface)803、总线804和非易失性存储器805；

其中，所述处理器801、内存802、通信接口803通过所述总线804完成相互间的通信；

所述处理器801用于调用所述内存802和非易失性存储器805中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的方法中的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：

S101：通过设置在拱坝施工区内的气象站获取拱坝施工区内的风场数据，风场数据包括风速数据、气象数据和天气数据。

S102：通过风场数据构建拱坝施工区的真实地形模型。

S103：基于获取的风场数据，根据真实地形模型、拱坝施工区的施工机械物料和施工进度确定不同情况下的风场边界条件。

S104：根据风场边界条件，采用数值仿真方法对拱坝施工区内的风场进行分析。

本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：

S101：通过设置在拱坝施工区内的气象站获取拱坝施工区内的风场数据，风场数据包括风速数据、气象数据和天气数据。

S102：通过风场数据构建拱坝施工区的真实地形模型。

S103：基于获取的风场数据，根据真实地形模型、拱坝施工区的施工机械物料和施工进度确定不同情况下的风场边界条件。

S104：根据风场边界条件，采用数值仿真方法对拱坝施工区内的风场进行分析。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”或“一具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。