环境因素对水库大坝沥青混凝土面板温度的影响分析.pdf

第 卷第 期年 月水利与建筑工程学报 ，：收稿日期：修稿日期：基金项目：中国水科院基本科研业务“酸性骨料沥青混凝土浸水耐久性及抗剥离机理研究”（）作者简介：徐小东（），男，硕士，高级工程师，主要从事水工建筑物设计等方面工作。：通讯作者：汪正兴（），男，博士，高级工程师，主要从事水工沥青混凝土防渗技术研究工作。：环境因素对水库大坝沥青混凝土面板温度的影响分析徐小东，汪正兴，朱安龙，夏世法（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 ；中国水利水电科学研究院，北京 ）摘要：温度对水库大坝沥青混凝土面板的运行有重要的影响。文中采用数值计算的方法研究了水库大坝沥青混凝土面板的温度场，同时考虑了气温、太阳辐射的作用。计算结果表明，在夏季高温和太阳辐射的同时作用下，沥青混凝土面板表面的最高温度能达到 。气温、太阳辐射、风速等环境因素对沥青混凝土面板的温度都有较大影响，其中太阳辐射的影响最大，风速的影响最小。依据计算结果提出了一个简易的水库大坝沥青混凝土面板表面最高温度的估算模型，模型计算结果与数值计算的结果基本吻合。文章的研究结果可以为水库大坝沥青混凝土面板的设计和运行管理提供依据。关键词：水库大坝沥青混凝土面板；温度场；太阳辐射；斜坡流淌；预估模型中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；水库大坝沥青混凝土面板防渗性能和适应基础变形能力优异，已成为抽水蓄能电站主流防渗型式之一 。沥青混凝土面板运行过程中，其温度是工程界关心的一个重要问题。其一是因为铺筑在斜坡上的沥青混凝土面板在高温时可能会发生斜坡流淌，斜坡流淌是指沥青混合料沿斜面产生流动，在面板面上产生一个一个壅包，或波纹，在壅包或波纹后面常出现剪切裂缝 。沥青混凝土面板一旦出现严重的斜坡流淌只能拆除重新铺筑，无法通过其他手段修复，号称沥青混凝土面板的“癌症”。如 世纪修建的河南林州南谷洞水库大坝沥青混凝土面板，曾出现严重的斜坡流淌，在 年进行了沥青混凝土面板拆除和重建 。其二是因为温度对沥青混凝土的老化有很大的影响。沥青是一种有机大分子材料，其老化机理十分复杂，涉及到其分子中某些基团与氧之间的反应，一般来说温度越高反应速度越快，即老化速度越快 。因此研究沥青混凝土面板的温度具有重要的意义。沥青混凝土面板一般采用简式结构，从上到下为 封闭层、防渗层、整平胶结层。由于整体厚度较薄，且摊铺机一次摊铺 厚度，无法精细的布设温度传感器，因此采用数值方法来研究其温度场更为方便。早期的研究通常采用一些经验模型来预估沥青混凝土的温度，如 高温和低温模型、高温和低温模型等 。翁文彬等 认为沥青混凝土面板表面最高温度与气温之间的关系为：（）（）式中：为面板表面的最高温度，；为日最高气温，；为日最低气温，；为气温传至面板表面时振幅衰减值，可取 ；为系数，日温差较大时取高值，日温差较小时取低值。当有太阳辐射作用时，面板表面最高温度为：（）式中：为考虑太阳辐射后面板表面的最高温度，；为太阳辐射吸收率；为太阳辐射量；为沥青混凝土表面放热系数。王延海等 通过长期测试 种典型沥青路面结构的温度数据，引入气温、太阳辐射、风速及湿度参数，建立了夏季高温期沥青路面日最高温度与日平均温度的经验预估模型。（）式中：为路表日最高温度，；为日最高气温，；为日出至 时太阳辐射量，（）；为日平均相对湿度，；为日平均风速，；为回归系数。近年来，随着计算机技术的发展，数值计算方法有了很大进步。沥青混凝土面板的温度场可通过热传导方程求解，其温度同时受气温和太阳辐射的影响，沥青混凝土面板表面与空气之间通过对流进行换热，而太阳辐射通过热量的形式直接作用于沥青混凝土面板。王黎明等 采用有限差分隐式格式，求解了一维非稳态铺筑沥青路面温度场。谌及时等 采用有限元方法建立了沥青路面温度场计算模型；并开展沥青高温温度场实测工作，获得相关的试验数据，并结合其他地区的沥青路面温度场实测资料与数值计算结果进行对比，从而验证了数值计算模型的合理性和准确性。刘峰等 采用 有限元软件建立分析模型，研究沥青混凝土面板在外部环境条件作用下温度场的变化规律，结果表明气温和太阳辐射对沥青混凝土温度场有显著影响。赵昕等 研究了沥青路面材料参数对路面温度场的影响，结果表明反射率的提高对路面降温的效果最显著，导热系数次之，发射率最不明显，热扩散率的提高会导致路面温度的提高。本文针对青海东部某抽水蓄能电站沥青混凝土面板工程，采用有限元方法计算了几种不同环境条件下（气温、太阳辐射、风速）沥青混凝土面板的温度场，为其设计提供依据。面板温度场计算方法根据固体的三维热传导方程：（）（）式中：为温度，；为时间，；为导 热 系 数，（）；为内热源，；为比热，（）；为密度，。沥青混凝土内部不放热，因此上式中 。当沥青混凝土与空气接触时，如果二者之间存在温度梯度，其和空气之间会通过流体的热运动而引起热量的交换。沥青混凝土面板与空气的对流边界条件为：（）（）式中：为热流量，（）；为面板导热系数；为面板表面在空气中的放热系数（简称表面放热系数），（）；为表面温度，；为空气温度，。当沥青混凝土表面存在热流量（太阳辐射）时，其边界条件为：（）（）式中：（）为不同时刻的太阳辐射量，；为太阳辐水利与建筑工程学报第 卷射吸收率。在沥青混凝土不同层的界面处，符合连续性条件：（）式中：为第 层的温度，；为第 层导热系数，（）。计算参数及边界条件 计算参数固体表面在空气中的放热系数 与风速 有密切关系，可以用以下两种公式计算 ：粗糙表面：（）光滑表面：（）式中：为表面放热系数，（）；为风速，。沥青混凝土表面按粗糙表面计算，根据该工程的概况，上库的多年平均风速为 。根据式（）可计算得沥青混凝土面板的表面放热系数 为 （）。太阳辐射吸收系数与材料性质和表面颜色有关，对于水工沥青混凝土，一般取值 。沥青混凝土的其他热学参数通过实测得到，见表 。表 沥青混凝土温度场计算参数面板（）（）（）（）封闭层 防渗层 整平层 垫层 边界条件沥青混凝土温度场计算的边界条件包括外界气温和太阳辐射，由于工程现场缺少观测数据，因此根据相关模型确定。气温日周期变化时，一般采用两个正弦函数的组合来模拟日气温过程 ：珔 （）（）（）式中：珔为日平均气温珔（）（）为日气温振幅（）（）为时间，为频率，；为初相位，等于最大太阳辐射与最高气温出现时间的差值加 。青海地区夏季日最高气温出现时间一般在 时，而最大太阳辐射一般出现在 时，因此 。太阳辐射日变化曲线与余弦正半波函数十分接近。一般表示为：（），（）（），（），（），（），（）式中：，为日照时数；为当日太阳总辐射强度峰值，日太阳辐射总量。工程所在地极端最高气温为 ，青海东部地区夏季日温差一般为 。夏季日太阳辐射总量最高约为 （）。青海地区夏季日照时数一般为 。据此计算得到的日气温和太阳辐射值见表 。表 模型计算的日气温和太阳辐射时刻气温 总辐射强度（）第 期 徐小东，等：环境因素对水库大坝沥青混凝土面板温度的影响分析沥青混凝土面板采用简式断面，由内到外的结构顺序为：厚的整平胶结层、厚的防渗层、厚的沥青玛蹄脂封闭层。计算时垫层深度取 ，宽度取 。沥青混凝凝土面板部分网格大小为 ，垫层部分网格大小为 。计算模型如图 ，采用 节点等参单元。因面板同一深度处温度相同，所以模型的长度方向两端是绝热边界。底部垫层和地温之间为热传导，模型在上表面与空气有热交换。沥青混凝土和垫层的初始温度按 考虑。图 沥青混凝土面板温度场计算模型为了研究气温和太阳辐射等对温度场的影响，以表 中的工况为标准工况，将最高气温、辐射强度峰值和风速分别上下浮动 ，日温差和日照时数维持不变，组成表 中的 种工况进行温度场计算。工况 和工况 为气温和风速不变，辐射强度为标准工况的 倍和 倍。工况 和工况 为辐射强度和风速不变，最高气温为标准工况的 倍和 倍。工况 和工 为气温和辐射强度不变，风速为标准工况的 倍和 倍。表 种计算工况工况编号最高气温 辐射强度峰值（）风速（）计算结果及分析种工况下，沥青混凝土面板表面及以下 、处的温度随时间变化计算结果如图 图 （仅列工况 、）。图 沥青面板不同深度温度变化（工况 ）图 沥青面板不同深度温度变化（工况 ）图 沥青面板不同深度温度变化（工况 ）温度场日变化过程计算结果表明，在夏季高温时段，沥青混凝土面板表面的最高温度可以达到 ，出现时间在下午 时左右。而日最高气温出现在下午 时，日最高辐射强度出现在下午 时，面板表面最高温度与最高气温和最强辐射都不是同步出现，说明面板温度是气温和太阳辐射综合作用的结果。对沥青混凝土面板沿着深度方向每隔 取一点计算温度，分析其在环境条件下的温度变化情况。计算结果表明，沥青混凝土面板的温度具有水利与建筑工程学报第 卷明显的温度梯度，一日之内温度变化幅度由面板的表面开始从上到下逐渐减小，其原因在于面板表面受到太阳辐射、气温和对流的影响，从而升温和降温都较快，昼夜温差大。而在沥青混凝土面板内部远离表面的地方，随着面板深度增加，其温度受外界环境影响越小。这主要是由于沥青混凝土内部只能通过热传导作用传热。随着面板深度增加，其达到最高温度的时间也逐渐延后，这正是由于热量是逐步向下传导的，是一个需要时间的过程。环境因素的影响表 中所列的是表 中 种工况条件下，沥青混凝土面板表面最高温度的计算结果。当气温和风速保持不变，三种辐射强度下沥青混凝土面板表面最高温度分别为 、和 。太阳辐射强 度 下 降 时，面 板 表 面 最 高 温 度 下 降 ，太阳辐射强度上升 时，面板表面最高温度上升 。当辐射强度和风速保持不变，三种最高气温条件下沥青混凝土面板表面最高温度分别为 、，日最高气温下降 时，面板表面最高温度下降 ，日最高气温上升 时，面板表面最高温度上升 。当气温和辐射强度保持不变，三种风速条件下沥青混凝土面板表面最高温度分别为 、，风速下降 时，面板表面最高温度上升 ，风速上升 时，面板表面最高温度下降 。计算结果表明气温、太阳辐射、风速都会都沥青混凝土面板的温度产生影响，气温越高，太阳辐射越强，沥青混凝土面板表面的最高温度越高。风速越大，沥青混凝土面板表面的最高温度越低。气温通过空气与固体之间界面的对流作用，与沥青混凝土进行换热。二者之间温差越大，换热速度越快，在没有其他热源的情况下，二者温度最终会趋于一致。因此气温越高，沥青混凝土面板的温度也越高。太阳辐射是一种能量，被照射的物体吸收这种能量可以转化为热量进一步传导进入内部，而沥青混凝土的黑色表面对太阳辐射能量的吸收率可以达到 ，因此辐射强度越强，沥青混凝土面板的温度也越高，且对沥青混凝土的温度影响很大。风速的作用从式（）可以看出，风速越大，沥青面板表面放热系数越大，面板与外界的对流换热作用越强，能更快的带走沥青混凝土表面的热量，从而降低其温度。因此风速越大，沥青混凝土面板的温度越低。表 种计算工况下沥青面板表面最高温度值工况编号最高气温 辐射强度峰值（）风速（）面板表面最高温度 气温、太阳辐射、风速三个因素单因素变动时，与沥青混凝土面板表面的最高温度之间的关系见图 图 。图 沥青混凝土面板最高温度与辐射强度峰值的关系图 沥青混凝土面板最高温度与日最高气温的关系可以看出，日最高气温、日太阳辐射强度峰值、风速与沥青面板表面最高温度之间近似呈线性关系。因此，可以假设面板表面最高温度与日最高气温、日太阳辐射强度峰值、风速之间有以下关系：（）式中：为沥青混凝土面板表面最高温度，；为日最高气温，；为日太阳辐射强度峰第 期 徐小东，等：环境因素对水库大坝沥青混凝土面板温度的影响分析值，；为日平均风速，；为回归系数。图 沥青混凝土面板最高温度与风速的关系如此，可以在已知日最高气温、日太阳辐射强度峰值、风速时对沥青面板表面最高温度进行快速估算，而不用通过复杂的有限元计算。对表 中的数据进行回归，可以得到该抽水蓄能电站沥青面板表面最高温度的估算模型为：（）相关系数 。采用式（）分别计算了表 中 种工况下沥青混凝土面板表面最高温度，另外增加了太阳辐射为 和风速为 两种工况的模型估算结果，并与有限元计算结果及文献 和文献 中的模型估算结果进行了比较。表 种计算工况下沥青面板表面最高温度值工况编号最高气温 辐射强度峰值（）风速（）面板表面最高温度 有限元模型估算文献 文献 可以看出，本文提出的模型估算值与有限元计算结果非常吻合，即使在外延至太阳辐射为 或风速为 的情况下，模型估算结果也十分准确。结果表明，当无风时，沥青混凝土面板表面的温度可飙升至 ，而阴天无太阳时，沥青混凝土面板表面的温度仅为 ，可见太阳辐射的影响之大。文献 的估算模型结果与有限元计算结果也基本吻合，但由于模型中没有考虑风速的影响，因而在风速变化时温度不变，当风速为 时偏差较大。文献 的模型估算结果与有限元计算结果偏差较大，可能是由于其针对的是沥青路面，拟合的数据范围与本文的有一定偏差。结论（）沥青混凝土面板在夏季高温时，其表面温度可达到 。（）沥青混凝土面板的温度具有明显的温度梯度，随着面板深度增加，其温度受外界环境影响越小。（）气温、太阳辐射、风速都会对沥青混凝土面板的温度产生影响，气温越高，太阳辐射越强，沥青混凝土面板表面的最高温度越高。风速越大，沥青混凝土面板表面的最高温度越低。（）日最高气温、日太阳辐射强度峰值、风速浮动 时，面板表面最高温度的浮动幅度分别为 、。可以看出太阳辐射对于沥青面板表面的最高温度影响最大，风速影响最小。（）本项目沥青面板表面最高温度与日最高气温、日太阳辐射强度峰值、风速的关系可以表述为 。根据该模型可以快速估算水库大坝沥青混凝土面板表面可能达到的最高温度，了解其对于面板运行的影响。参考文献：郝巨涛，刘增宏，汪正兴 我国沥青混凝土防渗工程技术的发展与展望 水利学报，（）：邹长根，余浩，闫小虎，等 沥青高温性能对防渗层沥青混凝土斜坡流淌的影响 建材世界，（）：华召，邹长根，余浩，等 集料粒形对防渗层水工沥青混凝土高温性能的影响 建材世界，（）：岳跃真，张继昌，郝巨涛，等 南谷洞水库大坝沥青混凝土防渗斜墙修补加固 水利水电技术，（）：，何丽红，赵智博，徐心硕，等 沥青老化评价方法的研究进展 石油沥青，（）：（下转第 页）水利与建筑工程学报第 卷 缩减至 ，使推荐运行区由原来的 增大到 ，增加机组 的调节容量。参考文献：孙凯祺，李可军，刘智杰，等 基于柔性直流互联的抽水蓄能与可再生能源协同运行策略 电力系统自动化，（）：张浩 水力发电系统瞬态动力学建模与稳定性分析 杨凌：西北农林科技大学，赵志炉 水电机组稳定性监测及振动故障诊断研究 武汉：华中科技大学，贾金生，徐洪泉，李铁友，等 通过萨扬 舒申斯克水电站事故原因分析看机电设备安全运行问题 第十八次中国水电设备学术讨论会，中国福建武夷山，李欢欢 水轮发电机组安全评价及其调节特性对互补发电效益影响研究 杨凌：西北农林科技大学，何正嘉，曹宏瑞，訾艳阳，等 机械设备运行可靠性评估的发展与思考 机械工程学报，（）：董玉革，赵征权 基于传统可靠性理论联接方程的模糊可靠性分析方法 机械工程学报，（）：，（）：赵水荣，刘礼华，张巍，等 某电站水轮机振动测试及其可靠性分析 水力发电学报，（）：，（）：陈保家，邱光银，肖文荣，等 航空发动机转子轴承运行可靠性评估方法 西安交通大学学报，（）：蔡改改，陈雪峰，陈保家，等 利用设备响应状态信息的运行可靠性评估 西安交通大学学报，（）：王红军，汪亮 基于多域空间状态特征的高端装备运行可靠性评价 仪器仪表学报，（）：李元斌，孙有朝，李龙彪 改进熵权逼近理想解排序法的航空发动机限寿件模糊风险评估 中国机械工程，（）：毕娟，李希建 组合赋权的 在冲击地压危险性评价中的应用 矿业安全与环保，（）：，：荆岫岩，姬联涛，郝峰，等 基于改进 的抽水蓄能机组轴系可靠性评估 水力发电学报，（）：，：檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷 （上接第 页）李伊，刘黎萍，孙立军 全厚式沥青路面温度场预估模型 同济大学学报（自然科学版），（）：翁文彬，曾道先 太阳辐射热对沥青混凝土斜墙热稳定的影响及计算 水工沥青防渗，（）王延海，曹海利，纪小平，等 沥青路面高温温度场的经验预估模型 郑州大学学报（工学版），（）：王黎明，李肶 沥青混合料铺筑温度场的有限差分仿真模型 科学技术与工程，（）：谌及时，唐启文 基于 有限元软件的沥青路面温度场分布规律研究 黑龙江交通科技，（）：刘峰 某沥青混凝土面板堆石坝温度场影响研究分析 水利科技与经济，（）：，赵昕，刘洋，张浩 材料热物理参数对沥青路面温度场影响的模拟分析 河南科学，（）：陈果，杨霞，杨亮 大体积混凝土温度应力有限元计算数值模拟分析 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