环境因素对水库大坝沥青混凝土面板温度的影响分析.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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,
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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:(),(
10、)(),(),(),(),()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
11、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
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