北方地區(qū)冬季水工混凝土施工熱能損耗率試驗(yàn)分析

遲欣為

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，沈陽 110033)

0 前 言

北方地區(qū)冬季水利工程施工由于環(huán)境溫度較低，使得水工混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度很難得到有效保障[1]。多個(gè)研究成果表明[2-7]，對(duì)于北方冬季而言，控制水工混凝土的熱能損耗率是解決冬季施工水工混凝土穩(wěn)定的重要措施。如何降低水工混凝土的熱能損耗率一直處于研究過程中，但是研究成果還相對(duì)較少，近些年來，有一些學(xué)者采用水熱化估算方法[8-11]來分析水工混凝土施工時(shí)候的熱能損耗率，通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析水熱化估算方法下的熱能損耗率計(jì)算精度較高，但該方法在北方地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，為此，文章結(jié)合某水利閘壩加固工程，采用現(xiàn)場試驗(yàn)方式，結(jié)合水熱化估算方法對(duì)冬季水工混凝土施工的熱能損耗率進(jìn)行估算，并通過現(xiàn)場溫度采集方式對(duì)其估算值進(jìn)行檢驗(yàn)分析。研究成果對(duì)于北方地區(qū)冬季水利工程施工設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

文章主要結(jié)合水熱化估算方法對(duì)水工混凝土的放熱量進(jìn)行估算：

Q=Q0(1-e-mt)

(1)

式中：Q和Q0分別為水工混凝土總質(zhì)量及單位質(zhì)量下的放熱能量，kJ；m為水熱交換系數(shù)；t為水熱交換時(shí)間，h。水熱交換時(shí)間內(nèi)的總放熱量計(jì)算方程為：

△Q=Qn-Qn-1=WQ0(e-mtn-1-e-mtn)

(2)

式中：△Q為水熱交換時(shí)間內(nèi)的放熱變化量，kJ；tn-1、tn為不同放熱時(shí)段，h。不同時(shí)段水熱放熱比熱計(jì)算方程分別為：

q1,1=cM△T=cM(T2,n-T2,n-1)

(3)

q1,2=cM△T=cM(T2,n-T0)

(4)

式中：q1，1為水工混凝土水熱交換時(shí)的放熱比熱估算值，kJ；q1,2為水熱交換時(shí)候的空氣比熱估算值，kJ；M為水工混凝土質(zhì)量密度，kg/m3。水工混凝土水熱交換時(shí)候的溫度估算值Tn方程為：

(5)

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

以遼寧地區(qū)某水閘加固工程為具體實(shí)例，該水工閘壩總體寬度約為20m，此次加固工程主要對(duì)閘壩邊墩進(jìn)行垂直墻體加固，其垂直墻體加固主要采用標(biāo)號(hào)為C25水工混凝土進(jìn)行加固，由于汛期不能對(duì)其進(jìn)行加固施工，所以其加固施工主要在11月份完成，在進(jìn)行加固工程時(shí)對(duì)材料特性進(jìn)行指標(biāo)測定，水工混凝土試驗(yàn)主要指標(biāo)，見表1。

表1 水工混凝土試驗(yàn)主要指標(biāo)

2.2 水熱化估算精度分析

為對(duì)水工混凝土水熱化估算誤差進(jìn)行判定，在加固現(xiàn)場安裝6個(gè)溫度檢測點(diǎn)，對(duì)比分析水工混凝土水熱交換最高溫度和出現(xiàn)時(shí)間監(jiān)測值和估算值之間的誤差。水熱化估算方程下水工混凝土最高溫度及出現(xiàn)時(shí)間誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表2。

表2 水熱化估算方程下水工混凝土最高溫度及出現(xiàn)時(shí)間誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

續(xù)表2 水熱化估算方程下水工混凝土最高溫度及出現(xiàn)時(shí)間誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

結(jié)合6個(gè)現(xiàn)場水工混凝體溫度監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測溫度數(shù)據(jù)，并采用水熱化方法對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)溫度進(jìn)行估算，從對(duì)比結(jié)果可看出，各監(jiān)測點(diǎn)最高溫度估算值和實(shí)際監(jiān)測值之間的誤差低于±1.5℃，滿足溫度誤差估算誤差許可范圍內(nèi)。從最高溫度出現(xiàn)時(shí)間估算誤差結(jié)果可看出，各監(jiān)測點(diǎn)水工混凝土最高溫度出現(xiàn)時(shí)間和實(shí)測最高溫度出現(xiàn)誤差在水工混凝土施工規(guī)范sl677-2014要求的誤差許可范圍內(nèi)，基本滿足水工混凝土水熱化估算精度標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 水工混凝土內(nèi)外溫差試驗(yàn)分析

在水熱化估算誤差分析的基礎(chǔ)上，對(duì)水閘加固工程水工混凝土不同薄壁厚度下的內(nèi)外溫差進(jìn)行估算。不同薄壁厚度下水工混凝土內(nèi)外溫差估算結(jié)果，見表3。

表3 不同薄壁厚度下水工混凝土內(nèi)外溫差估算結(jié)果

從水工混凝土不同薄壁厚度下的內(nèi)外溫差估算結(jié)果可看出，內(nèi)外溫差下內(nèi)壁厚度影響較大，內(nèi)外溫差隨著水工混凝土內(nèi)壁厚度的增加而逐步遞增，高溫出現(xiàn)時(shí)間也逐步減緩，當(dāng)水工混凝土內(nèi)壁厚度在50-80m之間時(shí)其內(nèi)外溫差達(dá)到峰值，水工混凝土施工時(shí)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度受內(nèi)外溫差影響較為明顯，內(nèi)外溫差可通過增加水工混弄土內(nèi)壁厚度來降低，從而提高其工程施工的穩(wěn)定程度。

2.4 水工混凝土熱能損耗估算

采用水熱估算方程對(duì)不同薄壁厚度下的熱能損耗進(jìn)行估算。不同薄壁厚度下水工混凝土放熱損耗率估算結(jié)果，見表4。

表4 不同薄壁厚度下水工混凝土放熱損耗率估算結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，水工混凝土放熱過程中熱能損耗率總體呈現(xiàn)線性遞增變化，當(dāng)內(nèi)壁厚度介于110-130cm之間時(shí)水工混凝土的熱能損耗率達(dá)到最高值，當(dāng)內(nèi)壁厚度達(dá)到最大值，水工混凝土受熱能損耗影響其內(nèi)外溫差出現(xiàn)最高值，從而降低熱能損耗率。水工混凝土表層溫度受熱能損耗率降低影響其表層溫差將有所加大，因此建議在北方地區(qū)冬季施工時(shí)，建議將水工混凝土內(nèi)壁厚度控制在40-60cm之間以降低其內(nèi)外溫差，從而降低水工混凝土的熱能損耗率。

3 結(jié) 論

1)采用水熱化估算方法下各監(jiān)測點(diǎn)最高溫度估算值和實(shí)際監(jiān)測值之間的誤差基本可滿足水工混凝土施工規(guī)范sl677-2014中水工混凝土溫度估算精度要求，可以采用水熱化估算方法來分析北方地區(qū)冬季水工混凝土的熱能損耗。

2)內(nèi)外溫差下內(nèi)壁厚度影響較大，內(nèi)外溫差隨著水工混凝土內(nèi)壁厚度的增加而逐步遞增，高溫出現(xiàn)時(shí)間也逐步減緩。

3)水工混凝土放熱過程中熱能損耗率總體呈現(xiàn)線性遞增變化，當(dāng)內(nèi)壁厚度介于110-130cm之間時(shí)水工混凝土的熱能損耗率達(dá)到最高值，當(dāng)內(nèi)壁厚度達(dá)到最大值，水工混凝土受熱能損耗影響其內(nèi)外溫差出現(xiàn)最高值。