熱工參數(shù)對(duì)瀝青混凝土面板溫度應(yīng)力影響研究

陳增偉

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

某抽水蓄能電站裝機(jī)容量為1200 MW，裝機(jī)4臺(tái)，其中單機(jī)容量300 MW。電站建成后會(huì)在電網(wǎng)中承擔(dān)填谷、調(diào)峰、調(diào)相、調(diào)頻和事故備用等任務(wù)。電站樞紐是由上道系統(tǒng)、上水庫(kù)、地下廠房系統(tǒng)以及下水庫(kù)工程組成，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大（1）型。主要建筑物按照1 級(jí)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，次要的建筑按照3 級(jí)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。上水庫(kù)工程正常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a 一遇，非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000 a一遇。上水庫(kù)由開(kāi)挖并筑壩成庫(kù)，正常蓄水位為1 940.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為1 940.341 m，校核洪水位為1 940.457 m，死水位1 903.00 m，水庫(kù)最大庫(kù)水深40 m，最大水位變幅37.0 m，水位的最大下落速度7.5 m/h。正常水位下庫(kù)容為679.72 萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為637.73 萬(wàn)m3，死庫(kù)容為41.99 萬(wàn)m3。上水庫(kù)壩高程為1 943.00 m，壩頂寬10.0 m，壩軸線長(zhǎng)1 818.37 m，庫(kù)底高程為1 900.00 m。全庫(kù)盆的防滲材料均采用瀝青混凝土，瀝青混凝土面板的坡度為1∶1.75，防滲面板的總面積為24.48萬(wàn)m2，其中庫(kù)底的面積為10.11 萬(wàn)m2，水庫(kù)岸坡的防滲面積為14.37萬(wàn)m2。

工程所處環(huán)境極端最低氣溫-41.8℃，結(jié)合工程情況，確定9個(gè)熱工參數(shù)，包括瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)、4個(gè)層面（封閉層、防滲層、整平膠結(jié)層、墊層）的導(dǎo)熱系數(shù)及導(dǎo)溫系數(shù)，研究這些參數(shù)對(duì)瀝青混凝土面板最大粘彈性溫度應(yīng)力的影響大小。參考以往的瀝青混凝土面板工程，為本文要研究的9 個(gè)熱工參數(shù)劃定變化范圍如下：

（1）封閉層導(dǎo)熱系數(shù)：0.7～1.3W/（m·℃）；

（2）防滲層導(dǎo)熱系數(shù)：1～3W/（m·℃）；

（3）整平膠結(jié)層導(dǎo)熱系數(shù)：0.7～1.5W/（m·℃）；

（4）墊層導(dǎo)熱系數(shù)：0.7～1.3W/（m·℃）；

（5）封閉層導(dǎo)溫系數(shù)：4 ～10 m2/s；

（6）防滲層導(dǎo)溫系數(shù)：4 ～14 m2/s；

（7）整平膠結(jié)層導(dǎo)溫系數(shù)：4 ～8 m2/s；

（8）墊層導(dǎo)溫系數(shù)：4 ～10 m2/s；

（9）瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)：10～30W/（m2·℃）。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響瀝青混凝土面板粘彈性溫度應(yīng)力的因素非常多，選擇正交實(shí)驗(yàn)的分析方法，要完全清楚所有因素的影響大小是很難的，因此本文只考慮熱工參數(shù)對(duì)瀝青混凝土面板不同深度粘彈性溫度應(yīng)力的影響大小。熱工參數(shù)包括瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)、內(nèi)部的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)，熱工參數(shù)在瀝青混凝土面板中的分布見(jiàn)圖1。

圖1 熱工參數(shù)在瀝青混凝土中分布示意圖

由圖1 可知，本文所研究的對(duì)瀝青混凝土面板粘彈性溫度應(yīng)力影響的參數(shù)一共有9個(gè)，分別是：瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)、封閉層導(dǎo)熱系數(shù)1 和導(dǎo)溫系數(shù)1、防滲層導(dǎo)溫系數(shù)2 和導(dǎo)溫系數(shù)2、整平膠結(jié)層導(dǎo)熱系數(shù)3和導(dǎo)溫系數(shù)3、墊層導(dǎo)熱系數(shù)4和導(dǎo)溫系數(shù)4。

在一項(xiàng)試驗(yàn)中，用來(lái)衡量試驗(yàn)效果的特征量稱為試驗(yàn)指標(biāo)，有時(shí)簡(jiǎn)稱指標(biāo)，也稱試驗(yàn)結(jié)果，通常用y表示。它類似于數(shù)學(xué)中的因變量或是目標(biāo)函數(shù)。本文將其引入到計(jì)算分析中，分別選取瀝青混凝土面板表面下0、2、42、102 mm 最大粘彈性溫度應(yīng)力這4 個(gè)量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。計(jì)算時(shí)用表面下Xmm 表示計(jì)算點(diǎn)在面板垂直方向上的位置。

首先需要確定各個(gè)熱工參數(shù)在瀝青混凝土面板工程中的一般性取值范圍，每個(gè)參數(shù)選取3 個(gè)水平進(jìn)行正交表設(shè)計(jì)，并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行編號(hào)。參數(shù)影響水平見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)影響水平表

3 正交實(shí)驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

本文數(shù)據(jù)分析采用極差分析法，極差法直觀形象、簡(jiǎn)單易懂。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算和分析就可以得到不同熱工參數(shù)對(duì)瀝青混凝土粘彈性溫度應(yīng)力的影響程度。由表1 可以看出，本次數(shù)據(jù)衡量實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響程度的指標(biāo)有多個(gè)，屬于多指標(biāo)問(wèn)題，因此采用綜合平衡法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5，其中總計(jì)算次數(shù)kj=3，各參數(shù)相應(yīng)水平指標(biāo)為K1、K2、K3，極差Rj的計(jì)算公式為：

各參數(shù)對(duì)瀝青混凝土面板表面下0、2、42、102 mm 處的粘彈性溫度應(yīng)力影響大小分別見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 面板表面0 mm處各參數(shù)極差值大小

圖3 面板表面下2 mm處各參數(shù)極差值大小

圖4 面板表面下42 mm處各參數(shù)極差值大小

由圖2可以看出各參數(shù)對(duì)應(yīng)的極差值大小順序?yàn)椋篈＞B1＞C2＞C3＞B3＞C4＞B2＞C1＞B4，即9個(gè)熱工參數(shù)對(duì)瀝青混凝土面板表面0 mm 處影響排序?yàn)椋簜鳠嵯禂?shù)＞導(dǎo)熱系數(shù)1＞導(dǎo)溫系數(shù)2＞導(dǎo)溫系數(shù)3＞導(dǎo)熱系數(shù)3＞導(dǎo)溫系數(shù)4＞導(dǎo)熱系數(shù)2＞導(dǎo)熱系數(shù)1＞導(dǎo)熱系數(shù)4。主要影響參數(shù)為瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)、封閉層導(dǎo)熱系數(shù)、防滲層導(dǎo)溫系數(shù)。

由圖3可以看出各參數(shù)所對(duì)應(yīng)的極差值大小順序?yàn)椋篈＞B1＞C2＞C3＞C4＞B3＞C1＞B4＞B2，即9個(gè)熱工參數(shù)對(duì)瀝青混凝土面板表面下2 mm 處影響排序?yàn)椋簜鳠嵯禂?shù)＞導(dǎo)熱系數(shù)1＞導(dǎo)溫系數(shù)2＞導(dǎo)溫系數(shù)3＞導(dǎo)溫系數(shù)4＞導(dǎo)熱系數(shù)3＞導(dǎo)溫系數(shù)1＞導(dǎo)熱系數(shù)4＞導(dǎo)熱系數(shù)2。主要影響參數(shù)為瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)、封閉層導(dǎo)熱系數(shù)、防滲層導(dǎo)溫系數(shù)。

由圖4可以看出各參數(shù)所對(duì)應(yīng)的極差值大小順序?yàn)椋篈＞C2＞B1＞C3＞C4＞B2=B3=B4＞C1，即9個(gè)熱工參數(shù)對(duì)瀝青混凝土面板表面下42 mm處影響排序?yàn)椋簜鳠嵯禂?shù)＞導(dǎo)溫系數(shù)2＞導(dǎo)熱系數(shù)1＞導(dǎo)溫系數(shù)3＞導(dǎo)溫系數(shù)4＞導(dǎo)熱系數(shù)2=導(dǎo)熱系數(shù)3=導(dǎo)熱系數(shù)4＞導(dǎo)溫系數(shù)1。主要影響參數(shù)為瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)、防滲層導(dǎo)溫系數(shù)、封閉層導(dǎo)熱系數(shù)。

由圖5可以看出各參數(shù)所對(duì)應(yīng)的極差值大小順序?yàn)椋篈＞C2＞B1＞C3＞C4＞B2＞B3=B4=C1，即9個(gè)熱工參數(shù)對(duì)瀝青混凝土面板表面102 mm 處影響排序?yàn)椋簜鳠嵯禂?shù)＞導(dǎo)溫系數(shù)2＞導(dǎo)熱系數(shù)1＞導(dǎo)溫系數(shù)3＞導(dǎo)溫系數(shù)4＞導(dǎo)熱系數(shù)2＞導(dǎo)熱系數(shù)3=導(dǎo)熱系數(shù)4=導(dǎo)溫系數(shù)1。主要影響參數(shù)為瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)、防滲層導(dǎo)溫系數(shù)、封閉層導(dǎo)熱系數(shù)。

圖5 面板表面下102 mm處各參數(shù)極差值大小

3.2 參數(shù)安全范圍分析

瀝青混凝土根據(jù)其瀝青品質(zhì)、配合比、周圍環(huán)境的不同，凍斷時(shí)的瞬時(shí)溫度、瞬時(shí)應(yīng)力也將不同，施工前通過(guò)凍斷試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)這兩個(gè)數(shù)值。將工程所用改性瀝青混凝土制作成板式試件，切割成尺寸為40 mm×40 mm×220 mm 的瀝青混凝土試件，在10℃條件下恒溫30 min，然后以30℃/h速度降溫，測(cè)定瀝青混凝土試件應(yīng)力和環(huán)境溫度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、圖6。

表2 改性瀝青混凝土凍斷試驗(yàn)結(jié)果

圖6 改性瀝青混凝土凍斷試驗(yàn)曲線

由表2 和圖6 可以看出，瀝青混凝土面板可以承受的最大溫度應(yīng)力為3.64 MPa，最大溫度應(yīng)力大于3.64 MPa 的工況集中出現(xiàn)在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為30W/（m2·℃）的情況中，而其他工況則較為安全。因此，將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)控制在20W/（m2·℃）以內(nèi)是較為合理的

4 結(jié)論

本文引入正交試驗(yàn)中的極差分析法，研究瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)、4個(gè)層面（封閉層、防滲層、整平膠結(jié)層、墊層）的導(dǎo)熱系數(shù)及導(dǎo)溫系數(shù)等9個(gè)熱工參數(shù)對(duì)瀝青混凝土面板不同深度粘彈性溫度應(yīng)力的影響大小，結(jié)果表明：對(duì)瀝青混凝土面板表層處、封閉層與防滲層交接處粘彈性溫度應(yīng)力主要影響參數(shù)為瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)、封閉層導(dǎo)熱系數(shù)、防滲層導(dǎo)溫系數(shù)、整平膠結(jié)層導(dǎo)溫系數(shù)；對(duì)瀝青混凝土面板防滲層中部處、防滲層與整平膠結(jié)層交接處粘彈性溫度應(yīng)力主要影響參數(shù)為瀝青混凝土面板傳熱系數(shù)、防滲層導(dǎo)溫系數(shù)、封閉層導(dǎo)熱系數(shù)、整平膠結(jié)層導(dǎo)溫系數(shù)。