混凝土壩夏季倉面噴霧系統(tǒng)研發(fā)與試驗研究

李 亞，張 通，張瑞雪

（1.西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，西藏 拉薩 850200；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

0 引言

目前很多水利工程面臨工程緊、任務(wù)重的問題，為節(jié)約工期、降低成本，需要在高溫季節(jié)進(jìn)行施工，而在高溫季節(jié)澆筑混凝土，混凝土入倉后暴露于空氣中，受氣溫、太陽輻射等的影響，空氣與混凝土進(jìn)行熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致溫度倒灌，引起澆筑溫度及最高溫度超標(biāo)，產(chǎn)生溫度裂縫，危及壩體安全[1]。因而，如何解決施工倉面澆筑混凝土溫度回升過高的問題成為人們關(guān)注的重點。

當(dāng)前，在混凝土壩建造施工過程中進(jìn)行倉面噴霧，利用噴霧的遮陽與溫降效果來調(diào)節(jié)及改善倉面小環(huán)境，進(jìn)而抑制澆筑過程中混凝土的溫升，已經(jīng)成為大體積混凝土高溫季節(jié)施工中溫控的重要手段[2]。我國倉面噴霧控溫在20 世紀(jì)90年代前后首次應(yīng)用于水利工程，此后在三峽水電站、龍灘水電站、豐滿大壩重建等工程中得到應(yīng)用[3，4]。噴霧也多采用摻氣管、人工沖毛槍、風(fēng)炮式等噴霧方式[5]，盡管噴霧方式多樣，但人們對噴霧效果的評價多停留在感性認(rèn)知階段，對倉面噴霧的應(yīng)用與研究也多停留在經(jīng)驗階段，缺少大范圍、精細(xì)化外場專門試驗[6]?？v觀國內(nèi)眾多水利工程中噴霧的應(yīng)用，普遍存在霧化顆粒大、倉面積水、倉面無法全覆蓋、受氣候影響大、人力成本高、噴霧量與降溫效果無法量化等問題[7]，其應(yīng)用和推廣受到不同程度的限制。鄭祖廷[4]通過試驗研究了倉面噴霧機(jī)在三峽二期工程中降溫效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)倉面環(huán)境溫度超過32.0 ℃時，倉面溫降最高可達(dá)11.0 ℃；周厚貴[7]針對傳統(tǒng)噴霧機(jī)的溫降效果不理想、倉面積水嚴(yán)重的問題進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后試驗發(fā)現(xiàn)噴霧使倉面溫降達(dá)6.0～7.3 ℃，倉面最大降雨量為5 mm/h。傳統(tǒng)風(fēng)炮式噴霧方式存在霧化顆粒大、倉面積水、倉面無法全覆蓋、噴霧量無法量化及干擾施工等問題，而將噴嘴組裝在模板上，在搭建模板的過程中即可完成噴嘴的組裝，解決了影響施工的問題，使得該種噴霧方式成為未來噴霧降溫的發(fā)展趨勢。

因此，本文基于水氣二相流原理研發(fā)了新型倉面噴霧方法與系統(tǒng)，該噴霧方法能夠有效解決傳統(tǒng)噴霧方式出現(xiàn)的問題，并可實現(xiàn)智能化控制，設(shè)計混凝土倉面噴霧試驗，研究了該噴霧方法的噴霧效果，為混凝土倉面噴霧降溫研究、優(yōu)化傳統(tǒng)噴霧降溫方法與工藝、評估混凝土倉面噴霧降溫推廣的可行性與經(jīng)濟(jì)的可行性提供科學(xué)依據(jù)。

1 新型噴霧系統(tǒng)

噴霧系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由噴霧主機(jī)、高壓供水管道、高壓供氣管道、高壓超聲波噴嘴（水氣二相流噴嘴）、智能小氣候采集系統(tǒng)等組成，混凝土溫度測量裝置為藍(lán)牙溫度測量儀，倉面積水情況采用電子雨量計觀測，太陽輻射穿透率采用手持太陽輻射儀觀測。

1）噴霧主機(jī)

噴霧主機(jī)主要由空氣壓縮機(jī)、高壓水泵、配電箱、無線控制裝置等組成，同時內(nèi)設(shè)過濾裝置，防止水雜質(zhì)過多阻塞噴嘴。噴霧主機(jī)主要用于控制水流量與空氣流量強(qiáng)度，可自動與手動調(diào)控，主機(jī)放置在未澆筑的混凝土倉面上，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 噴霧主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2）噴霧管道

高壓供水與高壓供氣管道均為不銹鋼材質(zhì)，通過預(yù)制模板支撐結(jié)構(gòu)與模板進(jìn)行結(jié)合，不占用澆筑倉面空間。管道上預(yù)設(shè)噴嘴間距為1.5 m，可根據(jù)試驗要求，控制噴嘴安裝間距與數(shù)量，可以通過預(yù)制堵頭堵住管道水、氣出口實現(xiàn)。噴霧管道由單根長度為6.0 m 的不銹鋼管組成，并通過鋼管聯(lián)軸器連接，可隨澆筑進(jìn)程的推進(jìn)，靈活拆卸與組裝，進(jìn)而實現(xiàn)噴霧范圍的推進(jìn)，也可通過管道控制閥門控制噴霧范圍。

3）水氣二相流噴嘴

高壓超聲波噴嘴可使液體、氣體充分混合，霧化顆粒索特平均直徑SMD 不超過30 um，最高噴射空氣流量與水流量分別為225 L/min、121 L/h，靜風(fēng)下最遠(yuǎn)噴射距離超過15.0 m。

4）倉面小氣候采集設(shè)備

智能小氣候采集系統(tǒng)可實時測量混凝土倉面溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、太陽輻射等參數(shù)，并實時傳輸?shù)街悄軠乜剀浖刂葡到y(tǒng)進(jìn)行直觀化顯示。在倉內(nèi)噴霧區(qū)距離噴嘴約10.0 m 的位置布設(shè)3 臺小氣候設(shè)備實時觀測噴霧效果，同時在倉外設(shè)置1 臺小氣候設(shè)備作為對比觀測。

2 倉面噴霧試驗

2.1 試驗倉面

試驗地點為某碾壓混凝土重力壩，位于吉林省吉林市豐滿區(qū)。試驗時間選在9 月份某個炎熱晴天，日最高氣溫為30 ℃左右，平均濕度為24%。壩體東西走向，試驗倉位長60.0 m、寬25.0 m，為碾壓混凝土澆筑，采取連續(xù)通倉澆筑方法。試驗倉澆筑示意圖如圖2 所示。

圖2 試驗倉澆筑示意圖

2.2 試驗原理及步驟

2.2.1 水氣二相流噴霧系統(tǒng)原理

空氣壓縮機(jī)與高壓水泵持續(xù)工作并產(chǎn)生高壓氣體與高壓水，通過高壓管道分別傳輸?shù)絿婌F工作前端的耐高壓不銹鋼噴淋桿及耐高壓排氣管中；在耐高壓不銹鋼噴淋桿上安裝空氣霧化噴嘴，利用軟管實現(xiàn)排氣管與空氣霧化噴嘴的連接；通過高壓水與高壓氣體共同作用產(chǎn)生持續(xù)霧化效果；通過鋼模板插件將噴霧系統(tǒng)工作前端懸掛于鋼模板頂端，便形成完整的水氣二相流智能噴霧降溫系統(tǒng)。

2.2.2 噴霧方法與步驟

1）接好水管與電源，并檢驗高壓水泵正反轉(zhuǎn)情況。

2）開啟高壓水泵，并調(diào)節(jié)變頻，提升電機(jī)轉(zhuǎn)速；開啟水管，保證水壓不低于1.0 MPa，并控制單側(cè)水流量約為0.56 L/s。

3）開啟空氣壓縮機(jī)，保證空壓機(jī)壓力不低于0.8 MPa，維持出氣量不低于1.0 m3/min。

4）在噴嘴間距分別為 1.5，3.0，4.5 m 條件下，觀測霧化狀態(tài)及倉面積水情況。

5）在噴嘴間距為3.0 m條件下，分別調(diào)整噴嘴角度為0°，30°，60°，觀測霧化距離及倉面積水情況。

6）在噴嘴間距為3.0 m、角度為30°條件下，分別觀測無噴霧措施、水流量強(qiáng)度分別為0.28，0.56，0.72 L/s，4 種工況下的太陽輻射功率、太陽輻射能量、太陽輻射穿透率及相對濕度。

7）在水流量強(qiáng)度為0.56 L/s條件下，觀測噴霧與未噴霧區(qū)倉面氣溫情況，以及澆筑溫度回升情況。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 遮陽效果試驗

在噴嘴間距為3.0 m、噴射角度為30°條件下，測得4 種工況下噴霧倉面太陽輻射平均功率、太陽輻射平均能量、穿透率及相對濕度結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗測量結(jié)果圖

通過圖3 可看出，隨著流量強(qiáng)度加大（噴霧強(qiáng)度增加），太陽輻射功率、光強(qiáng)穿透率、太陽輻射能量逐漸降低，平均濕度隨流量強(qiáng)度增加而增加，并近似呈一種線性關(guān)系，可見提升霧化強(qiáng)度可有效遮擋太陽輻射并提升倉面空氣濕度，進(jìn)而有效抑制混凝土倉面溫度回升。

3.2 抑制混凝土溫度回升試驗

測量水流量強(qiáng)度為0.56 L/s 條件下倉內(nèi)氣溫與澆筑溫度，得出噴霧與未噴霧條件下倉內(nèi)氣溫及澆筑溫度變化曲線如圖4 所示。

圖4 噴霧區(qū)與非噴霧區(qū)實測結(jié)果圖

通過圖4（a）對比發(fā)現(xiàn)，倉面噴霧可有效降低噴霧區(qū)空氣溫度，同時隨噴霧時間延長，噴霧區(qū)溫度逐步降低，噴霧時長超過60 min 后基本達(dá)到穩(wěn)定，噴霧區(qū)與未噴霧區(qū)溫差維持在10.0 ℃左右；通過圖5（b）對比發(fā)現(xiàn)，噴霧可有效抑制澆筑溫度的回升，實測計算發(fā)現(xiàn)，入倉平均溫度為13.0 ℃，噴霧區(qū)平均澆筑溫度為16.3 ℃，非噴霧區(qū)平均澆筑溫度為18.3 ℃，抑制澆筑溫度平均溫升為2.0 ℃，因而該系統(tǒng)降溫效果明顯。

4 結(jié)語

基于混凝土倉面溫控需求與當(dāng)前噴霧方式的缺點，利用自主研發(fā)的水氣二相流噴霧系統(tǒng)進(jìn)行噴霧試驗，首先得出噴霧工藝對噴霧效果的影響，有效解決了傳統(tǒng)噴霧方式憑經(jīng)驗控制的缺點。通過外場實試驗探究了噴霧的降溫效果，結(jié)果表明，在混凝土倉面施工過程中實施噴霧，可有效降低倉內(nèi)溫度、提升倉內(nèi)濕度，遮陽效果明顯，持續(xù)噴霧條件下，噴霧可降低空氣溫度達(dá)10.0 ℃，抑制平均澆筑溫度回升為2.0 ℃，降溫效果良好，同時，成本較低，可為當(dāng)前混凝土壩倉面溫控環(huán)節(jié)帶來新的變革，可為當(dāng)前類似噴霧方法的實施提供借鑒。