熱工參數對瀝青混凝土面板溫度應力影響研究

陳增偉

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

某抽水蓄能電站裝機容量為1200 MW，裝機4臺，其中單機容量300 MW。電站建成后會在電網中承擔填谷、調峰、調相、調頻和事故備用等任務。電站樞紐是由上道系統、上水庫、地下廠房系統以及下水庫工程組成，工程等別為Ⅰ等，工程規模為大（1）型。主要建筑物按照1 級建筑標準設計，次要的建筑按照3 級建筑標準設計。上水庫工程正常運用洪水標準為200 a 一遇，非常運用洪水標準為1000 a一遇。上水庫由開挖并筑壩成庫，正常蓄水位為1 940.00 m，設計洪水位為1 940.341 m，校核洪水位為1 940.457 m，死水位1 903.00 m，水庫最大庫水深40 m，最大水位變幅37.0 m，水位的最大下落速度7.5 m/h。正常水位下庫容為679.72 萬m3，調節庫容為637.73 萬m3，死庫容為41.99 萬m3。上水庫壩高程為1 943.00 m，壩頂寬10.0 m，壩軸線長1 818.37 m，庫底高程為1 900.00 m。全庫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m2，其中庫底的面積為10.11 萬m2，水庫岸坡的防滲面積為14.37萬m2。

工程所處環境極端最低氣溫-41.8℃，結合工程情況，確定9個熱工參數，包括瀝青混凝土面板傳熱系數、4個層面（封閉層、防滲層、整平膠結層、墊層）的導熱系數及導溫系數，研究這些參數對瀝青混凝土面板最大粘彈性溫度應力的影響大小。參考以往的瀝青混凝土面板工程，為本文要研究的9 個熱工參數劃定變化范圍如下：

（1）封閉層導熱系數：0.7～1.3W/（m·℃）；

（2）防滲層導熱系數：1～3W/（m·℃）；

（3）整平膠結層導熱系數：0.7～1.5W/（m·℃）；

（4）墊層導熱系數：0.7～1.3W/（m·℃）；

（5）封閉層導溫系數：4 ～10 m2/s；

（6）防滲層導溫系數：4 ～14 m2/s；

（7）整平膠結層導溫系數：4 ～8 m2/s；

（8）墊層導溫系數：4 ～10 m2/s；

（9）瀝青混凝土面板傳熱系數：10～30W/（m2·℃）。

2 正交試驗設計

影響瀝青混凝土面板粘彈性溫度應力的因素非常多，選擇正交實驗的分析方法，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對瀝青混凝土面板不同深度粘彈性溫度應力的影響大小。熱工參數包括瀝青混凝土面板傳熱系數、內部的導熱系數和導溫系數，熱工參數在瀝青混凝土面板中的分布見圖1。

圖1 熱工參數在瀝青混凝土中分布示意圖

由圖1 可知，本文所研究的對瀝青混凝土面板粘彈性溫度應力影響的參數一共有9個，分別是：瀝青混凝土面板傳熱系數、封閉層導熱系數1 和導溫系數1、防滲層導溫系數2 和導溫系數2、整平膠結層導熱系數3和導溫系數3、墊層導熱系數4和導溫系數4。

在一項試驗中，用來衡量試驗效果的特征量稱為試驗指標，有時簡稱指標，也稱試驗結果，通常用y表示。它類似于數學中的因變量或是目標函數。本文將其引入到計算分析中，分別選取瀝青混凝土面板表面下0、2、42、102 mm 最大粘彈性溫度應力這4 個量作為評價指標。計算時用表面下Xmm 表示計算點在面板垂直方向上的位置。

首先需要確定各個熱工參數在瀝青混凝土面板工程中的一般性取值范圍，每個參數選取3 個水平進行正交表設計，并對各參數進行編號。參數影響水平見表1。

表1 參數影響水平表

3 正交實驗法計算結果及分析

3.1 計算結果

本文數據分析采用極差分析法，極差法直觀形象、簡單易懂。通過簡單的計算和分析就可以得到不同熱工參數對瀝青混凝土粘彈性溫度應力的影響程度。由表1 可以看出，本次數據衡量實驗結果影響程度的指標有多個，屬于多指標問題，因此采用綜合平衡法計算，計算結果見圖2～圖5，其中總計算次數kj=3，各參數相應水平指標為K1、K2、K3，極差Rj的計算公式為：

各參數對瀝青混凝土面板表面下0、2、42、102 mm 處的粘彈性溫度應力影響大小分別見圖2～圖5。

圖2 面板表面0 mm處各參數極差值大小

圖3 面板表面下2 mm處各參數極差值大小

圖4 面板表面下42 mm處各參數極差值大小

由圖2可以看出各參數對應的極差值大小順序為：A＞B1＞C2＞C3＞B3＞C4＞B2＞C1＞B4，即9個熱工參數對瀝青混凝土面板表面0 mm 處影響排序為：傳熱系數＞導熱系數1＞導溫系數2＞導溫系數3＞導熱系數3＞導溫系數4＞導熱系數2＞導熱系數1＞導熱系數4。主要影響參數為瀝青混凝土面板傳熱系數、封閉層導熱系數、防滲層導溫系數。

由圖3可以看出各參數所對應的極差值大小順序為：A＞B1＞C2＞C3＞C4＞B3＞C1＞B4＞B2，即9個熱工參數對瀝青混凝土面板表面下2 mm 處影響排序為：傳熱系數＞導熱系數1＞導溫系數2＞導溫系數3＞導溫系數4＞導熱系數3＞導溫系數1＞導熱系數4＞導熱系數2。主要影響參數為瀝青混凝土面板傳熱系數、封閉層導熱系數、防滲層導溫系數。

由圖4可以看出各參數所對應的極差值大小順序為：A＞C2＞B1＞C3＞C4＞B2=B3=B4＞C1，即9個熱工參數對瀝青混凝土面板表面下42 mm處影響排序為：傳熱系數＞導溫系數2＞導熱系數1＞導溫系數3＞導溫系數4＞導熱系數2=導熱系數3=導熱系數4＞導溫系數1。主要影響參數為瀝青混凝土面板傳熱系數、防滲層導溫系數、封閉層導熱系數。

由圖5可以看出各參數所對應的極差值大小順序為：A＞C2＞B1＞C3＞C4＞B2＞B3=B4=C1，即9個熱工參數對瀝青混凝土面板表面102 mm 處影響排序為：傳熱系數＞導溫系數2＞導熱系數1＞導溫系數3＞導溫系數4＞導熱系數2＞導熱系數3=導熱系數4=導溫系數1。主要影響參數為瀝青混凝土面板傳熱系數、防滲層導溫系數、封閉層導熱系數。

圖5 面板表面下102 mm處各參數極差值大小

3.2 參數安全范圍分析

瀝青混凝土根據其瀝青品質、配合比、周圍環境的不同，凍斷時的瞬時溫度、瞬時應力也將不同，施工前通過凍斷試驗來檢測這兩個數值。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，測定瀝青混凝土試件應力和環境溫度。試驗結果見表2、圖6。

表2 改性瀝青混凝土凍斷試驗結果

圖6 改性瀝青混凝土凍斷試驗曲線

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力為3.64 MPa，最大溫度應力大于3.64 MPa 的工況集中出現在表面傳熱系數為30W/（m2·℃）的情況中，而其他工況則較為安全。因此，將表面傳熱系數控制在20W/（m2·℃）以內是較為合理的

4 結論

本文引入正交試驗中的極差分析法，研究瀝青混凝土面板傳熱系數、4個層面（封閉層、防滲層、整平膠結層、墊層）的導熱系數及導溫系數等9個熱工參數對瀝青混凝土面板不同深度粘彈性溫度應力的影響大小，結果表明：對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力主要影響參數為瀝青混凝土面板傳熱系數、封閉層導熱系數、防滲層導溫系數、整平膠結層導溫系數；對瀝青混凝土面板防滲層中部處、防滲層與整平膠結層交接處粘彈性溫度應力主要影響參數為瀝青混凝土面板傳熱系數、防滲層導溫系數、封閉層導熱系數、整平膠結層導溫系數。