高海拔環境對施工機械降效影響探討

連子怡，譚一帆，陳 嘉

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

高海拔地區具有高寒、低壓、缺氧、紫外線強的氣候特點，對機械施工效率存在較大影響。目前，在考慮高海拔環境對于施工機械效率的影響時，一般采用定額高程調整系數的方式體現。王朋基等[1]分析研究了高海拔地區對于人工效率及工程機械壽命、效率的影響。李明強等[2]通過研究分析不同海拔高度對于施工機械效率及機上人工的影響，確定了海拔高程分檔步距及相應調整系數。調整系數概括性、操作性強，一定程度上解決了高海拔地區水利工程造價文件的編制問題。

在實際工程中，由于油動機械本質是由汽柴油充分燃燒提供能量，電動機械本質是由電力驅動，因此所有施工機械均采用同一個調整系數方案存在一定不合理性。為了合理確定工程投資，有必要針對高海拔環境對油動和電動兩種施工機械影響進行比較研究，以利于高海拔地區工程施工機械的合理配備和機械升效。

1 高海拔地區特性

現行水利工程概算定額將海拔高程高于2 000 m的地區劃分為6個等級，每500 m作為一個定額分檔步距。高海拔地區主要具有低壓缺氧、寒冷干燥、太陽輻射強的特點[3]。

1.1 低壓缺氧

氣壓與海拔高度關系密切。高海拔地區低壓缺氧的主要原因是隨著海拔升高，空氣受地球引力作用減小，大氣壓力下降，空氣密度變小，空氣中含氧量也隨之減少。不同海拔高度環境大氣壓及含氧量分布情況如表1所示。

表1 不同海拔高度大氣壓及含氧量分布Tab.1 Distribution of atmospheric pressure and oxygen concentration at different altitudes

由表1可知，在海拔1 000～5 000 m范圍內，海拔高程每升高1 000 m，年平均氣壓約減少10 kPa，含氧量約減少12%。西藏拉洛水利樞紐工程擋水建筑物壩頂高程4 305.00 m，大氣壓相當于海平面氣壓的56%～60%，含氧量水平相當于海平面的57%～61%。

1.2 寒冷干燥

氣溫隨著海拔高度升高而逐漸下降，一般每升高100 m，平均氣溫降低0.5～0.7 ℃。具體可參考式(1)進行計算[4]：

(1)

式中：TZ為海拔高度為Z時的氣溫，K；T0為基準氣溫，K；gt為氣溫梯度，0.5～0.7 ℃/100 m；▽Z為海拔高度Z處與相鄰氣象站或海拔高度之差，m。

高海拔地區濕度低、風沙大，絕對濕度(每單位容積的氣體所含水分重量)隨海拔高度升高而降低。

1.3 太陽輻射強

海拔高度的增加減少了大氣對于太陽光的阻攔作用，太陽輻射強度會隨之增大。資料顯示，海拔5 000 m 時，太陽最大輻射約為低海拔地區的1.25倍。與太陽輻射照度相比，紫外線輻射照度受海拔影響更大，海拔3 000 m時就已經達低海拔地區的2倍。

2 高海拔對油動機械效率影響

2.1 對機械功率影響

通常來說，高海拔環境的低氣壓和低含氧量對以內燃機為動力的施工機械影響顯著。內燃機氣缸容積是固定的，大氣壓力與含氧量隨著海拔高度升高而減小，進而每循環進入氣缸的空氣量和含氧量減少，會導致燃燒不充分，動力和經濟性能顯著降低[5-8]。

隨著城市規模擴大，消防水源、道路數據增大，更新速度加快，依靠傳統的手繪地圖、臺賬資料難以實現消防救援隊高效、快速、準確的滅火救援需求，利用定位技術可以通過在火情發生時快速定位著火位置、消火栓及道路,提升應急救援能力,對于保障城市消防安全具有一定現實意義。

國內針對高海拔地區內燃機功率的修正和校核研究較為成熟。參考GB/T 6072.1-2008《往復式內燃機 性能 第1部分：功率、燃油消耗和機油消耗的標定及試驗方法 通用發動機的附加要求》中第10條功率調整和燃料消耗率換算方法，可計算出不同海拔條件及氣溫條件下施工機械的有效功率和燃油消耗率。通過比較分析高海拔地區及平原地區相應參數的區別，即可得出海拔高程對于油動機械功率的影響。

2.2 對機上人工影響

高海拔環境造成的低壓缺氧及其他惡劣環境加重了機械操作工人的身體負擔，降低了機械工人的操作精度與準確度，進而影響了機械的使用效率。

就一般群體在存(個體差異)而言，資料顯示：① 海拔在5 000 m以上時，人體動脈血氧飽和度下降到正常情況的75%以下，人工效率降低90%；② 海拔在4 000～5 000 m之間時，人體動脈血氧飽和度為正常情況的80%，人工效率降低75%；③ 海拔在3 000～4 000 m之間時，人體動脈血氧飽和度為正常情況的88%，人工效率降低50%；④ 海拔在2 000～3 000 m之間時，人體動脈血氧飽和度為正常情況的91%，人工效率降低25%[1]。

2.3 對機械油料影響

不論是作為動力來源的液體燃料，還是保持機械性能的潤滑、傳動油料，在高海拔導致的低溫環境下，比在平原地區需要更低的凝點和冷濾點。柴油標號標注的是柴油凝點，冷濾點一般高于零點5 ℃。當氣溫下降至冷濾點時，柴油中就會凝結出晶體，無法通過柴油濾清器，從而影響發動機運轉。

同時，高海拔地區晝夜溫差大的特性要求機械傳動和潤滑油料具有更高的粘度指數，即油料粘度隨溫度變化影響較小。

3 高海拔對電動機械效率影響

對于以電力驅動的施工機械，其機上人工及以傳動油和潤滑油為主的機械油料受到高海拔環境的影響與油動機械類似。但是，由于電氣設備自身特性，電動機械與油動機械間仍有部分差異。

3.1 對電機影響

(1) 低氣壓影響。低氣壓造成空氣密度減小，對熱換流能力和設備的整體熱容量也不斷減少。因此，對于依賴于自然對流和強迫風冷的設備而言，在高海拔環境下，需要更大的空氣流量以保持同樣的效果。一般來說，海拔每升高100 m，設備溫升增加約0.4 K。GB/T 755-2019《旋轉電機 定額和性能》中第6條規定了標準現場運行條件。即以海拔不超過1 000 m、環境溫度不超過40 ℃時的輸出額定功率為基準，當現場運行條件不滿足該條件時，需要進行相應修正。同時在高海拔低氣壓環境下，電機局部放電起始電壓和電暈起始電壓降低，加重了電暈腐蝕現象，增大了直流電機電刷的磨損。

(2) 低溫影響。雖然低溫對電機散熱有利，但對電機啟動存在不利影響。氣溫過低會降低潤滑脂稠度，進而降低潤滑能力，增大靜態阻力矩，加速軸承磨損。

3.2 對電氣設備影響

GB/T 20626.1-2017《特殊環境條件 高原電工電子產品》、GB/T 20645-2021《特殊環境條件高原用低壓電氣技術要求》中對于高海拔環境下電氣設備的影響進行了詳細說明，并規定了相應的修正系數。主要可概括為以下幾個方面。

(1) 電暈。電暈起始電壓降低會增加電能損耗，加速絕緣老化和金屬腐蝕現象。

(2) 滅弧性能。以自由空氣為滅弧介質的開關電器設備滅弧性能降低，降低通斷能力，縮短電壽命。

(3) 絕緣強度。空氣介電強度、空氣冷卻效應以及弧隙空氣介質恢復能力降低，因而降低了設備空氣絕緣耐壓。

(4) 溫升。一方面，低壓增大設備散熱難度，溫升增加；另一方面，低溫可部分或全部補償低壓引起的設備溫升增加值，補償值視設備散熱特點和實際溫度而定。

(5) 外形和密封。低氣壓會增大器件腔體內外壓力差，引起外觀變形、爆裂、氣體或液體泄露。

(6) 溫度抵抗能力。高海拔環境會加速設備絕緣老化、變形、保護層脫落。因此，如有防護設備，應保證其防護要求；反之應提高設備本身的防護能力。

(7) 輻射。海拔5 000 m的最大太陽熱輻射是平原地區相應值的1.25倍。熱輻射增加會加大戶外設備的溫升，降低材料絕緣性能。海拔3 000 m時，紫外線輻射已達到平原地區相應值的2倍。紫外線會加速有機絕緣材質老花，使空氣易于電離而導致外絕緣強度以及電暈起始電壓降低。

4 定額高程系數調整

現行水總〔2002〕116號文頒布的《水利建筑工程概算定額》已綜合考慮高海拔環境對油動機械的功率、機上人工等各方面的影響，根據不同海拔高度制定了不同的調整系數。基于定額高程調整系數的確定原理，油動機械可直接參照定額中的調整系數，詳見表2。

表2 高原地區定額調整系數Tab.2 Quota adjustment coefficient of plateau area

高海拔環境對于電動機械的降效影響是多方面的，且隨機械冷卻方式和防護形式的不同存在差異，甚至影響設備的耐久性能。相比油動機械，電動機械受高原環境影響相對較小，因而在同等條件下，電動機械的高程調整系數低于油動機械。

在編制拉洛水利樞紐工程概算文件時，按定額相關規定，機械的高程調整系數應為1.65；結合定額并針對高海拔環境對施工機械影響進行研究，油動機械高程調整系數仍為1.65，電動機械高程調整系數調整為1.20。系數調整后工程總投資由511 663 萬元調整為 495 320萬元，投資減少16 343萬元。

截至目前，該項目已大體完工，等待驗收。結合現場實施情況，投資基本可控，高程調整系數的選定是基本合適的。

5 結 語

在研究兩種動力機械海拔高程調整系數的過程中，受客觀條件限制，未能實地開展高海拔地區施工機械的降效水平數據調查。如何結合高海拔地區水利工程實際施工降效情況，將實測數據與理論研究結合，使調整系數更加貼合工程實際，需要進一步探究。