热工参数对沥青混凝土面板温度应力影响研究

陈增伟

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

某抽水蓄能电站装机容量为1200 MW，装机4台，其中单机容量300 MW。电站建成后会在电网中承担填谷、调峰、调相、调频和事故备用等任务。电站枢纽是由上道系统、上水库、地下厂房系统以及下水库工程组成，工程等别为Ⅰ等，工程规模为大（1）型。主要建筑物按照1 级建筑标准设计，次要的建筑按照3 级建筑标准设计。上水库工程正常运用洪水标准为200 a 一遇，非常运用洪水标准为1000 a一遇。上水库由开挖并筑坝成库，正常蓄水位为1 940.00 m，设计洪水位为1 940.341 m，校核洪水位为1 940.457 m，死水位1 903.00 m，水库最大库水深40 m，最大水位变幅37.0 m，水位的最大下落速度7.5 m/h。正常水位下库容为679.72 万m3，调节库容为637.73 万m3，死库容为41.99 万m3。上水库坝高程为1 943.00 m，坝顶宽10.0 m，坝轴线长1 818.37 m，库底高程为1 900.00 m。全库盆的防渗材料均采用沥青混凝土，沥青混凝土面板的坡度为1∶1.75，防渗面板的总面积为24.48万m2，其中库底的面积为10.11 万m2，水库岸坡的防渗面积为14.37万m2。

工程所处环境极端最低气温-41.8℃，结合工程情况，确定9个热工参数，包括沥青混凝土面板传热系数、4个层面（封闭层、防渗层、整平胶结层、垫层）的导热系数及导温系数，研究这些参数对沥青混凝土面板最大粘弹性温度应力的影响大小。参考以往的沥青混凝土面板工程，为本文要研究的9 个热工参数划定变化范围如下：

（1）封闭层导热系数：0.7～1.3W/（m·℃）；

（2）防渗层导热系数：1～3W/（m·℃）；

（3）整平胶结层导热系数：0.7～1.5W/（m·℃）；

（4）垫层导热系数：0.7～1.3W/（m·℃）；

（5）封闭层导温系数：4 ～10 m2/s；

（6）防渗层导温系数：4 ～14 m2/s；

（7）整平胶结层导温系数：4 ～8 m2/s；

（8）垫层导温系数：4 ～10 m2/s；

（9）沥青混凝土面板传热系数：10～30W/（m2·℃）。

2 正交试验设计

影响沥青混凝土面板粘弹性温度应力的因素非常多，选择正交实验的分析方法，要完全清楚所有因素的影响大小是很难的，因此本文只考虑热工参数对沥青混凝土面板不同深度粘弹性温度应力的影响大小。热工参数包括沥青混凝土面板传热系数、内部的导热系数和导温系数，热工参数在沥青混凝土面板中的分布见图1。

图1 热工参数在沥青混凝土中分布示意图

由图1 可知，本文所研究的对沥青混凝土面板粘弹性温度应力影响的参数一共有9个，分别是：沥青混凝土面板传热系数、封闭层导热系数1 和导温系数1、防渗层导温系数2 和导温系数2、整平胶结层导热系数3和导温系数3、垫层导热系数4和导温系数4。

在一项试验中，用来衡量试验效果的特征量称为试验指标，有时简称指标，也称试验结果，通常用y表示。它类似于数学中的因变量或是目标函数。本文将其引入到计算分析中，分别选取沥青混凝土面板表面下0、2、42、102 mm 最大粘弹性温度应力这4 个量作为评价指标。计算时用表面下Xmm 表示计算点在面板垂直方向上的位置。

首先需要确定各个热工参数在沥青混凝土面板工程中的一般性取值范围，每个参数选取3 个水平进行正交表设计，并对各参数进行编号。参数影响水平见表1。

表1 参数影响水平表

3 正交实验法计算结果及分析

3.1 计算结果

本文数据分析采用极差分析法，极差法直观形象、简单易懂。通过简单的计算和分析就可以得到不同热工参数对沥青混凝土粘弹性温度应力的影响程度。由表1 可以看出，本次数据衡量实验结果影响程度的指标有多个，属于多指标问题，因此采用综合平衡法计算，计算结果见图2～图5，其中总计算次数kj=3，各参数相应水平指标为K1、K2、K3，极差Rj的计算公式为：

各参数对沥青混凝土面板表面下0、2、42、102 mm 处的粘弹性温度应力影响大小分别见图2～图5。

图2 面板表面0 mm处各参数极差值大小

图3 面板表面下2 mm处各参数极差值大小

图4 面板表面下42 mm处各参数极差值大小

由图2可以看出各参数对应的极差值大小顺序为：A＞B1＞C2＞C3＞B3＞C4＞B2＞C1＞B4，即9个热工参数对沥青混凝土面板表面0 mm 处影响排序为：传热系数＞导热系数1＞导温系数2＞导温系数3＞导热系数3＞导温系数4＞导热系数2＞导热系数1＞导热系数4。主要影响参数为沥青混凝土面板传热系数、封闭层导热系数、防渗层导温系数。

由图3可以看出各参数所对应的极差值大小顺序为：A＞B1＞C2＞C3＞C4＞B3＞C1＞B4＞B2，即9个热工参数对沥青混凝土面板表面下2 mm 处影响排序为：传热系数＞导热系数1＞导温系数2＞导温系数3＞导温系数4＞导热系数3＞导温系数1＞导热系数4＞导热系数2。主要影响参数为沥青混凝土面板传热系数、封闭层导热系数、防渗层导温系数。

由图4可以看出各参数所对应的极差值大小顺序为：A＞C2＞B1＞C3＞C4＞B2=B3=B4＞C1，即9个热工参数对沥青混凝土面板表面下42 mm处影响排序为：传热系数＞导温系数2＞导热系数1＞导温系数3＞导温系数4＞导热系数2=导热系数3=导热系数4＞导温系数1。主要影响参数为沥青混凝土面板传热系数、防渗层导温系数、封闭层导热系数。

由图5可以看出各参数所对应的极差值大小顺序为：A＞C2＞B1＞C3＞C4＞B2＞B3=B4=C1，即9个热工参数对沥青混凝土面板表面102 mm 处影响排序为：传热系数＞导温系数2＞导热系数1＞导温系数3＞导温系数4＞导热系数2＞导热系数3=导热系数4=导温系数1。主要影响参数为沥青混凝土面板传热系数、防渗层导温系数、封闭层导热系数。

图5 面板表面下102 mm处各参数极差值大小

3.2 参数安全范围分析

沥青混凝土根据其沥青品质、配合比、周围环境的不同，冻断时的瞬时温度、瞬时应力也将不同，施工前通过冻断试验来检测这两个数值。将工程所用改性沥青混凝土制作成板式试件，切割成尺寸为40 mm×40 mm×220 mm 的沥青混凝土试件，在10℃条件下恒温30 min，然后以30℃/h速度降温，测定沥青混凝土试件应力和环境温度。试验结果见表2、图6。

表2 改性沥青混凝土冻断试验结果

图6 改性沥青混凝土冻断试验曲线

由表2 和图6 可以看出，沥青混凝土面板可以承受的最大温度应力为3.64 MPa，最大温度应力大于3.64 MPa 的工况集中出现在表面传热系数为30W/（m2·℃）的情况中，而其他工况则较为安全。因此，将表面传热系数控制在20W/（m2·℃）以内是较为合理的

4 结论

本文引入正交试验中的极差分析法，研究沥青混凝土面板传热系数、4个层面（封闭层、防渗层、整平胶结层、垫层）的导热系数及导温系数等9个热工参数对沥青混凝土面板不同深度粘弹性温度应力的影响大小，结果表明：对沥青混凝土面板表层处、封闭层与防渗层交接处粘弹性温度应力主要影响参数为沥青混凝土面板传热系数、封闭层导热系数、防渗层导温系数、整平胶结层导温系数；对沥青混凝土面板防渗层中部处、防渗层与整平胶结层交接处粘弹性温度应力主要影响参数为沥青混凝土面板传热系数、防渗层导温系数、封闭层导热系数、整平胶结层导温系数。