混凝土澆筑層頂面散熱比例探討

田開平，黃耀英，徐佰林，練 迪

(1.南昌工學院建筑工程學院，江西南昌330108；2.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

混凝土澆筑層頂面散熱比例探討

田開平1，黃耀英2，徐佰林2，練 迪2

(1.南昌工學院建筑工程學院，江西南昌330108；2.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

DL/T 5345—2006《混凝土拱壩設計規范》給出澆筑層頂面可散掉混凝土水化熱的比例時，只考慮了澆筑層厚度的影響，而沒考慮其他因素的影響，這可能與實際情況存在差異。為此，建立了混凝土澆筑層有限元溫度場仿真模型，以炎熱地區為例探討了澆筑層厚度、散熱面數量、間歇期、澆筑季節等因素對澆筑層頂面散熱比例的影響。結果表明，高溫季節熱量會通過澆筑層頂面向混凝土內部倒灌，低溫季節熱量會通過澆筑層頂面向外散失；層厚、間歇期、水泥種類、太陽輻射和頂面保溫等因素對澆筑層頂面散熱比例的影響很顯著；散熱面數量對澆筑層頂面散熱比例影響很小。

頂面散熱；溫度場仿真；澆筑層厚度；澆筑季節；間歇期

0 引 言

一般認為，大體積混凝土薄層澆筑是混凝土早期水化熱散失的有效措施[1- 5]。1956年，朱伯芳假定澆筑層底面絕熱對頂面散熱量進行了計算，從水泥水化熱角度的計算成果表明：間歇期為3～5 d，層厚在3 m以下時不同層厚對頂面散熱的影響很大[1，2]。《混凝土拱壩設計規范》[3]和《混凝土重力壩設計規范》[4]都有減小澆筑層厚度、利用層面散熱進行溫度控制的規定，前者還給出了層厚與散熱比例的量化關系。隨著我國經濟和施工技術的快速發展以及高壩建設和施工進度的需要，人工冷卻措施在大體積混凝土中廣泛應用，有關水管冷卻等人工冷卻的研究越來越多，而有關澆筑層頂面天然散熱則鮮有報道，但澆筑層頂面天然散熱并沒有被完全取代，三峽工程等大型水利水電工程仍然將薄層澆筑視為一種有效的降溫措施[5]，對于中小型混凝土壩，天然散熱更是重要的散熱措施之一，同時也是一種節能環保的溫控措施。

DL/T 5345—2006《混凝土拱壩設計規范》提出[3]：薄層澆筑對混凝土水化熱的散失比其他溫控措施都有效的多，澆筑層厚度為1.0、1.5、3.0 m時，通過澆筑層頂面分別可散掉混凝土水化熱的60%、50%和30%。規范強調層厚對澆筑層頂面散熱的影響，不考慮間歇期和澆筑季節等因素對層面散熱的影響，這可能與實際情況存在差異。為此，本文參照近幾年建設的混凝土大壩的溫控措施，建立了混凝土澆筑層三維有限元不穩定溫度場仿真模型，根據有限元模擬散熱原理開發了計算澆筑層頂面散熱的程序；以炎熱地區為例，分高溫季節和低溫季節分別探討了澆筑層厚度、散熱面數量、間歇期、水泥種類、太陽輻射、頂面保溫等因素對澆筑層頂面散熱的影響。

1 澆筑層頂面散熱比例計算原理

澆筑層頂面散熱指間歇期混凝土澆筑層通過頂面與外界環境的熱交換。首先，由混凝土澆筑層溫度場仿真模型獲得澆筑層頂面溫度，從而得到澆筑層頂面熱量；然后，由多年月平均氣溫擬合的環境氣溫表達式得到相應外界環境熱量；最后，由熱交換原理得到澆筑層頂面散熱量。

1.1 澆筑層頂面散熱比例計算式

現定義澆筑層頂面散熱比例是間歇期澆筑層頂面散熱量與澆筑層水泥總水化熱的比值。

(1) 澆筑層水泥總水化熱。水泥水化熱情況由絕熱溫升來表示，因此，澆筑層水泥總水化熱可表示為

Q=ρcθ0V

(1)

式中，ρ為混凝土密度；c為混凝土比熱；θ0為混凝土最終絕熱溫升，θ0=∑θi；V為澆筑層混凝土體積。由于澆筑層頂面散熱量是通過溫度場仿真計算獲得的，混凝土的最終絕熱溫升值也可通過溫度場仿真計算獲得，即將混凝土澆筑層六面絕熱仿真計算足夠長時間的混凝土溫升值。

(2) 澆筑層頂面散熱量。由第三類邊界條件獲得每個時間增量步通過澆筑層頂面的熱流量，然后累加得到間歇期澆筑層頂面的散熱量。澆筑層頂面的散熱量可表示為

(2)

(3)由混凝土澆筑層頂面散熱比例的定義，澆筑倉頂面散熱比例即為Qtop/Q。

1.2 基于溫度場仿真分析的計算模型

建立3個不同層厚的溫度場有限元仿真模型，澆筑層的尺寸分別為60 m×22 m×3.0 m(順河向×橫河向×層厚)、60 m×22 m×1.5 m、60 m×22 m×1.0 m，采用六面體八節點等參單元剖分有限元網格。

根據水管冷卻等效熱傳導原理[6，7]和澆筑層頂面散熱比例計算式，采用Visual Fortran 開發了基于溫度場仿真分析的澆筑層頂面散熱比例計算程序[8]。

2 計算工況及結果分析

以炎熱地區為例，針對高溫季節(7月、8月)和低溫季節(12月、1月)分別設計了12組和15組(文中給出其中9組的計算結果)計算工況。此外，基于某大壩低溫季節現場監測的澆筑層表面溫度和環境氣溫對澆筑層表面散熱比例進行了分析。

2.1 高溫季節

2.1.1 計算條件

仿真計算時段分3個階段通冷卻水，通水方案如表1所示。層厚為3.0 m和1.5 m澆筑層水管間距為1.0 m×1.5 m(水平向×垂直向)，層厚為1.0 m澆筑層使水管冷卻效果與水管間距為1.0 m×1.5 m(水平向×垂直向)等效。

表1 高溫季節通水方案

2.1.2 中熱水泥

層厚分別取3.0、1.5、1.0 m，散熱面數量分別取3面散熱(橫縫面絕熱)和5面散熱(橫縫面臨空)，形成6個組合。水泥采用中熱水泥，不考慮太陽輻射，澆筑層頂面散熱比例見表2。

表2 中熱水泥混凝土澆筑層頂面散熱比例

由表2可知：①由于高溫季節環境氣溫高于混凝土溫度，熱量通過澆筑層頂面向內部倒灌；②3面散熱和5面散熱，澆筑層頂面散熱比例差異較小；③澆筑層厚度和間歇期對澆筑層頂面散熱比例的影響均較為顯著，澆筑層越薄，間歇時間越長，熱量通過頂面的熱量倒灌越多。

2.1.3 低熱水泥

層厚分別取3.0、1.5、1.0m，形成3個組合，采取3面散熱，水泥采用低熱水泥，不考慮太陽輻射，澆筑層頂面散熱比例見表3。

表3 低熱水泥混凝土澆筑層頂面散熱比例

對于低熱水泥混凝土澆筑層，層厚、間歇期對澆筑層頂面散熱比例的影響規律與中熱水泥是一致的；由于低熱水泥具有水化熱低和水化放熱緩慢等特點，相同溫控條件下混凝土溫度較低，熱量通過頂面的倒灌比例明顯比中熱水泥大。

2.1.4 太陽輻射

太陽輻射參考文獻[9]并考慮澆筑層頂面流水養護，即日平均氣溫加5 ℃考慮太陽輻射。層厚分別取3.0、1.5、1.0 m，形成3個組合，采取3面散熱，水泥采用中熱水泥，澆筑層頂面散熱比例見表4。

對比表2和表4可見，太陽輻射對頂面散熱比例的影響很顯著，熱量通過頂面的倒灌比例是不考慮太陽輻射的2倍左右。

表4 考慮太陽輻射混凝土澆筑層頂面散熱比例

2.2 低溫季節

2.2.1 計算條件

熱學參數和水管布置同高溫季節。通水方案見表5。

表5 低溫季節通水方案

2.2.2 中熱水泥

層厚分別取3.0、1.5、1.0 m，散熱面考慮3面散熱和5面散熱，形成6個組合。水泥采用中熱水泥，不考慮太陽輻射，不考慮頂面保溫，混凝土澆筑層頂面散熱比例見表6。

表6 中熱水泥混凝土澆筑層頂面散熱比例

由表6可知：①由于低溫季節環境氣溫低于混凝土溫度，混凝土水化熱通過澆筑層頂面向外散熱，散熱面數量對頂面散熱比例的影響仍然很小；②層厚和間歇期共同影響澆筑層頂面散熱比例，不同層厚混凝土達到參考文獻[3]中頂面散熱比例對應的間歇期是不一致的，層厚為3.0 m時，頂面散熱30%(規范值，下同)的間歇期是15 d，層厚為1.5 m時，頂面散熱50%的間歇期是20 d，層厚為1.0 m時頂面散熱達到60%的間歇期要超過20 d。

2.2.3 頂面保溫

采用等效表面放熱系數法考慮頂面保溫效果，即澆筑層頂面表面放熱系數取338J/(m2·d·℃)。層厚分別取3.0、1.5、1.0 m，形成3個組合，采取3面散熱，水泥采用中熱水泥，不考慮太陽輻射，澆筑層頂面散熱比例見表7。對比表6和表7可知，考慮頂面保溫澆筑層頂面散熱比例顯著減小，從另一個角度說明澆筑層頂面保溫效果良好。

表7 考慮表面保溫混凝土澆筑層頂面散熱比例

此外，低溫季節低熱水泥和太陽輻射對澆筑層頂面散熱比例的影響也是很顯著的，由于篇幅有限，低熱水泥和太陽輻射對澆筑層頂面散熱比例影響的工況及計算結果文中不詳細給出，二者都會使澆筑層頂面散熱比例減小。

2.3 實例分析

炎熱地區某大壩在12月澆筑的某一混凝土澆筑層頂面以下8 cm處埋設了溫度監測設備對澆筑層頂面溫度進行了現場監測，并獲得了壩址區實際氣溫資料和混凝土澆筑層頂面溫度如圖1所示。該混凝土澆筑層的層厚為3 m，水泥為中熱水泥，收倉2天后頂面覆蓋了保溫被，采用現場監測的混凝土頂面溫度、環境氣溫以及實際熱學參數(同前)，由式(1)、(2)計算得到該澆筑層6 d的頂面散熱比例為10.62%。考慮到監測位置、保溫被覆蓋時間、太陽輻射等因素的影響，基于有限元溫度場仿真計算的澆筑層頂面散熱比例(7 d為11.45%)與基于現場監測數據的澆筑層頂面散熱比例(7 d約為12.39%)吻合的較好。

圖1 混凝土澆筑層頂面溫度

3 結 論

本文以炎熱地區為例，采用有限元溫度場仿真技術，在高溫季節和低溫季節下分別探討了澆筑層厚度、散熱面數量、間歇期、水泥種類等因素對澆筑層頂面散熱的影響，得到如下結論：

(1)在高溫季節，由于環境氣溫高于混凝土溫度，熱量通過澆筑層頂面向內部倒灌。澆筑層頂面熱量倒灌比例除了隨間歇期的增長而增大外，層厚對澆筑層頂面熱量倒灌比例的影響也很顯著，中熱水泥、間歇期為7 d、橫縫絕熱時層厚為3 m和1.5 m的頂面熱量倒灌比例分別為8.54%和13.15%；太陽輻射對澆筑層頂面熱量倒灌比例的影響也很顯著，中熱水泥、層厚為3 m、間歇期為7 d、橫縫絕熱時考慮太陽輻射澆筑層頂面熱量倒灌是不考慮太陽輻射的2倍，層厚是1 m時太陽輻射的影響更大；此外，散熱面數量對澆筑層頂面熱量倒灌比例影響較小，水泥種類對澆筑層頂面熱量倒灌比例的影響很顯著。

(2)在低溫季節，由于環境氣溫低于混凝土溫度，熱量通過澆筑層頂面向外散熱。澆筑層厚度仍然是影響澆筑層頂面散熱比例的主要因素，中熱水泥、間歇期為7 d、橫縫絕熱時層厚為3 m和1.5 m的頂面散熱比例分別為16.72%和31.71%；覆蓋保溫被對澆筑層頂面散熱比例的影響也很顯著，中熱水泥、層厚為3 m、間歇期為7 d、橫縫絕熱時覆蓋保溫被澆筑層頂面散熱比例是不覆蓋保溫被的0.68；此外，散熱面數量對澆筑層頂面熱量倒灌比例影響較小，間歇期、水泥種類和太陽輻射等因素對澆筑層頂面散熱比例的影響很顯著。

[1]朱伯芳. 混凝土壩的溫度計算[J]. 中國水利， 1956(11)： 8- 20．

[2]朱伯芳. 混凝土壩的溫度計算(續)[J]. 中國水利， 1956(12)： 48- 60．

[3]DL/T 5346—2006 混凝土拱壩設計規范[S].

[4]SL 319—2005 混凝土重力壩設計規范[S]．

[5]張超然. 三峽水利樞紐混凝土工程溫度控制研究[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2001．

[6]朱伯芳. 混凝土熱學力學性能隨齡期變化的組合指數公式[J]. 水利學報， 2011(1)： 1- 7．

[7]田開平， 鄭曉輝， 黃耀英， 等. 基于光纖傳感技術的低熱水泥混凝土溫度監測及熱學參數反演[J]. 水力發電， 2014， 40(4)： 58- 61．

[8]黃耀英， 周宜紅， 周建兵， 等. 水管冷卻熱傳導計算模型能量分析[J]. 水利水運工程學報， 2012(1)： 78- 82．

[9]朱伯芳. 大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2012．

(責任編輯 焦雪梅)

Discussion on Top Surface Heat Dissipation Ratio of Concrete Pouring Layer

TIAN Kaiping1, HUANG Yaoying2, XU Bailin2, LIAN Di2

(1. School of Architectural Engineering, Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, Jiangxi, China;2. College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

The pouring thickness is only the factor need to be considered in determining top surface heat dissipation ratio of concrete in current Design Specification for Concrete Arch Dams (DL/T 5345—2006), which may be different to actual situation. To solve this problem, the finite element simulation model of concrete pouring layer temperature field is established to discuss the influence of pouring layer thickness, number of radiating surface, intermission and pouring season on top surface heat dissipation ratio in hot region. The results show that, (a) the heat will flow backward from the top to inside of concrete pouring layer in hot season, while the heat will dissipate outwardly through the top surface of concrete pouring surface in cold season; (b) the top surface heat dissipation ratio of concrete is significantly impacted by the factors of pouring layer thickness, intermission, cement type, solar radiation and top surface insulation; and (c) the number of radiating surface has little effect on top surface heat dissipation ratio．

heat dissipation of top surface; temperature field simulation; pouring layer thickness; pouring season; intermission

2015- 04- 04

國家自然科學基金項目(51209124)；南昌工學院校級重點項目(GJJG- 14- 01)

田開平(1987—)，男，山西五臺人，碩士，主要從事水利工程與巖土工程方面的教學與科研工作．

TV331

A

0559- 9342(2015)11- 0055- 04