某瀝青混凝土面板堆石壩溫度場影響研究分析

劉 峰

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

影響瀝青混凝土面板溫度場的分布因素，一般可以分為外部因素和內部因素。外部因素主要考慮氣溫、太陽輻射、風速、降雨量等氣候因素，內部因素一般包括材料的各種物理參數、熱工參數、結構參數等一些面板結構自身所具有的特性參數[1]。由此可見，瀝青混凝土面板溫度場的影響因素是多種多樣的。

在以前的一些對于瀝青混凝土面板溫度場的研究中，都是把氣溫作為主要的影響因素，對于其他的諸如太陽輻射、風速、日照時長的影響研究較少，這并不能很好地表現面板實際溫度場的變化。如許協慶[2]等根據瀝青混凝土面板受到外界氣溫變化的影響和材料黏彈性特性，采用黏彈性嵌固板建立求解溫度應力的模型，計算了面板護面層的溫度應力，與實際結果相一致。王科進[3]依據線性黏彈性理論，求得了反映瀝青混凝土材料黏彈性力學性能的重要參數不同溫度下瀝青混凝土的松弛模量[4]。

2 工程概況

本文依托位于西北地區某抽水蓄能電站，該電站樞紐主要由上水庫、下水庫、水道系統和地下廠房系統等組成。上水庫工程正常運行的洪水標準采用200年一遇，非正常運行采用1000年一遇。由于上水庫采用的是開挖筑壩成庫，根據工程所在地的地質條件可知，該庫區所在地的地下水位大部分低于正常蓄水位，而且巖石的透水率比較大，存在庫區滲漏問題，所以要進行庫區防滲處理。

電站所在流域屬于溫帶季風亞干旱氣候，冬季漫長而嚴寒，長達5個月，而且寒暑季節特征分明。冬季極端最低氣溫可達-41.8 ℃，年平均氣溫僅1.1 ℃。夏季短暫，但極端最高氣溫可達38.5 ℃[5]。在該地區，無論是日氣溫變化還是年氣溫變化都比較大，因此更易發生早晚霜凍。該流域的風沙天氣較多，根據氣象站觀測資料統計，多年平均風速為3.3 m/s，年最大風速為23.7 m/s。春季多干旱少雨，氣溫較低，但風沙較大。

3 溫度場有限元模型的建立

3.1 溫度場模型的建立

在計算過程中，本文沿庫岸瀝青混凝土面板深度方向截取剖面進行溫度場的非線性有限元分析。為了提高計算精度，沿面板的防滲層到墊層網格密度從密到疏。單元類型采用四結點線性傳熱四邊形單元(DC2D4)。面板剖面的節點總數為96 795個，單元總數為96 400個。

3.2 溫度場計算工況

由于抽水蓄能電站在運行的過程中水位反復升降，暴露在空氣中的面板受到外界空氣的影響，面板溫度隨氣溫的變化劇烈，相應的產生較大的溫度應力。由于工程所在地處于溫帶季風亞干旱氣候，季節分明，溫度在每個月份的變化有明顯的分別。因此，本文取一年中12個月份的各月平均氣候條件作為計算工況，對面板在各月的平均氣候條件下的溫度場進行分析，以便了解各月平均氣候條件下的溫度場的變化規律。

瀝青混凝土材料是一種由多種物質混合組成的混合物，并不是單一均勻的物質，其物理參數隨著混合料的不同存在大幅的差異。此外，瀝青混凝土又是一種溫敏性的材料，物理參數隨著溫度的變化而變化[3]，這使得求解過程變得復雜化。所以，為了簡化求解過程，熱物理參數均取值為常數。

3.3 溫度場有限元模型實現過程

在采用ABAQUS軟件分析計算的過程中，通常需要經歷3個步驟：前處理、分析計算、后處理。在前處理階段，需要定義物理問題的模型，并生成一個ABAQUS的輸入文件。在分析計算階段，使用ABAQUS求解輸入文件中所定義的數值模型，以后臺方式運行，分析結果保存在相應的二進制文件中。在后處理階段，通過ABAQUS中的可視化模塊讀入輸出的二進制數據庫，用多種方法顯示分析結構，包括動畫、彩色云圖、變形圖等。通過把ABAQUS劃分為一系列的功能模塊來實現它的前處理、分析計算和后處理。這些模塊主要包括Part 模塊、特性模塊、裝配模塊、分析步模塊、相互作用模塊、荷載模塊、網格模塊、作業模塊、視化模塊和草圖模塊。在Part模塊中定義面板的結構形式，主要包括結構的各項幾何參數以及形狀。在特性模塊中主要定義瀝青混凝土面板的結構的材料參數，指明瀝青混凝土各結構層為各項同性材料，定義材料參數，如密度、導熱系數、比熱容等，并把相應的材料參數賦予各結構層。裝配模塊的作用是將存在于自己坐標系中獨立于模型其它部分的Part部件進行組合，從而構成裝配件，使這些部件存在于同一個總坐標系中。分析步模塊的作用是生成和構成分析步步驟，并與待求解的問題聯系起來，通過分析步序列實現荷載或邊界條件等響應的過程變化，根據需要，在分析步模塊中設置輸出變量。

4 計算結果分析

4.1 瀝青混凝土面板溫度場年變化過程

本文以12個月份的各月平均氣候條件作為計算工況，研究面板在各月的平均氣候條件下的溫度場并進行分析，得到各月平均氣候條件下的溫度場的變化規律，見圖1。

圖1 面板表面溫度日變化曲線

圖1(a)～圖1(d)分別表示一年12個月份的溫度場的年變化規律。從圖1中可以發現，面板表面的最低溫度出現在1、2、3、11和12月份， 6、7和8月份的面板表面溫度比較接近，且相對其它月份較高，這與實際情況符合。而且，從圖1中可知，各月溫度場的日變化規律有一定的相似性。最低溫度一般出現在凌晨4∶30點左右，最高溫度一般出現在下午2∶00左右。雖然各溫度曲線表現出相似的變化規律，但是由于有效日照時長的影響，面板結構各月份氣溫出現極值時刻并不相同，以及由于氣溫、風速、太陽輻射總量的不同，導致面板表面溫度的極值數值也并不相同。

4.2 面板不同深度處的溫度場變化規律

面板結構是均勻的層次結構，結構層內的各種材料并不相同，材料的熱傳導效應也不相同，因此結構內部的不同深度處的溫度數值也會有所差異。本文對面板沿深度方向每隔30 mm取一計算點(2 mm處為防滲層表面)，分析其在環境條件作用下24 h內的溫度應力的變化情況。本文取1月份作為代表月份，研究在該外界環境條件下，面板結構內部不同深度處溫度場的分布情況，見圖2。

由圖2中可以看出，面板結構的一天24 h的溫度變化幅度總是由面板的頂面開始從上到下逐漸減小。原因在于，面板表面直接受到太陽輻射、氣溫對流的影響，從而造成其升溫快、降溫快的情況，晝夜溫差最大。面板結構遠離表面深度處，由于上部面層的形成的“保溫”作用，故隨著面板結構深度的增加，溫度的變化幅度逐漸減小。此外，由圖2中可知，面板結構不同深度處的溫度極值總是隨著深度的增加逐漸推后。這主要是由于熱傳導的過程是在介質中進行能量傳遞的過程，介質對熱傳導的作用具有一定的阻礙作用，因此溫度在面板結構中的熱傳導需要時間，面板對外界氣溫的變化的響應具有滯后作用。

圖2 1月份面板不同深度處的溫度變化曲線

4.3 太陽輻射對面板表面溫度場的影響

在瀝青混凝土面板溫度場的計算中，氣溫是影響溫度場的最主要因素，但是太陽輻射對溫度場的影響也不容小覷。針對此種情況，本文以1和7月份代表冬季和夏季來研究太陽輻射對面板溫度場的影響情況，見圖3-圖4。

圖3 1月份考慮和不考慮太陽輻射面板表面溫度對比

圖4 7月份考慮和不考慮太陽輻射面板表面溫度對比

從圖3可以看出，1 月份考慮和不考慮太陽輻射的面板表面溫度從上午9∶00左右開始出現明顯不同。這主要是由于此時太陽升起，面板表面吸收太陽輻射，導致溫度明顯升高。且考慮太陽輻射時，面板表面最高溫度可達 3.44 ℃；不考慮太陽輻射時，最高溫度為-12.45 ℃，兩者相差15.9 ℃。從圖4中可知，7月份考慮太陽輻射的面板表面溫度最高溫度為40.51 ℃，不考慮太陽輻射的面板表面溫度為16.62 ℃，兩者相差23.90 ℃。對比兩個月份的溫度差值可以發現，太陽輻射對面板表面的最高溫度有顯著的影響。而且1和7月份中，考慮太陽輻射和不考慮太陽輻射兩者最高氣溫出現的時刻并不一樣。這主要是由于日出時間和有限日照時長使最高氣溫的出現時刻并不一致。

5 結 論

1) 對于瀝青混凝土面板表面溫度場變化規律的研究表明，氣溫和太陽輻射是影響面板結構溫度的主要因素，各月的面板表面溫度日變化過程表現出一定的相似性。面板表面最低溫度一般出現在上午4∶30左右，最高溫度出現在下午2∶00左右。由于各月的不同氣溫、太陽輻射、有效日照時長導致極值數值出現的時刻并不相同。

2) 面板表面直接受到外界環境變化的的影響，溫度變化幅度最大。隨著面板結構深度的增加，溫度的變化幅度逐漸減小。此外，由于熱傳導的時間效應，面板結構對氣候變化的響應具有滯后作用，最低溫度和最高溫度出現的時間隨著深度的增加逐漸推后。

3) 對比1和7月份的考慮和不考慮太陽輻射的面板表面的最高溫度表明，太陽輻射對面板結構的溫度具有顯著的影響，有效日照時間決定了太陽輻射的作用時長。因此，它們直接決定了面板能夠獲得太陽輻射能量的多少。對于以7月份為代表的夏季來說，面板表面的最高氣溫是進行溫度控制的主要方面。因此，考慮太陽輻射的影響更符合實際，能準確地了解面板溫度場的實際分布情況，對面板的溫度控制有更好的指導意義。