李 亚，张 通，张瑞雪

（1.西藏华泰龙矿业开发有限公司，西藏 拉萨 850200；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引言

目前很多水利工程面临工程紧、任务重的问题，为节约工期、降低成本，需要在高温季节进行施工，而在高温季节浇筑混凝土，混凝土入仓后暴露于空气中，受气温、太阳辐射等的影响，空气与混凝土进行热传导，导致温度倒灌，引起浇筑温度及最高温度超标，产生温度裂缝，危及坝体安全[1]。因而，如何解决施工仓面浇筑混凝土温度回升过高的问题成为人们关注的重点。

当前，在混凝土坝建造施工过程中进行仓面喷雾，利用喷雾的遮阳与温降效果来调节及改善仓面小环境，进而抑制浇筑过程中混凝土的温升，已经成为大体积混凝土高温季节施工中温控的重要手段[2]。我国仓面喷雾控温在20 世纪90年代前后首次应用于水利工程，此后在三峡水电站、龙滩水电站、丰满大坝重建等工程中得到应用[3，4]。喷雾也多采用掺气管、人工冲毛枪、风炮式等喷雾方式[5]，尽管喷雾方式多样，但人们对喷雾效果的评价多停留在感性认知阶段，对仓面喷雾的应用与研究也多停留在经验阶段，缺少大范围、精细化外场专门试验[6]。纵观国内众多水利工程中喷雾的应用，普遍存在雾化颗粒大、仓面积水、仓面无法全覆盖、受气候影响大、人力成本高、喷雾量与降温效果无法量化等问题[7]，其应用和推广受到不同程度的限制。郑祖廷[4]通过试验研究了仓面喷雾机在三峡二期工程中降温效果，发现当仓面环境温度超过32.0 ℃时，仓面温降最高可达11.0 ℃；周厚贵[7]针对传统喷雾机的温降效果不理想、仓面积水严重的问题进行了改进，改进后试验发现喷雾使仓面温降达6.0～7.3 ℃，仓面最大降雨量为5 mm/h。传统风炮式喷雾方式存在雾化颗粒大、仓面积水、仓面无法全覆盖、喷雾量无法量化及干扰施工等问题，而将喷嘴组装在模板上，在搭建模板的过程中即可完成喷嘴的组装，解决了影响施工的问题，使得该种喷雾方式成为未来喷雾降温的发展趋势。

因此，本文基于水气二相流原理研发了新型仓面喷雾方法与系统，该喷雾方法能够有效解决传统喷雾方式出现的问题，并可实现智能化控制，设计混凝土仓面喷雾试验，研究了该喷雾方法的喷雾效果，为混凝土仓面喷雾降温研究、优化传统喷雾降温方法与工艺、评估混凝土仓面喷雾降温推广的可行性与经济的可行性提供科学依据。

1 新型喷雾系统

喷雾系统硬件设备主要由喷雾主机、高压供水管道、高压供气管道、高压超声波喷嘴（水气二相流喷嘴）、智能小气候采集系统等组成，混凝土温度测量装置为蓝牙温度测量仪，仓面积水情况采用电子雨量计观测，太阳辐射穿透率采用手持太阳辐射仪观测。

1）喷雾主机

喷雾主机主要由空气压缩机、高压水泵、配电箱、无线控制装置等组成，同时内设过滤装置，防止水杂质过多阻塞喷嘴。喷雾主机主要用于控制水流量与空气流量强度，可自动与手动调控，主机放置在未浇筑的混凝土仓面上，其结构图如图1所示。

图1 喷雾主机结构示意图

2）喷雾管道

高压供水与高压供气管道均为不锈钢材质，通过预制模板支撑结构与模板进行结合，不占用浇筑仓面空间。管道上预设喷嘴间距为1.5 m，可根据试验要求，控制喷嘴安装间距与数量，可以通过预制堵头堵住管道水、气出口实现。喷雾管道由单根长度为6.0 m 的不锈钢管组成，并通过钢管联轴器连接，可随浇筑进程的推进，灵活拆卸与组装，进而实现喷雾范围的推进，也可通过管道控制阀门控制喷雾范围。

3）水气二相流喷嘴

高压超声波喷嘴可使液体、气体充分混合，雾化颗粒索特平均直径SMD 不超过30 um，最高喷射空气流量与水流量分别为225 L/min、121 L/h，静风下最远喷射距离超过15.0 m。

4）仓面小气候采集设备

智能小气候采集系统可实时测量混凝土仓面温湿度、风速风向、太阳辐射等参数，并实时传输到智能温控软件控制系统进行直观化显示。在仓内喷雾区距离喷嘴约10.0 m 的位置布设3 台小气候设备实时观测喷雾效果，同时在仓外设置1 台小气候设备作为对比观测。

2 仓面喷雾试验

2.1 试验仓面

试验地点为某碾压混凝土重力坝，位于吉林省吉林市丰满区。试验时间选在9 月份某个炎热晴天，日最高气温为30 ℃左右，平均湿度为24%。坝体东西走向，试验仓位长60.0 m、宽25.0 m，为碾压混凝土浇筑，采取连续通仓浇筑方法。试验仓浇筑示意图如图2 所示。

图2 试验仓浇筑示意图

2.2 试验原理及步骤

2.2.1 水气二相流喷雾系统原理

空气压缩机与高压水泵持续工作并产生高压气体与高压水，通过高压管道分别传输到喷雾工作前端的耐高压不锈钢喷淋杆及耐高压排气管中；在耐高压不锈钢喷淋杆上安装空气雾化喷嘴，利用软管实现排气管与空气雾化喷嘴的连接；通过高压水与高压气体共同作用产生持续雾化效果；通过钢模板插件将喷雾系统工作前端悬挂于钢模板顶端，便形成完整的水气二相流智能喷雾降温系统。

2.2.2 喷雾方法与步骤

1）接好水管与电源，并检验高压水泵正反转情况。

2）开启高压水泵，并调节变频，提升电机转速；开启水管，保证水压不低于1.0 MPa，并控制单侧水流量约为0.56 L/s。

3）开启空气压缩机，保证空压机压力不低于0.8 MPa，维持出气量不低于1.0 m3/min。

4）在喷嘴间距分别为 1.5，3.0，4.5 m 条件下，观测雾化状态及仓面积水情况。

5）在喷嘴间距为3.0 m条件下，分别调整喷嘴角度为0°，30°，60°，观测雾化距离及仓面积水情况。

6）在喷嘴间距为3.0 m、角度为30°条件下，分别观测无喷雾措施、水流量强度分别为0.28，0.56，0.72 L/s，4 种工况下的太阳辐射功率、太阳辐射能量、太阳辐射穿透率及相对湿度。

7）在水流量强度为0.56 L/s条件下，观测喷雾与未喷雾区仓面气温情况，以及浇筑温度回升情况。

3 试验结果及分析

3.1 遮阳效果试验

在喷嘴间距为3.0 m、喷射角度为30°条件下，测得4 种工况下喷雾仓面太阳辐射平均功率、太阳辐射平均能量、穿透率及相对湿度结果如图3所示。

图3 试验测量结果图

通过图3 可看出，随着流量强度加大（喷雾强度增加），太阳辐射功率、光强穿透率、太阳辐射能量逐渐降低，平均湿度随流量强度增加而增加，并近似呈一种线性关系，可见提升雾化强度可有效遮挡太阳辐射并提升仓面空气湿度，进而有效抑制混凝土仓面温度回升。

3.2 抑制混凝土温度回升试验

测量水流量强度为0.56 L/s 条件下仓内气温与浇筑温度，得出喷雾与未喷雾条件下仓内气温及浇筑温度变化曲线如图4 所示。

图4 喷雾区与非喷雾区实测结果图

通过图4（a）对比发现，仓面喷雾可有效降低喷雾区空气温度，同时随喷雾时间延长，喷雾区温度逐步降低，喷雾时长超过60 min 后基本达到稳定，喷雾区与未喷雾区温差维持在10.0 ℃左右；通过图5（b）对比发现，喷雾可有效抑制浇筑温度的回升，实测计算发现，入仓平均温度为13.0 ℃，喷雾区平均浇筑温度为16.3 ℃，非喷雾区平均浇筑温度为18.3 ℃，抑制浇筑温度平均温升为2.0 ℃，因而该系统降温效果明显。

4 结语

基于混凝土仓面温控需求与当前喷雾方式的缺点，利用自主研发的水气二相流喷雾系统进行喷雾试验，首先得出喷雾工艺对喷雾效果的影响，有效解决了传统喷雾方式凭经验控制的缺点。通过外场实试验探究了喷雾的降温效果，结果表明，在混凝土仓面施工过程中实施喷雾，可有效降低仓内温度、提升仓内湿度，遮阳效果明显，持续喷雾条件下，喷雾可降低空气温度达10.0 ℃，抑制平均浇筑温度回升为2.0 ℃，降温效果良好，同时，成本较低，可为当前混凝土坝仓面温控环节带来新的变革，可为当前类似喷雾方法的实施提供借鉴。