北方地区冬季水工混凝土施工热能损耗率试验分析

2022-03-17迟欣为

黑龙江水利科技 2022年2期

迟欣为

(辽宁西北供水有限责任公司，沈阳 110033)

0 前言

北方地区冬季水利工程施工由于环境温度较低，使得水工混凝土结构稳定程度很难得到有效保障[1]。多个研究成果表明[2-7]，对于北方冬季而言，控制水工混凝土的热能损耗率是解决冬季施工水工混凝土稳定的重要措施。如何降低水工混凝土的热能损耗率一直处于研究过程中，但是研究成果还相对较少，近些年来，有一些学者采用水热化估算方法[8-11]来分析水工混凝土施工时候的热能损耗率，通过现场试验分析水热化估算方法下的热能损耗率计算精度较高，但该方法在北方地区还未得到相关应用，为此，文章结合某水利闸坝加固工程，采用现场试验方式，结合水热化估算方法对冬季水工混凝土施工的热能损耗率进行估算，并通过现场温度采集方式对其估算值进行检验分析。研究成果对于北方地区冬季水利工程施工设计具有重要参考价值。

1 试验方法

文章主要结合水热化估算方法对水工混凝土的放热量进行估算：

Q=Q0(1-e-mt)

(1)

式中：Q和Q0分别为水工混凝土总质量及单位质量下的放热能量，kJ；m为水热交换系数；t为水热交换时间，h。水热交换时间内的总放热量计算方程为：

△Q=Qn-Qn-1=WQ0(e-mtn-1-e-mtn)

(2)

式中：△Q为水热交换时间内的放热变化量，kJ；tn-1、tn为不同放热时段，h。不同时段水热放热比热计算方程分别为：

q1,1=cM△T=cM(T2,n-T2,n-1)

(3)

q1,2=cM△T=cM(T2,n-T0)

(4)

式中：q1，1为水工混凝土水热交换时的放热比热估算值，kJ；q1,2为水热交换时候的空气比热估算值，kJ；M为水工混凝土质量密度，kg/m3。水工混凝土水热交换时候的温度估算值Tn方程为：

(5)

2 工程实例分析

2.1 工程概况

以辽宁地区某水闸加固工程为具体实例，该水工闸坝总体宽度约为20m，此次加固工程主要对闸坝边墩进行垂直墙体加固，其垂直墙体加固主要采用标号为C25水工混凝土进行加固，由于汛期不能对其进行加固施工，所以其加固施工主要在11月份完成，在进行加固工程时对材料特性进行指标测定，水工混凝土试验主要指标，见表1。

表1 水工混凝土试验主要指标

2.2 水热化估算精度分析

为对水工混凝土水热化估算误差进行判定，在加固现场安装6个温度检测点，对比分析水工混凝土水热交换最高温度和出现时间监测值和估算值之间的误差。水热化估算方程下水工混凝土最高温度及出现时间误差统计结果，见表2。

表2 水热化估算方程下水工混凝土最高温度及出现时间误差统计结果

续表2 水热化估算方程下水工混凝土最高温度及出现时间误差统计结果

结合6个现场水工混凝体温度监测点实测温度数据，并采用水热化方法对各监测点温度进行估算，从对比结果可看出，各监测点最高温度估算值和实际监测值之间的误差低于±1.5℃，满足温度误差估算误差许可范围内。从最高温度出现时间估算误差结果可看出，各监测点水工混凝土最高温度出现时间和实测最高温度出现误差在水工混凝土施工规范sl677-2014要求的误差许可范围内，基本满足水工混凝土水热化估算精度标准要求。

2.3 水工混凝土内外温差试验分析

在水热化估算误差分析的基础上，对水闸加固工程水工混凝土不同薄壁厚度下的内外温差进行估算。不同薄壁厚度下水工混凝土内外温差估算结果，见表3。

表3 不同薄壁厚度下水工混凝土内外温差估算结果

从水工混凝土不同薄壁厚度下的内外温差估算结果可看出，内外温差下内壁厚度影响较大，内外温差随着水工混凝土内壁厚度的增加而逐步递增，高温出现时间也逐步减缓，当水工混凝土内壁厚度在50-80m之间时其内外温差达到峰值，水工混凝土施工时其结构稳定程度受内外温差影响较为明显，内外温差可通过增加水工混弄土内壁厚度来降低，从而提高其工程施工的稳定程度。

2.4 水工混凝土热能损耗估算

采用水热估算方程对不同薄壁厚度下的热能损耗进行估算。不同薄壁厚度下水工混凝土放热损耗率估算结果，见表4。

表4 不同薄壁厚度下水工混凝土放热损耗率估算结果

从试验结果可看出，水工混凝土放热过程中热能损耗率总体呈现线性递增变化，当内壁厚度介于110-130cm之间时水工混凝土的热能损耗率达到最高值，当内壁厚度达到最大值，水工混凝土受热能损耗影响其内外温差出现最高值，从而降低热能损耗率。水工混凝土表层温度受热能损耗率降低影响其表层温差将有所加大，因此建议在北方地区冬季施工时，建议将水工混凝土内壁厚度控制在40-60cm之间以降低其内外温差，从而降低水工混凝土的热能损耗率。