混凝土浇筑层顶面散热比例探讨

田开平，黄耀英，徐佰林，练 迪

(1.南昌工学院建筑工程学院，江西南昌330108；2.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)

混凝土浇筑层顶面散热比例探讨

田开平1，黄耀英2，徐佰林2，练 迪2

(1.南昌工学院建筑工程学院，江西南昌330108；2.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)

DL/T 5345—2006《混凝土拱坝设计规范》给出浇筑层顶面可散掉混凝土水化热的比例时，只考虑了浇筑层厚度的影响，而没考虑其他因素的影响，这可能与实际情况存在差异。为此，建立了混凝土浇筑层有限元温度场仿真模型，以炎热地区为例探讨了浇筑层厚度、散热面数量、间歇期、浇筑季节等因素对浇筑层顶面散热比例的影响。结果表明，高温季节热量会通过浇筑层顶面向混凝土内部倒灌，低温季节热量会通过浇筑层顶面向外散失；层厚、间歇期、水泥种类、太阳辐射和顶面保温等因素对浇筑层顶面散热比例的影响很显著；散热面数量对浇筑层顶面散热比例影响很小。

顶面散热；温度场仿真；浇筑层厚度；浇筑季节；间歇期

0 引 言

一般认为，大体积混凝土薄层浇筑是混凝土早期水化热散失的有效措施[1- 5]。1956年，朱伯芳假定浇筑层底面绝热对顶面散热量进行了计算，从水泥水化热角度的计算成果表明：间歇期为3～5 d，层厚在3 m以下时不同层厚对顶面散热的影响很大[1，2]。《混凝土拱坝设计规范》[3]和《混凝土重力坝设计规范》[4]都有减小浇筑层厚度、利用层面散热进行温度控制的规定，前者还给出了层厚与散热比例的量化关系。随着我国经济和施工技术的快速发展以及高坝建设和施工进度的需要，人工冷却措施在大体积混凝土中广泛应用，有关水管冷却等人工冷却的研究越来越多，而有关浇筑层顶面天然散热则鲜有报道，但浇筑层顶面天然散热并没有被完全取代，三峡工程等大型水利水电工程仍然将薄层浇筑视为一种有效的降温措施[5]，对于中小型混凝土坝，天然散热更是重要的散热措施之一，同时也是一种节能环保的温控措施。

DL/T 5345—2006《混凝土拱坝设计规范》提出[3]：薄层浇筑对混凝土水化热的散失比其他温控措施都有效的多，浇筑层厚度为1.0、1.5、3.0 m时，通过浇筑层顶面分别可散掉混凝土水化热的60%、50%和30%。规范强调层厚对浇筑层顶面散热的影响，不考虑间歇期和浇筑季节等因素对层面散热的影响，这可能与实际情况存在差异。为此，本文参照近几年建设的混凝土大坝的温控措施，建立了混凝土浇筑层三维有限元不稳定温度场仿真模型，根据有限元模拟散热原理开发了计算浇筑层顶面散热的程序；以炎热地区为例，分高温季节和低温季节分别探讨了浇筑层厚度、散热面数量、间歇期、水泥种类、太阳辐射、顶面保温等因素对浇筑层顶面散热的影响。

1 浇筑层顶面散热比例计算原理

浇筑层顶面散热指间歇期混凝土浇筑层通过顶面与外界环境的热交换。首先，由混凝土浇筑层温度场仿真模型获得浇筑层顶面温度，从而得到浇筑层顶面热量；然后，由多年月平均气温拟合的环境气温表达式得到相应外界环境热量；最后，由热交换原理得到浇筑层顶面散热量。

1.1 浇筑层顶面散热比例计算式

现定义浇筑层顶面散热比例是间歇期浇筑层顶面散热量与浇筑层水泥总水化热的比值。

(1) 浇筑层水泥总水化热。水泥水化热情况由绝热温升来表示，因此，浇筑层水泥总水化热可表示为

Q=ρcθ0V

(1)

式中，ρ为混凝土密度；c为混凝土比热；θ0为混凝土最终绝热温升，θ0=∑θi；V为浇筑层混凝土体积。由于浇筑层顶面散热量是通过温度场仿真计算获得的，混凝土的最终绝热温升值也可通过温度场仿真计算获得，即将混凝土浇筑层六面绝热仿真计算足够长时间的混凝土温升值。

(2) 浇筑层顶面散热量。由第三类边界条件获得每个时间增量步通过浇筑层顶面的热流量，然后累加得到间歇期浇筑层顶面的散热量。浇筑层顶面的散热量可表示为

(2)

(3)由混凝土浇筑层顶面散热比例的定义，浇筑仓顶面散热比例即为Qtop/Q。

1.2 基于温度场仿真分析的计算模型

建立3个不同层厚的温度场有限元仿真模型，浇筑层的尺寸分别为60 m×22 m×3.0 m(顺河向×横河向×层厚)、60 m×22 m×1.5 m、60 m×22 m×1.0 m，采用六面体八节点等参单元剖分有限元网格。

根据水管冷却等效热传导原理[6，7]和浇筑层顶面散热比例计算式，采用Visual Fortran 开发了基于温度场仿真分析的浇筑层顶面散热比例计算程序[8]。

2 计算工况及结果分析

以炎热地区为例，针对高温季节(7月、8月)和低温季节(12月、1月)分别设计了12组和15组(文中给出其中9组的计算结果)计算工况。此外，基于某大坝低温季节现场监测的浇筑层表面温度和环境气温对浇筑层表面散热比例进行了分析。

2.1 高温季节

2.1.1 计算条件

仿真计算时段分3个阶段通冷却水，通水方案如表1所示。层厚为3.0 m和1.5 m浇筑层水管间距为1.0 m×1.5 m(水平向×垂直向)，层厚为1.0 m浇筑层使水管冷却效果与水管间距为1.0 m×1.5 m(水平向×垂直向)等效。

表1 高温季节通水方案

2.1.2 中热水泥

层厚分别取3.0、1.5、1.0 m，散热面数量分别取3面散热(横缝面绝热)和5面散热(横缝面临空)，形成6个组合。水泥采用中热水泥，不考虑太阳辐射，浇筑层顶面散热比例见表2。

表2 中热水泥混凝土浇筑层顶面散热比例

由表2可知：①由于高温季节环境气温高于混凝土温度，热量通过浇筑层顶面向内部倒灌；②3面散热和5面散热，浇筑层顶面散热比例差异较小；③浇筑层厚度和间歇期对浇筑层顶面散热比例的影响均较为显著，浇筑层越薄，间歇时间越长，热量通过顶面的热量倒灌越多。

2.1.3 低热水泥

层厚分别取3.0、1.5、1.0m，形成3个组合，采取3面散热，水泥采用低热水泥，不考虑太阳辐射，浇筑层顶面散热比例见表3。

表3 低热水泥混凝土浇筑层顶面散热比例

对于低热水泥混凝土浇筑层，层厚、间歇期对浇筑层顶面散热比例的影响规律与中热水泥是一致的；由于低热水泥具有水化热低和水化放热缓慢等特点，相同温控条件下混凝土温度较低，热量通过顶面的倒灌比例明显比中热水泥大。

2.1.4 太阳辐射

太阳辐射参考文献[9]并考虑浇筑层顶面流水养护，即日平均气温加5 ℃考虑太阳辐射。层厚分别取3.0、1.5、1.0 m，形成3个组合，采取3面散热，水泥采用中热水泥，浇筑层顶面散热比例见表4。

对比表2和表4可见，太阳辐射对顶面散热比例的影响很显著，热量通过顶面的倒灌比例是不考虑太阳辐射的2倍左右。

表4 考虑太阳辐射混凝土浇筑层顶面散热比例

2.2 低温季节

2.2.1 计算条件

热学参数和水管布置同高温季节。通水方案见表5。

表5 低温季节通水方案

2.2.2 中热水泥

层厚分别取3.0、1.5、1.0 m，散热面考虑3面散热和5面散热，形成6个组合。水泥采用中热水泥，不考虑太阳辐射，不考虑顶面保温，混凝土浇筑层顶面散热比例见表6。

表6 中热水泥混凝土浇筑层顶面散热比例

由表6可知：①由于低温季节环境气温低于混凝土温度，混凝土水化热通过浇筑层顶面向外散热，散热面数量对顶面散热比例的影响仍然很小；②层厚和间歇期共同影响浇筑层顶面散热比例，不同层厚混凝土达到参考文献[3]中顶面散热比例对应的间歇期是不一致的，层厚为3.0 m时，顶面散热30%(规范值，下同)的间歇期是15 d，层厚为1.5 m时，顶面散热50%的间歇期是20 d，层厚为1.0 m时顶面散热达到60%的间歇期要超过20 d。

2.2.3 顶面保温

采用等效表面放热系数法考虑顶面保温效果，即浇筑层顶面表面放热系数取338J/(m2·d·℃)。层厚分别取3.0、1.5、1.0 m，形成3个组合，采取3面散热，水泥采用中热水泥，不考虑太阳辐射，浇筑层顶面散热比例见表7。对比表6和表7可知，考虑顶面保温浇筑层顶面散热比例显著减小，从另一个角度说明浇筑层顶面保温效果良好。

表7 考虑表面保温混凝土浇筑层顶面散热比例

此外，低温季节低热水泥和太阳辐射对浇筑层顶面散热比例的影响也是很显著的，由于篇幅有限，低热水泥和太阳辐射对浇筑层顶面散热比例影响的工况及计算结果文中不详细给出，二者都会使浇筑层顶面散热比例减小。

2.3 实例分析

炎热地区某大坝在12月浇筑的某一混凝土浇筑层顶面以下8 cm处埋设了温度监测设备对浇筑层顶面温度进行了现场监测，并获得了坝址区实际气温资料和混凝土浇筑层顶面温度如图1所示。该混凝土浇筑层的层厚为3 m，水泥为中热水泥，收仓2天后顶面覆盖了保温被，采用现场监测的混凝土顶面温度、环境气温以及实际热学参数(同前)，由式(1)、(2)计算得到该浇筑层6 d的顶面散热比例为10.62%。考虑到监测位置、保温被覆盖时间、太阳辐射等因素的影响，基于有限元温度场仿真计算的浇筑层顶面散热比例(7 d为11.45%)与基于现场监测数据的浇筑层顶面散热比例(7 d约为12.39%)吻合的较好。

图1 混凝土浇筑层顶面温度

3 结 论

本文以炎热地区为例，采用有限元温度场仿真技术，在高温季节和低温季节下分别探讨了浇筑层厚度、散热面数量、间歇期、水泥种类等因素对浇筑层顶面散热的影响，得到如下结论：

(1)在高温季节，由于环境气温高于混凝土温度，热量通过浇筑层顶面向内部倒灌。浇筑层顶面热量倒灌比例除了随间歇期的增长而增大外，层厚对浇筑层顶面热量倒灌比例的影响也很显著，中热水泥、间歇期为7 d、横缝绝热时层厚为3 m和1.5 m的顶面热量倒灌比例分别为8.54%和13.15%；太阳辐射对浇筑层顶面热量倒灌比例的影响也很显著，中热水泥、层厚为3 m、间歇期为7 d、横缝绝热时考虑太阳辐射浇筑层顶面热量倒灌是不考虑太阳辐射的2倍，层厚是1 m时太阳辐射的影响更大；此外，散热面数量对浇筑层顶面热量倒灌比例影响较小，水泥种类对浇筑层顶面热量倒灌比例的影响很显著。

(2)在低温季节，由于环境气温低于混凝土温度，热量通过浇筑层顶面向外散热。浇筑层厚度仍然是影响浇筑层顶面散热比例的主要因素，中热水泥、间歇期为7 d、横缝绝热时层厚为3 m和1.5 m的顶面散热比例分别为16.72%和31.71%；覆盖保温被对浇筑层顶面散热比例的影响也很显著，中热水泥、层厚为3 m、间歇期为7 d、横缝绝热时覆盖保温被浇筑层顶面散热比例是不覆盖保温被的0.68；此外，散热面数量对浇筑层顶面热量倒灌比例影响较小，间歇期、水泥种类和太阳辐射等因素对浇筑层顶面散热比例的影响很显著。

[1]朱伯芳. 混凝土坝的温度计算[J]. 中国水利， 1956(11)： 8- 20．

[2]朱伯芳. 混凝土坝的温度计算(续)[J]. 中国水利， 1956(12)： 48- 60．

[3]DL/T 5346—2006 混凝土拱坝设计规范[S].

[4]SL 319—2005 混凝土重力坝设计规范[S]．

[5]张超然. 三峡水利枢纽混凝土工程温度控制研究[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2001．

[6]朱伯芳. 混凝土热学力学性能随龄期变化的组合指数公式[J]. 水利学报， 2011(1)： 1- 7．

[7]田开平， 郑晓辉， 黄耀英， 等. 基于光纤传感技术的低热水泥混凝土温度监测及热学参数反演[J]. 水力发电， 2014， 40(4)： 58- 61．

[8]黄耀英， 周宜红， 周建兵， 等. 水管冷却热传导计算模型能量分析[J]. 水利水运工程学报， 2012(1)： 78- 82．

[9]朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2012．

(责任编辑 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

国家自然科学基金项目(51209124)；南昌工学院校级重点项目(GJJG- 14- 01)

田开平(1987—)，男，山西五台人，硕士，主要从事水利工程与岩土工程方面的教学与科研工作．

TV331

A

0559- 9342(2015)11- 0055- 04