某沥青混凝土面板堆石坝温度场影响研究分析

刘 峰

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概 述

影响沥青混凝土面板温度场的分布因素，一般可以分为外部因素和内部因素。外部因素主要考虑气温、太阳辐射、风速、降雨量等气候因素，内部因素一般包括材料的各种物理参数、热工参数、结构参数等一些面板结构自身所具有的特性参数[1]。由此可见，沥青混凝土面板温度场的影响因素是多种多样的。

在以前的一些对于沥青混凝土面板温度场的研究中，都是把气温作为主要的影响因素，对于其他的诸如太阳辐射、风速、日照时长的影响研究较少，这并不能很好地表现面板实际温度场的变化。如许协庆[2]等根据沥青混凝土面板受到外界气温变化的影响和材料黏弹性特性，采用黏弹性嵌固板建立求解温度应力的模型，计算了面板护面层的温度应力，与实际结果相一致。王科进[3]依据线性黏弹性理论，求得了反映沥青混凝土材料黏弹性力学性能的重要参数不同温度下沥青混凝土的松弛模量[4]。

2 工程概况

本文依托位于西北地区某抽水蓄能电站，该电站枢纽主要由上水库、下水库、水道系统和地下厂房系统等组成。上水库工程正常运行的洪水标准采用200年一遇，非正常运行采用1000年一遇。由于上水库采用的是开挖筑坝成库，根据工程所在地的地质条件可知，该库区所在地的地下水位大部分低于正常蓄水位，而且岩石的透水率比较大，存在库区渗漏问题，所以要进行库区防渗处理。

电站所在流域属于温带季风亚干旱气候，冬季漫长而严寒，长达5个月，而且寒暑季节特征分明。冬季极端最低气温可达-41.8 ℃，年平均气温仅1.1 ℃。夏季短暂，但极端最高气温可达38.5 ℃[5]。在该地区，无论是日气温变化还是年气温变化都比较大，因此更易发生早晚霜冻。该流域的风沙天气较多，根据气象站观测资料统计，多年平均风速为3.3 m/s，年最大风速为23.7 m/s。春季多干旱少雨，气温较低，但风沙较大。

3 温度场有限元模型的建立

3.1 温度场模型的建立

在计算过程中，本文沿库岸沥青混凝土面板深度方向截取剖面进行温度场的非线性有限元分析。为了提高计算精度，沿面板的防渗层到垫层网格密度从密到疏。单元类型采用四结点线性传热四边形单元(DC2D4)。面板剖面的节点总数为96 795个，单元总数为96 400个。

3.2 温度场计算工况

由于抽水蓄能电站在运行的过程中水位反复升降，暴露在空气中的面板受到外界空气的影响，面板温度随气温的变化剧烈，相应的产生较大的温度应力。由于工程所在地处于温带季风亚干旱气候，季节分明，温度在每个月份的变化有明显的分别。因此，本文取一年中12个月份的各月平均气候条件作为计算工况，对面板在各月的平均气候条件下的温度场进行分析，以便了解各月平均气候条件下的温度场的变化规律。

沥青混凝土材料是一种由多种物质混合组成的混合物，并不是单一均匀的物质，其物理参数随着混合料的不同存在大幅的差异。此外，沥青混凝土又是一种温敏性的材料，物理参数随着温度的变化而变化[3]，这使得求解过程变得复杂化。所以，为了简化求解过程，热物理参数均取值为常数。

3.3 温度场有限元模型实现过程

在采用ABAQUS软件分析计算的过程中，通常需要经历3个步骤：前处理、分析计算、后处理。在前处理阶段，需要定义物理问题的模型，并生成一个ABAQUS的输入文件。在分析计算阶段，使用ABAQUS求解输入文件中所定义的数值模型，以后台方式运行，分析结果保存在相应的二进制文件中。在后处理阶段，通过ABAQUS中的可视化模块读入输出的二进制数据库，用多种方法显示分析结构，包括动画、彩色云图、变形图等。通过把ABAQUS划分为一系列的功能模块来实现它的前处理、分析计算和后处理。这些模块主要包括Part 模块、特性模块、装配模块、分析步模块、相互作用模块、荷载模块、网格模块、作业模块、视化模块和草图模块。在Part模块中定义面板的结构形式，主要包括结构的各项几何参数以及形状。在特性模块中主要定义沥青混凝土面板的结构的材料参数，指明沥青混凝土各结构层为各项同性材料，定义材料参数，如密度、导热系数、比热容等，并把相应的材料参数赋予各结构层。装配模块的作用是将存在于自己坐标系中独立于模型其它部分的Part部件进行组合，从而构成装配件，使这些部件存在于同一个总坐标系中。分析步模块的作用是生成和构成分析步步骤，并与待求解的问题联系起来，通过分析步序列实现荷载或边界条件等响应的过程变化，根据需要，在分析步模块中设置输出变量。

4 计算结果分析

4.1 沥青混凝土面板温度场年变化过程

本文以12个月份的各月平均气候条件作为计算工况，研究面板在各月的平均气候条件下的温度场并进行分析，得到各月平均气候条件下的温度场的变化规律，见图1。

图1 面板表面温度日变化曲线

图1(a)～图1(d)分别表示一年12个月份的温度场的年变化规律。从图1中可以发现，面板表面的最低温度出现在1、2、3、11和12月份， 6、7和8月份的面板表面温度比较接近，且相对其它月份较高，这与实际情况符合。而且，从图1中可知，各月温度场的日变化规律有一定的相似性。最低温度一般出现在凌晨4∶30点左右，最高温度一般出现在下午2∶00左右。虽然各温度曲线表现出相似的变化规律，但是由于有效日照时长的影响，面板结构各月份气温出现极值时刻并不相同，以及由于气温、风速、太阳辐射总量的不同，导致面板表面温度的极值数值也并不相同。

4.2 面板不同深度处的温度场变化规律

面板结构是均匀的层次结构，结构层内的各种材料并不相同，材料的热传导效应也不相同，因此结构内部的不同深度处的温度数值也会有所差异。本文对面板沿深度方向每隔30 mm取一计算点(2 mm处为防渗层表面)，分析其在环境条件作用下24 h内的温度应力的变化情况。本文取1月份作为代表月份，研究在该外界环境条件下，面板结构内部不同深度处温度场的分布情况，见图2。

由图2中可以看出，面板结构的一天24 h的温度变化幅度总是由面板的顶面开始从上到下逐渐减小。原因在于，面板表面直接受到太阳辐射、气温对流的影响，从而造成其升温快、降温快的情况，昼夜温差最大。面板结构远离表面深度处，由于上部面层的形成的“保温”作用，故随着面板结构深度的增加，温度的变化幅度逐渐减小。此外，由图2中可知，面板结构不同深度处的温度极值总是随着深度的增加逐渐推后。这主要是由于热传导的过程是在介质中进行能量传递的过程，介质对热传导的作用具有一定的阻碍作用，因此温度在面板结构中的热传导需要时间，面板对外界气温的变化的响应具有滞后作用。

图2 1月份面板不同深度处的温度变化曲线

4.3 太阳辐射对面板表面温度场的影响

在沥青混凝土面板温度场的计算中，气温是影响温度场的最主要因素，但是太阳辐射对温度场的影响也不容小觑。针对此种情况，本文以1和7月份代表冬季和夏季来研究太阳辐射对面板温度场的影响情况，见图3-图4。

图3 1月份考虑和不考虑太阳辐射面板表面温度对比

图4 7月份考虑和不考虑太阳辐射面板表面温度对比

从图3可以看出，1 月份考虑和不考虑太阳辐射的面板表面温度从上午9∶00左右开始出现明显不同。这主要是由于此时太阳升起，面板表面吸收太阳辐射，导致温度明显升高。且考虑太阳辐射时，面板表面最高温度可达 3.44 ℃；不考虑太阳辐射时，最高温度为-12.45 ℃，两者相差15.9 ℃。从图4中可知，7月份考虑太阳辐射的面板表面温度最高温度为40.51 ℃，不考虑太阳辐射的面板表面温度为16.62 ℃，两者相差23.90 ℃。对比两个月份的温度差值可以发现，太阳辐射对面板表面的最高温度有显著的影响。而且1和7月份中，考虑太阳辐射和不考虑太阳辐射两者最高气温出现的时刻并不一样。这主要是由于日出时间和有限日照时长使最高气温的出现时刻并不一致。

5 结 论

1) 对于沥青混凝土面板表面温度场变化规律的研究表明，气温和太阳辐射是影响面板结构温度的主要因素，各月的面板表面温度日变化过程表现出一定的相似性。面板表面最低温度一般出现在上午4∶30左右，最高温度出现在下午2∶00左右。由于各月的不同气温、太阳辐射、有效日照时长导致极值数值出现的时刻并不相同。

2) 面板表面直接受到外界环境变化的的影响，温度变化幅度最大。随着面板结构深度的增加，温度的变化幅度逐渐减小。此外，由于热传导的时间效应，面板结构对气候变化的响应具有滞后作用，最低温度和最高温度出现的时间随着深度的增加逐渐推后。

3) 对比1和7月份的考虑和不考虑太阳辐射的面板表面的最高温度表明，太阳辐射对面板结构的温度具有显著的影响，有效日照时间决定了太阳辐射的作用时长。因此，它们直接决定了面板能够获得太阳辐射能量的多少。对于以7月份为代表的夏季来说，面板表面的最高气温是进行温度控制的主要方面。因此，考虑太阳辐射的影响更符合实际，能准确地了解面板温度场的实际分布情况，对面板的温度控制有更好的指导意义。