高海拔环境对施工机械降效影响探讨

连子怡，谭一帆，陈 嘉

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

高海拔地区具有高寒、低压、缺氧、紫外线强的气候特点，对机械施工效率存在较大影响。目前，在考虑高海拔环境对于施工机械效率的影响时，一般采用定额高程调整系数的方式体现。王朋基等[1]分析研究了高海拔地区对于人工效率及工程机械寿命、效率的影响。李明强等[2]通过研究分析不同海拔高度对于施工机械效率及机上人工的影响，确定了海拔高程分档步距及相应调整系数。调整系数概括性、操作性强，一定程度上解决了高海拔地区水利工程造价文件的编制问题。

在实际工程中，由于油动机械本质是由汽柴油充分燃烧提供能量，电动机械本质是由电力驱动，因此所有施工机械均采用同一个调整系数方案存在一定不合理性。为了合理确定工程投资，有必要针对高海拔环境对油动和电动两种施工机械影响进行比较研究，以利于高海拔地区工程施工机械的合理配备和机械升效。

1 高海拔地区特性

现行水利工程概算定额将海拔高程高于2 000 m的地区划分为6个等级，每500 m作为一个定额分档步距。高海拔地区主要具有低压缺氧、寒冷干燥、太阳辐射强的特点[3]。

1.1 低压缺氧

气压与海拔高度关系密切。高海拔地区低压缺氧的主要原因是随着海拔升高，空气受地球引力作用减小，大气压力下降，空气密度变小，空气中含氧量也随之减少。不同海拔高度环境大气压及含氧量分布情况如表1所示。

表1 不同海拔高度大气压及含氧量分布Tab.1 Distribution of atmospheric pressure and oxygen concentration at different altitudes

由表1可知，在海拔1 000～5 000 m范围内，海拔高程每升高1 000 m，年平均气压约减少10 kPa，含氧量约减少12%。西藏拉洛水利枢纽工程挡水建筑物坝顶高程4 305.00 m，大气压相当于海平面气压的56%～60%，含氧量水平相当于海平面的57%～61%。

1.2 寒冷干燥

气温随着海拔高度升高而逐渐下降，一般每升高100 m，平均气温降低0.5～0.7 ℃。具体可参考式(1)进行计算[4]：

(1)

式中：TZ为海拔高度为Z时的气温，K；T0为基准气温，K；gt为气温梯度，0.5～0.7 ℃/100 m；▽Z为海拔高度Z处与相邻气象站或海拔高度之差，m。

高海拔地区湿度低、风沙大，绝对湿度(每单位容积的气体所含水分重量)随海拔高度升高而降低。

1.3 太阳辐射强

海拔高度的增加减少了大气对于太阳光的阻拦作用，太阳辐射强度会随之增大。资料显示，海拔5 000 m 时，太阳最大辐射约为低海拔地区的1.25倍。与太阳辐射照度相比，紫外线辐射照度受海拔影响更大，海拔3 000 m时就已经达低海拔地区的2倍。

2 高海拔对油动机械效率影响

2.1 对机械功率影响

通常来说，高海拔环境的低气压和低含氧量对以内燃机为动力的施工机械影响显著。内燃机气缸容积是固定的，大气压力与含氧量随着海拔高度升高而减小，进而每循环进入气缸的空气量和含氧量减少，会导致燃烧不充分，动力和经济性能显著降低[5-8]。

随着城市规模扩大，消防水源、道路数据增大，更新速度加快，依靠传统的手绘地图、台账资料难以实现消防救援队高效、快速、准确的灭火救援需求，利用定位技术可以通过在火情发生时快速定位着火位置、消火栓及道路,提升应急救援能力,对于保障城市消防安全具有一定现实意义。

国内针对高海拔地区内燃机功率的修正和校核研究较为成熟。参考GB/T 6072.1-2008《往复式内燃机 性能 第1部分：功率、燃油消耗和机油消耗的标定及试验方法 通用发动机的附加要求》中第10条功率调整和燃料消耗率换算方法，可计算出不同海拔条件及气温条件下施工机械的有效功率和燃油消耗率。通过比较分析高海拔地区及平原地区相应参数的区别，即可得出海拔高程对于油动机械功率的影响。

2.2 对机上人工影响

高海拔环境造成的低压缺氧及其他恶劣环境加重了机械操作工人的身体负担，降低了机械工人的操作精度与准确度，进而影响了机械的使用效率。

就一般群体在存(个体差异)而言，资料显示：① 海拔在5 000 m以上时，人体动脉血氧饱和度下降到正常情况的75%以下，人工效率降低90%；② 海拔在4 000～5 000 m之间时，人体动脉血氧饱和度为正常情况的80%，人工效率降低75%；③ 海拔在3 000～4 000 m之间时，人体动脉血氧饱和度为正常情况的88%，人工效率降低50%；④ 海拔在2 000～3 000 m之间时，人体动脉血氧饱和度为正常情况的91%，人工效率降低25%[1]。

2.3 对机械油料影响

不论是作为动力来源的液体燃料，还是保持机械性能的润滑、传动油料，在高海拔导致的低温环境下，比在平原地区需要更低的凝点和冷滤点。柴油标号标注的是柴油凝点，冷滤点一般高于零点5 ℃。当气温下降至冷滤点时，柴油中就会凝结出晶体，无法通过柴油滤清器，从而影响发动机运转。

同时，高海拔地区昼夜温差大的特性要求机械传动和润滑油料具有更高的粘度指数，即油料粘度随温度变化影响较小。

3 高海拔对电动机械效率影响

对于以电力驱动的施工机械，其机上人工及以传动油和润滑油为主的机械油料受到高海拔环境的影响与油动机械类似。但是，由于电气设备自身特性，电动机械与油动机械间仍有部分差异。

3.1 对电机影响

(1) 低气压影响。低气压造成空气密度减小，对热换流能力和设备的整体热容量也不断减少。因此，对于依赖于自然对流和强迫风冷的设备而言，在高海拔环境下，需要更大的空气流量以保持同样的效果。一般来说，海拔每升高100 m，设备温升增加约0.4 K。GB/T 755-2019《旋转电机 定额和性能》中第6条规定了标准现场运行条件。即以海拔不超过1 000 m、环境温度不超过40 ℃时的输出额定功率为基准，当现场运行条件不满足该条件时，需要进行相应修正。同时在高海拔低气压环境下，电机局部放电起始电压和电晕起始电压降低，加重了电晕腐蚀现象，增大了直流电机电刷的磨损。

(2) 低温影响。虽然低温对电机散热有利，但对电机启动存在不利影响。气温过低会降低润滑脂稠度，进而降低润滑能力，增大静态阻力矩，加速轴承磨损。

3.2 对电气设备影响

GB/T 20626.1-2017《特殊环境条件 高原电工电子产品》、GB/T 20645-2021《特殊环境条件高原用低压电气技术要求》中对于高海拔环境下电气设备的影响进行了详细说明，并规定了相应的修正系数。主要可概括为以下几个方面。

(1) 电晕。电晕起始电压降低会增加电能损耗，加速绝缘老化和金属腐蚀现象。

(2) 灭弧性能。以自由空气为灭弧介质的开关电器设备灭弧性能降低，降低通断能力，缩短电寿命。

(3) 绝缘强度。空气介电强度、空气冷却效应以及弧隙空气介质恢复能力降低，因而降低了设备空气绝缘耐压。

(4) 温升。一方面，低压增大设备散热难度，温升增加；另一方面，低温可部分或全部补偿低压引起的设备温升增加值，补偿值视设备散热特点和实际温度而定。

(5) 外形和密封。低气压会增大器件腔体内外压力差，引起外观变形、爆裂、气体或液体泄露。

(6) 温度抵抗能力。高海拔环境会加速设备绝缘老化、变形、保护层脱落。因此，如有防护设备，应保证其防护要求；反之应提高设备本身的防护能力。

(7) 辐射。海拔5 000 m的最大太阳热辐射是平原地区相应值的1.25倍。热辐射增加会加大户外设备的温升，降低材料绝缘性能。海拔3 000 m时，紫外线辐射已达到平原地区相应值的2倍。紫外线会加速有机绝缘材质老花，使空气易于电离而导致外绝缘强度以及电晕起始电压降低。

4 定额高程系数调整

现行水总〔2002〕116号文颁布的《水利建筑工程概算定额》已综合考虑高海拔环境对油动机械的功率、机上人工等各方面的影响，根据不同海拔高度制定了不同的调整系数。基于定额高程调整系数的确定原理，油动机械可直接参照定额中的调整系数，详见表2。

表2 高原地区定额调整系数Tab.2 Quota adjustment coefficient of plateau area

高海拔环境对于电动机械的降效影响是多方面的，且随机械冷却方式和防护形式的不同存在差异，甚至影响设备的耐久性能。相比油动机械，电动机械受高原环境影响相对较小，因而在同等条件下，电动机械的高程调整系数低于油动机械。

在编制拉洛水利枢纽工程概算文件时，按定额相关规定，机械的高程调整系数应为1.65；结合定额并针对高海拔环境对施工机械影响进行研究，油动机械高程调整系数仍为1.65，电动机械高程调整系数调整为1.20。系数调整后工程总投资由511 663 万元调整为 495 320万元，投资减少16 343万元。

截至目前，该项目已大体完工，等待验收。结合现场实施情况，投资基本可控，高程调整系数的选定是基本合适的。

5 结 语

在研究两种动力机械海拔高程调整系数的过程中，受客观条件限制，未能实地开展高海拔地区施工机械的降效水平数据调查。如何结合高海拔地区水利工程实际施工降效情况，将实测数据与理论研究结合，使调整系数更加贴合工程实际，需要进一步探究。