涵闸保温基础热工计算优化方案

天然冻层的形成是众多随机因素综合作用的结果。作为渠系涵闸保温基础的热工计算,边界条件复杂,精确计算较为困难,对中小型工程必要性也不大。为解决工程设计问题,对中小型涵闸保温基础的计算,可采用下述方法。

5.4.3.1　相关比拟法

“相关比拟法”实质是通过典型试验工程观测资料,求算出典型工程底板下刚好无冻结层时保温基础的热阻值R0—— “典型热阻”。作为欲修同类型工程保温底板的设计参考热阻,如工程类型不同,地区不同,可根据“冻结指数线性关系地热流相等”的假定及根据经验适当修正。得到设计热阻值后,即可通过一般热工计算方法确定基础的具体结构。

热阻值可采用下式计算

式中 Ri——欲建工程的保温基础热阻,m2·℃/W;

R0——典型热阻,m2·℃/W,可参考黑龙江省水利科学研究院的资料;

Ii——欲建工程地点的冻结指数,℃·d,也可参照工程地点附近气象台站资料进行相关分析计算;

I0——典型工程地点的特定冻结指数,℃·d,可参照黑龙江省水利科学研究所万家冻土试验站资料。

因为式(5.5)的计算结果,只考虑了冻结指数不同,未考虑工程条件和环境因素的影响,所以在实际设计时,尚应乘以一安全系数K,即保温基础设计热阻

式中 RH——设计热阻,m2·℃/W;

K——考虑实际工程的安全系数,由建筑物地域,结构形式、埋深、水文地质及向阳条件等因素决定,一般可取K=1.0～1.2。

因为冻结指数F 值历年间是随机变化的,设计时应根据工程要求的设计保证率选取。如工程地点附近无气象台站,可根据个别年的实测F 值通过相关分析求得设计值。

相关比拟法是一种简便适用的计算方法。

对于部分消除地基冻层,即在保温基础下面尚保留部分冻土层时,可以采用下式计算

式中 Rn——当保温基础下面只能消除一部分冻层时的热阻值,m2·℃/W;

n——设计消除冻层的百分数,%。

相关比拟法具有如下几条基本假定:

(1)保温基础是按最不利情况设计的,认为是基础顶面无覆盖,直接与大气接触。

(2)保温基础以下的地基范围内,通过防护措施使热流呈单向热传导状态。

(3)在地域范围不太大的不同地区,地热流相等,冻结指数线性相关。

地面形成一定冻层,是自然条件下所有影响冻结因素综合作用的结果,也是冻结过程中,各种热量转变、交换过程的综合结果,实测冻深是最精确的。

如果能找到一个适合的隔热层作用于地面,刚好消除了它下部的冻层,则隔热层的保温作用和原有冻土层的作用是等效的,在保温基础与地基土接触面为0℃的情况下所得的“典型热阻”值是可靠的参照量。因此,对不同地区,在冻结指数相关及其他有关假定下,按理论分析成果对热阻值的修正同样也是可靠的。

可以确信,由于假定,对计算热阻值所带来的误差是能够满足工程要求的。工程具体条件决定的修正系数K,带有很强的经验性,但随着工程实践的增加,观测资料的积累,修正系数K 的准确程度必然会不断提高。

一般保温基础,混凝土底板厚度不大,且所采用的隔热材料都是轻质、干燥材料,保温基础体积热容量不大,计算中认为保温基础只起隔热作用,而不考虑其蓄热作用对下卧层热交换的影响,一般不会对计算结果带来过大偏差。

该方法用保温基础完全消除地基冻土层,在计算热阻时,不必考虑地基土的热物理性质,这是十分方便的。

综上所述,“相关比拟法”是建立在合理的基础上的,是一种简捷的且被工程实践所验证的有效方法。

5.4.3.2　等效厚度法

当保温基础下刚好无冻结层时,保温基础的总热阻值与天然冻土层的总热阻是等效的,因此存在下面关系式:

式中 Hm——工程地点设计冻深,cm;

λ*——等效导热系数,W/ (m·℃);

α——地表放热系数,α=13 V ;

V——当地平均风速,m/s;

δi——保温层及基础底板厚度,cm;

λi——对应的保温层、基础底板材料的导热系数,W/(m·℃)。

若保温基础是一种保温材料和一种基础材料组成时,式(5.8)可写成

式中 δ——基础底板厚度,cm;

λ——基础材料的导热系数,W/(m·℃);

s——保温层厚度,cm;

λs——保温材料的导热系数,W/(m·℃)。

需要指出的是,式(5.8)和式 (5.9)中,等效导热系数λ*,它并不是目前各种热工手册给出的冻土或暖土的导热系数,而是与工程地点地基土天然最大冻深或设计冻深相应的包括相变潜热作用在内的实际(等效)导热系数。这个系数可从理论分析和实际试验中得到。

我们通过理论分析计算,对强冻胀土不考虑地基中水分相变热时的地基冻结深度,约为实际冻深的3倍,这个结论也被人们生活经验所证实。在计算天然冻土层的等效热阻时,等效导热系数λ*应为地基上平均导热系数的1/3。我们通过对万家冻土场的试验观测资料分析,得到λ*应为地基土平均导热系数的1/4,因此我们建议该修正系数取1/4～1/3。

5.4.3.3　保温基础热阻计算

前面已指出,涵闸保温基础的结构型式大体有两种。(www.xing528.com)

(1)夹层式结构 (如图5.8所示)。将保温材料作为夹层,浇筑在混凝土底板中间,夹层平面尺寸及隔肋尺寸应满足强度要求。夹层式结构,因隔肋的“冷桥”作用,影响保温效果,但因基础整体性好,强度高,适用于上部荷载大的基础板。

(2)叠层式结构(如图5.9所示)。将保温材料水平铺设在基础板的上或下表面,形成叠层。当铺设在上表面时,应设保护层,以防冲刷破坏。当铺设在下面时,保温材料应具有足够的抗压性能。后者适用于上部荷载小的基础板,如用小型闸底板、护坦板、护坡板等。

保温基础的热阻,可参照建筑热工方法进行计算,每层的热阻值为

式中 δi——层厚,cm;

λi——各层导热系数,W/(m·℃)。

总热阻值为

对于夹层式结构,可分成均质层(图5.8中的基础板、肋板层)和非均质层 (图5.8的保温层),对于非均质层先计算等效导热系数λ*,然后计算等效热阻

式中 F1、F2——导热系数为λ1、λ2的水平层面积;

RP——等效热阻,m2·℃/W;

δP——非均质层的厚度,cm。

如为空心基础,可按表5.4取空气间层的热阻值。

表5.4　空气间层热阻值

在非均质层中有空气间层,则应先求非均质层的等效导热系数 [式 (5.12)]及等效热阻,然后求总热阻。空气间层的导热系数为

式中 δic——空气间层厚度,cm;

Rjc——空气间层热阻,m2·℃/W。

等效热阻RP及总热阻计算如前述。

应指出的是在保温基础设计中要注意以下几点。

1.保证单向热传导的条件

上述保温层计算方法都是按单向热传导进行的。在实际工程中应采取措施,保证基础板下地基散热为单向热传导,为此可采用下列方法。

水平方向设保护段:保护段从基础边缘向外延伸宽度不小于当地最大冻深的1.5～2.0倍。其厚度与基础保温层厚度相同。

竖向封闭:深度不小于当地最大冻深0.7～0.9倍。厚度与水平保温层厚度相同。

2.层与层间接触热阻问题

接触热阻是一个较难确定的问题,只有层与层间接触非常良好,才能起到保温效果。

3.夹层式结构中的,“冷桥”封闭宽度问题

夹层式结构“冷桥”影响保温材料隔热作用的发挥,如按热阻相等的原则设计封闭带宽度,尺寸势必过大,如何确定经济、合理的封闭宽度,有待进一步研究。

5.4.3.4　涵闸保温基础计算实例

【实例1】 相关比拟法计算实例。

由哈尔滨万家冻土场试验工程所得典型热阻

特定(实测热阻时)负温指数I0=1870 ℃·d。

现在黑龙江省海林县新安灌区修建保温基础工程,已知设计冻结指数为I0=2295.24℃·d。闸室为U 形槽结构,底板顶面距地面150cm,底板为钢筋混凝土,厚度35cm。保温基础四周采用竖向封闭措施。求保温层温度。保温材料采取聚苯乙烯硬质泡沫塑料板,λs=0.034 W/ (m·℃)。

由相关比拟法:

因工程地点设计冻结指数已知,可直接对典型热阻进行修正,设计热阻:

因实测典型热阻是在地表面得到,现底板在地面以下,条件较有利,故取K=1.15,代入有关数据:

取15cm。

经1984年实测保温层中零温层厚度为13.2cm,与计算基本相符。

【实例2】 等效厚度法计算实例。

已知某地天然冻深Hm=165cm,土的平均导热系数λ=1.372W/ (m·℃)(取冻土和暖土的导热系数的平均值),基础底板厚5cm,基础材料 (混凝土)的导热系数λ=1.511W/ (m·℃),保温材料 (聚苯乙烯)的导热系数λs=0.039W/ (m·℃),放热系数取α=15。

在该地点的试验工程铺设了10cm 厚的聚苯乙烯泡沫塑料保温层,基础板混凝土厚为5cm。在地基中埋没了测温的元件,经观测、整个冬季保温基础下温度刚好为0±0.5℃,与计算值差仅为15cm。