李 亞，張 通，張瑞雪

（1.西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，西藏 拉薩 850200；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

0 引言

目前很多水利工程面臨工程緊、任務重的問題，為節(jié)約工期、降低成本，需要在高溫季節(jié)進行施工，而在高溫季節(jié)澆筑混凝土，混凝土入倉后暴露于空氣中，受氣溫、太陽輻射等的影響，空氣與混凝土進行熱傳導，導致溫度倒灌，引起澆筑溫度及最高溫度超標，產(chǎn)生溫度裂縫，危及壩體安全[1]。因而，如何解決施工倉面澆筑混凝土溫度回升過高的問題成為人們關注的重點。

當前，在混凝土壩建造施工過程中進行倉面噴霧，利用噴霧的遮陽與溫降效果來調(diào)節(jié)及改善倉面小環(huán)境，進而抑制澆筑過程中混凝土的溫升，已經(jīng)成為大體積混凝土高溫季節(jié)施工中溫控的重要手段[2]。我國倉面噴霧控溫在20 世紀90年代前后首次應用于水利工程，此后在三峽水電站、龍灘水電站、豐滿大壩重建等工程中得到應用[3，4]。噴霧也多采用摻氣管、人工沖毛槍、風炮式等噴霧方式[5]，盡管噴霧方式多樣，但人們對噴霧效果的評價多停留在感性認知階段，對倉面噴霧的應用與研究也多停留在經(jīng)驗階段，缺少大范圍、精細化外場專門試驗[6]。縱觀國內(nèi)眾多水利工程中噴霧的應用，普遍存在霧化顆粒大、倉面積水、倉面無法全覆蓋、受氣候影響大、人力成本高、噴霧量與降溫效果無法量化等問題[7]，其應用和推廣受到不同程度的限制。鄭祖廷[4]通過試驗研究了倉面噴霧機在三峽二期工程中降溫效果，發(fā)現(xiàn)當倉面環(huán)境溫度超過32.0 ℃時，倉面溫降最高可達11.0 ℃；周厚貴[7]針對傳統(tǒng)噴霧機的溫降效果不理想、倉面積水嚴重的問題進行了改進，改進后試驗發(fā)現(xiàn)噴霧使倉面溫降達6.0～7.3 ℃，倉面最大降雨量為5 mm/h。傳統(tǒng)風炮式噴霧方式存在霧化顆粒大、倉面積水、倉面無法全覆蓋、噴霧量無法量化及干擾施工等問題，而將噴嘴組裝在模板上，在搭建模板的過程中即可完成噴嘴的組裝，解決了影響施工的問題，使得該種噴霧方式成為未來噴霧降溫的發(fā)展趨勢。

因此，本文基于水氣二相流原理研發(fā)了新型倉面噴霧方法與系統(tǒng)，該噴霧方法能夠有效解決傳統(tǒng)噴霧方式出現(xiàn)的問題，并可實現(xiàn)智能化控制，設計混凝土倉面噴霧試驗，研究了該噴霧方法的噴霧效果，為混凝土倉面噴霧降溫研究、優(yōu)化傳統(tǒng)噴霧降溫方法與工藝、評估混凝土倉面噴霧降溫推廣的可行性與經(jīng)濟的可行性提供科學依據(jù)。

1 新型噴霧系統(tǒng)

噴霧系統(tǒng)硬件設備主要由噴霧主機、高壓供水管道、高壓供氣管道、高壓超聲波噴嘴（水氣二相流噴嘴）、智能小氣候采集系統(tǒng)等組成，混凝土溫度測量裝置為藍牙溫度測量儀，倉面積水情況采用電子雨量計觀測，太陽輻射穿透率采用手持太陽輻射儀觀測。

1）噴霧主機

噴霧主機主要由空氣壓縮機、高壓水泵、配電箱、無線控制裝置等組成，同時內(nèi)設過濾裝置，防止水雜質過多阻塞噴嘴。噴霧主機主要用于控制水流量與空氣流量強度，可自動與手動調(diào)控，主機放置在未澆筑的混凝土倉面上，其結構圖如圖1所示。

圖1 噴霧主機結構示意圖

2）噴霧管道

高壓供水與高壓供氣管道均為不銹鋼材質，通過預制模板支撐結構與模板進行結合，不占用澆筑倉面空間。管道上預設噴嘴間距為1.5 m，可根據(jù)試驗要求，控制噴嘴安裝間距與數(shù)量，可以通過預制堵頭堵住管道水、氣出口實現(xiàn)。噴霧管道由單根長度為6.0 m 的不銹鋼管組成，并通過鋼管聯(lián)軸器連接，可隨澆筑進程的推進，靈活拆卸與組裝，進而實現(xiàn)噴霧范圍的推進，也可通過管道控制閥門控制噴霧范圍。

3）水氣二相流噴嘴

高壓超聲波噴嘴可使液體、氣體充分混合，霧化顆粒索特平均直徑SMD 不超過30 um，最高噴射空氣流量與水流量分別為225 L/min、121 L/h，靜風下最遠噴射距離超過15.0 m。

4）倉面小氣候采集設備

智能小氣候采集系統(tǒng)可實時測量混凝土倉面溫濕度、風速風向、太陽輻射等參數(shù)，并實時傳輸?shù)街悄軠乜剀浖刂葡到y(tǒng)進行直觀化顯示。在倉內(nèi)噴霧區(qū)距離噴嘴約10.0 m 的位置布設3 臺小氣候設備實時觀測噴霧效果，同時在倉外設置1 臺小氣候設備作為對比觀測。

2 倉面噴霧試驗

2.1 試驗倉面

試驗地點為某碾壓混凝土重力壩，位于吉林省吉林市豐滿區(qū)。試驗時間選在9 月份某個炎熱晴天，日最高氣溫為30 ℃左右，平均濕度為24%。壩體東西走向，試驗倉位長60.0 m、寬25.0 m，為碾壓混凝土澆筑，采取連續(xù)通倉澆筑方法。試驗倉澆筑示意圖如圖2 所示。

圖2 試驗倉澆筑示意圖

2.2 試驗原理及步驟

2.2.1 水氣二相流噴霧系統(tǒng)原理

空氣壓縮機與高壓水泵持續(xù)工作并產(chǎn)生高壓氣體與高壓水，通過高壓管道分別傳輸?shù)絿婌F工作前端的耐高壓不銹鋼噴淋桿及耐高壓排氣管中；在耐高壓不銹鋼噴淋桿上安裝空氣霧化噴嘴，利用軟管實現(xiàn)排氣管與空氣霧化噴嘴的連接；通過高壓水與高壓氣體共同作用產(chǎn)生持續(xù)霧化效果；通過鋼模板插件將噴霧系統(tǒng)工作前端懸掛于鋼模板頂端，便形成完整的水氣二相流智能噴霧降溫系統(tǒng)。

2.2.2 噴霧方法與步驟

1）接好水管與電源，并檢驗高壓水泵正反轉情況。

2）開啟高壓水泵，并調(diào)節(jié)變頻，提升電機轉速；開啟水管，保證水壓不低于1.0 MPa，并控制單側水流量約為0.56 L/s。

3）開啟空氣壓縮機，保證空壓機壓力不低于0.8 MPa，維持出氣量不低于1.0 m3/min。

4）在噴嘴間距分別為 1.5，3.0，4.5 m 條件下，觀測霧化狀態(tài)及倉面積水情況。

5）在噴嘴間距為3.0 m條件下，分別調(diào)整噴嘴角度為0°，30°，60°，觀測霧化距離及倉面積水情況。

6）在噴嘴間距為3.0 m、角度為30°條件下，分別觀測無噴霧措施、水流量強度分別為0.28，0.56，0.72 L/s，4 種工況下的太陽輻射功率、太陽輻射能量、太陽輻射穿透率及相對濕度。

7）在水流量強度為0.56 L/s條件下，觀測噴霧與未噴霧區(qū)倉面氣溫情況，以及澆筑溫度回升情況。

3 試驗結果及分析

3.1 遮陽效果試驗

在噴嘴間距為3.0 m、噴射角度為30°條件下，測得4 種工況下噴霧倉面太陽輻射平均功率、太陽輻射平均能量、穿透率及相對濕度結果如圖3所示。

圖3 試驗測量結果圖

通過圖3 可看出，隨著流量強度加大（噴霧強度增加），太陽輻射功率、光強穿透率、太陽輻射能量逐漸降低，平均濕度隨流量強度增加而增加，并近似呈一種線性關系，可見提升霧化強度可有效遮擋太陽輻射并提升倉面空氣濕度，進而有效抑制混凝土倉面溫度回升。

3.2 抑制混凝土溫度回升試驗

測量水流量強度為0.56 L/s 條件下倉內(nèi)氣溫與澆筑溫度，得出噴霧與未噴霧條件下倉內(nèi)氣溫及澆筑溫度變化曲線如圖4 所示。

圖4 噴霧區(qū)與非噴霧區(qū)實測結果圖

通過圖4（a）對比發(fā)現(xiàn)，倉面噴霧可有效降低噴霧區(qū)空氣溫度，同時隨噴霧時間延長，噴霧區(qū)溫度逐步降低，噴霧時長超過60 min 后基本達到穩(wěn)定，噴霧區(qū)與未噴霧區(qū)溫差維持在10.0 ℃左右；通過圖5（b）對比發(fā)現(xiàn)，噴霧可有效抑制澆筑溫度的回升，實測計算發(fā)現(xiàn)，入倉平均溫度為13.0 ℃，噴霧區(qū)平均澆筑溫度為16.3 ℃，非噴霧區(qū)平均澆筑溫度為18.3 ℃，抑制澆筑溫度平均溫升為2.0 ℃，因而該系統(tǒng)降溫效果明顯。

4 結語

基于混凝土倉面溫控需求與當前噴霧方式的缺點，利用自主研發(fā)的水氣二相流噴霧系統(tǒng)進行噴霧試驗，首先得出噴霧工藝對噴霧效果的影響，有效解決了傳統(tǒng)噴霧方式憑經(jīng)驗控制的缺點。通過外場實試驗探究了噴霧的降溫效果，結果表明，在混凝土倉面施工過程中實施噴霧，可有效降低倉內(nèi)溫度、提升倉內(nèi)濕度，遮陽效果明顯，持續(xù)噴霧條件下，噴霧可降低空氣溫度達10.0 ℃，抑制平均澆筑溫度回升為2.0 ℃，降溫效果良好，同時，成本較低，可為當前混凝土壩倉面溫控環(huán)節(jié)帶來新的變革，可為當前類似噴霧方法的實施提供借鑒。