用于寒区面板坝止水结构的抗冻发热复合层及其配置方法

：本发明属于除冰防冻，尤其涉及一种用于寒区面板坝止水结构的抗冻发热复合层及其配置方法。

背景技术

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背景技术：

1、水利工程作为国家基础设施的重要组成部分，其安全性与稳定性至关重要。在水利工程中，止水结构型式和止水材料的选择与应用对于工程的防水效果具有决定性的影响。而在寒区，水工建筑物冻融破坏普遍发生，其中面板坝冰冻破坏现象十分严重，破坏部位以接缝止水结构破坏居多，也最为严重。特别是大坝面板水位变化区的止水结构最容易产生冰冻破坏，往往成为整个水坝体系的薄弱环节。止水结构的主要破坏形式为拉裂、挤压和砸伤，并常伴随着大量的止水橡胶盖板脱落和止水锚固结构损坏的问题，给安全运行带来严重隐患。优化结构设计和加强防护并配合除冰措施可以起到一定的抗冰冻效果，目前采用的除冰措施多为被动防护措施，不但每年需要消耗大量的人力、物力和财力，而且破冰效率低下，效果并不好。同时，在极寒条件人工作业还存在较大潜在意外伤害危险。目前对于寒区面板坝止水结构的抗冻害问题的研究较少，因止水结构庞大且为竖向结构形式，导致难以外挂置或外配置防冻设施，缺乏、持续地对止水结构提供抗冻害保护仍是一个难题，缺少定量级别的抗冻相关结构，缺少相关系统完善的预算方法。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、为解决上述背景技术中提及的问题，本发明的目的在于提供一种用于寒区面板坝止水结构的抗冻发热复合层及其配置方法。

2、一种用于寒区面板坝止水结构的抗冻发热复合层，包括抗裂高强砂浆层、电热膜和保温隔热板，抗裂高强砂浆层、电热膜和保温隔热板从上至下依次贴合为一体结构，保温隔热板的底面为配合止水结构的第一贴合面。

3、作为优选方案：抗裂高强砂浆层的厚度与电热膜的厚度相等，保温隔热板的厚度小于电热膜的厚度。

4、作为优选方案：抗裂高强砂浆层包括圆弧段和两个侧置组成段，圆弧段的两侧分别一体连接有一个侧置组成段，电热膜为圆弧形膜片，保温隔热板为圆弧形板体，电热膜的底面为配合保温隔热板的第二贴合面，圆弧段的底面为配合电热膜的第三贴合面。

5、一种用于寒区面板坝止水结构的抗冻配置方法，利用具体实施方式一所述的一种用于寒区面板坝止水结构的抗冻发热复合层实现，所述抗冻配置方法为依据止水结构的外露面积以及厚度确定抗冻发热复合层的覆盖面积以及厚度，通过分阶段计算过程计算得出抗冻发热复合层的总热量与止水结构的匹配过程。

6、所述寒区面板坝止水结构抗冻配置方法中确定抗冻发热复合层的总热量就是确定电热膜的动态总热量q，确定过程包括的具体步骤为：

7、步骤一：依据止水结构(10)的外露面积以及厚度确定抗裂高强砂浆层的厚度h1、抗裂高强砂浆层的覆盖面积a以及确定抗裂高强砂浆层的密度ρ1与比热容c1，从而计算出在传热过程中，抗裂高强砂浆层的升温蓄热q1，计算公式如下：

8、q1＝m1c1δt＝ρ1v1c1δt＝ρ1ah1c1(t1-t0)

9、上式中：q1为抗裂高强砂浆层升温蓄热所需显热；ρ1为抗裂高强砂浆层的密度；a为抗裂高强砂浆层与冰层的接触面积；h1为抗裂高强砂浆层厚度；c1为抗裂高强砂浆层的比热容；t1为抗裂高强砂浆层升温后达到的温度；t0为抗裂高强砂浆层初始温度；

10、步骤二：确定水的比热容cs、抗裂高强砂浆层的覆盖面积a、冰层的密度ρ2与比热容cw，结合面板坝所处寒区的环境温度条件下，融冰作用范围x以及冰层的初始温度t0，便计算出冰层升温蓄热所需显热q2，计算公式如下：

11、q2＝m2(cwt0-cst2)＝ρ2ax(cwt0-cst2)

12、上式中：q2为冰层升温蓄热所需显热；ρ2为冰层的密度；a为抗裂高强砂浆层与冰层的接触面积；x为融冰作用范围；cw为冰层的比热容；cs为水的比热容；t2为冰融化为水后的温度；t0为冰层初始温度；

13、步骤三：确定冰的融解热hf，并根据冰层密度ρ2、抗裂高强砂浆层的覆盖面积a以及融冰作用范围x即可得出冰层融化相变潜热q3，计算公式如下：

14、q3＝m2hf＝ρ2axhf

15、上式中：q3为冰层融化相变潜热；ρ2为冰层的密度；a为抗裂高强砂浆层与冰层的接触面积；x为融冰作用范围，hf为冰的融解热，取334kj/(kg·℃)；

16、步骤四：根据环境条件，确定对流换热系数hk以及冰层初始温度t0、抗裂高强砂浆层的覆盖面积a即可得出对流换热的热量q4，计算公式如下：

17、q4＝ahk(t2-t0)

18、上式中：q4为对流换热量；a为抗裂高强砂浆层与冰层的接触面积；hk为对流换热系数，取500w/(m2·℃)；t2为冰融化为水后的温度；t0为冰层初始温度。

19、步骤五：计算电热膜应当提供的动态总热量q，电热膜应当提供的动态总热量q＝q1+q2+q3+q4。

20、作为优选方案：依据得到的电热膜应当提供的热量q对应确定止水结构对应的电热膜的型号。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、一、本发明为一种摊铺在坝面上的等面覆盖物，用于全面降低以及预防大坝受冻的情况发生的主动处理结构以及指导方法，本发明针对大坝工程现有面板坝止水结构抗冻害能力差、人工除冰工作效率低且危险的现状问题进行对应解决，利用电热膜形成的电发热单元实现主动除冰防冻功能，改变止水结构附近水域温度，能够抑制冰层重复生长的趋势。为施工方便，在不破坏原有止水结构的基础上，铺设电热膜和抗裂高强砂浆为其增加了物理抗裂高强砂浆层以及热抗裂高强砂浆层，使得原有止水结构免受冰撞击、冻胀应力等因素的破坏，从而为已服役或新建面板坝的止水结构提供便捷、长期稳定、效果显著的除冰效果。

23、二、本发明的方法为系统完整的主动匹配指导方法，针对目前面板坝止水结构受冻害严重、除冰困难的窘状，设计了本抗冻发热复合层，填补了面板坝止水结构抗冻害抗冻发热复合层的空白。本发明实现了针对不同形式的止水结构进行的主动除冰和防护冻害的匹配过程，解决了目前除冰措施多为被动防护措施的难点。本发明通过铺设抗裂高强砂浆，增强对止水结构的物理保护并使得电热膜散发的热量均匀且稳定，减少不必要的热量损耗，按需启动即可。

技术特征：

1.一种用于寒区面板坝止水结构的抗冻发热复合层，其特征在于：包括抗裂高强砂浆层(1)、电热膜(2)和保温隔热板(3)，抗裂高强砂浆层(1)、电热膜(2)和保温隔热板(3)从上至下依次贴合为一体结构，保温隔热板(3)的底面为配合止水结构(10)的第一贴合面。

2.根据权利要求1所述的抗冻发热复合层，其特征在于：抗裂高强砂浆层(1)的厚度与电热膜(2)的厚度相等，保温隔热板(3)的厚度小于电热膜(2)的厚度。

3.根据权利要求1所述的抗冻发热复合层，其特征在于：抗裂高强砂浆层(1)包括圆弧段(1-1)和两个侧置组成段(1-2)，圆弧段(1-1)的两侧分别一体连接有一个侧置组成段(1-2)，电热膜(2)为圆弧形膜片，保温隔热板(3)为圆弧形板体，电热膜(2)的底面为配合保温隔热板(3)的第二贴合面，圆弧段(1-1)的底面为配合电热膜(2)的第三贴合面。

4.一种用于寒区面板坝止水结构的抗冻配置方法，利用权利要求1、2或3所述的一种用于寒区面板坝止水结构的抗冻发热复合层实现，其特征在于：所述抗冻配置方法为依据止水结构(10)的外露面积以及厚度确定抗冻发热复合层的覆盖面积以及厚度，通过分阶段计算过程计算得出抗冻发热复合层的总热量与止水结构(10)的匹配过程。

5.根据权利要求4所述的抗冻配置方法，其特征在于：所述寒区面板坝止水结构抗冻配置方法中确定抗冻发热复合层的总热量就是确定电热膜(2)的动态总热量q，确定过程包括的具体步骤为：

6.根据权利要求5所述的抗冻配置方法，其特征在于：依据得到的电热膜(2)应当提供的热量q对应确定止水结构(10)对应的电热膜(2)的型号。

技术总结
一种用于寒区面板坝止水结构的抗冻发热复合层及其配置方法。为解决目前采用的除冰措施大多是被动防护，缺少定量级别的抗冻相关结构以及相关系统预算方法。本发明中的抗冻发热复合层包括抗裂高强砂浆层、电热膜和保温隔热板，抗裂高强砂浆层、电热膜和保温隔热板从上至下依次贴合为一体结构，保温隔热板的底面为配合止水结构的第一贴合面。所述抗冻配置方法为依据止水结构的外露面积以及厚度确定抗冻发热复合层的覆盖面积以及厚度，通过分阶段计算过程计算得出抗冻发热复合层的总热量与止水结构的匹配过程。

技术研发人员：高小建,刘雨时,陈智韬,徐成伟,陈铁锋,霍彦霖,杨英姿
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24