Cooling effect of thermosyhpon subgrade for Qinghai-Tibet Highway
-
摘要: 为了分析多年冻土区热棒路基的工程效果, 定量评价其降温效能, 基于青藏公路热棒路基试验工程近11年的现场监测数据, 分析了热棒路基的地温特征、温度场形态和冻融过程, 估算了阴阳坡影响下热棒附近的水平热收支状况。建立了空气-热棒-冻土地基三维非稳态耦合计算模型, 分析了不同结构形式(单侧直插式、单侧斜插式、双侧直插式与双侧斜插式)的热棒路基的降温效能。实测结果表明: 在热棒作用下, 阳坡侧路基地温可降到-1.5℃附近, 较普通路基地温降低约3.0℃, 阴坡侧路基地温最低达到-2.1℃; 热棒路基经过11年的营运, 阳坡侧冻土上限抬升约0.95m, 基本达到天然地基水平; 阴阳坡两侧热棒的年平均实际功率分别约为69.80、54.07 W, 且热棒路基在最初5年传递能量较大, 第6年后逐渐减小, 此后路基的热状况进入相对稳定的状态。计算结果表明: 双侧直插式热棒路基与双侧斜插式热棒路基第20年冻土上限分别为2.88、1.88m, 而单侧直插式热棒路基与单侧斜插式热棒路基第20年冻土上限分别为3.84、3.46m, 因此, 双侧热棒路基的长期降温效果明显强于单侧热棒路基, 斜插式热棒路基强于直插式热棒路基; 单根热棒的年平均功率为47~56 W, 与试验工程监测结果较为吻合。Abstract: In order to analyze the engineering effect of thermosyphon subgrade in permafrost regions and quantitatively evaluate its cooling effect, the 11 years'observational data were collected from the thermosyphon subgrade test project of Qinghai-Tibet Highway, the ground temperature characteristics, temperature field profiles and freezing-thawing process of thermosyphon subgrade were analyzed, and the horizontal thermal budget near the thermosyphons under the influence of shady-sunny slope effect was evaluated. A threedimensional unsteady coupled air-thermosyphon-foundation computation model was proposed, and the cooling effects of thermosyphon subgrades with different structures, such as one-side vertical type, one-side inclined type, two-side vertical type and two-side inclined type, were investigated. Measured result shows that the monitoring data indicates that the ground temperature of thermosyphon subgrade at sunny side is about-1.5 ℃, 3.0 ℃ lower than thevalue of traditional subgrade, and the lowest ground temperature at shady side can reach to-2. 1 ℃. During 11years'operation of thermosyphon subgrade, the permafrost table at sunny side elevates about 0.95 m, and basically reaches to the level of natural foundation. The mean annual actual powers of thermosyphon subgrades at shady side and sunny side are about 69. 80 and 54.07 W, respectively. During the previous 5years, the thermosyphon presents a larger power. After 6th year, the power gradually decreases, and the thermal state of subgrade tends towards stability. Calculated result shows that after 20 years, the permafrost tables under the two-side vertical and inclined type thermosyphon subgrades are 2.88 and 1.88 mrespectively, the permafrost tables under one-side vertical and inclined type thermosyphon subgrades are 3. 84and3. 46 m, respectively, so, the two-side type thermosyphon subgrade expresses a stronger longterm cooling effect than the one-side type thermosyphon subgrade, similarly, the inclined type thermosyphon subgrade has a stronger cooling effect than the vertical type thermosyphon subgrade. The annual average power of one thermosyphon varies from 47 Wto 56 W, agreeing well with the monitoring data.
-
0. 引言
多年冻土占全球陆地总面积的25%, 在中国多年冻土约占陆地面积的22.4%[1]。世界各国在多年冻土区开展了大量的工程活动, 包括俄罗斯西伯利亚铁路、美国阿拉斯加输油管线和中国的青藏公路、青藏铁路、格尔木至拉萨输油管线等工程[2-4]。多年冻土区工程建设面临的主要问题就是冻胀和融沉[2-3], 此问题在全球气候变化的背景下表现得更为明显[5-6], 严重影响了寒区工程的安全运营[7]。
防止多年冻土地基热融成为保障工程稳定性的关键问题, 以此为目标研发了众多特殊结构措施, 应用于道路工程的主要有片块石路基[8]、热棒路基[9-10]、保温板路基[11]等。热棒是一种无动力、高效的主动降温装置[12-13], 其工作介质积蓄在底部的蒸发段, 主要依靠蒸发段与冷凝段的温差, 通过内部工质(如液氨、氟利昂等)不断发生气液相变循环高效地传递能量。已有的研究表明, 热棒的传热效率是相同尺寸铜棒的200~500倍[13]。除了高效的传热性能, 热棒还具有单向传热和等温性的特点。
由于以上优点, 热棒技术广泛应用于土木工程中。早在20世纪60年代, 美国和加拿大已应用该技术提高寒区土木工程基础的稳定性。1974年, 美国阿拉斯加输油管线应用了约11 200根热棒提高多年冻土地基稳定性, 目前该工程已经稳定运行了近40年[14]。1989年, 在中国青藏公路多年冻土区K3018+616(可可西里山区)涵洞安装了8根热棒, 进行现场应用试验, 监测数据表明, 热棒减小了季节活动层厚度, 提高了涵基的承载力和稳定性, 有效防止了热融沉陷。2002~2004年, 开展了青藏公路整治改建工程, 在路基沉降、变形与纵向裂缝较严重的楚玛尔河地区路基病害路段使用热棒进行治理, 经过多年的运行, 目前该地区路基稳定, 无明显沉降与变形[15-16]。2001年, 在青藏高原清水河地区与安多地区开展了热棒路基的现场试验研究, 监测数据表明, 热棒对降低基底温度、增加地基冷储量、保护多年冻土具有明显的效果[17]。在青藏直流联网工程中, 应用了将近7 000根热棒, 确保电力塔基的稳定性[18]。正在建设的青海省共和至玉树高速公路, 在多年冻土发育的查拉坪地区, 一期工程应用了近4 000根热棒。
近年来, 一些新型的热棒组合结构也逐步得到应用。Xu等记录了美国阿拉斯加州的费尔班克斯多年冻土区由发卡式热棒、水平热棒与空气对流复合路基(ACE)和通风路肩等构成的冻土公路综合调控温系统, 运行一年后, 路基状况良好[3]; Lai等通过室内试验研究了L型热棒-碎石复合路基的工作状况, 与普通碎石路基相比, 热棒可以有效降低路基中部的温度, 整体降温效果更好[19]; Zhang等通过青藏高原北麓河地区实体工程观测数据验证了该种结构的降温效果[20]; 董元宏等将这种结构应用到高等级宽幅公路中, 并利用数值计算方法研究了其长期热稳定性[21]。
针对多年冻土区热棒技术, 许多学者在热棒的冷却半径、降温效果、计算理论等方面取得了大量的成果。杨永平等分别计算了不同倾斜角度的热棒路基的传热过程, 研究了热棒对多年冻土路基的冷却效果与提高路基整体稳定性的作用[22]; 田亚护等针对不同埋设间距的热棒路基开展了数值计算, 得到其合理间距为2.0m[23]; Zhang等通过数值计算方法对铁路热棒路基降温效能进行了预测[24], 通过室内试验测试了倾斜角度对热棒传热效能的影响[25]。
但上述成果多基于室内试验或数值仿真, 现场实体工程的观测资料也多为修建后3~5年内的数据, 对热棒长期工作过程、降温效果和工程的长期稳定性缺乏实体工程验证, 且缺乏热棒实际功率的研究, 不利于工程量化设计与应用。本文以青藏公路楚玛尔河地区热棒路基试验工程为研究对象, 以试验工程2004~2014年共11年的监测数据为样本, 分析了热棒路基的长期降温效能, 并针对冻土路基的阴阳坡差异分析其对热棒制冷效果的影响; 考虑到实际工程中存在多种结构形式的热棒路基(单侧热棒路基、双侧热棒路基、直插式热棒路基、倾斜式热棒路基等), 提出了空气-热棒-路基的耦合传热模型, 利用数值仿真手段, 给出了其降温效能指标, 为热棒路基的量化设计提供依据。
1. 试验工程概况
青藏公路热棒路基试验工程主要依托2002~2004年青藏公路整治改建工程, 选择路基变形与纵向裂缝较为严重的楚玛尔河高平原K2937+100~K2951+100段长约5.6 km的路基病害路段。该地区地势开阔、平坦, 地表植被稀疏, 路基两侧取土坑较多, 路侧积水严重。该路段属高温、高含冰冻土路段, 冻土天然上限为2.7~3.0 m, 年平均地温为-0.8℃~-1.0℃。出露地层以砂砾石为主, 下部基岩为全风化泥岩。该段路基阴阳坡效应明显, 原有路基下融化盘偏移严重, 路面纵向裂纹和路基沉降等热融病害较为发育, 路基高度已达2.1~3.8 m, 冻土厚度人为上限为5.7~7.7 m。采用抬高路基高度方案已不能防止路基病害的发生和发展, 为此, 2002年, 在青藏公路整治改建工程中, 采用恢复路基两侧的冻土环境, 设置防水保温护道, 并在路基两侧埋设热棒。热棒的长度为12 m, 其中蒸发段长度为6 m, 绝热段长度为2 m, 冷凝段长度为4 m, 纵向间距为4 m。热棒有效工作温度为-60℃~60℃, 最大功率为6.0 kW。试验工程于2003年10月建成并投入使用, 现场施工见图 1。
为监测热棒路基的运营效果, 在青藏公路K2939+120处设置了监测断面。此处路基高度为3.5 m, 在天然地表、保温护道(坡脚处)、路中和路肩处设置测温孔, 此外, 分别在距热棒0.5、1.0、1.5 m处也设置了测温孔, 见图 3。沿深度方向10.0 m以上每0.5 m设置一个测温探头, 10.0 m以下每1.0 m设置一个测温探头。测温探头采用高精度热敏电阻制作, 精度为0.02℃。为了对比观测阴阳坡差异对热棒路基应用效果的影响, 在阳坡侧、阴坡侧均设置了观测孔, 并在K2939+185处设置了普通路基对比观测断面。采用人工观测采集数据, 每月采集2次。热棒路基与测温孔见图 2、3, 地层岩性见表 1, 钻探所得高含冰量岩芯见图 4、5。
表 1 地层属性Table 1. Stratum properties
2. 观测数据分析
2.1 路基地温特征
为分析热棒对路基温度场的影响, 绘制了热棒路基和普通路基的地温曲线, 见图 6~9。图 6、7为2009年10月的温度场, 此时为路基修建后第6年, 由于热棒良好的制冷作用, 原天然地表 0~8 m范围内热棒路基地温显著下降, 而对比断面的地温明显高于热棒路基。如左路肩侧(阳坡侧), 热棒路基的地温最低可达-1.5℃, 比同时期普通路基地温最大降低了3.0℃, 比同时期天然孔地温降低了约1.0℃。在右路肩侧(阴坡侧), 尽管由于显著的阴阳坡效应, 普通路基的地温约为-1.0℃, 但是热棒路基的地温最低达到了-2.1℃, 热棒的制冷降温作用非常明显。对比2个观测断面的路中孔地温观测数据, 普通路基和热棒路基路中孔人为上限分别为7.20、5.34 m, 热棒路基的路中上限基本与天然孔处于一个水平, 有效抵御了路基工程引发的冻土地基退化。
图 6 2009年10月热棒路基地温曲线Figure 6. Ground temperature curves under thermosyphon subgrade in October, 2009
图 7 2009年10月普通路基地温曲线Figure 7. Ground temperature curves under traditional subgrade in October, 2009
图 8 2014年10月热棒路基地温曲线Figure 8. Ground temperature curves under thermosyphon subgrade in October, 2014
图 9 2014年10月普通路基地温曲线Figure 9. Ground temperature curves under traditional subgrade in October, 2014此外, 从图 6~9中还可以看出阴阳坡差异对热棒工作状态的影响。2009年10月(图 6), 热棒路基左路肩侧(阳坡侧)在路面下6.5 m处地温最低可达-1.5℃, 而右路肩侧(阴坡侧)相同位置处, 地温最低达到-2.1℃; 在2014年10月, 路基左右侧地温最低分别为-1.7℃、-2.3℃(图 8), 两侧温度差异较明显。
热棒路基左右路肩孔的温度差异, 主要是由于阴阳坡效应造成的地温差异引起的。由于路基走向的影响, 造成原有路基下0~6.0 m范围内阴阳坡地温差异较大, 见图 7、9, 而这段区域也是热棒的有效工作范围。原有路基改建为热棒路基后, 热棒的制冷降温与冻土地基的地温差异共同作用造成了热棒路基左右路肩的地温差异明显。
2.2 路基温度场
图 10~15是热棒路基与普通填土路基在2009年和2014年的路基温度场。图 12、15表明, 在路基最大融深季节, 在左路肩至路中的区域内, 0℃线明显下降, 形成较大的融化盘, 融化盘向阳坡侧偏移约2.5 m, 0℃线较天然上限下降约1.4 m。阳坡侧形成的融化盘将会成为地表水渗入和冻结层上水汇入的“聚水盆”, 成为影响路基稳定的隐患。
图 10 2009年10月左侧热棒路基(阳坡)温度场Figure 10. Temperature field of left thermosyphon subgrade(sunny side)in October, 2009
图 11 2009年10月右侧热棒路基(阴坡)温度场Figure 11. Temperature field of right thermosyphon subgrade(shady side)in October, 2009
图 12 2009年10月普通路基温度场Figure 12. Temperature field of traditional subgrade in October, 2009
图 13 2014年10月左侧热棒路基(阳坡)温度场Figure 13. Temperature field of left thermosyphon subgrade(sunny side)in October, 2014
图 14 2014年10月右侧热棒路基(阳坡)温度场Figure 14. Temperature field of right thermosyphon subgrade(shady side)in October, 2014
图 15 2014年10月普通路基温度场Figure 15. Temperature field of traditional subgrade in October, 2014而在路基左路肩(阳坡侧)埋设热棒后(图 10、13), 阳坡侧融化盘的偏移有明显的改善。路基温度场监测结果表明, 在2009年10月和2014年10月阳坡侧人为上限分别抬升到0.64、0.95 m, 基本保持到天然地基水平, 说明热棒有效地抬升了阳坡侧的冻土上限, 改善了冻融界面的形态, 形成了一定范围的稳定冻土区, 对于减小阳坡侧水分迁移、聚集与路基阴阳坡变形差异, 提高路基稳定性有明显的效果。
而在路基右路肩(阴坡侧)埋设热棒后(图 11、14), 阴坡侧人为上限的抬升非常明显, 最高处已经抬升到保温护道处, 并在地基形成了一个较为稳定的冻结核, 但其对路基左侧温度场的影响不明显, 对阴阳坡效应的改善并不显著。温度场形态表明阴坡侧热棒的制冷作用进一步加剧了路基温度场的阴阳坡效应, 造成地基温度场不均匀分布, 而这将可能加剧阴阳坡侧的不均匀沉降, 并引发阴坡侧的纵向裂缝等病害, 不利于冻土路基的稳定性。
2.3 冻融过程
为了分析阴阳坡侧热棒工作的差异性, 绘制了2004~2014年热棒路基和普通路基路中测温孔的冻融过程, 见图 16~25。0℃线的形态表明, 阴阳坡侧热棒路基的路中孔冻融过程差异不大, 基本一致, 融化时间都是从5月上旬开始, 到11月中旬冻结。而普通路基路中孔的起始冻结时间较热棒路基晚近1个月。分析地温孔的温度变化, 可以发现热棒路基路中最大融深基本保持稳定。热棒路基运营5年后, 阴坡热棒路基路中最大融深稳定在地面以下3.5 m附近, 阳坡侧热棒路基路中最大融深稳定在地面以下4.0 m附近, 而普通路基最大融深可达地面以下7.0 m, 这说明热棒的长期降温冷却效果非常明显。
3. 降温效能
为进一步量化热棒的制冷效果, 利用距热棒不同水平距离的地温孔的观测数据, 估算热棒附近一年内的水平热量, 并计算其年平均功率和年内最大功率, 以此分析热棒路基的降温效能与阴阳坡差异对热棒工作状态的影响。
在估算中, 根据距离热棒不同位置的地温观测孔数据, 就可得到据热棒不同距离的水平地温梯度, 再由地质勘察资料得到该地区的热物理参数, 可知热棒附近的水平热通量, 对其在时间和距离上进行二重积分, 便可得到热棒在一段时间内水平方向的能量变化[16, 26], 估算公式为[27]
式中: Q为热棒传输能量; t为时间; λ为热传导系数; r为计算点与热棒的距离; T为计算点温度。
以青藏公路楚玛尔河K2939+120热棒观测断面为研究对象, 统计分析距热棒0.5、1.0、1.5 m处的地温观测孔观测数据。在实际的估算中, 利用距热棒0.5、1.0 m处2个地温孔的监测数据进行计算。根据地层岩性(表 1), 0~4.4 m范围内为角砾, 4.4~9.1 m为粉质黏土。由于热棒埋入地面以下长度为8 m, 其中绝热段长度为2 m, 认为该部分没有制冷效果, 故在估算过程中只考虑绝热段以下6 m范围内的能量传输。地层热物理参数见表 2。通过分析热棒路基年内传输能量情况, 可有以下结论。
表 2 地层热物理参数Table 2. Thermophysical parameters of stratums
(1) 双侧热棒在2004~2014年间, 始终处于活跃的能量传输状态, 热棒的降温制冷作用较为明显。在热棒路基修建后的11年间, 阳坡侧热棒附近的水平热量为1 400~2 000MJ, 阴坡侧为1 700~2 900MJ, 这与Wu等计算的清水河试验段、北麓河试验段热棒的“产冷量”接近[26], 但由于公路路基埋设的热棒尺寸较长, 且公路路基的尺度、结构、黑面效应等与铁路路基有所差异, 所以本文计算的热棒传输能量要大于铁路热棒路基的传输热量。
(2) 分析表 3、4的计算结果, 发现热棒路基每年的传输能量均有所不同, 最大约为2 844 MJ, 最小约为1 389 MJ, 表现出随时间的动态变化过程。且热棒路基在最初5年传递能量较大, 第6年后逐渐减小, 表明此后路基的热状况进入相对稳定的状态。
表 3 阳坡侧热棒水平热量估算结果Table 3. Horizontal thermal budget's evaluation result of thermosyphon at sunny side
表 4 阴坡侧热棒水平热量估算结果Table 4. Horizontal thermal budget's evaluation result of thermosyphon at shady side
(3) 估算值在一定程度上可以反映热棒的降温效能, 从表 3、4中看出, 阴阳坡侧热棒附近的水平热收支估算数值并不相同, 这是由于热棒与阴阳坡效应共同作用的结果。虽然阳坡侧热棒蒸发段与冷凝段温差较大, 热棒实际功率较阴坡侧要大, 但是阳坡侧路基从外界传入的热量要明显大于阴坡侧, 两方面的因素相互作用造成阴阳坡侧热棒附近水平热收支估算有所差别。另外, 在估算中忽略了冻土地基的冰水相变潜热和土体温度变化的显热, 这些都会对热棒的实际功率造成影响。以上分析可为冻土路基的量化设计提供依据。
(4) 图 26反映了阴阳坡侧热棒的年内水平传输能量过程。在4~10月, 两侧热棒基本停止工作, 在1月附近, 热棒处于最大功率状态, 表现出显著的季节差异性。
图 26 2014年热棒路基水平方向传输能量Figure 26. Horizontal transmission energies of thermosyphon subgrade in 20144. 不同结构热棒路基降温效能
多年冻土由于地质条件、上部路基结构、路基走向等差异, 路基下冻土地基温度场表现出较大差异性。而热棒作为一种点状降温结构, 在冻土路基实际应用中存在多种结构形式, 如直插式热棒路基、斜插式热棒路基、双侧热棒路基、单侧热棒路基等。为分析不同结构形式热棒路基的工作过程与降温效能, 量化评价热棒路基的热收支状态, 本文提出了热棒路基的耦合传热模型, 利用数值仿真手段, 计算了不同结构形式热棒路基的工作状态, 给出了其降温效能指标, 为热棒路基的量化设计提供依据。
4.1 空气-热棒-地基耦合传热模型
基于热棒的工作过程, 可以建立热棒的等效传热计算模型, 即在保证热棒传热功率与温差相同的条件下, 将热棒的实际换热过程等效为一根外部尺寸与热棒完全相同的实心圆杆, 且热量从杆的一段(蒸发段)以单纯导热方式传向另一段(冷凝段)。对于重力式热棒, 热量从蒸发段向冷凝段传递过程中各个环节的换热热阻如下[27]。
热棒蒸发段固体壁的导热热阻R1为
蒸发段的蒸发(沸腾)换热热阻R2为
冷凝段的凝结换热热阻R3为
热棒冷凝段固体壁的导热热阻R4为
热棒冷凝段外壁与冷源之间的换热热阻R5为
热棒在传热过程中的总热阻R为
式中: l1为热棒蒸发段的长度; do为热棒外径; di为热棒内径; λ1为管壁材料的热传导系数; A1为热棒蒸发段内表面积; α1为蒸发换热系数; A2为热棒冷凝段内表面积; α2为凝结换热系数; l2为冷凝段长度; A3为热棒冷凝段外表面积; α3为冷凝段外部换热系数。
热棒热阻见图 27, T1为热源温度, T2为冷源温度, 热棒传递的热量Q为
在实际的设计中, 为了加强热棒的换热效率, 一般都在冷凝段安装散热翅片, 通常为矩形螺旋翅片和圆形开花翅片。冷凝段的散热方式主要为强制风冷, 对于辐射产生的影响暂时不考虑。以下将根据外部强制对流传热-流体横掠单管的试验及计算公式, 计算热棒冷凝段的换热系数α3。努赛尔数Nu为
式中: s为翅片间距; H为翅片高度; δ为翅片厚度; Re为热棒外部空气的雷诺数; Pr为普朗特数。
青藏高原的主导风向为西风, 地面以上10 m高度标准风速v变化规律可近似表示为[27]
α3为
式中: λ2为空气的热传导系数。
综上所述, 由式(12)~(14), 就可以得到热棒冷凝段的换热系数。
冷凝段翅片不仅提高了换热系数, 还增加了表面换热面积, 增加后的表面积A4为
式中: n为翅片数量。
由式(14)、(15), 就可以得到热棒冷凝段的换热热阻R5。
4.2 热棒路基降温效能的数值计算模型
热棒路基的传热过程就是路基体与热棒的耦合传热问题。基于经典的热传导理论, 结合热棒的工作原理和等效热阻理论, 就可以建立热棒路基的数值计算模型。
4.2.1 热棒
由于热棒的尺寸相对于路基较小, 因此, 在计算中, 将其简化为随外界不断变化的热流边界条件。热棒蒸发段的热通量q为
式中: h为热棒的等效换热系数; ΔT为温差。
判断热棒是否处于工作状态的标准就是蒸发段与冷凝段的温差是否大于热棒的启动温差, 即
式中: T0为热棒的启动温差。
根据热棒生产厂家的出场测试, 青藏公路热棒试验段所采用热棒启动温差小于0.8℃, 考虑到外界环境的影响等, 本文计算中取热棒的启动温差为1.0℃。
4.2.2 路基
对于路基体的传热过程, 采用经典的热传导理论, 在计算中忽略对流、质量迁移等其他作用, 只考虑路基体的热传导和冰水相变作用, 其传热控制方程可简化为
式中: x、y、z分别为计算点的横向、纵向与竖向坐标。
在计算中对于土体的相变潜热问题采用显热容法进行处理, 假设模型中土体相变发生在温度区间Tm±ΔT, 土体在传热过程中的热参数为
式中: Ce、λe分别为土体的等效体积热容和热传导系数; Cf、Cu分别为冻结和融化状态的体积热容; λf、λu分别为冻结和融化状态的热传导系数; L为土体的单位体积相变潜热; Tm为相变温度。
式(16)~(21)的求解在数学上是一个强非线性问题, 无法获得解析解, 所以本文采用数值计算方法以获得数值解, 式(19)在空间和时间上的离散分别采用有限元法和有限差分法, 离散方程的求解采用超松弛迭代法。
4.3 几何模型与计算参数
4.3.1 几何模型
以青藏公路楚玛尔河地区K2939+120处热棒路基监测断面为研究对象, 对本文建立的热棒路基计算模型进行验证。路基高度为2 m, 路面宽度为10 m, 路基边坡坡率为1∶1.5。根据试验段钻孔资料, 计算区域按土的岩性分为4层: 砂砾土(路堤填土)、角砾(0~4.4 m)、粉质黏土(4.4~9.1 m)、全风化泥岩(9.1~30.0 m)。在计算中, 几何模型采用三维模型, 计算宽度为路基坡脚各向外延伸30m, 计算深度为天然地面以下30 m。在数值计算建模时, 根据实际工程应用, 在路基侧埋设热棒(单侧、双侧、直插、斜插)。路基工程沿纵向为长大线性工程, 埋设热棒后, 路基温度场在纵向沿热棒断面对称分布, 因此, 在实际计算中, 以埋设热棒横断面为对称面, 只考虑一半模型的计算。根据相关研究成果[9-10, 17, 27], 热棒的有效冷却范围约为2m, 因此, 在计算中, 选择纵向计算长度为5m, 可以满足计算需求。单侧直插式热棒计算模型见图 28。
4.3.2 边界条件与计算参数
根据青藏高原多年观测资料与附面层原理[28], 计算区域的上边界温度条件可以表示为如下的三角函数形式
式中: T3为计算模型中上表面的年平均温度; β为未来50年内由全球升温引起的上边界年平均温度增长率; E为上边界温度的振幅。
根据最近的研究结果[29], β=0.052℃·a-1; 对于天然地表, E为11.5℃, 对于路堤边坡, E为14.5℃, 对于沥青路面, E为15.2℃。根据有关观测资料, 青藏公路楚玛尔河地区天然地表的T3取为-1.0℃。根据钻孔测温资料, 青藏高原天然地面以下一定深度内地温梯度的平均值为0.024℃·m-1, 故以此作为计算区域下边界的边界条件。根据现场实测与有关参考资料[29-30], 计算中土层的热物理参数见表 5。
表 5 地层热物理计算参数Table 5. Thermophysical computation parameters of stratums
4.4 模型检验结果分析
试验路段监测设备于2003年12月安装完毕, 在热棒地面以下5 m处安装了测温探头, 监测热棒蒸发段的温度变化情况。选择热棒路基运营3年的监测数据与数值计算结果进行对比, 对计算模型进行检验。
图 29为热棒蒸发段外壁计算值与实测值对比曲线, 可以看出: 热棒蒸发段温度从每年10月初开始迅速降低, 从每年1月份开始逐渐升高, 在每年的4~9月之间基本保持不变; 实测值与计算值有很好的一致性, 这表明本文所建立的热棒路基计算模型是合理的, 具有很好的理论和实际意义。
图 29 蒸发段温度的计算值与实测值对比Figure 29. Comparison of calculated and measured temperatures at evaporating section为分析不同结构形式的热棒路基的降温效果, 统计得到了热棒路基的上限变化, 并与天然地基和普通路基进行了对比, 见图 30。可以看出: 天然冻土上限变化较为缓慢, 从初始的2.31 m到第20年的2.84 m, 下移了0.53 m, 这主要与外界环境升温有关, 路基下部冻土上限的变化则是环境升温作用与路基修筑的综合结果; 普通路基的冻土上限变化最剧烈, 在路基修筑后前几年, 上限略有抬升, 随后快速下降, 在第20年时下降到4.94 m, 下降速率远大于天然地基, 这表明普通路基的修筑不利于冻土的稳定; 热棒路基下人为上限有明显抬升, 但又随路基结构形式的不同而有所变化, 单侧热棒路基仅可保证埋设热棒侧的路基热稳定性, 对于另一侧路肩下多年冻土的退化保护有限, 最大融深一般出现在该侧, 在路基运行20年后, 单侧直插式与斜插式热棒路基人为上限较天然上限分别下降了1.00、0.62 m; 双侧热棒路基的短期和长期冷却作用都很明显, 在路基运行20年后, 人为上限保持在2.00 m左右; 斜插式热棒由于蒸发段偏向路基中心, 能更好地保护多年冻土, 减小黑色沥青路面的聚热效应带来的热侵蚀, 斜插式热棒路基第20年的人为上限较直插式热棒路基高约0.40 m。
图 30 不同结构形式的热棒路基冻土上限Figure 30. Permafrost tables under thermosyphon subgrades with different structures根据数值计算结果, 统计得到了单侧直插、单侧斜插、双侧直插和双侧斜插式热棒路基的年均传输能量与年平均功率见图 31。可以看出: 单根热棒的年平均功率为47~56 W, 与该试验段监测结果较为接近, 说明计算模型合理, 结果可信。由于热棒路基结构形式的变化, 其单根热棒的年内传输能量也有所不同。总体来说, 直插式热棒的年内传输能量略大于斜插式热棒路基, 其年平均功率也相应较大。这主要是由于斜插式热棒蒸发段偏向于路基中心, 主要受路面吸热的影响, 而直插式热棒同时受黑色沥青路面和路基边坡的影响, 因此, 其年内传输能量略大。
5. 结语
(1) 热棒路基经过11年的运营, 阳坡侧人为上限基本保持在天然地基水平, 阴坡侧人为上限已抬升到路基体内。热棒对冻土路基温度场的改变和调节作用非常明显, 在阳坡侧埋设热棒对于消除路基阴阳坡效应与提高冻土路基稳定性等有显著的效果。
(2) 冻土路基的阴阳坡效应对于热棒的制冷效果影响较大, 阴坡侧热棒路基的人为上限、地温与热棒附近的水平热收支都较阳坡侧有明显不同, 本文建议在阴阳坡效应明显的路段, 阴坡侧不埋设热棒, 以防止因冻土地基人为上限形态差异而产生路基纵向裂缝与滑塌等病害。
(3) 基于等效热阻法, 建立了空气-热棒-地基的耦合传热模型, 计算值与实测值有较好的一致性, 为热棒路基的工程设计与应用提供了理论基础。
(4) 量化分析了不同形式热棒路基的冷却效果, 计算结果表明热棒埋设差异对路基热状况影响明显, 双侧热棒路基的长期降温效果明显强于单侧热棒路基, 斜插式热棒路基强于直插式热棒路基, 单根热棒的年平均功率为47~56 W, 其在纵、横向的有效影响范围大致为2.0 m。
-
图 6 2009年10月热棒路基地温曲线
Figure 6. Ground temperature curves under thermosyphon subgrade in October, 2009
图 7 2009年10月普通路基地温曲线
Figure 7. Ground temperature curves under traditional subgrade in October, 2009
图 8 2014年10月热棒路基地温曲线
Figure 8. Ground temperature curves under thermosyphon subgrade in October, 2014
图 9 2014年10月普通路基地温曲线
Figure 9. Ground temperature curves under traditional subgrade in October, 2014
图 10 2009年10月左侧热棒路基(阳坡)温度场
Figure 10. Temperature field of left thermosyphon subgrade(sunny side)in October, 2009
图 11 2009年10月右侧热棒路基(阴坡)温度场
Figure 11. Temperature field of right thermosyphon subgrade(shady side)in October, 2009
图 12 2009年10月普通路基温度场
Figure 12. Temperature field of traditional subgrade in October, 2009
图 13 2014年10月左侧热棒路基(阳坡)温度场
Figure 13. Temperature field of left thermosyphon subgrade(sunny side)in October, 2014
图 14 2014年10月右侧热棒路基(阳坡)温度场
Figure 14. Temperature field of right thermosyphon subgrade(shady side)in October, 2014
图 15 2014年10月普通路基温度场
Figure 15. Temperature field of traditional subgrade in October, 2014
图 26 2014年热棒路基水平方向传输能量
Figure 26. Horizontal transmission energies of thermosyphon subgrade in 2014
图 29 蒸发段温度的计算值与实测值对比
Figure 29. Comparison of calculated and measured temperatures at evaporating section
图 30 不同结构形式的热棒路基冻土上限
Figure 30. Permafrost tables under thermosyphon subgrades with different structures
表 1 地层属性
Table 1. Stratum properties
表 2 地层热物理参数
Table 2. Thermophysical parameters of stratums
表 3 阳坡侧热棒水平热量估算结果
Table 3. Horizontal thermal budget's evaluation result of thermosyphon at sunny side
表 4 阴坡侧热棒水平热量估算结果
Table 4. Horizontal thermal budget's evaluation result of thermosyphon at shady side
表 5 地层热物理计算参数
Table 5. Thermophysical computation parameters of stratums
-
[1] CHENG Guo-dong. A roadbed cooling approach for the construction of Qinghai-Tibet Railway[J]. Cold Regions Science and Technology, 2005, 42(2): 169-176. doi: 10.1016/j.coldregions.2005.01.002 [2] 程国栋, 何平. 多年冻土地区线性工程建设[J]. 冰川冻土, 2001, 23(3): 213-217. doi: 10.3969/j.issn.1000-0240.2001.03.001CHENG Guo-dong, HE Ping. Linearity engineering in permafrost areas[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2001, 23(3): 213-217. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-0240.2001.03.001 [3] XU Jian-feng, GOERING D J. Experimental validation of passive permafrost cooling systems[J]. Cold Regions Science and Technology, 2008, 53(3): 283-297. doi: 10.1016/j.coldregions.2007.09.002 [4] CHENG Guo-dong, SUN Zhi-zhong, NIU Fu-jun. Application of the roadbed cooling approach in Qinghai-Tibet Railway engineering[J]. Cold Regions Science and Technology, 2008, 53(3): 241-258. doi: 10.1016/j.coldregions.2007.02.006 [5] WU Qing-bai, LI Shu-xun, LIU Yong-zhi. The impact of climate warming on permafrost and Qinghai-Tibet Railway[J]. Engineering Sciences, 2006, 4(2): 92-97. [6] SUN Zhi-zhong, MA Wei, LI Dong-qing. In situ test on cooling effectiveness of air convection embankment with crushed rock slope protection in permafrost regions[J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2005, 19(2): 38-51. doi: 10.1061/(ASCE)0887-381X(2005)19:2(38) [7] GOERING D J. Passively cooled railway embankments for use in permafrost areas[J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2003, 17(3): 119-133. doi: 10.1061/(ASCE)0887-381X(2003)17:3(119) [8] LAI Yuan-ming, ZHANG Lu-xin, ZHANG Shu-juan, et al. Cooling effect of ripped-stone embankments on Qing-Tibet Railway under climatic warming[J]. Chinese Science Bulletin, 2003, 48(6): 598-604. doi: 10.1360/03tb9127 [9] 汪双杰, 黄晓明, 陈建兵, 等. 无动力热棒冷却冻土路基研究[J]. 公路交通科技, 2005, 22(3): 1-4. doi: 10.3969/j.issn.1002-0268.2005.03.001WANG Shuang-jie, HUANG Xiao-ming, CHEN Jian-bing, et al. Research on frozen soil subgrade cooling by non-power heat pipe[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2005, 22(3): 1-4. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1002-0268.2005.03.001 [10] 杨永平, 魏庆朝, 周顺华, 等. 热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究[J]. 岩土工程学报, 2005, 27(6): 698-706. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2005.06.019YANG Yong-ping, WEI Qing-chao, ZHOU Shun-hua, et al. Thermosyphon technology and its application in permafrost[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(6): 698-706. (in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2005.06.019 [11] 盛煜, 张鲁新, 杨成松, 等. 保温处理措施在多年冻土区道路工程中的应用[J]. 冰川冻土, 2002, 24(5): 618-622. doi: 10.3969/j.issn.1000-0240.2002.05.025SHENG Yu, ZHANG Lu-xin, YANG Cheng-song, et al. Application of thermal-insulation treatment to roadway engineering in permafrost regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2002, 24(5): 618-622. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-0240.2002.05.025 [12] FARSI H, JOLY J L, MISCEVIC M, et al. An experimental and theoretical investigation of the transient behavior of a two-phase closed thermosyphon[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(15): 1895-1912. doi: 10.1016/S1359-4311(03)00147-9 [13] NOIE S H. Heat transfer characteristics of a two-phase closed thermosyphon[J]. Applied Thermal Engineering, 2005, 25(4): 495-506. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2004.06.019 [14] 潘卫东, 连逢愈, 邓宏艳, 等. 寒区工程中热棒技术的应用原理和前景[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(增2): 2673-2676. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2003S2027.htmPAN Wei-dong, LIAN Feng-yu, DENG Hong-yan, et al. Application principle and prospect of thermal-probe technique in cold regions engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(S2): 2673-2676. (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2003S2027.htm [15] SONG Yi, JIN Long, ZHANG Jin-zhao. In-situ study on cooling characteristics of two-phase closed thermosyphon embankment of Qinghai-Tibet Highway in permafrost regions[J]. Cold Regions Science and Technology, 2013, 93: 12-19. doi: 10.1016/j.coldregions.2013.05.002 [16] WU Di, JIN Long, PENG Jian-bing, et al. The thermal budget evaluation of the two-phase closed thermosyphon embankment of the Qinghai-Tibet Highway in permafrost regions[J]. Cold Regions Science and Technology, 2014, 103: 115-122. doi: 10.1016/j.coldregions.2014.03.013 [17] 程红彬. 青藏铁路冻土区低温热管应用关键技术研究[D]. 兰州: 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 2007.CHENG Hong-bin. The key technology study of low temperature heat pipe of Qinghai-Tibet Railway in permafrost regions[D]. Lanzhou: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, 2007. (in Chinese). [18] MU Yan-hu, WANG Guo-shuang, YU Qi-hao, et al. Thermal performance of a combined cooling method of thermosyphons and insulation boards for tower foundation soils along the Qinghai-Tibet Power Transmission Line[J]. Cold Regions Science and Technology, 2016, 121: 226-236. doi: 10.1016/j.coldregions.2015.06.006 [19] LAI Yuan-ming, GUO Hong-xin, DONG Yuan-hong. Laboratory investigation on the cooling effect of the embankment with L-shaped thermosyphon and crushed-rock revetment in permafrost regions[J]. Cold Regions Science and Technology, 2009, 58(3): 143-150. doi: 10.1016/j.coldregions.2009.05.002 [20] ZHANG Ming-yi, LAI Yuan-ming, WU Qing-bai, et al. A fullscale field experiment to evaluate the cooling performance of a novel composite embankment in permafrost regions[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 95: 1047-1056. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.12.067 [21] 董元宏, 赖远明, 陈武. 多年冻土区宽幅公路路基降温效果研究——一种L型热管-块碎石护坡复合路基[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(6): 1043-1049. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201206014.htmDONG Yuan-hong, LAI Yuan-ming, CHEN Wu. Cooling effect of combined L-shaped thermosyphon, crushed-rock revetment and insulation for high-grade highways in permafrost regions[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(6): 1043-1049. (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201206014.htm [22] 杨永平, 周顺华, 魏庆朝. 青藏铁路斜插式热管路基在不同倾斜角度下冷却效果的数值模拟研究[J]. 土木工程学报, 2006, 39(3): 108-113. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC200603016.htmYANG Yong-ping, ZHOU Shun-hua, WEI Qing-chao. Effect simulation of different declining angles of thermosyphons used in Qinghai-Tibet Railway permafrost embankment[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(3): 108-113. (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC200603016.htm [23] 田亚护, 刘建坤, 沈宇鹏. 青藏铁路多年冻土区热棒路基的冷却效果三维有限元分析[J]. 岩土工程学报, 2013, 35(增2): 113-119. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2013S2020.htmTIAN Ya-hu, LIU Jian-kun, SHEN Yu-peng. 3-D finite element analysis of cooling effect of Qinghai-Tibet Railway embankment with thermosyphons in permafrost regions[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(S2): 113-119. (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2013S2020.htm [24] ZHANG Ming-yi, LAI Yuan-ming, ZHANG Jian-ming, et al. Numerical study on cooling characteristics of two-phase closed thermosyphon embankment in permafrost regions[J]. Cold Regions Science and Technology, 2011, 65(2): 203-210. doi: 10.1016/j.coldregions.2010.08.001 [25] ZHANG Ming-yi, LAI Yuan-ming, PEI Wan-sheng, et al. Effect of inclination angle on the heat transfer performance of a two-phase closed thermosyphon under low-temperature conditions[J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2014, 28(4): 1-11. [26] WU Jun-jie, MA Wei, SUN Zhi-zhong, et al. In-situ study on cooling effect of the two-phase closed thermosyphon and insulation combinational embankment of the Qinghai-Tibet Railway[J]. Cold Regions Science and Technology, 2010, 60(3): 234-244. doi: 10.1016/j.coldregions.2009.11.002 [27] 金龙. 多年冻土区热管路基降温效能分析与设计方法研究[D]. 兰州: 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 2013.JIN Long. Study on cooling effect and design method of thermosyphon embankment in permafrost regions[D]. Lanzhou: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, 2013. (in Chinese). [28] 朱林楠. 高原冻土区不同下垫面的附面层研究[J]. 冰川冻土, 1988, 10(1): 8-14. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BCDT198801001.htmZHU Lin-nan. Study of the adherent layer on different types of ground in permafrost regions on the Qinghai-Xizang Plateau[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 1988, 10(1): 8-14. (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BCDT198801001.htm [29] JIN Long, WANG Shuang-jie, CHEN Jian-bing, et al. Study on the height effect of highway embankments in permafrost regions[J]. Cold Regions Science and Technology, 2012, 83-84: 122-130. doi: 10.1016/j.coldregions.2012.07.006 [30] 汪双杰, 陈建兵, 金龙, 等. 冻土路基热收支状态的尺度效应[J]. 中国公路学报, 2015, 28(12): 9-16. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL201512003.htmWANG Shuang-jie, CHEN Jian-bing, JIN Long, et al. Scale effect of thermal budget of permafrost embankment[J]. China Journal of Highway and Transport, 2015, 28(12): 9-16. (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL201512003.htm -
下载:
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 1086
- HTML全文浏览量: 317
- PDF下载量: 982
- 被引次数: 0
