1/1L型加設直插型熱棒與直插型熱棒的地溫差異L型加設直插型熱棒與直插型熱棒的地溫差異L型加設直插型熱棒與直插型熱棒的地溫差異姜利程維蘇禹李泓韋東北林業大學土木工程學院摘要：

對比分析了島狀多年凍土區L型熱棒加設直插型熱棒與單一的直插型熱棒在一定距離與深度的地溫,發現L型加設熱棒試驗段路基的降溫效果好于單一直插型熱棒,這將對今后的東北地區及低緯度、高海拔地區的道路建設與養護提供依據和技術支持。

關鍵詞：

島狀多年凍土;L型熱棒;直插型熱棒;地溫;收稿日期：

2017-01-04Received：

2017-01-042015年,全球多年凍土面積約占陸地面積的24%,我國多年凍土面積約占國土面積的22.3%,我國1965年、2005年、2015年多年凍土面積(單位:10km)及分布[1]如表1,由此可見多年凍土正在逐年融化減少,根據調查資料[2],凍土的融化給道路工程的穩定性帶來了負面影響,主要病害為路面沉陷和縱向裂縫。

表11965年、2005年和2015年多年凍土面積下載原表單純地增大路基熱阻保護凍土的工程措施難以保證多年凍土區路基的長期穩定,在高溫、高含冰量地區尤為明顯,所以針對不同類型的凍土要采取不同的凍土路基設計原則,對于不穩定凍土,需采取主動冷卻凍土路基、控制多年凍土融化速率的原則[3-4]。

1熱棒的工作原理與應用熱棒是一種單向傳熱元件,當其垂直放置于重力場中時,在上部環境溫度低于下部環境溫度時,不需要任何動力,就可把蒸發段的熱量源源不斷地傳送到散熱段,如此不斷地循環往復,主動對路基下的多年凍土進行降溫冷凍,實現始終保持凍結狀態的目的。

盡管熱棒已廣泛應用于青藏公路、鐵路及大、小興安嶺地區公路工程建設當中,并在保護多年凍土地基穩定性方面發揮出了積極的作用[5],但在研究與實踐中,兩種熱棒形式交叉安裝治理多年凍土路基的案例基本沒有,如L型熱棒加設直插型熱棒,斜插型熱棒加設直插型熱棒等。

本文主要研究的是L型熱棒加設直插型熱棒(交叉安裝)與單一形式的直插型熱棒的地溫對比分析。

2試驗段概況2.1熱棒布置概況本試驗段位于黑龍江省前嫩公路伊春至北安段的一處匝道,是交通運輸部科技示范項目高緯度島狀多年凍土區高速公路路基設計與施工技術研究,本段先后于2011年7月、12月及2012年2月安裝了斜插型熱棒42根、直插型熱棒40根、L型熱棒30根,合計112根熱棒。

經觀測研究發現:L型熱棒降溫效果最差且路中出現縱向裂縫,直插型熱棒降溫效果略好于斜插型熱棒,試驗段與非試驗段銜接處出現路面沉陷,沉陷值達到4.0cm左右并伴有路面橫向裂縫,平均裂縫寬2.7cm,長度5m,已形成路面病害。

考慮到行車安全,于2015年在L型熱棒段加設直插型熱棒16根,并在原試驗段與非試驗段處加設直插型熱棒10根,同時將沉陷及裂縫修補。

具體布置如圖1,測溫線位置與熱棒距離分別為0m、0.5m和0.7m。

圖1熱棒布置示意下載原圖2.2地質條件兩試驗段相距40m,地質概況基本相同,具體見地質柱狀圖,如圖2。

圖2地質柱狀圖下載原圖3地溫對比分析3.1距熱棒0.7m處測溫點地溫對比分析由表2和圖3、圖4可以看出如下。

(1)在6.0m和6.5m深度處,L型加設熱棒段平均地溫低于0℃,新設熱棒段平均地溫高于1℃。

并且同一深度同一次測量的L型加設熱棒段地溫比新設熱棒段平均低大約1.5~2.0℃。

其中兩試驗段最大溫差分別為4.1℃和3.1℃,最小溫差均為0.2℃,且均發生在2016年7月(當地全年大氣溫度最高月)。

表2兩試驗段同深度平均地溫對比下載原表圖3L型加設熱棒段地溫深度變化曲線下載原圖圖4新設直插型熱棒段地溫深度變化曲線下載原圖(2)兩熱棒試驗段的地溫都比前一年同時期的地溫低,如2016年10月7日觀測數據對比2015年10月10日,在6.0m深度處,L型加設熱棒段地溫低1.1℃,新設熱棒段低1.6℃;在6.5m深度處,L型加設熱棒段地溫低0.6℃,新設熱棒段低1.4℃。

圖56m深度兩試驗段地溫曲線下載原圖由圖5、圖6可以直觀的看出,L型加設熱棒段地溫明顯低于新設熱棒段。

新設熱棒段地溫隨時間呈U形變化,受季節影響較嚴重,L型加設熱棒段受外界影響較小,且制冷效果優于直插型熱棒。

在6m深度,地溫變化有以下特征:(1)兩試驗段地溫均于2015年10月達到最大值,原因有二:其一,大氣溫度在7月達到最大值,說明熱量從大氣經路面傳至路基6m深度需要一定的時間,地溫較大氣溫度滯后90d左右;其二,熱棒沒有工作。

圖66.5m深度兩試驗段地溫曲線下載原圖(2)L型加設熱棒段地溫于2016年3月達到最低值,較大氣溫度滯后60d左右,新設熱棒段地溫于2016年4月達到最低值并保持到5月,較大氣溫度滯后90~120d左右,較L型加設熱棒段滯后30~60d左右,造成這一結果的原因有二:其一,L型加設熱棒段已經過L型熱棒的多年作用,使路基建立了較天然路基低的地溫平衡狀態,所以在2015年的時間節點上,與新設熱棒段的起始地溫不同;其二,L型加設熱棒段熱棒的布設密度較高,單位面積的熱棒數量是新設熱棒段的2倍,熱棒數量直接影響降溫速率。

在6.5m深度,地溫狀況與6.0m較為相似,不同點在于:L型加設熱棒段,地溫最高值發生在2015年9月,而非10月,即10月較9月地溫不但沒有上升反而下降,原因是熱棒蒸發段工作介質已達到工作溫度逐漸開始啟動,但由于地溫有一定波動而不穩定,所以蒸發段表現為間歇性工作,導致距蒸發段上方0.5m處依然未受到熱棒的影響。

3.2距熱棒0.5m處測溫點地溫對比分析由表3和圖7、圖8可以看出如下。

(1)在4.5m、5.5m、6.0m和6.5m深度處L型加設熱棒段平均地溫低于0℃,新設熱棒段平均地溫高于1℃(6.5m深度除外)。

并且同一深度同一次測量的L型加設熱棒段地溫比新設熱棒段平均低大約0.6~2.5℃。

其中兩試驗段各深度最大溫差分別為8.3℃、5.4℃、4.4℃和3.3℃,大多發生在2015年10月;最小溫差分別為0℃、0.1℃、0℃和0℃,大多發生在2016年7、8月。

(2)兩熱棒試驗段的地溫都比前一年同時期的地溫低,如2016年10月7日觀測數據對比2015年10月10日,在4.5m深度處,L型加設熱棒段地溫低4.1℃,新設熱棒段低0.4℃;在5.5m深度處,L型加設熱棒段地溫低2.3℃,新設熱棒段低1.9℃;在6.0m深度處,L型加設熱棒段地溫低1.2℃,新設熱棒段低2.7℃;在6.5m深度處,L型加設熱棒段地溫低0.4℃,新設熱棒段低3.7℃。

可以看出L型加設熱棒段地溫隨深度增加而降低的加速度的絕對值在減小,新設熱棒段則與之相反,原因在于新設熱棒段于2015年安裝完畢,經過一年的凍融循環,地溫才逐步趨于穩定,而L型加設熱棒段已經過L型熱棒的多年作用使地溫建立了平衡,通過張麗娜[6]的分析研究,原試驗段安裝后也經歷過與新設熱棒段相似的狀況。

表3兩試驗段同深度平均地溫對比下載原表圖7L加設熱棒段地溫深度變化曲線下載原圖圖8新設直插型熱棒段地溫深度變化曲線下載原圖L型加設熱棒段地溫隨深度的變化較穩定,表3可以看出,4.5m與5.5m深度處的平均地溫相同,6.0m與6.5m深度處的平均地溫相同。

新設熱棒段地溫隨深度的變化較大,呈正溫度梯度,說明該段還需要一定的時間來建立新的熱平衡狀態,屬于正常現象。

兩熱棒段的平均溫差隨深度的增加逐漸減小,說明隨著深度的增加,兩試驗段的地溫逐漸接近,這也說明新設熱棒段地溫正在逐漸穩定。

圖94.5m深度兩試驗段地溫曲線下載原圖圖105.5m深度兩試驗段地溫曲線下載原圖圖116.0m深度兩試驗段地溫曲線下載原圖圖126.5m深度兩試驗段地溫曲線下載原圖通過圖9~圖12可以看出,在4.5m、5.5m、6.0m和6.5m深度,兩試驗段地溫均于2015年10月達到最大值,地溫較大氣溫度滯后90d左右。

L型加設熱棒段地溫于2016年3月達到最低值,較大氣溫度滯后60d左右,新設熱棒段地溫于2016年2月達到最低值,較大氣溫度滯后30d左右,較L型加設熱棒段提前30d左右,這與距熱棒0.7m地溫分析的結論相反,造成這一結果的原因如下。

(1)本測溫孔較上一測溫孔在空間上向熱棒靠近了0.2m,在垂直于行車道的方向上向熱棒靠近了0.5m,該測溫孔受熱棒的影響較上一測溫孔大。

(2)新設熱棒段熱棒工作效率高于L型加設熱棒。

(3)L型加設熱棒段熱棒可能損壞(需分析距熱棒0m的地溫再確定)。

綜合以上原因導致該結果,這也是新設熱棒段在5.5m、6.0m和6.5m深度處最低地溫低于L型熱棒段的主要原因。

3.3距熱棒0m處測溫點地溫對比分析由表4和圖13、圖14可以對比分析如下。

表4兩試驗段同深度平均地溫對比下載原表圖13L加設熱棒段地溫深度變化曲線下載原圖圖14新設直插型熱棒段地溫深度變化曲線下載原圖(1)在5.5m、6.0m和6.5m深度處L型加設熱棒段平均地溫低于-2℃,新設熱棒段平均地溫低于-1℃。

并且同一深度同一次測量的L型加設熱棒段地溫比新設熱棒段平均低大約0.7~1.2℃,其中兩試驗段最大溫差分別為4.9℃、4.0℃和2.4℃,大多發生在2015年10月;最小溫差分別為0.1℃、0.1℃和0.2℃,大多發生在2016年7、8月。

(2)兩熱棒試驗段的地溫都比前一年同時期的地溫低,如2016年10月7日觀測數據對比2015年10月10日,在5.5m深度處,L型加設熱棒段地溫低2.1℃,新設熱棒段低2.5℃;在6.0m深度處,L型加設熱棒段地溫低1.0℃,新設熱棒段低4.7℃;在6.5m深度處,L型加設熱棒段地溫低1.0℃,新設熱棒段低3.2℃。

(3)兩熱棒段平均地溫最低值均在6.0m深度處,這說明熱棒的最佳工作深度在6.0m。

圖155.5m深度兩試驗段地溫曲線下載原圖圖166.0m深度兩試驗段地溫曲線下載原圖圖176.5m深度兩試驗段地溫曲線下載原圖通過圖15~圖17可以直觀地看出,在2015年9月、10月兩熱棒段地溫溫差較大,當進入冬季開始工作后,兩試驗段地溫很接近,如果重新計算地溫平均值(除2015年9月、10月),兩試驗段地溫僅相差0.4℃,說明經過2個月的過渡期,新設熱棒段地溫逐漸穩定,并且觀測初期新設熱棒段的降溫速率大于L型加設熱棒段,原因前面已分析。

4結語(1)本文主要研究的是L型加設熱棒段與直插型熱棒段地溫的橫向對比分析,發現兩種熱棒形式交叉作用的降溫效果要優于單一形式的熱棒布置。

(2)距熱棒0.7m處深度在6.0~6.5m處時平均地溫溫差范圍在2~1.5℃;距熱棒0.5m處深度在4.5~6.5m處時平均地溫溫差范圍在2.6~0.6℃;距熱棒0m處深度在5.5~6.5m處時平均地溫溫差范圍在1.2~0.7℃。

(3)兩試驗段的最大地溫溫差大多發生在2015年9月、10月,即新熱棒安裝的過渡期;最小地溫溫差大多發生在2016年7月、8月,即熱棒的非工作期,地溫的穩定性與熱棒安裝后的時間成正比關系。

(4)本試驗L型加設熱棒段熱棒的安裝密度較大(熱棒間隔為2m),為了達到降低地溫提升多年凍土上限的目的,可以每隔4m交