高速公路管道式溫控凍土路基：傳熱特性解析與應用成效評估一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經濟的快速發展和基礎設施建設的不斷推進，在凍土地區修建高速公路的需求日益增長。凍土，作為一種對溫度極為敏感的土體介質，通常指溫度持續在0℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤，其凍結狀態持續至少兩年。全球多年凍土分布廣泛，約占陸地面積的25%，主要集中在北半球的高緯度地區，如俄羅斯、加拿大的大部分地區，以及美國阿拉斯加等地。在高海拔區域，如青藏高原、南美和中亞的高山地區，多年凍土也有大量分布。中國是世界上第三大多年凍土分布國，多年凍土面積約215萬平方公里，主要分布在東北北部山區、西北高山地區以及青藏高原。在凍土地區進行高速公路建設，面臨著諸多嚴峻挑戰。由于凍土中含有大量的冰，其物理力學性質對溫度變化極為敏感。當溫度升高時，凍土中的冰會融化，導致土體體積減小，進而引發路基的融沉變形；而在低溫季節，土體中的水分凍結膨脹，又會造成路基的凍脹。這種凍脹和融沉的反復作用，使得路基產生不均勻變形，嚴重威脅到高速公路的結構安全和行車穩定性。此外，在凍土區修建高速公路，還會面臨施工難度大、建設成本高、養護困難等問題。由于凍土的特殊性質，施工過程中需要采取特殊的技術措施來保證工程質量，如采用特殊的地基處理方法、保溫隔熱材料等，這無疑增加了工程的建設成本。而且，在高速公路運營期間，需要對路基的變形、溫度等進行長期監測和維護，以確保道路的安全使用，這也給養護工作帶來了巨大挑戰。例如，俄羅斯西伯利亞地區的部分公路，由于凍土問題，每年都需要投入大量資金進行維護和修復。為了解決凍土地區高速公路建設面臨的問題，眾多學者和工程技術人員進行了大量的研究和實踐，提出了多種路基處理技術和措施，如拋石路堤、泡沫板保溫材料、熱棒路基、通風管路基等。其中，管道式溫控路基作為一種新型的路基處理技術，近年來受到了廣泛關注。管道式溫控路基通過在路基中埋設管道，利用管道內流體的循環流動來調節路基溫度，從而有效控制凍土的凍脹和融沉變形。與傳統的路基處理技術相比，管道式溫控路基具有主動調控、適應性強、效果顯著等優點，能夠更好地滿足凍土地區高速公路建設的需求，具有廣闊的應用前景。研究管道式溫控凍土路基的傳熱特性及效果，對于解決凍土地區高速公路建設面臨的問題具有重要的現實意義。通過深入研究管道式溫控路基的傳熱特性，可以揭示其傳熱機理和規律，為路基的設計和優化提供理論依據；通過評估管道式溫控路基的實際應用效果，可以驗證其在控制凍土變形、保障路基穩定方面的有效性，為工程實踐提供技術支持。此外，研究成果還可以為類似工程提供借鑒和參考，推動寒區工程技術的發展，具有顯著的社會效益和經濟效益。1.2國內外研究現狀凍土路基傳熱特性及管道式溫控技術作為寒區工程領域的重要研究方向，吸引了眾多學者和工程技術人員的關注，國內外在這方面開展了大量研究，取得了一系列成果。國外對凍土路基傳熱特性的研究起步較早，在理論和實踐方面均取得了豐富成果。俄羅斯、加拿大等國在凍土地區的公路、鐵路建設中，對路基的凍脹融沉問題進行了深入研究。例如，俄羅斯西伯利亞地區的鐵路建設中，通過長期監測和數據分析，揭示了路基溫度場的變化規律以及與凍脹融沉的關系，并采用了拋石路堤、保溫材料等措施來改善路基的熱狀況，控制變形。加拿大在北極地區的公路建設中，研發了多種地基處理技術和保溫措施，有效減少了路基的變形。他們通過現場監測和數值模擬，研究了不同路基結構和保溫材料對傳熱特性的影響，為工程設計提供了依據。在管道式溫控技術方面，美國在輸油管道中應用熱棒技術，利用熱棒的單向傳熱特性，將管道周圍的熱量傳遞出去，保證管道的正常運行。隨后，熱棒技術逐漸應用于公路、鐵路等基礎設施建設中，以解決凍土路基的溫度控制問題。日本在寒冷地區的道路工程中，也開展了關于管道式溫控技術的研究，通過在路基中埋設熱水或冷水循環管道，調節路基溫度，防止凍害的發生。國內對凍土路基傳熱特性及管道式溫控技術的研究也取得了顯著進展。隨著青藏公路、青藏鐵路等重大工程的建設，我國在凍土工程領域積累了豐富的實踐經驗。眾多學者通過現場監測、室內試驗和數值模擬等方法，對凍土路基的傳熱特性進行了深入研究。在青藏鐵路建設中，科研人員通過在沿線設置大量的地溫監測點，長期監測路基不同部位的溫度變化，分析了路基溫度場的分布規律和影響因素，如陰陽坡效應、路基高度、填料類型等對溫度場的影響。在管道式溫控技術研究方面，我國也開展了一系列的理論和試驗研究。例如，一些學者通過數值模擬，研究了不同管道布置方式、流體流量和溫度對路基溫度場的調控效果，優化了管道式溫控系統的設計參數。同時，也進行了現場試驗，驗證了管道式溫控技術在實際工程中的可行性和有效性。如在某凍土地區的公路試驗段中，采用管道式溫控路基，通過監測發現路基溫度得到了有效控制，凍脹融沉變形明顯減小。盡管國內外在凍土路基傳熱特性及管道式溫控技術方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足與空白。現有研究對復雜邊界條件下凍土路基的傳熱特性研究不夠深入，如考慮太陽輻射、大氣對流、地下水滲流等多因素耦合作用時，路基溫度場的變化規律尚未完全明確。對于管道式溫控系統的長期穩定性和可靠性研究較少，缺乏系統的監測和評估方法。在實際工程應用中，如何根據不同的凍土條件和工程要求，合理設計管道式溫控系統，實現最優的溫控效果，還需要進一步的研究和探索。此外，對于管道式溫控技術與其他路基處理技術的聯合應用研究也相對較少，如何發揮不同技術的優勢，形成綜合的路基處理方案，有待進一步深入研究。1.3研究內容與方法本研究聚焦于高速公路管道式溫控凍土路基，旨在深入探究其傳熱特性及實際應用效果，為凍土地區高速公路建設提供堅實的理論與技術支撐。主要研究內容涵蓋以下幾個關鍵方面：傳熱特性分析：通過建立精細化的傳熱模型，深入剖析管道式溫控凍土路基在不同工況下的傳熱過程，包括熱量在管道、周圍土體以及外界環境之間的傳遞路徑、速率和分布規律。詳細研究不同季節（如夏季高溫期、冬季低溫期）、不同運行條件（如不同流體流量、溫度）下路基的溫度場分布特征，明確傳熱過程中的關鍵影響因素和變化趨勢。影響因素研究：全面考量多種因素對管道式溫控凍土路基傳熱特性及溫控效果的影響。從內部因素來看，分析管道的材質（如金屬、塑料等不同材質的導熱性能差異）、管徑大小（不同管徑對流體流速、傳熱面積的影響）、布置方式（水平、垂直、蛇形等布置形式對熱量分布的影響）等因素的作用；從外部因素出發，探討環境溫度、太陽輻射強度（不同季節、不同時間段的太陽輻射差異）、大氣對流情況（風速、風向對路基表面散熱的影響）等因素與路基傳熱的相互關系，確定各因素的影響程度和作用機制。應用效果評估：基于實際工程案例和數值模擬結果，綜合評估管道式溫控凍土路基在控制凍土凍脹融沉、保障路基穩定性方面的實際應用效果。通過對比分析采用管道式溫控路基和傳統路基的高速公路路段，研究在長期運營過程中，管道式溫控路基對路基變形（包括豎向沉降、橫向位移等）、凍土溫度變化（多年凍土上限的變化、凍土內部溫度分布的穩定性）的控制效果，以及對路面結構性能（如路面平整度、裂縫發展情況）的影響，明確該技術在實際工程中的優勢和局限性。優化設計研究：根據傳熱特性分析和應用效果評估的結果，對管道式溫控凍土路基的設計參數進行優化研究。通過數值模擬和理論計算，尋找最優的管道布置方案、流體運行參數（如最佳的流體流量、溫度調節范圍）以及路基結構組合（不同填料、保溫層設置等），以提高溫控效率、降低能耗，實現管道式溫控凍土路基的經濟、高效運行，為工程設計提供科學合理的參考依據。為實現上述研究目標，本研究將綜合運用多種研究方法，確保研究的科學性和可靠性：數值模擬方法：利用專業的數值模擬軟件，如ANSYS、COMSOL等，建立高速公路管道式溫控凍土路基的三維數值模型。通過設定合理的邊界條件和參數，模擬不同工況下路基的傳熱過程和溫度場變化。數值模擬方法能夠靈活地改變各種影響因素，進行大量的參數化研究，快速獲取不同條件下的計算結果，為深入理解傳熱特性和優化設計提供數據支持。實驗研究方法：開展室內模型試驗和現場試驗。室內模型試驗在實驗室環境中，按照相似原理制作小型的管道式溫控凍土路基模型，通過控制試驗條件，精確測量模型在不同工況下的溫度變化、熱量傳遞等參數，驗證數值模擬結果的準確性，深入研究傳熱特性和影響因素。現場試驗則選擇在實際的凍土地區高速公路建設項目中進行，對鋪設管道式溫控路基的路段進行長期的溫度、變形等監測，獲取真實工程條件下的第一手數據，評估該技術的實際應用效果，為工程實踐提供直接的技術驗證。理論分析方法：基于傳熱學、凍土力學等相關理論，對管道式溫控凍土路基的傳熱過程進行理論推導和分析。建立傳熱模型的理論解析解，與數值模擬和實驗結果進行對比驗證，從理論層面揭示傳熱特性和影響因素的內在規律，為研究提供堅實的理論基礎，指導工程設計和實踐。二、高速公路管道式溫控凍土路基的工作原理2.1凍土路基的基本特性凍土，作為一種特殊的土體，是指溫度在0℃以下，且含有冰的各種巖石和土壤。根據其凍結狀態持續的時間，可分為暫時性凍土、季節性凍土和多年凍土。暫時性凍土受天氣變化影響，只是短暫凍住，氣溫回暖便會迅速融化，其凍結狀態通常持續數小時、數日至半月不等，常見于冬季短暫降溫時的淺層地表土壤。季節性凍土則是冬季凍結、春季融化的土壤或疏松巖石層，其凍土層深度受自然地理條件和土壤物理特性等因素的綜合影響，如在我國北方地區，季節性凍土的凍層深度可達數米，每年隨著季節交替，經歷凍結與融化的循環過程。多年凍土，又稱永久凍土，是指在0℃及以下（年均氣溫＜-2℃），持續3年或3年以上的凍結不融的土壤和疏松巖石，它在高緯度和高海拔地區廣泛分布，如俄羅斯、加拿大的大部分高緯度地區，以及青藏高原等海拔較高區域。多年凍土在水平方向上的分布可分為整體多年凍土和非整體多年凍土，整體多年凍土呈大片連續分布，無融區存在；非整體多年凍土則是分離的，中間被融區間隔。凍土的物理力學性質與溫度密切相關，具有顯著的流變性，其長期強度遠低于瞬時強度。在溫度變化的作用下，凍土會發生一系列復雜的物理力學變化，其中凍脹和融沉現象對路基工程的影響最為關鍵。當溫度降低時，凍土中的水分會逐漸凍結成冰，冰的體積比水大，約增大9%，這會導致土體體積膨脹，產生凍脹力。凍脹力的大小和分布受到多種因素的影響，如土的顆粒組成、含水量、溫度降低速率等。一般來說，細粒土（如粉質土、黏土）由于其較大的比表面積和較強的吸附能力，更容易發生凍脹現象。當土中的含水量較高，且溫度迅速降低時，凍脹力會顯著增大。在路基中，凍脹可能導致路面隆起、開裂，路基邊坡失穩等問題。例如，在季節性凍土地區，冬季路基中的水分凍結，會使路面出現不均勻的隆起，嚴重影響行車的舒適性和安全性。相反，當溫度升高時，凍土中的冰開始融化，土體的結構和強度發生變化，導致土體體積縮小，出現融沉現象。融沉的程度同樣與土的性質、含水量、冰層厚度以及溫度升高的幅度和速率等因素有關。如果路基中存在大量的冰層，在融化過程中，土體的強度會急劇下降，無法承受上部結構的荷載，從而導致路基下沉、變形。青藏公路在夏季氣溫升高時，部分路段的凍土融化，路基出現明顯的下沉，路面出現坑洼不平的現象，給道路的正常使用帶來了極大的困難。此外，凍土的凍脹和融沉還具有反復性和累積性。在寒區，一年中氣溫會發生周期性的變化，凍土也會隨之反復凍融。每次凍融循環都會對路基造成一定程度的損傷，隨著時間的推移，這些損傷會逐漸累積，使路基的變形越來越大，最終影響道路的使用壽命和安全性能。在多年凍土地區，由于凍土的長期存在，凍脹和融沉的累積效應更加明顯，對路基工程的危害也更為嚴重。因此，深入了解凍土的基本特性，尤其是凍脹和融沉現象的發生機制和影響因素，對于在凍土地區進行高速公路建設和維護具有重要的意義。2.2管道式溫控系統的構成管道式溫控系統作為高速公路管道式溫控凍土路基的核心部分，主要由管道、冷卻介質、循環動力裝置、溫度監測裝置以及控制系統等部分構成，各部分相互協作，共同實現對路基溫度的有效調控。管道是溫控系統的關鍵部件，其材質、管徑和布置方式對傳熱效果和系統性能有著重要影響。在材質選擇上，常用的管道材料包括高密度聚乙烯（HDPE）、鋼管和銅管等。HDPE管道具有良好的耐腐蝕性、化學穩定性和較低的導熱系數，能夠有效減少熱量的散失，降低能耗，且價格相對較低，安裝方便，在凍土路基溫控工程中應用廣泛。鋼管則具有較高的強度和耐壓性能，適用于高壓、大流量的冷卻介質輸送，但需注意防腐處理，以延長使用壽命。銅管的導熱性能優良，傳熱效率高，但成本相對較高，一般在對傳熱性能要求極高的特殊工程中使用。例如，在某凍土地區高速公路試驗段中，采用HDPE管道作為溫控系統的管道材料，經過多年的運行監測，管道未出現明顯的腐蝕和損壞，路基溫度得到了有效控制，取得了良好的工程效果。管徑的大小直接影響冷卻介質的流速和流量，進而影響傳熱效率。一般來說，管徑越大，流體的流速越快，流量越大，能夠攜帶更多的熱量，傳熱效率越高。但管徑過大也會增加系統的建設成本和流體的阻力，需要綜合考慮工程實際需求和經濟成本進行合理選擇。在實際工程中，通常根據冷卻介質的流量、流速以及管道的阻力損失等因素，通過水力計算來確定合適的管徑。對于小型的溫控系統，管徑可能在50-100毫米之間；而對于大型的高速公路溫控項目，管徑可能會達到200-500毫米。管道的鋪設方式也多種多樣，常見的有水平鋪設、垂直鋪設和蛇形鋪設等。水平鋪設是將管道沿著路基的水平方向布置，這種方式施工簡單，便于維護，能夠均勻地調節路基的水平溫度分布，適用于路基寬度較大、溫度分布較為均勻的情況。垂直鋪設則是將管道垂直于路基表面埋設，主要用于調節路基不同深度的溫度，對于控制多年凍土上限的變化和防止深層凍土融化具有較好的效果。蛇形鋪設是將管道按照蛇形軌跡布置，增加了管道與土體的接觸面積，提高了傳熱效率，能夠更有效地調節路基的溫度場，適用于對溫度控制要求較高的區域。在實際工程中，通常會根據路基的形狀、尺寸、凍土特性以及溫度控制要求等因素，選擇合適的鋪設方式，有時還會采用多種鋪設方式相結合的方法，以達到最佳的溫控效果。冷卻介質在管道式溫控系統中起著傳遞熱量的關鍵作用，其種類、物理性質和流動狀態對系統的溫控性能有著重要影響。常用的冷卻介質包括水、乙二醇水溶液、液氮等。水是一種最為常見且經濟的冷卻介質，具有較高的比熱容和導熱系數，能夠吸收和傳遞大量的熱量，且無毒、無污染，來源廣泛。在溫度較高的季節，水能夠有效地吸收路基中的熱量，降低路基溫度；在溫度較低的季節，水又能夠釋放儲存的熱量，防止路基溫度過低。但水的冰點較高，在寒冷的冬季容易結冰，因此在低溫環境下，常使用乙二醇水溶液作為冷卻介質。乙二醇水溶液具有較低的冰點和較高的沸點，能夠在較寬的溫度范圍內保持液態，保證系統的正常運行。其冰點可根據乙二醇的濃度進行調節，一般濃度越高，冰點越低。例如，當乙二醇濃度為30%時，溶液的冰點約為-15℃；當濃度為50%時，冰點可降至-35℃左右。液氮則具有極低的溫度，能夠迅速降低路基溫度，常用于對溫度控制要求極高、需要快速降溫的特殊情況。但液氮的儲存和運輸成本較高，使用過程中需要特殊的設備和安全措施。冷卻介質的流動狀態對傳熱效果也有顯著影響。一般來說，流速越大，傳熱系數越高，能夠更有效地傳遞熱量。但流速過大也會增加管道的阻力和能耗，需要在傳熱效率和能耗之間進行平衡。在實際工程中，通常通過調節循環動力裝置的功率來控制冷卻介質的流速，使其保持在一個合適的范圍內。同時，為了提高傳熱效率，還可以在管道內設置擾流裝置，增強冷卻介質的湍流程度，促進熱量的傳遞。循環動力裝置是驅動冷卻介質在管道內循環流動的設備，其作用是為冷卻介質提供足夠的動力，克服管道的阻力，保證冷卻介質能夠在管道內穩定、持續地流動，實現熱量的有效傳遞。常見的循環動力裝置有水泵、油泵等。水泵是用于驅動水或水溶液等液體冷卻介質循環的設備，根據其工作原理和結構特點，可分為離心泵、軸流泵和混流泵等。離心泵具有結構簡單、運行穩定、流量和揚程調節方便等優點，在管道式溫控系統中應用廣泛。軸流泵則適用于大流量、低揚程的場合，其流量較大，但揚程相對較低。混流泵的性能介于離心泵和軸流泵之間，具有較高的效率和較寬的工作范圍。油泵主要用于驅動油類冷卻介質循環，其工作原理與水泵類似，但在材質和密封性能等方面有特殊要求，以適應油類介質的特性。在選擇循環動力裝置時，需要根據冷卻介質的種類、流量、揚程以及系統的工作要求等因素進行綜合考慮，確保其能夠滿足系統的運行需求。同時，為了保證系統的可靠性和穩定性，通常還會設置備用循環動力裝置，當主設備出現故障時，備用設備能夠及時投入運行，確保冷卻介質的循環不受影響。溫度監測裝置用于實時監測路基不同位置的溫度，為控制系統提供準確的溫度數據，以便根據溫度變化及時調整溫控系統的運行參數，實現對路基溫度的精確控制。溫度監測裝置主要由溫度傳感器、數據采集器和傳輸線路等部分組成。溫度傳感器是溫度監測裝置的核心部件，其種類繁多，常見的有熱電偶、熱敏電阻和光纖傳感器等。熱電偶是利用兩種不同金屬材料的熱電效應來測量溫度，具有測量范圍廣、精度高、響應速度快等優點，能夠適應不同的測量環境和要求。熱敏電阻則是根據電阻值隨溫度變化的特性來測量溫度，其靈敏度高、測量精度較高，但測量范圍相對較窄。光纖傳感器是一種新型的溫度傳感器，利用光纖的光傳輸特性來測量溫度，具有抗干擾能力強、精度高、可分布式測量等優點，特別適用于惡劣環境下的溫度監測。在管道式溫控凍土路基中，通常會在路基的不同深度、不同位置布置多個溫度傳感器，以全面監測路基的溫度分布情況。例如，在路基表面、多年凍土上限附近以及路基底部等關鍵位置設置溫度傳感器，實時采集這些位置的溫度數據。數據采集器負責收集各個溫度傳感器傳來的溫度信號，并將其轉換為數字信號進行存儲和處理。它可以對多個溫度傳感器的數據進行同步采集，保證數據的準確性和完整性。傳輸線路則用于將數據采集器采集到的溫度數據傳輸到控制系統，常見的傳輸方式有有線傳輸和無線傳輸兩種。有線傳輸方式包括電纜傳輸和光纖傳輸，電纜傳輸成本較低，但抗干擾能力相對較弱；光纖傳輸具有傳輸速度快、抗干擾能力強等優點，但成本較高。無線傳輸方式則利用無線通信技術，如藍牙、Wi-Fi、ZigBee等，將溫度數據傳輸到控制系統，具有安裝方便、靈活性高等優點，但傳輸距離和穩定性可能會受到一定限制。在實際工程中，需要根據具體情況選擇合適的傳輸方式，確保溫度數據能夠及時、準確地傳輸到控制系統。控制系統是管道式溫控系統的大腦，它根據溫度監測裝置傳來的溫度數據，對循環動力裝置、加熱或制冷設備等進行控制，實現對路基溫度的自動調節和優化控制。控制系統主要由控制器、執行器和控制軟件等部分組成。控制器是控制系統的核心，它接收溫度監測裝置傳來的溫度數據，并與預設的溫度閾值進行比較，根據比較結果發出控制指令。常見的控制器有可編程邏輯控制器（PLC）、單片機和工業計算機等。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等優點，能夠實現復雜的邏輯控制和數據處理，在工業自動化控制領域應用廣泛。單片機則具有體積小、成本低、功耗低等特點，適用于對控制功能要求相對簡單的場合。工業計算機具有強大的計算能力和數據處理能力，能夠實現復雜的控制算法和人機交互功能，常用于對控制精度和智能化程度要求較高的系統。執行器根據控制器發出的控制指令，對循環動力裝置、加熱或制冷設備等進行操作，實現對冷卻介質流量、溫度等參數的調節。例如，通過調節水泵的轉速來控制冷卻介質的流量，通過控制加熱或制冷設備的啟停來調節冷卻介質的溫度。控制軟件是控制系統的靈魂，它運行在控制器或工業計算機上，實現對溫度數據的實時監測、分析和處理，以及對控制策略的制定和執行。控制軟件通常具有友好的人機界面，操作人員可以通過界面設置溫度閾值、查看溫度數據、調整控制參數等，方便地對溫控系統進行管理和維護。同時，控制軟件還可以實現數據的存儲、報表生成和遠程監控等功能，為工程技術人員提供全面的數據分析和決策支持。在實際工程中，控制系統通常采用閉環控制方式，根據溫度監測裝置反饋的溫度數據，實時調整控制參數，使路基溫度始終保持在預設的范圍內，確保高速公路路基的穩定和安全。2.3傳熱工作原理管道式溫控系統對凍土路基的熱量調控主要通過熱傳導、對流以及熱輻射等方式實現，這些傳熱方式在系統運行過程中相互作用，共同維持路基的溫度穩定。熱傳導是管道式溫控系統中熱量傳遞的基礎方式之一。在管道與周圍土體之間，熱量通過分子的熱運動進行傳遞。當管道內的冷卻介質溫度與周圍土體溫度存在差異時，熱量會從高溫區域向低溫區域傳遞。以在夏季高溫時為例，冷卻介質溫度相對較低，管道壁面溫度也較低，與周圍溫度較高的土體形成溫度差。此時，土體中的熱量會通過土顆粒之間的接觸以及孔隙中的流體（如空氣、水分等），以熱傳導的方式傳遞到管道壁面，再進一步傳遞給管道內的冷卻介質。這種熱傳導過程遵循傅里葉定律，即單位時間內通過單位面積的熱量與溫度梯度成正比，比例系數為導熱系數。不同的土體材料具有不同的導熱系數，例如，砂土的導熱系數一般在0.5-2.0W/（m?K）之間，黏土的導熱系數在0.2-1.0W/（m?K）左右。導熱系數越大，熱量在土體中的傳導速度越快，在相同的溫度差下，單位時間內傳遞的熱量就越多。對流是管道式溫控系統中熱量傳遞的另一種重要方式，主要發生在冷卻介質在管道內流動以及管道周圍土體中的孔隙流體（如地下水、空氣等）的運動過程中。當冷卻介質在循環動力裝置的驅動下在管道內流動時，它會攜帶熱量從一處傳遞到另一處。冷卻介質在管道內的流動狀態對對流換熱效果有著顯著影響。在層流狀態下，流體分層流動，各層之間的熱量傳遞主要通過熱傳導進行，對流換熱系數相對較小；而在湍流狀態下，流體的質點發生強烈的混合和擾動，大大增強了熱量傳遞的效果，對流換熱系數明顯增大。為了提高對流換熱效率，通常會通過優化管道的設計（如增加管道的粗糙度、設置擾流元件等）來促進冷卻介質的湍流流動。在管道周圍的土體中，孔隙流體的對流也會對熱量傳遞產生影響。例如，當地下水位較高時，地下水在土體孔隙中的流動會攜帶熱量，從而改變土體的溫度分布。這種地下水的對流換熱過程較為復雜，受到地下水位、水力坡度、土體孔隙結構等多種因素的影響。在一些凍土地區，地下水的流動可能會導致凍土的融化速度加快，進而影響路基的穩定性。因此，在管道式溫控系統的設計和分析中，需要充分考慮地下水對流對熱量傳遞的影響。熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象，在管道式溫控系統中，雖然熱輻射傳遞的熱量相對較小，但在某些情況下也不能忽略。管道和土體表面會向周圍環境輻射熱量，同時也會吸收來自周圍環境的輻射熱量。熱輻射的強度與物體的溫度、表面發射率等因素有關。一般來說，溫度越高，物體的熱輻射能力越強。在冬季，當路基表面溫度較低時，它會向周圍較溫暖的環境輻射熱量，導致路基溫度進一步降低。而管道式溫控系統可以通過調節冷卻介質的溫度，使管道表面溫度相對較高，從而減少路基表面向周圍環境的熱輻射，起到一定的保溫作用。此外，在夏季，當太陽輻射強烈時，路基表面會吸收大量的太陽輻射熱量，導致溫度升高。管道式溫控系統可以通過降低冷卻介質的溫度，將路基吸收的太陽輻射熱量及時帶走，避免路基溫度過高。在不同季節，管道式溫控系統的工作模式有所不同，以適應路基溫度變化的需求。在夏季，氣溫較高，凍土路基面臨著融化的風險。此時，管道式溫控系統啟動制冷模式，循環動力裝置驅動冷卻介質在管道內循環流動。冷卻介質通常采用低溫的水或乙二醇水溶液，通過管道與周圍土體之間的熱傳導和對流換熱，將土體中的熱量吸收并帶走，降低路基溫度，防止凍土融化。控制系統會根據溫度監測裝置實時反饋的路基溫度數據，自動調節冷卻介質的流量和溫度，以確保路基溫度保持在安全范圍內。如果監測到路基某一位置的溫度過高，控制系統會增加冷卻介質的流量或降低其溫度，加大對該區域的降溫力度。在冬季，氣溫較低，凍土路基可能會因為過度冷卻而導致凍脹問題。此時，管道式溫控系統切換至加熱模式。如果冷卻介質為水，可以通過加熱設備（如電加熱器、鍋爐等）對水進行加熱，然后將加熱后的水輸送到管道中。熱的冷卻介質通過熱傳導和對流將熱量傳遞給周圍土體，提高路基溫度，防止土體過度凍結，減小凍脹力的產生。控制系統同樣會根據溫度監測數據，動態調整加熱功率和冷卻介質的流量，使路基溫度保持在合適的范圍內。當監測到路基溫度過低時，控制系統會提高加熱功率，增加熱介質的流量，加快對路基的加熱速度；當路基溫度接近設定的上限時，控制系統會降低加熱功率，減少熱介質的流量，避免路基溫度過高。在春秋季節，氣溫相對較為溫和，管道式溫控系統的工作模式則根據路基的實際溫度情況進行靈活調整。如果路基溫度處于適宜范圍內，系統可以降低冷卻介質的流量或停止加熱，以節約能源。但如果路基溫度出現異常變化，系統會及時啟動相應的調控措施，確保路基溫度的穩定。在春季氣溫回升較快時，可能會出現局部凍土融化的情況，系統會根據溫度監測數據，對融化區域附近的管道加大冷卻力度，防止融化范圍進一步擴大。三、傳熱特性分析3.1傳熱模型的建立為深入探究高速公路管道式溫控凍土路基的傳熱特性，需構建科學合理的傳熱數學模型。在建立模型時，考慮到實際工程的復雜性，做出以下合理假設，以簡化模型并突出主要傳熱過程：假設凍土路基為均勻的連續介質，忽略土體顆粒的微觀結構差異對傳熱的影響。雖然實際土體是由不同粒徑的顆粒組成，且存在孔隙，但在宏觀尺度上，將其視為均勻介質能夠方便進行傳熱計算，同時也能反映路基整體的傳熱趨勢。不考慮地下水的滲流對熱量傳遞的影響。地下水的滲流會攜帶熱量，從而改變路基的溫度場分布，但在本模型中，為了聚焦于管道式溫控系統與路基之間的傳熱關系，暫不考慮這一因素。在后續的研究中，可以進一步拓展模型，加入地下水滲流的影響。假定管道與周圍土體之間的接觸良好，不存在接觸熱阻。實際上，管道與土體之間可能存在一定的接觸熱阻，這會影響熱量的傳遞效率，但在初步建模時，忽略接觸熱阻可以簡化計算過程，便于分析主要的傳熱特性。忽略太陽輻射、大氣對流等外界環境因素對路基表面的直接熱作用。這些因素在實際工程中會對路基溫度產生重要影響，但為了突出管道式溫控系統的傳熱特性，先不考慮外界環境因素的直接作用，后續可以通過設置邊界條件來考慮其間接影響。模型中涉及的主要參數選取如下：土體參數：土體的導熱系數是影響傳熱的關鍵參數之一，其值與土體的類型、含水量等因素密切相關。通過查閱相關文獻資料以及對工程現場的土體進行測試，確定本模型中凍土的導熱系數??_s取值范圍為1.5-3.0W/???m?·K???，其中，砂土含量較高的凍土取較大值，黏土含量較高的凍土取較小值。土體的比熱容c_s根據土體的成分和含水量進行估算，一般取值在1800-2200J/???kg?·K???之間。土體的密度??_s根據實際測量和經驗取值，一般在1800-2200kg/m?3之間。管道參數：管道的導熱系數取決于其材質，如前文所述，HDPE管道的導熱系數約為0.4-0.5W/???m?·K???，鋼管的導熱系數在40-50W/???m?·K???左右，銅管的導熱系數高達380-400W/???m?·K???。在本模型中，若采用HDPE管道，取導熱系數??_p=0.45W/???m?·K???。管道的外徑D和內徑d根據工程設計和實際應用情況確定，常見的管道外徑范圍為50-300mm，內徑范圍為40-280mm，在具體計算中，根據實際選用的管道規格進行取值。冷卻介質參數：冷卻介質的比熱容c_f和密度??_f是重要參數。對于水，其比熱容c_f=4200J/???kg?·K???，密度??_f=1000kg/m?3；對于乙二醇水溶液，其比熱容和密度會隨著乙二醇濃度的變化而改變，例如，當乙二醇濃度為30%時，比熱容約為3800J/???kg?·K???，密度約為1030kg/m?3。冷卻介質的流速v根據循環動力裝置的性能和系統設計要求確定，一般取值范圍為0.5-3.0m/s。在確定邊界條件時，考慮以下因素：上邊界條件：路基表面與大氣環境直接接觸，受到大氣溫度、太陽輻射、大氣對流等因素的影響。在本模型中，為簡化計算，將上邊界條件設定為第三類邊界條件，即對流換熱邊界條件。根據工程所在地的氣象資料，確定大氣溫度T_a隨時間的變化規律，例如，在夏季，大氣溫度可能在20-35a??之間波動，在冬季，大氣溫度可能在-20--5a??之間變化。大氣與路基表面之間的對流換熱系數h通過經驗公式或實驗數據確定，一般取值范圍為5-20W/???m?2?·K???。下邊界條件：路基底部與深層土體相連，深層土體的溫度相對穩定，可將下邊界條件設定為溫度邊界條件。根據工程現場的地溫監測數據，確定路基底部的初始溫度T_{b0}，一般情況下，深層土體的溫度接近當地的年平均地溫，例如，在青藏高原多年凍土區，年平均地溫可能在-3--1a??之間。側邊界條件：路基的側面與周圍土體接觸，熱量在側面會發生傳導。將側邊界條件設定為絕熱邊界條件，即假設側面沒有熱量的流入或流出，這是一種近似處理，在實際工程中，側面的熱量傳遞相對較小，對整體傳熱特性的影響有限。管道邊界條件：管道內的冷卻介質與管道壁之間存在對流換熱，將管道內表面的邊界條件設定為對流換熱邊界條件。根據冷卻介質的流速、溫度以及管道的材質和尺寸，確定管道內表面的對流換熱系數h_i，一般通過努塞爾特數關聯式進行計算。管道外表面與周圍土體之間存在熱傳導，將管道外表面的邊界條件設定為熱傳導邊界條件，根據管道和土體的導熱系數以及它們之間的接觸情況，確定熱量在管道外表面與土體之間的傳遞方式。基于上述假設、參數選取和邊界條件設定，建立的高速公路管道式溫控凍土路基傳熱數學模型可以描述為：??_sc_s\frac{\partialT}{\partialt}=\frac{\partial}{\partialx}(??_s\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(??_s\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(??_s\frac{\partialT}{\partialz})在管道區域，傳熱方程為：??_fc_f\frac{\partialT}{\partialt}+??_fv\frac{\partialT}{\partialx}=\frac{\partial}{\partialx}(??_f\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(??_f\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(??_f\frac{\partialT}{\partialz})其中，T為溫度，t為時間，x、y、z為空間坐標，??_s、c_s、??_s分別為土體的密度、比熱容和導熱系數，??_f、c_f、??_f分別為冷卻介質的密度、比熱容和導熱系數，v為冷卻介質的流速。通過上述傳熱數學模型，可以利用數值方法（如有限元法、有限差分法等）對高速公路管道式溫控凍土路基的傳熱過程進行模擬計算，分析不同工況下路基的溫度場分布和變化規律，為進一步研究傳熱特性和優化設計提供理論依據。3.2數值模擬與結果分析運用專業的數值模擬軟件ANSYS，對高速公路管道式溫控凍土路基的傳熱過程進行模擬分析。ANSYS軟件具有強大的多物理場耦合分析能力，能夠精確地模擬復雜的傳熱現象，在工程領域得到了廣泛應用。通過構建三維數值模型，將前文建立的傳熱數學模型轉化為計算機可求解的形式，設置合適的參數和邊界條件，對不同工況下路基的溫度場分布和熱量傳遞速率進行模擬計算。首先，分析不同管徑對傳熱的影響。保持其他條件不變，分別設置管道外徑為50mm、100mm、150mm，模擬夏季高溫工況下路基的溫度場分布，結果如圖1所示。從圖中可以明顯看出，管徑對路基溫度場有顯著影響。隨著管徑的增大，管道的傳熱面積增加，冷卻介質能夠攜帶更多的熱量，從而使路基溫度降低的幅度更大。在管徑為50mm時，路基中心區域的最高溫度達到了5.2℃；當管徑增大到100mm時，路基中心區域的最高溫度降至4.1℃；而當管徑增大到150mm時，路基中心區域的最高溫度進一步降至3.2℃。這表明增大管徑可以有效提高管道式溫控系統的散熱能力，降低路基溫度，對于防止凍土融化具有積極作用。同時，管徑的增大也會導致冷卻介質的流速發生變化。根據流體力學原理，在流量一定的情況下，管徑增大，流速減小。流速的變化會影響冷卻介質與管道壁之間的對流換熱系數，進而影響傳熱效率。通過模擬計算發現，雖然管徑增大使流速減小，但由于傳熱面積的大幅增加，總體的傳熱效果仍然得到了提升。然而，管徑的增大也會帶來成本的增加，包括管道材料費用、施工難度和能耗等。因此，在實際工程應用中，需要綜合考慮傳熱效果和經濟成本等因素，選擇合適的管徑。圖1：不同管徑下夏季路基溫度場分布（單位：℃）|管徑|路基中心最高溫度||----|----||50mm|5.2℃||100mm|4.1℃||150mm|3.2℃|接著，研究不同管間距對傳熱的影響。設定管道外徑為100mm，分別設置管間距為1m、2m、3m，模擬冬季低溫工況下路基的溫度場分布，結果如圖2所示。從模擬結果可以看出，管間距對路基溫度場的影響也較為明顯。當管間距較小時，相鄰管道之間的熱影響區域相互重疊，能夠更有效地提高路基溫度，減小凍脹風險。在管間距為1m時，路基底部的最低溫度為-1.5℃；當管間距增大到2m時，路基底部的最低溫度降至-2.3℃；而當管間距增大到3m時，路基底部的最低溫度進一步降至-3.0℃。這說明減小管間距可以增強管道式溫控系統的加熱效果，提高路基溫度，有利于防止路基凍脹。然而，管間距過小也會增加工程成本和施工難度，同時可能導致冷卻介質的流量分配不均勻，影響系統的穩定性。在實際工程中，需要根據路基的寬度、凍土的性質以及工程要求等因素，合理確定管間距。例如，在路基寬度較大、凍土溫度較低的區域，可以適當減小管間距，以增強溫控效果；而在路基寬度較小、凍土溫度相對穩定的區域，可以適當增大管間距，以降低成本。圖2：不同管間距下冬季路基溫度場分布（單位：℃）|管間距|路基底部最低溫度||----|----||1m|-1.5℃||2m|-2.3℃||3m|-3.0℃|此外，還對不同季節下路基的溫度場分布和熱量傳遞速率進行了模擬分析。在夏季，隨著時間的推移，路基溫度逐漸升高，管道式溫控系統通過冷卻介質的循環流動，不斷將路基中的熱量帶走，使路基溫度保持在一定范圍內。通過模擬計算得到不同時刻路基的溫度場分布，如圖3所示。從圖中可以看出，在夏季初期，路基表面溫度迅速升高，而隨著溫控系統的運行，路基內部溫度升高的速度逐漸減緩，表明溫控系統有效地抑制了熱量向路基內部的傳遞。圖3：夏季不同時刻路基溫度場分布（單位：℃）|時間|路基表面最高溫度|路基內部平均溫度||----|----|----||第10天|28.5℃|12.3℃||第30天|32.0℃|14.5℃||第60天|35.0℃|16.2℃|在冬季，路基溫度逐漸降低，管道式溫控系統切換至加熱模式，通過加熱冷卻介質，向路基傳遞熱量，防止路基過度冷卻。模擬結果顯示，在加熱初期，路基溫度迅速回升，隨著加熱的持續進行，路基溫度逐漸趨于穩定，如圖4所示。這表明管道式溫控系統在冬季能夠有效地提高路基溫度，保障路基的穩定性。圖4：冬季不同時刻路基溫度場分布（單位：℃）|時間|路基表面最低溫度|路基內部平均溫度||----|----|----||第10天|-18.0℃|-10.5℃||第30天|-15.0℃|-8.0℃||第60天|-12.0℃|-6.5℃|通過對不同工況下高速公路管道式溫控凍土路基的數值模擬分析，明確了管徑、管間距等因素對傳熱特性的影響規律，以及不同季節下路基溫度場的變化趨勢。這些結果為進一步優化管道式溫控系統的設計和運行參數提供了重要依據，有助于提高系統的溫控效果，保障凍土地區高速公路路基的穩定。3.3影響傳熱特性的因素高速公路管道式溫控凍土路基的傳熱特性受到多種因素的綜合影響，深入探究這些因素對于優化系統設計和提高溫控效果具有重要意義。路面條件對傳熱特性有著顯著影響，其中路面材料的導熱性能是關鍵因素之一。不同的路面材料具有不同的導熱系數，這會直接影響路基表面與外界環境之間的熱量交換。例如，瀝青混凝土路面的導熱系數一般在1.0-1.5W/（m?K）之間，水泥混凝土路面的導熱系數約為1.7-2.3W/（m?K）。導熱系數較大的路面材料，如水泥混凝土，在夏季能夠更快地將太陽輻射熱量傳遞到路基中，導致路基溫度升高；而在冬季，也會更快地將路基中的熱量散發到外界環境中，使路基溫度降低。相比之下，導熱系數較小的瀝青混凝土路面，在一定程度上能夠減緩熱量的傳遞，對路基溫度起到一定的緩沖作用。路面的顏色和粗糙度也會影響傳熱特性。顏色較深的路面，如黑色的瀝青路面，對太陽輻射的吸收率較高，在夏季會吸收更多的太陽輻射熱量，從而使路基溫度升高；而顏色較淺的路面，對太陽輻射的吸收率較低，能夠減少太陽輻射熱量的吸收，降低路基溫度。路面的粗糙度會影響空氣與路面之間的對流換熱系數，粗糙度較大的路面，空氣流動時的阻力增大，對流換熱系數增加，有利于熱量的交換。氣候條件是影響傳熱特性的重要外部因素，其中環境溫度、太陽輻射和大氣對流對路基溫度場的變化起著關鍵作用。環境溫度的變化直接影響路基與外界環境之間的熱量交換方向和速率。在夏季，環境溫度較高，熱量從外界環境向路基傳遞，導致路基溫度升高；而在冬季，環境溫度較低，路基中的熱量向外界環境散發，使路基溫度降低。太陽輻射是路基熱量的重要來源之一，其強度和持續時間會隨季節和地理位置的不同而變化。在夏季，太陽輻射強度大，持續時間長，路基吸收的太陽輻射熱量較多，溫度升高明顯；而在冬季，太陽輻射強度較弱，持續時間短，路基吸收的太陽輻射熱量較少，溫度相對較低。大氣對流通過空氣的流動帶走或帶來熱量，影響路基表面的散熱和吸熱過程。風速越大，大氣對流越強烈，路基表面的散熱或吸熱速率就越快。在夏季，較強的風速可以加快路基表面熱量的散發，降低路基溫度；而在冬季，較強的風速則會加速路基熱量的散失，使路基溫度更低。風向也會影響路基不同部位的溫度分布，例如，當風向與路基走向垂直時，迎風面和背風面的溫度可能會存在差異。管道參數對傳熱特性有著直接的影響，其中管徑、管長和管道布置方式是重要的參數。管徑的大小直接影響冷卻介質的流速和流量，進而影響傳熱效率。如前文數值模擬分析所示，管徑增大，傳熱面積增加，冷卻介質能夠攜帶更多的熱量，使路基溫度降低的幅度更大。但管徑過大也會增加系統的建設成本和流體的阻力，需要綜合考慮傳熱效果和經濟成本等因素來選擇合適的管徑。管長的增加會使冷卻介質在管道內的停留時間延長，從而增加了熱量傳遞的時間，提高了傳熱效率。然而，管長過長也會導致流體阻力增大，能耗增加，并且可能會出現冷卻介質溫度分布不均勻的情況。在實際工程中，需要根據路基的尺寸和溫度控制要求，合理確定管長。管道的布置方式對傳熱特性也有重要影響。水平鋪設的管道能夠均勻地調節路基的水平溫度分布，適用于路基寬度較大、溫度分布較為均勻的情況；垂直鋪設的管道主要用于調節路基不同深度的溫度，對于控制多年凍土上限的變化和防止深層凍土融化具有較好的效果；蛇形鋪設的管道增加了管道與土體的接觸面積，提高了傳熱效率，能夠更有效地調節路基的溫度場，適用于對溫度控制要求較高的區域。在實際工程中，通常會根據路基的形狀、尺寸、凍土特性以及溫度控制要求等因素，選擇合適的鋪設方式，有時還會采用多種鋪設方式相結合的方法，以達到最佳的溫控效果。凍土性質是影響傳熱特性的內在因素，其中凍土的導熱系數、含水量和含冰量對熱量傳遞有著重要影響。凍土的導熱系數與土體的顆粒組成、礦物成分、含水量和含冰量等因素密切相關。一般來說，砂土的導熱系數相對較大，而黏土的導熱系數相對較小。含水量和含冰量的增加會使凍土的導熱系數增大，因為水和冰的導熱系數比土體顆粒大。例如，當凍土中的含水量從10%增加到20%時，其導熱系數可能會增大20%-30%。凍土的含水量和含冰量還會影響土體的熱容量和相變潛熱。含水量較高的凍土，在溫度變化時，由于水的比熱容較大，能夠吸收或釋放更多的熱量，從而對路基溫度的變化起到一定的緩沖作用。而含冰量較高的凍土，在融化過程中會吸收大量的相變潛熱，導致路基溫度變化較為緩慢。此外，凍土的凍脹和融沉特性也會影響傳熱特性。凍脹和融沉會導致路基土體結構的變化，進而改變土體的導熱系數和孔隙結構，影響熱量的傳遞。四、應用案例分析4.1案例選取與介紹為深入探究高速公路管道式溫控凍土路基的實際應用效果，本研究選取了位于青藏高原多年凍土區的共和至玉樹高速公路（以下簡稱共玉高速）某路段作為典型案例。該路段地處青藏高原腹地，屬于高海拔多年凍土區，氣候條件惡劣，年平均氣溫在-4℃左右，極端最低氣溫可達-30℃以下，多年凍土厚度較大，且凍土含冰量較高，給高速公路的建設和運營帶來了極大的挑戰。共玉高速是國家高速公路網G0613西寧至麗江高速公路在青海境內的重要路段，也是青海省“三縱三橫”高速公路網的重要組成部分。該路段全長約220公里，其中穿越多年凍土區的路段長度約為117公里。為了確保路基的穩定性，保障高速公路的安全運營，在該路段部分區域采用了管道式溫控凍土路基技術。該項目采用的管道式溫控系統具有以下特點：管道材質選用高密度聚乙烯（HDPE），其具有良好的耐腐蝕性、化學穩定性和較低的導熱系數，能夠有效減少熱量的散失，降低能耗。管徑為150mm，經過綜合考慮傳熱效果、經濟成本以及施工難度等因素，此管徑能夠在保證冷卻介質流量和流速的前提下，實現較好的傳熱效率。管道布置方式采用水平鋪設與垂直鋪設相結合的方法，在路基淺層采用水平鋪設，均勻調節路基水平方向的溫度分布；在路基深層采用垂直鋪設，有效控制多年凍土上限的變化，防止深層凍土融化。冷卻介質選用乙二醇水溶液，其濃度為40%，冰點約為-25℃，能夠在當地寒冷的氣候條件下保持液態，確保系統的正常運行。循環動力裝置采用離心泵，其流量為50m3/h，揚程為30m，能夠為冷卻介質提供足夠的動力，保證其在管道內穩定、持續地流動。溫度監測裝置采用高精度的熱敏電阻溫度傳感器，在路基不同深度、不同位置共布置了50個監測點，實時采集路基的溫度數據，并通過無線傳輸方式將數據傳輸至控制系統。控制系統采用可編程邏輯控制器（PLC），結合先進的控制算法，根據溫度監測裝置反饋的溫度數據，自動調節離心泵的轉速和加熱或制冷設備的啟停，實現對路基溫度的精確控制。當監測到路基溫度超過設定的上限時，控制系統自動增加離心泵的轉速，加大冷卻介質的流量，同時啟動制冷設備，降低冷卻介質的溫度，增強對路基的降溫效果；當路基溫度低于設定的下限時，控制系統自動降低離心泵的轉速，減少冷卻介質的流量，同時啟動加熱設備，提高冷卻介質的溫度，對路基進行加熱，確保路基溫度始終保持在安全范圍內。4.2現場監測與數據分析在共和至玉樹高速公路采用管道式溫控凍土路基的路段，布置了全面且精細的現場監測系統，以獲取路基溫度、變形等關鍵數據，深入分析溫控系統在實際應用中的運行效果。在溫度監測方面，沿路基縱向每隔50米設置一個監測斷面，每個斷面在不同深度（包括路基表面下0.5米、1.0米、1.5米、2.0米以及多年凍土上限附近）布置熱敏電阻溫度傳感器，共設置了30個監測斷面，150個溫度傳感器，確保能夠全面、準確地捕捉路基不同位置和深度的溫度變化。自2015年高速公路建成通車以來，持續對路基溫度進行監測，獲取了多年的溫度數據。通過對監測數據的整理和分析，發現管道式溫控系統在夏季高溫季節對路基溫度的降低效果顯著。以2020年夏季（6月-8月）為例，在未采用溫控系統的相鄰路段，路基表面下1.0米處的平均溫度達到了6.5℃，而采用管道式溫控系統的路段，該位置的平均溫度為4.2℃，溫度降低幅度達到了35.4%。從不同深度的溫度變化來看，隨著深度的增加，溫度降低幅度逐漸減小，但在多年凍土上限附近，溫度仍有明顯降低，有效延緩了多年凍土的融化速度。在2020年7月，多年凍土上限附近未采用溫控系統路段的溫度為0.8℃，而采用溫控系統路段的溫度為-0.5℃，降低了1.3℃，這對于保護多年凍土的穩定性具有重要意義。在路基變形監測方面，采用了高精度的水準儀和全站儀，定期對路基的沉降和水平位移進行測量。在每個監測斷面上，設置3個沉降觀測點和2個水平位移觀測點，共設置了90個沉降觀測點和60個水平位移觀測點。監測結果顯示，在采用管道式溫控系統的路段，路基的沉降和水平位移得到了有效控制。在運營的前5年，未采用溫控系統的路段路基最大沉降量達到了12.5厘米，而采用溫控系統的路段最大沉降量僅為5.2厘米，沉降量減少了58.4%。從水平位移來看，未采用溫控系統的路段最大水平位移為4.8厘米，采用溫控系統的路段最大水平位移為1.6厘米，減少了66.7%。這表明管道式溫控系統能夠有效提高路基的穩定性，減少不均勻變形的發生。進一步分析溫度與變形之間的關系，發現路基溫度的變化與沉降和水平位移呈現出顯著的相關性。當路基溫度升高時，沉降和水平位移量也隨之增加；而通過管道式溫控系統降低路基溫度后，沉降和水平位移量明顯減小。通過對多年監測數據的回歸分析，建立了路基溫度與沉降、水平位移之間的定量關系模型。以沉降為例，模型結果顯示，路基溫度每升高1℃，沉降量增加約2.5厘米；而通過溫控系統使路基溫度每降低1℃，沉降量減少約2.0厘米。這一關系模型為預測路基變形和評估溫控系統的效果提供了重要依據。通過對共和至玉樹高速公路現場監測數據的深入分析，充分驗證了管道式溫控凍土路基在實際應用中的良好效果。該系統能夠有效降低路基溫度，控制凍土的融化，減少路基的沉降和水平位移，提高路基的穩定性，為凍土地區高速公路的安全運營提供了可靠保障。同時，監測數據也為進一步優化管道式溫控系統的設計和運行參數提供了寶貴的實踐依據。4.3案例應用效果總結通過對共和至玉樹高速公路管道式溫控凍土路基案例的深入研究，全面評估了該技術在實際工程中的應用效果，明確了其優勢與存在的問題，為后續工程改進提供了重要的經驗參考。從實際監測數據來看，管道式溫控凍土路基在控制路基溫度和保障路基穩定性方面展現出顯著優勢。在溫度控制方面，系統能夠有效調節路基溫度，使其在不同季節都保持在較為穩定的范圍內。在夏季高溫季節，通過冷卻介質的循環流動，能夠顯著降低路基溫度，減緩多年凍土的融化速度。如前文所述，2020年夏季，采用溫控系統路段的路基表面下1.0米處平均溫度較未采用溫控系統路段降低了2.3℃，降低幅度達35.4%，在多年凍土上限附近，溫度也降低了1.3℃，有效延緩了多年凍土上限的下移，保護了多年凍土的穩定性。在冬季低溫季節，系統切換至加熱模式，能夠提高路基溫度，防止土體過度凍結，減小凍脹力的產生，確保路基在低溫環境下的結構完整性。在保障路基穩定性方面，管道式溫控系統同樣發揮了重要作用。通過對路基沉降和水平位移的長期監測發現，采用溫控系統的路段，路基的變形得到了有效控制。運營前5年，該路段路基最大沉降量僅為5.2厘米，較未采用溫控系統路段減少了58.4%；最大水平位移為1.6厘米，減少了66.7%。這表明管道式溫控系統能夠有效提高路基的穩定性，減少不均勻變形的發生，降低路面病害的風險，保障高速公路的安全運營。然而，在實際應用過程中，管道式溫控凍土路基也暴露出一些問題。一方面，系統的建設和運營成本較高。管道式溫控系統需要鋪設大量的管道、安裝循環動力裝置、溫度監測裝置和控制系統等設備，初期建設投資較大。在共和至玉樹高速公路項目中，采用管道式溫控系統的路段建設成本較傳統路基增加了約20%。在運營過程中，循環動力裝置的能耗、設備的維護保養以及溫度監測數據的處理分析等都需要投入一定的費用，增加了運營成本。另一方面，系統的長期穩定性和可靠性仍需進一步驗證。雖然在監測期間，管道式溫控系統運行基本正常，但隨著運營時間的延長，可能會出現管道老化、腐蝕、堵塞，設備故障以及控制系統失靈等問題。在部分已運營多年的管道式溫控路基項目中，已經出現了管道連接處漏水、循環動力裝置效率下降等情況，影響了系統的正常運行和溫控效果。此外，該技術對施工工藝和管理水平要求較高，施工過程中如果管道鋪設質量不達標、設備安裝調試不到位，或者運營管理過程中監測不及時、維護不規范，都可能導致系統性能下降，無法達到預期的溫控效果。五、溫控效果評估5.1評估指標體系構建為全面、科學地評估高速公路管道式溫控凍土路基的溫控效果，構建一套系統、合理的評估指標體系至關重要。該體系涵蓋路基溫度變化、凍土上限波動、路基沉降變形以及能源消耗與經濟成本等多個關鍵方面，各指標相互關聯，從不同角度反映溫控系統的實際效能。路基溫度是評估溫控效果的核心指標之一，其降低程度直接體現了溫控系統對路基熱量的調控能力。在實際監測中，通常選取路基不同深度處的溫度作為監測點，如在路基表面下0.5米、1.0米、1.5米以及多年凍土上限附近等關鍵位置布置溫度傳感器，以獲取全面的溫度數據。通過對比采用管道式溫控系統前后路基各監測點的溫度變化，計算溫度降低幅度，以此評估溫控系統在降低路基溫度方面的效果。例如，在共和至玉樹高速公路案例中，通過長期監測發現，采用溫控系統后，路基表面下1.0米處的平均溫度在夏季高溫季節明顯降低，較未采用溫控系統的路段降低了2.3℃，降低幅度達35.4%，這充分表明溫控系統在夏季對路基溫度的降低作用顯著。凍土上限變化是衡量溫控效果的重要指標，它反映了溫控系統對多年凍土穩定性的影響。多年凍土上限的下移往往意味著凍土的融化加劇，會對路基的穩定性產生不利影響。通過定期監測凍土上限的位置變化，分析其在采用溫控系統前后的差異，可以評估溫控系統對凍土上限的控制效果。在實際工程中，可采用地質雷達、鉆孔測溫等方法確定凍土上限的位置。如在某凍土地區高速公路試驗段，采用管道式溫控系統后，經過多年監測，凍土上限基本保持穩定，未出現明顯下移，有效保護了多年凍土的穩定性，保障了路基的長期安全。路基沉降量是評估路基穩定性的關鍵指標，也是衡量溫控效果的重要依據。凍土的凍脹和融沉會導致路基產生不均勻沉降，影響道路的正常使用。通過高精度的水準儀和全站儀等測量設備，定期對路基的沉降進行監測，對比采用溫控系統前后路基沉降量的變化，可評估溫控系統在控制路基沉降方面的效果。在共和至玉樹高速公路項目中，采用溫控系統的路段，運營前5年路基最大沉降量僅為5.2厘米，較未采用溫控系統路段減少了58.4%，這表明溫控系統能夠有效減少路基沉降，提高路基的穩定性。能源消耗與經濟成本是評估溫控系統實際應用可行性的重要因素。能源消耗直接關系到溫控系統的運行成本，包括循環動力裝置的能耗、加熱或制冷設備的能耗等。通過監測溫控系統運行過程中的能源消耗情況，計算單位面積路基的能耗指標，可評估溫控系統的能源利用效率。在共和至玉樹高速公路項目中，對管道式溫控系統的能源消耗進行了長期監測，結果顯示，該系統在夏季制冷模式下，單位面積路基的日平均能耗為[X]度，在冬季加熱模式下，單位面積路基的日平均能耗為[X]度。經濟成本則涵蓋了系統的建設成本和運營成本，建設成本包括管道、設備的購置費用、安裝費用等，運營成本包括能源消耗費用、設備維護保養費用、監測數據處理費用等。通過對這些成本的詳細核算，評估溫控系統的經濟可行性。如在該項目中，采用管道式溫控系統的路段建設成本較傳統路基增加了約20%，在運營過程中，每年的運營成本較傳統路基增加了[X]萬元。綜合考慮能源消耗與經濟成本，有助于全面評估溫控系統的實際應用價值，為工程決策提供經濟層面的參考依據。5.2評估方法選擇為了全面、準確地評估高速公路管道式溫控凍土路基的溫控效果，本研究綜合運用對比分析和層次分析法等方法，對各項評估指標進行量化分析，以得出科學、客觀的評估結論。對比分析是評估溫控效果的基礎方法之一，通過對比采用管道式溫控系統前后路基的溫度變化、凍土上限波動、路基沉降變形等指標，直觀地展現溫控系統的作用效果。在共和至玉樹高速公路案例中，將采用管道式溫控系統的路段與相鄰未采用溫控系統的路段進行對比。在溫度方面，詳細對比不同深度處的溫度數據，計算溫度差值和降低幅度。如前文所述，在夏季高溫季節，采用溫控系統路段的路基表面下1.0米處平均溫度較未采用溫控系統路段降低了2.3℃，降低幅度達35.4%，通過這種對比，清晰地呈現出溫控系統在降低路基溫度方面的顯著效果。在凍土上限變化方面，對比兩個路段多年凍土上限的位置變化情況，發現采用溫控系統的路段凍土上限基本保持穩定，而未采用溫控系統的路段凍土上限出現了明顯下移，從而明確了溫控系統對保護多年凍土穩定性的重要作用。在路基沉降變形方面，對比兩個路段的沉降和水平位移監測數據，采用溫控系統的路段路基最大沉降量僅為5.2厘米，較未采用溫控系統路段減少了58.4%，最大水平位移為1.6厘米，減少了66.7%，有力地證明了溫控系統在提高路基穩定性方面的積極作用。層次分析法（AHP）是一種將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的決策方法。在評估高速公路管道式溫控凍土路基的溫控效果時，運用層次分析法可以綜合考慮多個評估指標的相對重要性，為評估提供更全面、科學的依據。首先，建立層次結構模型，將評估目標確定為高速公路管道式溫控凍土路基的溫控效果，準則層包括路基溫度變化、凍土上限波動、路基沉降變形以及能源消耗與經濟成本等評估指標，方案層則是不同的管道式溫控系統設計方案或運行工況。然后，通過專家打分或問卷調查等方式，確定各層次元素之間的相對重要性判斷矩陣。例如，邀請凍土工程領域的專家，對路基溫度變化、凍土上限波動、路基沉降變形以及能源消耗與經濟成本等準則層指標的相對重要性進行打分，構建判斷矩陣。根據判斷矩陣，計算各準則層指標的權重，權重反映了各指標在評估溫控效果中的相對重要性。假設通過計算得到路基溫度變化的權重為0.35，凍土上限波動的權重為0.30，路基沉降變形的權重為0.25，能源消耗與經濟成本的權重為0.10，這表明在評估溫控效果時，路基溫度變化和凍土上限波動相對更為重要。在確定各準則層指標的權重后，對不同方案的各指標進行量化評分。以共和至玉樹高速公路項目為例，對該項目采用的管道式溫控系統在路基溫度變化、凍土上限波動、路基沉降變形以及能源消耗與經濟成本等方面進行評分。假設在路基溫度變化方面，根據監測數據和分析，該系統的評分可達到8分（滿分10分）；在凍土上限波動方面，由于凍土上限基本保持穩定，評分可達到7分；在路基沉降變形方面，路基變形得到有效控制，評分可達到8分；在能源消耗與經濟成本方面，考慮到系統的建設和運營成本較高，評分可達到6分。最后，根據各指標的權重和評分，計算各方案的綜合評估得分。共和至玉樹高速公路項目采用的管道式溫控系統的綜合評估得分=0.35×8+0.30×7+0.25×8+0.10×6=7.5分。通過綜合評估得分，可以直觀地比較不同方案的優劣，為工程決策提供科學依據。如果有多個不同設計方案的管道式溫控系統進行對比評估，綜合評估得分高的方案在溫控效果和綜合性能方面更具優勢，更適合在實際工程中應用。5.3評估結果與討論通過運用對比分析和層次分析法對高速公路管道式溫控凍土路基的溫控效果進行評估，得到了全面且深入的評估結果，這些結果為進一步分析溫控系統的成效、不足及改進方向提供了有力依據。從評估結果來看，管道式溫控系統在保持路基穩定性和延緩凍土退化方面取得了顯著成效。在路基溫度控制方面，系統能夠根據不同季節的需求，有效地調節路基溫度。在夏季高溫季節，通過冷卻介質的循環流動，將路基中的熱量帶走，顯著降低了路基溫度，減緩了多年凍土的融化速度。共和至玉樹高速公路案例中，采用溫控系統路段的路基表面下1.0米處平均溫度在夏季較未采用溫控系統路段降低了2.3℃，降低幅度達35.4%，這表明溫控系統在夏季能夠有效地抑制熱量向路基內部傳遞，保護多年凍土不被過度融化。在冬季低溫季節，系統切換至加熱模式，提高路基溫度，防止土體過度凍結，減小凍脹力的產生，保障了路基在低溫環境下的結構完整性。在凍土上限控制方面，評估結果顯示，采用管道式溫控系統的路段，凍土上限基本保持穩定，未出現明顯下移。這說明溫控系統能夠有效地調節路基下部的溫度，阻止多年凍土上限的下降，對保護多年凍土的穩定性起到了關鍵作用。在共和至玉樹高速公路項目中，經過多年監測，采用溫控系統路段的多年凍土上限波動范圍在±0.1米以內，而未采用溫控系統路段的多年凍土上限出現了0.5-1.0米的下移，進一步驗證了溫控系統在保護凍土上限方面的有效性。路基沉降變形也得到了有效控制。通過對路基沉降和水平位移的長期監測，發現采用溫控系統的路段，路基的變形明顯小于未采用溫控系統的路段。共和至玉樹高速公路運營前5年，采用溫控系統路段的路基最大沉降量僅為5.2厘米，較未采用溫控系統路段減少了58.4%，最大水平位移為1.6厘米，減少了66.7%。這表明管道式溫控系統能夠顯著提高路基的穩定性，減少不均勻變形的發生，降低路面病害的風險，保障高速公路的安全運營。然而，評估結果也揭示了管道式溫控系統存在的一些不足。能源消耗與經濟成本較高是較為突出的問題。在能源消耗方面，循環動力裝置和加熱或制冷設備的持續運行需要消耗大量的電能或其他能源。共和至玉樹高速公路項目中，管道式溫控系統在夏季制冷模式下，單位面積路基的日平均能耗為[X]度，在冬季加熱模式下，單位面積路基的日平均能耗為[X]度，這使得運營成本顯著增加。在經濟成本方面，系統的建設成