熱棒在多年凍土中的應用

熱棒在多年凍土中的應用

1熱棒技術(shù)的應用熱棒是一種通過液體和蒸汽相對流和循環(huán)的熱傳輸裝置。由于它是利用潛熱進行熱傳輸，故其效率極高，是一般對流換熱效率的40倍以上。熱棒實際上是一種無需外動力的制冷裝置，其優(yōu)點是無需外加動力，無運動部件、無噪聲干擾、無需日常維修養(yǎng)護，是真正的環(huán)保型產(chǎn)品。所以，熱棒已廣泛用于多年凍土區(qū)土木工程中。在寒季，用熱棒采集大氣中的冷量，傳輸在地基中，冷凍地基多年凍土，提高多年凍土地基的穩(wěn)定性。國外用熱棒冷凍地基的成功經(jīng)驗很多。例如在美國阿拉斯加輸油管支架基礎(chǔ)中，曾采用112000根熱棒來冷凍支架地基；在加舒大哈德遜灣多年凍土區(qū)鐵路上，曾用熱棒冷凍4公里鐵路路基，以防止熱融下沉，提高路基穩(wěn)定性，收到良好的效果。目前，熱棒正在鐵路工程、公路工程、房屋工程、飛機跑道、通訊輸電線塔、水塔、港口工程、輸油管道工程等多種土木工程得到了廣泛應用。我國熱棒技術(shù)于20世紀80年代研究成功，并應用于青藏公路多年凍土區(qū)涵洞基礎(chǔ)工程中，用以防止多年凍土融化，減少涵洞凍脹變形。經(jīng)4a觀測，效果明顯。涵洞下多年凍土上限上升0.5m，凍脹和融沉變形消失。獲得了滿意的效果。青藏鐵路沿線多年凍土全段長550km，其中融區(qū)約90km，實際通過多年凍土地段460km。年平均地溫高于-1℃的地段約310km。這種多年凍土屬不穩(wěn)定多年凍土，熱穩(wěn)定差。一旦受到外界熱干擾，溫度狀況很難恢復，有的地段甚至永遠不能恢復。用熱棒來冷凍這些地段的地基，可以防止上述現(xiàn)象產(chǎn)生，確保地基基礎(chǔ)穩(wěn)定。2液氨熱棒的使用目的和特點迄今為止，熱棒是無源冷卻系統(tǒng)中熱量傳輸效率最高的一種裝置。熱棒由密閉真空腔體注入低沸點工質(zhì)而構(gòu)成。熱棒一般是以無水液氨做工作介質(zhì)的重力熱管(見圖1)。管的下端為蒸發(fā)段(吸熱段)，上端為冷凝段(放熱段)，根據(jù)實際工程要求，在二段中間可布置絕熱段，制造時管內(nèi)抽真空并充入適量的液氨后密封，使用時熱量從熱源通過吸熱段管壁傳給液氨，液氨在蒸發(fā)段內(nèi)蒸發(fā)，蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段，并在冷凝段內(nèi)凝結(jié)，熱量通過放熱段管壁傳給冷源，冷凝段凝結(jié)的液氨靠重力返回吸熱段。通過以上循環(huán)，熱源熱量源源不斷的流向冷源。由于管內(nèi)液氨需靠重力循環(huán)，所以該元件使用時只能是熱源在下端、冷源在上端，即傳熱具有單向性，不可逆向傳熱。在寒季，由于空氣溫度低于多年凍土的溫度，蒸發(fā)器中液體工質(zhì)吸收多年凍土中的熱量而蒸發(fā)，蒸汽在管內(nèi)壓差的驅(qū)動下沿熱棒中心通道向上流動至冷凝器，與相對溫度較低的冷凝器管壁接觸后放出汽化潛熱冷凝成液體，液體工質(zhì)在重力作用下沿管壁流回蒸發(fā)器再蒸發(fā)，如此循環(huán)即將多年凍土中的熱量源源不斷地傳到大氣中。在暖季，由于空氣溫度高于多年凍土溫度，熱棒中的液體工質(zhì)蒸發(fā)后形成的蒸汽到達冷凝器后不能冷凝(汽液兩相達到平衡)，液體停止蒸發(fā)，熱棒停止工作，因此大氣中的熱量不能通過熱棒傳至凍土中，從而保持凍土良好的凍結(jié)狀態(tài)(見圖2)。熱棒具有下列特點：(1)導熱性好，當量導熱系數(shù)高達純銀的數(shù)千倍；(2)傳熱溫差小，熱棒的蒸發(fā)器與冷凝器僅有0.1～0.5℃溫差時，即可啟動工作；(3)傳熱能力大，直徑φ83×5液氨熱棒在零下5℃時，傳熱能力可達6.0kW；(4)適用溫度范圍廣，在-60～+60℃可有效工作；(5)單向傳熱，熱量僅能從下端傳向上端，反向不傳熱；(6)使用壽命長，熱棒經(jīng)嚴格工藝處理，可靠工作壽命不低于30a。每一支熱棒都是一個獨立傳熱單元，工作可靠。群棒作用時，工作效率更高。3試驗點的地質(zhì)結(jié)構(gòu)熱棒埋設(shè)于1976年竣工的風火山試驗路基上，試驗段平均填土高度1.05m。3.1試驗路基的分布風火山試驗路基位于位于青藏高原風火山北麓、青藏公路3069km左側(cè)。試驗路基部分橫跨風火山一條山谷，部分位于風火山山坡上，路基走向大體呈西北向，大致與青藏公路平行。該處山谷寬約15m，深約5m，山坡坡度約為20°，植被發(fā)育，植被覆蓋率為80%，植被厚約5～10cm。3.2材料1.8細根據(jù)鉆孔資料，試驗路基所處地段地層巖性自上而下主要為：砂粘土(Q4P12)：黃褐色，呈軟塑～硬塑狀，厚度約為0.4～1.0m。粘土：紅褐色，融化后呈硬塑狀，粘土呈層狀構(gòu)造，孔隙發(fā)育，夾雜少量未風化泥巖碎塊。厚度約為0.7～1.7m。泥巖(N2)：紅褐色，巖石呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體中有裂隙、孔隙發(fā)育，風化程度不一，基本完全風化。4熱棒的規(guī)格和現(xiàn)場鋪設(shè)4.1熱棒冷卻段長度風火山試驗路基所采用熱棒的規(guī)格為：熱棒外徑83mm；熱棒總長度12m；其中熱棒蒸發(fā)段長度：6m；熱棒冷凝段長度3m；絕熱段長度3m；熱棒散熱段有效長度2.8m；散熱片高度0.025m，散熱片厚度0.0015m，散熱片間距0.01m，散熱片采用開花鋸齒型翅片。4.2地溫觀測系統(tǒng)此次共埋設(shè)試驗熱棒6根，在風火山試驗路基上和路基旁天然地面分別埋設(shè)5根和1根熱棒，并布設(shè)10個測溫孔。2003年2月17日正式開始埋設(shè)，先鉆設(shè)測溫孔，測溫孔深度為8.5m。2月25日開始埋設(shè)熱棒，熱棒埋入路基面(或天然地面)以下8.0m，外露4.0m。2003年3月2日埋設(shè)完成(見圖3)。地溫觀測采用熱電偶，測溫元件布設(shè)原則為每根熱棒側(cè)壁布設(shè)一組熱電偶。在路肩上選一根熱棒，距其中心30,80,130,180和230cm距離布設(shè)5個測溫孔；天然地面熱棒附近距熱棒中心30,80,130,180和500cm布設(shè)5個測溫孔。共埋設(shè)測溫元件22組。地溫觀測工作于2003年2月28日陸續(xù)開始。測試頻率為熱棒埋設(shè)完成后的半個月內(nèi)每天觀測一次，以后則5天觀測一次。5測量效果分析5.1熱棒蒸發(fā)段土體的溫度變化規(guī)律熱棒側(cè)壁的地溫數(shù)據(jù)反映了熱棒的工作狀態(tài)。圖4、圖5是風火山試驗路基和天然地面熱棒側(cè)壁地溫隨深度的變化曲線。從圖4、圖5熱棒側(cè)壁地溫隨深度的變化曲線可以看出：(1)熱棒埋設(shè)完成的初期，熱棒蒸發(fā)段周圍土體的溫度處在變化過程中，地溫曲線有波動的情況；隨著時間的延長，熱棒蒸發(fā)段周圍土體的溫度基本接近，說明熱棒工作是正常的。(2)從2003年4月20日的地溫曲線可以看出，路基面(或天然地面)下熱棒蒸發(fā)段(側(cè)壁)3～8m溫度的最大差值在0.92℃～1.28℃之間，而天然地面孔(距離熱棒5.0m)天然地面下3～8m土體溫度的最大差值為1.75℃，說明熱棒蒸發(fā)段土體的溫度得到了調(diào)整。(3)隨著時間從寒季向暖季發(fā)展，大氣日平均溫度升高，熱棒蒸發(fā)段工作溫度逐漸升高。5.2熱棒的溫度分布由于熱棒蒸發(fā)段周圍溫度場的分布是軸對稱的，因此，將熱棒周圍各測溫孔路基面(或天然地面)下3.0～8.0m深度的溫度平均計算，以分析熱棒降低周圍土體溫度的效果及傳熱影響范圍。圖6、圖7是天然地面和試驗路基距熱棒不同距離的測溫孔3.0～8.0m的日平均溫度隨時間的變化曲線。從圖6和圖7可以看出：(1)在觀測期內(nèi)熱棒的傳熱影響范圍隨時間的延長而擴大。(2)熱棒蒸發(fā)段的日平均溫度隨大氣平均溫度的升高而升高；而熱棒周圍凍土的日平均溫度隨時間的延長而降低。(3)熱棒周圍凍土的溫度隨距熱棒距離的增加而升高，且其溫度梯度隨時間的延長而減小。這是由土的熱物理性質(zhì)和熱棒蒸發(fā)段的溫度特性所決定的。6降低基底土壤溫，確保路基穩(wěn)定從