探討青藏鐵路的熱棒工作原理

李慧

摘要：高考題目靈活多變，背景材料更多源自生產(chǎn)生活，2015年高考全國課標卷文科綜合地理37小題頗受議論。本文通過分析青藏鐵路所處地理環(huán)境的特殊性，結(jié)合工程、熱學(xué)原理，以高考試題為背景，從高中地理教學(xué)的角度出發(fā)，探討了如何利用地理學(xué)科知識認識、理解實際事例的思路、方法。

關(guān)鍵詞：青藏鐵路；凍土；熱棒

一、引言

青藏鐵路創(chuàng)造了世界鐵路海拔最高之最，工程中也面臨、攻克了多年凍土、生態(tài)脆弱、高寒缺氧等鐵路建設(shè)史上的諸多世界性難題，成為世界高原鐵路建設(shè)工程的技術(shù)和經(jīng)驗典范，尤其是“以橋代路”的工程方法和熱棒技術(shù)的應(yīng)用，不僅成功解決多年凍土對工程質(zhì)量與交通安全的影響，更為高原諸多動物留下了安全的遷徙通道。

青藏鐵路平均海拔在4500米以上，途經(jīng)終年氣溫很低、多年凍土層廣布的人類活動禁區(qū)，有的地方凍土層厚達20多米。凍土的表層一般在溫暖的季節(jié)會融化下降，而寒冷的季節(jié)，其表層則會再凍結(jié)上升，從而對鐵路路基的穩(wěn)定造成巨大的影響，也使得在凍土廣泛分布區(qū)修建鐵路成為世界性的不可能?？v觀整個青藏鐵路，其凍土地段長達550千米，占到鐵路總長的一半！因此工程建設(shè)中，如何保持凍土的相對穩(wěn)定性，最大程度減小凍土隨溫度變化漲縮對鐵路路基的影響是工程技術(shù)突破的焦點。

青藏鐵路破解多年凍土難題，可以總結(jié)為兩個因地制宜：一是在相對穩(wěn)定的凍土地段，因地制宜采用片石通風路基、片石護道、熱棒技術(shù)、鋪設(shè)保溫板等方法，保障路基通風，加快熱量散發(fā)，從而達到保持低溫和穩(wěn)定凍土的目的；二是在極不穩(wěn)定的凍土地段，因地制宜采用“以橋代路”的方法，把橋梁的四根樁基深入地下20米以上（即穿透多年凍土層），依靠橋墩與凍土之間的摩擦力來支撐橋梁路基的穩(wěn)固性，把凍土的消融和凍脹對路基的影響減小到幾乎為零。

二、高考解題思路分析

青藏鐵路的成功修建，不僅在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域引起巨大反響，同時也成為全社會各個領(lǐng)域討論關(guān)注的焦點，中學(xué)地理教育就敏銳地捕捉到了這一信息，并成功轉(zhuǎn)化為地理理論與實踐聯(lián)系的考查熱點。2015年高考全國課標卷文科綜合地理的37小題，不僅考查了考學(xué)生對地理基本理論原理的掌握程度，而且還圍繞熱棒工作原理，探索性建立了學(xué)科交叉的高考考查發(fā)展趨勢。

2015年高考全國課標卷文科綜合地理的37小題：

多年凍土分為上下兩層，上層為夏季融化，冬季凍結(jié)的活動層，下層為多年凍結(jié)層。我國的多年凍土分布主要分布于東北高緯度地區(qū)和青藏高原海拔地區(qū)。東北高緯地區(qū)多年凍土南界的年平均氣溫在- 1°- 1°，青藏高原多年凍土下界的年平均氣溫約為- 3.5°- 2°C。

由我國自行設(shè)計、建設(shè)的青藏鐵路格（爾木）拉（薩）段成功穿越了約550千米的連續(xù)多年凍土區(qū)，是全球目前穿越高原、高寒及多年凍土地區(qū)的最長鐵路。多年凍土的活動層反復(fù)凍融及冬季不完全凍結(jié)，會危機鐵路路基。青藏鐵路建設(shè)者創(chuàng)造性地提出了“主動降溫、冷卻路基、保護凍土”的新思路，采用了熱棒新技術(shù)等措施。圖8a（略去）示意青藏鐵路格拉段及沿線年平均氣溫的分布，其中西的灘至安多為連續(xù)多年凍土分布區(qū)。圖8b（略去）為青藏鐵路路基兩側(cè)的熱棒照片及其散熱工作原理示意圖。熱棒地上部分為冷凝段，地下部分為蒸發(fā)段，當冷凝段溫度低于蒸發(fā)段溫度時，蒸發(fā)段液態(tài)物質(zhì)汽化上升，在冷凝段冷卻成液態(tài)，回到蒸發(fā)段，循環(huán)反復(fù)。

考題的第一問和第二問，知識運用主要集中于地理學(xué)基本原理中，突出考查了學(xué)生對緯度與氣溫、海拔與氣溫、氣溫與凍土消融凍漲之間的關(guān)系，但第三問卻引發(fā)了比較廣泛的爭議，其中包含了建筑工程的粗淺原理和物理熱學(xué)的相關(guān)知識，使得總體得分率較低。其實只要仔細分析，就可以看出，題干中對熱棒的介紹已經(jīng)基本明確告訴了考生思考答題的方向，不難得出第三問的答題思路應(yīng)為：冬季氣溫低于地溫，熱棒蒸發(fā)段通過吸收凍土的熱量（物理熱學(xué)中的汽化吸熱原理，即液態(tài)物質(zhì)汽化上升，到達熱棒頂部時再液化放熱），從而達到傳導(dǎo)出凍土內(nèi)部熱量，保持凍土內(nèi)部穩(wěn)定性的目的；熱棒傾斜設(shè)置是為了使棒體能深入鐵軌正下方，重點保證鐵軌正下方的多年凍土始終保持低溫和穩(wěn)定。

三、熱棒的工作原理探析

低溫熱棒技術(shù)由中圣集團研制開發(fā)，是一種由碳素無縫鋼管制成的高效熱導(dǎo)裝置，內(nèi)部空心密閉裝有一些液氨，地下5米，地面2米，具有獨特的單向傳熱性能。其具體工作原理為：冬半年時，熱棒中的液體工質(zhì)通過吸收凍土中的熱量，汽化為成氣體，并在管內(nèi)壓差的驅(qū)動下，向上流動至熱棒上部遇冷液化為液體，放出熱量，并在重力作用下流回吸熱段再汽化。反過來講，通過這一循環(huán)反復(fù)的過程，就可以把大氣中的冷量源源不斷地傳輸?shù)降鼗鶅鐾林?。同時為保障熱棒有效放出熱量，在熱棒上部（放熱段）還裝配了散熱片。同時由于熱棒單向傳熱的特點，夏天大氣中的熱量是不會通過熱棒傳到凍土中的。

基于熱棒的單向?qū)幔ㄒ嗫煞Q之為導(dǎo)冷）作用，冬天在地下凍土層中就可以儲存大量冷量，在夏季緩慢受熱、溫度漸升的過程中，不致使凍土內(nèi)部的溫度上升到融化臨界點之上，形成穩(wěn)定堅固的“永凍層”，可有效防止凍土的消融凍結(jié)對鐵路、公路等路基所帶來的融陷危害。這一技術(shù)可廣泛推廣應(yīng)用于凍土地帶的鐵路、公路、橋梁、涵洞、隧道、固變電鐵塔等工程建設(shè)。

結(jié)束語：高考側(cè)重于考查理論在實踐的應(yīng)用，其背景材料更多源自生產(chǎn)生活，建議在教授課本基礎(chǔ)知識的同時，更要倡導(dǎo)在科普書刊、科普電視節(jié)目和實踐中開闊視野。讀萬卷書，行萬里路，多從身邊的實際事例思考，理論教學(xué)會更加有效。

參考文獻

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[2]徐嘯海.青藏鐵路環(huán)保監(jiān)理實踐的探討[J].中國鐵路，2004年01期