安徽淺層巖土體熱物性特征及其影響因素

陳學(xué)鋒，付文博，夏智先，杜雨彤

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽合肥 230001）

安徽淺層巖土體熱物性特征及其影響因素

陳學(xué)鋒，付文博，夏智先，杜雨彤

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽合肥 230001）

在安徽不同地質(zhì)條件區(qū)開展鉆探取樣和現(xiàn)場測試，對比分析了巖土體室內(nèi)和現(xiàn)場測試的熱導(dǎo)率結(jié)果，地層的熱導(dǎo)率會隨著固結(jié)程度的變好而增大，室內(nèi)與現(xiàn)場測試結(jié)果也具有較好的相關(guān)性，地下水動力條件、人類活動會對現(xiàn)場測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。同時針對地埋管型地源熱泵系統(tǒng)的不同設(shè)計階段，提出了獲取熱導(dǎo)率的方法建議，促進了合理開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源。

淺層地?zé)?；熱物性；測試；影響因素

0 概述

淺層地?zé)崮苁且环N綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源（中華人民共和國國土資源部，2009），具有分布廣、儲量大、清潔環(huán)保、易開發(fā)等特點，是我國提倡開發(fā)利用地?zé)崮艿囊环N。在開發(fā)利用中需要精細掌握地質(zhì)、水文地質(zhì)、巖土體熱物性等相關(guān)參數(shù)，安徽部分開發(fā)利用工程出現(xiàn)換熱效率降低、回灌量減少、涌砂等現(xiàn)象（陶慶法，2007；王秉忱，2008），嚴重的直接導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)無法正常運行，造成較大的經(jīng)濟損失。

地埋管型地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中最重要的參數(shù)是巖土體熱物性參數(shù)，此參數(shù)可通過取樣室內(nèi)測試和現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗獲取，兩種方法各有優(yōu)缺點，得出的結(jié)果不盡相同（中華人民共和國建設(shè)部，2009；汪集旸，2005）。深入對比安徽不同地質(zhì)、水文地質(zhì)條件區(qū)的測試數(shù)據(jù)，總結(jié)其熱物性特征，分析其影響因素，對今后的淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地層巖性、結(jié)構(gòu)劃分

安徽地層跨華北、華南兩個地層大區(qū)，分屬三個地層區(qū)和五個地層分區(qū)，地層巖性、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1987）。結(jié)合淺層地?zé)崮苜x存條件及開發(fā)利用特點將地層巖性劃分為松散巖類（Q+N）、半固結(jié)（E+K）及固結(jié)巖類（除Q+N、E+K外的巖石）三種類型（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，2013）。

中心城市規(guī)劃區(qū)淺層地?zé)崮苤饕x存于200m以淺巖土體中，按地層結(jié)構(gòu)有單一結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)兩類，其中雙層結(jié)構(gòu)為上覆松散層、下伏半固結(jié)巖類及固結(jié)巖類地層。

松散巖類地層主要分布于淮河以北平原及蕪湖、合肥市等城市規(guī)劃區(qū)；半固結(jié)巖類地層主要分布于江淮之間波狀平原以及合肥、六安、滁州及宣城市等城市規(guī)劃區(qū)，黃山、淮南及馬鞍山市局部地區(qū)；固結(jié)巖類地層主要分布于沿江、江南丘陵地區(qū)以及平原局部地區(qū)。

松散巖類地區(qū)發(fā)育有淺、深層松散巖類孔隙水，半固結(jié)巖類地區(qū)地下水較貧乏，固結(jié)巖類地區(qū)地下水貧富不均。

2 測試方法

室內(nèi)測試是對單個巖土樣品導(dǎo)熱能力的測試，其主要特點是樣品已脫離了巖土體的天然環(huán)境，尤其水文地質(zhì)條件的影響在室內(nèi)測試中難以體現(xiàn)，同時砂性土原狀樣品難以采取；同一巖土體有無地下水參與，其熱物性特征是不同的。巖土樣室內(nèi)測試結(jié)果是一項基礎(chǔ)性工作（韓再生，2007），對不同巖性的巖土熱物性對比分析具有重要意義。

通過鉆探全孔取芯，采取代表性巖土樣品，送中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所進行室內(nèi)測試，采用熱針法（瞬態(tài)熱流法的一種）測定無限大均勻介質(zhì)中線熱源處的溫度上升率來確定介質(zhì)的熱導(dǎo)率。熱針法溫升不大，在短時間內(nèi)即可完成一次測試，樣品中水分不致發(fā)生明顯的遷移，測試值能較真實地反映實際情況。

現(xiàn)場熱響應(yīng)測試是對孔內(nèi)綜合環(huán)境的測試，是整個孔的平均值，地下水的活動在現(xiàn)場試驗中對地層換熱能力會產(chǎn)生一定的影響，所測試結(jié)果更接近工程實際運行條件，具有工程應(yīng)用的實際意義（王秉忱，2008）。

通過在鉆孔中安裝雙U型HDPE管、回填、靜置恢復(fù)，完成地埋管的準備，采用我站的淺層地?zé)崮軠y試儀先后對其進行大小兩功率的穩(wěn)定熱流測試，根 據(jù) Carslaw、Jaeger（1947） 和 Ingersoll（1948，1954）的圓柱熱源理論模型結(jié)合參數(shù)估計法來計算巖土體現(xiàn)場熱導(dǎo)率。

3 測試結(jié)果分析

先將現(xiàn)場測試結(jié)果按松散巖類、半固結(jié)及固結(jié)巖類進行分類統(tǒng)計分析，然后與室內(nèi)測試結(jié)果進行對比。

3.1 松散巖類

將以松散巖類為主的測試孔現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)列于表1，對比得到圖1。

粘性土所占比例較高的地區(qū)現(xiàn)場熱導(dǎo)率較小，固結(jié)地層比例高的地區(qū)現(xiàn)場熱導(dǎo)率大；地下水的流動加強了換熱效果，如QS01孔位于地下水開采區(qū)，測得的現(xiàn)場熱導(dǎo)率較大，在同等地層結(jié)構(gòu)情況下，地下水流速大的地區(qū)現(xiàn)場熱導(dǎo)率大。這也準確地反映地質(zhì)、水文地質(zhì)條件與地層的換熱效果息息相關(guān)，現(xiàn)場熱導(dǎo)率是對這一綜合作用的集中體現(xiàn)，不同地質(zhì)背景條件會出現(xiàn)不同的測試結(jié)果。

3.2 半固結(jié)巖類

將以半固結(jié)巖類為主的測試孔現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)列于表2，對比得到圖2。

粘性土所占比例較高的地區(qū)現(xiàn)場熱導(dǎo)率較小，半固結(jié)地層比例高的地區(qū)現(xiàn)場熱導(dǎo)率大；QHn01孔位于山前，地下水參與換熱較多，測得的現(xiàn)場熱導(dǎo)率較大。地層結(jié)構(gòu)、地下水的參與換熱對現(xiàn)場熱導(dǎo)率的影響與松散巖類類似。

表1 松散巖類現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗成果表Tab.1 Test results of spot thermal response of loosened rocks

圖1 熱導(dǎo)率與地層結(jié)構(gòu)對照圖Fig.1 Thermal conductivity vs stratigraphic structure

3.3 固結(jié)巖類

將以固結(jié)巖類為主的測試孔現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)列于表3，對比得到圖3。

粘性土所占比例較高的地區(qū)現(xiàn)場熱導(dǎo)率稍小，堅硬花崗巖地層的現(xiàn)場熱導(dǎo)率大，如QB02孔。由于固結(jié)巖類地區(qū)地下水貧乏，地下水活動對現(xiàn)場測試結(jié)果的影響較小，此時地層巖性本身的導(dǎo)熱性能直接影響到現(xiàn)場測試結(jié)果，即熱導(dǎo)率大的巖性現(xiàn)場測出的熱導(dǎo)率也偏大，反之亦然，客觀地反映了地層巖性與地層的換熱效果存在緊密聯(lián)系。

表2 半固結(jié)巖類現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗成果表Tab.2 Test results of spot thermal response of semiconsolidated rocks

圖2 熱導(dǎo)率與地層結(jié)構(gòu)對照圖Fig.2 Thermal conductivity vs stratigraphic structure

表3 固結(jié)巖類現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗成果表Tab.3 Test results of spot thermal response of consolidated rocks

圖3 熱導(dǎo)率與地層結(jié)構(gòu)對照圖Fig.2 Thermal conductivity vs stratigraphic structure

3.4 對比分析

不同固結(jié)程度巖類的室內(nèi)測試結(jié)果見表4，同一巖性，時代越老，固結(jié)程度越好，熱傳導(dǎo)能力越強，室內(nèi)熱導(dǎo)率越大，現(xiàn)場測試熱導(dǎo)率也越大，粉細砂（巖）室內(nèi)與現(xiàn)場測試熱導(dǎo)率對比見圖4。

表4 三類巖地區(qū)測試結(jié)果對照表Tab.4 Comparison of indoor and spot test results of three types of rocks

圖4 砂(巖)室內(nèi)與現(xiàn)場測試熱導(dǎo)率對比圖Fig.4 Comparison of thermal conductivity of sand (rock)tested indoors and in situ

室內(nèi)與現(xiàn)場測試熱導(dǎo)率表現(xiàn)出很好的一致性，說明地層巖性對測試結(jié)果具有決定性的影響，是所有測試結(jié)果的根本所在，同比現(xiàn)場測試結(jié)果大于室內(nèi)測試。

為分析地層結(jié)構(gòu)對測試結(jié)果的影響，將各測試孔按地層厚度求出不同巖性的權(quán)值，乘上各巖性對應(yīng)的室內(nèi)熱導(dǎo)率，相加后得到室內(nèi)加權(quán)平均熱導(dǎo)率，計算結(jié)果見表5。

將各測試孔室內(nèi)與現(xiàn)場測試結(jié)果繪制成圖5，兩者具有較好相關(guān)性，尤其是半固結(jié)單層、固結(jié)單層結(jié)構(gòu)的一致性更好，松散單層結(jié)構(gòu)的兩種測試結(jié)果基本一致，現(xiàn)場測試結(jié)果有一定的波動。分析其原因，松散巖類地區(qū)的地下水徑流條件較好，地下水參與換熱，導(dǎo)致現(xiàn)場測試結(jié)果較室內(nèi)偏大；在半固結(jié)、固結(jié)地層區(qū)地下水徑流條件較差，地下水對測試結(jié)果影響小，體現(xiàn)在現(xiàn)場測試結(jié)果與室內(nèi)保持較好的一致性。

表5 室內(nèi)平均熱導(dǎo)率與現(xiàn)場測試結(jié)果對比表Tab.5 Comparison of indoor thermal conductivity in average and spot test result

圖5 現(xiàn)場與室內(nèi)測試熱導(dǎo)率對比圖Fig.5 Comparison of thermal conductivity tested in situ and indoors

4 結(jié)論

（1）安徽淺部地層隨著固結(jié)程度的變好，室內(nèi)與現(xiàn)場測試的熱導(dǎo)率也隨之增大，熱傳導(dǎo)能力變強。

（2）室內(nèi)平均熱導(dǎo)率與現(xiàn)場測試結(jié)果有較好的相關(guān)性，尤其半固結(jié)巖類單一結(jié)構(gòu)與固結(jié)巖類單一結(jié)構(gòu)一致性更好。

（3）宿州、淮北等地的地下水徑流條件較好，在地下水開采、采礦等人類活動的影響下，加快了地下水的流動，增強了地層的換熱效果，使現(xiàn)場測試的熱導(dǎo)率較大。

（4）地層巖性、固結(jié)程度、樣品采集決定了室內(nèi)測試的結(jié)果，而現(xiàn)場測試的熱導(dǎo)率是在地層巖性、結(jié)構(gòu)、固結(jié)程度、地下水動力條件、人類活動的綜合作用下的結(jié)果。

（5）兩種測試結(jié)果均能真實地反應(yīng)地層的換熱能力。在開發(fā)利用初期可采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)和本次測試結(jié)果進行熱導(dǎo)率估算，開發(fā)利用后期則必須采用現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行計算。

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Thermal Properties and Their Inf l uence Factors of the Shallow Rock-soil
Mass in Anhui Province

CHEN Xuefeng, FU Wenbo, XIA Zhixian, DU Yutong

(Geo-environment Monitoring Station of Anhui Province, Hefei 230001)

Drill core sampling and spot test were performed in areas of different geological conditions in Anhui Province. Comparative analysis was made indoors and in situ for thermal conductivity of rock or soil mass. The results indicate that thermal conductivity of stratum increases with its bettering consolidation, indoor and spot test results are well correlated, dynamic conditions of groundwater and human activities have effect on spot test result. Methods and suggestions for obtaining thermal conductivity were given for different design stages of buried pipeline-type ground-source heat pump system to promote reasonable development and utilization of the shallow geothermal energy.

Shallow geothermal energy; Thermal property; Test; Inf l uence factor

A

1007-1903（2017）03-0076-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.013

陳學(xué)鋒（1976— ），男，碩士，高工，主要從事水工環(huán)、地?zé)岬刭|(zhì)基礎(chǔ)及研究工作。E-mail:chenxuefeng02@163.com