西伯利亞典型土壩熱虹吸管內(nèi)對(duì)流特性分析

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長(zhǎng)雷，李卉玉，于淼，趙偉靜 譯

(1.俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國(guó) 雅庫(kù)茨克 677010；2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.黑龍江大學(xué)中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080；5.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

對(duì)雅庫(kù)特中部自然凍結(jié)土壩的熱態(tài)動(dòng)力學(xué)的研究，不僅揭示了處于穩(wěn)定狀態(tài)下低水頭土壩的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)確定了用于流域灌溉的低水頭土壩具有季節(jié)性凍融的特點(diǎn)[1-3]。本文對(duì)薩哈(雅庫(kù)特)共和國(guó)典型土壩中熱虹吸管內(nèi)的對(duì)流特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。

在多年凍土地區(qū)，土壩的抗?jié)B性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受溫度影響較大。通過(guò)對(duì)低水頭土壩的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土壩不僅缺乏長(zhǎng)期可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，而且現(xiàn)有的數(shù)據(jù)顯示，在運(yùn)行過(guò)程中地下熱狀態(tài)參數(shù)不斷改變，導(dǎo)致土壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與建成之初相比有很大不同[4]。

在沒(méi)有水庫(kù)的情況下，土壩表面頻繁地進(jìn)行熱交換，因此具有相當(dāng)大的溫度梯度(冬季為10 ℃/m，夏季為20 ℃/m)和濕度梯度(10 %/m)，且溫度的波幅為50 ℃，另外在冬季和夏季均存在水分再分配過(guò)程。

由于實(shí)際需要，在雅庫(kù)特其他地區(qū)的土壩運(yùn)行過(guò)程中，有必要觀察土壩的熱態(tài)形成情況，這項(xiàng)研究需要通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。這個(gè)課題十分復(fù)雜，因?yàn)殡S著自然凍結(jié)季節(jié)制冷系統(tǒng)的應(yīng)用，形成了凍土防水芯，制造了更多的防凍型土壤。通過(guò)對(duì)土壩的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)熱物理模型可以充分體現(xiàn)土壩運(yùn)行的自然過(guò)程。地下水動(dòng)力學(xué)和物理力學(xué)研究了夏季液體熱虹吸管的對(duì)流特性，確定了季節(jié)性制冷系統(tǒng)裝置的最佳埋深。

1 熱虹吸管實(shí)際應(yīng)用

熱虹吸管使用煤油作為制冷劑，依靠液體的特性來(lái)改變其密度。液體的密度與溫度有關(guān)。溫度越低，密度就越大。這就使得冷卻的液體因密度變大而下沉，占據(jù)未冷卻的較熱而密度小的液體空間，進(jìn)而迫使其上升。這樣，液體密度梯度的改變就形成了對(duì)流。

Buchko和Turchina在1978年提出了一種觀點(diǎn)，認(rèn)為土壤凍融期的熱虹吸管對(duì)流現(xiàn)象在夏季和冬季都會(huì)發(fā)生[5]。然而，文獻(xiàn)資料中沒(méi)有能夠支撐這個(gè)觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

于是他們決定，在自然環(huán)境中運(yùn)行的建筑物中監(jiān)測(cè)夏季對(duì)流現(xiàn)象是否存在。在雅庫(kù)茨克市的凍土研究所地區(qū)，有使用煤油熱虹吸管來(lái)維持堤防和地基的凍結(jié)狀態(tài)的土石壩。他們就是利用這些熱虹吸管來(lái)進(jìn)行觀測(cè)的。

試驗(yàn)土壩長(zhǎng)220 m，高2 m，頂寬4 m，坡角1∶1.5。填方材料為含不同粒徑的砂石。土壩試驗(yàn)段的長(zhǎng)度為21 m，壩體表面覆蓋厚度為6 cm的PCV-1級(jí)塑料泡沫。

壩基下方的11.5 m深處，在其左右兩側(cè)均發(fā)現(xiàn)了大量冰凍的灰色砂石。砂體上覆有含腐殖質(zhì)殘留物的沉積物，深度為3.3 m。沉積物被塑性冷凍，具有水平分層的低溫結(jié)構(gòu)。砂粒含水率為28%，而黏土含水率為36%～48%，密度為1.98 g/cm3。在大壩的中心1.6 m深的地下，地基土由棕色、黑色、藍(lán)灰色和綠灰色淤泥組成。其含水率為0.43，容重為1.8 g/cm3。地表以下1.6～4.1 m的深度范圍內(nèi)出現(xiàn)含有植物殘?jiān)陌祷疑酿ね?，其中水分的含量?.36～0.48。這些黏土被塑性冷凍后，體積重量從1.76 g/cm3變化到2.0 g/cm3。

厚度為300 m的永久凍土層不斷擴(kuò)展，鉆井資料表明，多年凍土層位于地表以下45 cm深處，溫度為-2.6 ℃，8月底縱向安裝了37個(gè)熱虹吸管，9月初就凍結(jié)了大壩的堤壩和地基土壤，其中6個(gè)是蒸氣—液體的(充滿氟利昂-22和氟利昂-17)，其余的則裝有煤油TS-1。

熱虹吸管的深度為7.5～10.3 m，間距為3 m。以煤油作為制冷劑的熱虹吸管有以下特點(diǎn)：地表以下熱交換器包括直徑為159 mm的外管和直徑為85 mm的內(nèi)管；地表以上熱交換器直徑為219 mm，高1.3 m。

2 夏季對(duì)熱虹吸管內(nèi)對(duì)流特性參數(shù)監(jiān)測(cè)與分析

在夏季，通過(guò)在同一土壤中觀察兩組相同的熱虹吸管N3和N4，檢測(cè)熱虹吸管中是否存在對(duì)流。分別在兩組熱虹吸管的地表以下1.5 m處、熱虹吸管底部、地表以上熱交換器的頂部和底部4處安裝了溫度傳感器(圖1)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)熱虹吸管所處的環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)在6月開(kāi)始，于10月結(jié)束(圖2)。在實(shí)驗(yàn)之前，同時(shí)對(duì)N3號(hào)和N4號(hào)兩個(gè)熱虹吸管進(jìn)行了溫度測(cè)量，然后從N3號(hào)熱虹吸管的地下熱交換器中倒出煤油。此后在不同的天氣條件下對(duì)制冷劑溫度進(jìn)行一系列的日常測(cè)量。因此，沿著熱虹吸管的溫度傳感器反饋的溫度值，間接地進(jìn)行了對(duì)流監(jiān)測(cè)。N3號(hào)和N4號(hào)熱虹吸管溫度偏差證實(shí)熱虹吸管中存在對(duì)流現(xiàn)象。

圖1 N3號(hào)和N4號(hào)熱虹吸管剖面圖

夏季進(jìn)行的第一次監(jiān)測(cè)是從6月20日到22日。觀測(cè)結(jié)果表明，在低溫條件下，N3號(hào)和N4號(hào)熱虹吸管底部的溫度保持不變(圖3)。

制冷劑其他一系列對(duì)于溫度的監(jiān)測(cè)是在9月19日至21日期間進(jìn)行的，夜間最低溫度達(dá)到-5 ℃。從記錄的溫度上可以清楚地看到，N4熱虹吸管中制冷劑的溫度范圍在-1.3～0.6 ℃，而在同一深度，N3號(hào)熱虹吸管的制冷劑溫度穩(wěn)定在-0.8 ℃(圖4)。

圖2 1984年6月至10月環(huán)境與制冷劑的溫度動(dòng)態(tài)

圖3 穩(wěn)定的高溫時(shí)期N3號(hào)和N4號(hào)熱虹吸管中環(huán)境與制冷劑溫度動(dòng)態(tài)

圖4 夜間溫度低于0 ℃時(shí)，N3號(hào)和N4號(hào)熱虹吸管中環(huán)境溫度與制冷劑溫度動(dòng)態(tài)

分析表明，8 m深處的制冷劑溫度隨著周圍環(huán)境的散熱而平穩(wěn)變化，當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生對(duì)流。

因此，自然觀測(cè)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)的精度范圍內(nèi)，夏季在季節(jié)性融化層以下，熱虹吸管中沒(méi)有對(duì)流[6]。

3 結(jié) 論

熱虹吸管使用煤油為制冷劑，依靠液體的溫度變化來(lái)改變其密度。溫度越低，密度就越大，由于密度梯度的改變而形成對(duì)流。通過(guò)對(duì)熱虹吸管內(nèi)的制冷劑進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明熱虹吸管溫度存在偏差，證實(shí)熱虹吸管中存在對(duì)流。但是在溫度低于0 ℃時(shí)熱虹吸管中才開(kāi)始產(chǎn)生對(duì)流，夏季時(shí)在季節(jié)性融化層以下，熱虹吸管中沒(méi)有對(duì)流。

在寒區(qū)，壩體內(nèi)部制冷劑溫度較高，因密度小而上升，帶走壩體內(nèi)部熱量；壩體外溫度較低的制冷劑因密度較大而下沉，可降低壩體溫度，周而復(fù)始，可使壩體凍結(jié)更加牢固，進(jìn)而提高壩體穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Чжан Р В. Температурный режим низконапорных земляных плотин для лиманного орошения в условиях Центральной Якутии[C]//Труды координационных совещаний по гидротехнике. Ленинград:1975.

[2] Чжан Р В. Прогноз термического режима низконапорных плотин при естественном промерзании[C]//Проектирование плотин для оросительных мелиораций в Центральной Якутии. Якутск: Якуткнигоиздат, 1976.

[3] Чжан Р В. Исследование теплового режима низконапорных земляных плотин лиманного орошения в условиях Центральной Якутии[D]. Москва:1977.

[4] Чжан Р В. Водно-тепловой режим земляных плотин лиманного назначения[C]//Труды ЯНИИСХ СО ВАСХНИЛ. Якутск：1972.

[5] Бучко Н А, Турчина В А. Искусственное замораживание грунтов. Обзор[M]. Информэнерго, 1978.

[6] Чжан Р В. Особенности деформаций земляных плотин и водосбросных сооружений низкого напора в условиях вечной мерзлоты[J].Криосфера Земли. 1997,4: 66-71.

Abstract：The convection in the thermosyphon in the earth dam has a positive effect on maintaining its stability, while the study of the stability of the low-head earth dam in the cold region has an important impact on the irrigation system and is of great significance to the development of the national agricultural economy.Under the same geological conditions, the temperature of the refrigerant inside the thermosyphon in different environments was monitored, it is pointed out that temperature sensors are installed at the bottom of the thermosyphon at the bottom of the thermosyphon and at the top and bottom of the heat exchangers above the surface at 1.5 m below the surface of N3 and N4 respectively under the same environmental conditions.The temperature of the refrigerant in the siphon is monitored. The experimental data show that there is a deviation in the temperature of the two thermosyphons and the convection exists in the thermosyphon.However, the convection in the thermosyphon begins to occur only when the temperature is below 0 ℃, and no convection occurs in the thermosyphon in the summer below the seasonal melting layer.

Keywords：thermal siphon; convection; temperature; earth dam; cold region; Siberia