機(jī)械式制冷熱管對多年凍土的制冷效果研究

趙永虎，崔 雍，米維軍，韓龍武，熊治文

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；2.中鐵科學(xué)研究院有限公司，成都 610032)

路基防護(hù)技術(shù)是多年凍土區(qū)鐵路、公路等重大工程建設(shè)的重要研究方面，隨著共玉高速公路、青藏高速公路那(區(qū))拉(薩)段、省道308線公路等項目的快速實施，研發(fā)高效、綠色、環(huán)保、主動防護(hù)多年凍土熱穩(wěn)定技術(shù)成為研究的熱點和難點。應(yīng)用于青藏鐵路、青藏公路路基防護(hù)技術(shù)主要有重力式熱管(以下簡稱“熱管”)、通風(fēng)管、碎石護(hù)坡、遮陽板、旱橋等，由于其具有“主動降溫、冷卻地基”等特性，對解決多年凍土區(qū)路基病害、保持路基穩(wěn)定起到了重要作用[1，2]。熱管因傳熱能力大、使用壽命長而廣泛應(yīng)用于多年凍土區(qū)鐵路、公路、隧道進(jìn)出口、輸電線路塔基等路基和基礎(chǔ)的冷卻防護(hù)中，僅在青藏鐵路格拉段采用熱管防護(hù)路基的長度達(dá)32 km[3]。劉錕等研究了熱管在多年凍土區(qū)隧道洞口淺埋段的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)熱管群可以顯著降低隧道洞口圍巖溫度，提高了圍巖強度，可以有效解決凍土區(qū)隧道圍巖的凍融破壞問題[4]。李永強等研究了管徑大小、蒸發(fā)段長度、埋設(shè)方式等因素對熱管產(chǎn)冷量及降溫效果的影響[5]。溫智等分析了保溫板-熱管組合式結(jié)構(gòu)對多年凍土路基的冷卻效果，發(fā)現(xiàn)組合式結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，能夠更好地保護(hù)多年凍土[6]。樊凱等對發(fā)卡式熱管-隔熱層復(fù)合路基的作用機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計等進(jìn)行了研究，并首次提出了發(fā)卡式熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工工藝[7]。馮振剛采用室內(nèi)模擬試驗對甲醇、甲苯、水等不同工質(zhì)的熱管對瀝青混合料車轍試驗試件降溫效果進(jìn)行了研究，并采用數(shù)值仿真分析了不同工質(zhì)熱管對瀝青路面的降溫機(jī)理[8]。劉偉博等對熱管在多年凍土區(qū)機(jī)場跑道中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)[9]。汪雙杰等基于能量平衡理論，從時間和空間維度對多年凍土區(qū)公路工程熱管路基的能量調(diào)節(jié)過程及其效果進(jìn)行了分析[10]。侯彥東等對青藏鐵路高溫凍土區(qū)普通路基和碎石護(hù)坡-熱管復(fù)合補強措施的路基溫度場的變化特征進(jìn)行了研究[11]。徐安花[12]、房建宏等[13]采用數(shù)值仿真技術(shù)，對214線共和—玉樹高速公路普通路基、熱管路基和熱管保溫板復(fù)合結(jié)構(gòu)路基在全球氣候變暖背景條件下的地溫場特征進(jìn)行了研究。梁恒祥等[14]對半導(dǎo)體熱管的可行性進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究。曹彥國等[15]對熱管技術(shù)和地源熱泵技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于寒區(qū)隧道凍害防治進(jìn)行了探索研究。

然而由于熱管特殊的工作原理和工作條件，只能在寒季將地基內(nèi)的熱量傳出地表，但在需要制冷的暖季幾乎停止工作或工效很低，難以將土體內(nèi)的熱量傳至周圍空氣環(huán)境中，工作時間和效率方面受季節(jié)性的影響很大[16]，而暖季又是路基出現(xiàn)融沉、翻漿等病害的季節(jié)，因此，如何將熱管進(jìn)行簡單改造或與其他技術(shù)聯(lián)合，使得熱管在暖季也能正常運行，將對保護(hù)多年凍土路基、防治凍土路基融沉病害、保護(hù)高原環(huán)境等具有重要的意義[17]。

課題組從維護(hù)多年凍土地基穩(wěn)定、改善普通熱管制冷效果的角度出發(fā)，研制了基于太陽能和風(fēng)能技術(shù)的新型機(jī)械式制冷裝置即機(jī)械式制冷熱管，形成了相應(yīng)的專利技術(shù)[18-19]，并在多年凍土區(qū)風(fēng)火山試驗研究基地對其應(yīng)用效果進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，本文重點對機(jī)械式制冷熱管的工作原理及其第一循環(huán)年度周期的制冷效果進(jìn)行分析，以便為多年凍土區(qū)路基防護(hù)新技術(shù)研究和探索提供新的方向，并為青藏鐵路、青藏高速公路等高寒區(qū)重大工程建設(shè)中路基防護(hù)措施選擇提供借鑒和參考。

1 機(jī)械式制冷熱管工作原理

1.1 熱管工作原理

熱管，又稱熱棒、熱虹吸管等，是氣液兩相對流循環(huán)系統(tǒng)中熱傳輸效率很高的一種無源冷卻裝置，其下端為蒸發(fā)段(吸熱段)，上端為冷凝段(放熱段)，在兩段中間為絕熱段(圖1)，管內(nèi)一般注入低沸點工質(zhì)(如液氨等)。在寒冷季節(jié)，由于多年凍土溫度高于空氣溫度，即蒸發(fā)段溫度高于冷凝段溫度時，蒸發(fā)器中的液體工質(zhì)吸收周圍土體中的熱量而變成氣體蒸發(fā)上升至冷凝段，與溫度較低的冷凝段側(cè)壁接觸，通過散熱片將熱量散發(fā)到空氣中。蒸汽工質(zhì)在冷凝段遇冷后形成液體工質(zhì)，在重力作用下，液體工質(zhì)沿?zé)峁軅?cè)壁回流至蒸發(fā)段，在溫差作用下繼續(xù)蒸發(fā)，如是循環(huán)，將土體中的熱量源源不斷地傳遞到空氣中，確保了土體的熱平衡與熱穩(wěn)定。而在暖季，由于多年凍土溫度低于空氣溫度，即蒸發(fā)段溫度低于冷凝段溫度時，液體工質(zhì)蒸發(fā)后形成的蒸汽到達(dá)冷凝段后不能冷凝，熱管內(nèi)氣液兩相達(dá)到平衡，液體停止蒸發(fā)，導(dǎo)致熱管停止工作，大氣環(huán)境中的熱量不能通過熱管傳遞至土體中，間接保護(hù)了多年凍土[3，5]。

圖1 普通熱管工作原理

在暖季，外界環(huán)境中的熱量多以表面土體直接吸收的方式傳遞到活動層中，并向多年凍土層逐步深入，使多年凍土上限深度逐漸降低，增加了活動層的厚度，顯然，這與保護(hù)多年凍土的原則是相違背的，因此，普通熱管在暖季低效工作或幾乎不工作的缺點，需要采用其他方式進(jìn)行改善和優(yōu)化。

1.2 機(jī)械式制冷熱管工作原理

機(jī)械式制冷熱管主要分為蒸發(fā)段、暖季冷暖段、寒季冷凝段3部分(圖2)，即比普通熱管多了暖季冷暖段，在地面以上的絕熱段加了機(jī)械式制冷設(shè)備，將該段在暖季強制制冷，使熱管內(nèi)部形成溫度差，即ΔT3<ΔT1，從而導(dǎo)致液體工質(zhì)從蒸發(fā)段向熱管頂部蒸發(fā)，并在暖季冷暖段冷凝后回流至熱管底部，如是循環(huán)，將土體中的熱量源源不斷地傳遞到空氣中，并用太陽能、風(fēng)能或電能給制冷機(jī)組提供動力，保證機(jī)械式制冷熱管在暖季能正常循環(huán)工作[18-19]。

與普通熱管相比，機(jī)械式制冷熱管不僅在冬季發(fā)揮普通熱管的功效，而且在暖季也能連續(xù)工作，將多年凍土層內(nèi)的熱量傳遞至大氣環(huán)境中，因此，彌補了普通熱管在暖季不工作或低效的缺陷，可以更好地確保多年凍土層的熱穩(wěn)定性。

圖2 機(jī)械式制冷熱管原理示意

2 機(jī)械式制冷熱管現(xiàn)場試驗概述

2.1 試驗場地工程地質(zhì)條件

機(jī)械式制冷熱管現(xiàn)場試驗選擇在青藏高原中鐵西北科學(xué)研究院風(fēng)火山凍土定位觀測站，位于風(fēng)火山北麓，介于昆侖山與唐古拉山之間，北緯34°43′，東經(jīng)92°52′，研究基站海拔約4 780 m。青藏鐵路從站后約1 km處通過。該地區(qū)為高寒氣候區(qū)，年平均地面溫度約為-2.4 ℃；風(fēng)火山觀測站2010～2015年的平均風(fēng)速為4.1 m/s，2016年平均風(fēng)速為3.9 m/s。年平均地溫由1978年的-2.3 ℃升高到2016年的-1.30 ℃，平均升溫速率為0.032 ℃/a，凍土類型由低溫穩(wěn)定多年凍土變?yōu)榈蜏鼗痉€(wěn)定多年凍土[20]。

風(fēng)火山地區(qū)的地層主要為砂巖、泥巖、砂礫土、角礫土、黏土等，試驗場地表層0～0.3 m為黏土，含水率約為30%；0.3～6.5 m為砂礫石土層，6.5 m及以下為砂巖、泥巖互層。多年凍土上限埋深為1.3～2.5 m，多年凍土層的體積含冰量為10%～25%[20]。

2.2 現(xiàn)場布設(shè)及數(shù)據(jù)采集方式

現(xiàn)場試驗中，共采用了2組機(jī)械式制冷熱管進(jìn)行平行對比，編號為NMCT-1和NMCT-2、天然地溫監(jiān)測孔(TRDW)和普通熱管(PTRG)孔各1組，水平間距均為5 m(圖3)，埋設(shè)深度均為6 m。機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁、普通熱管側(cè)壁和天然孔內(nèi)均安裝有溫度測試元件，各測點沿深度方向的距離為0.5 m，總長度為6.0 m，從地表至鉆孔底部共計13個測點。

圖3 風(fēng)火山試驗場地試驗裝置平面布置(單位：m)

溫度測試元器件各測點的工作頻率為6組/月，每組溫度采集頻率為1次/h，即在24 h內(nèi)采集24次。為使溫度變化具有準(zhǔn)確性，每組數(shù)據(jù)24次采集完成后，取日均值，每月6組數(shù)據(jù)采集完成后，則取月均值進(jìn)行效果分析，對比發(fā)現(xiàn)編號為NMCT-2的制冷裝置月均地溫略低于編號為NMCT-1的制冷裝置月均地溫，因此，采用編號為NMCT-2的制冷裝置月均地溫數(shù)據(jù)，進(jìn)行埋設(shè)裝置后的第一年度循環(huán)周期內(nèi)的現(xiàn)場試驗效果分析。

3 機(jī)械式制冷熱管試驗效果分析

3.1 月均溫度分析

圖4分別為天然地溫、普通熱管和機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁月均溫度變化曲線，從圖4可以看出，隨著深度的增加，天然地溫、普通熱管和機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁溫度大部分呈冪函數(shù)變化，個別月份變化趨勢比較零散，整體來看，活動層范圍內(nèi)土體溫度變化比較紊亂，這是受地表環(huán)境溫度的影響造成的，而在多年凍土上限深度2.0 m以下范圍內(nèi)的土體溫度基本上比較穩(wěn)定，只是隨月份呈現(xiàn)較小波動。

從圖4(a)可以看出，在寒季(11月份～次年5月份)，從地表至2.0 m深度范圍內(nèi)的地溫變化范圍為-0.06～-5.13 ℃，均值為-2.10 ℃；2.0 m深度以下范圍土體的地溫變化為-3.17～-0.04 ℃，均值為-2.02 ℃。在暖季(6月份～10月份)，2.0 m深度以上土體溫度變化為6.34～-1.37 ℃，均值為2.04 ℃；2.0～6.0 m之間多年凍土層的溫度在-2.38～-0.19 ℃之間變化，均值為-1.50 ℃。

圖4 月均溫度變化曲線

從圖4(b)、圖4(c)可以看出，在寒季，普通熱管和機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁溫度在2.0 m以上變化范圍分別為-7.21～-1.33 ℃、-9.70～-1.71 ℃，平均為-3.46 ℃、-4.64 ℃；2.0～6.0 m以下地溫變化范圍分別為-6.54～-2.40 ℃、-9.56～-3.37 ℃，平均為-3.82 ℃、-5.13 ℃。而在暖季，普通熱管和機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁溫度在2.0 m以上變化范圍分別為-1.71～5.06 ℃、-1.93～5.09 ℃，平均為0.86 ℃、0.51 ℃；2.0 m以下變化范圍分別為-2.49～-0.55 ℃、-2.86～-0.67 ℃，平均為-1.75 ℃、-2.04 ℃。在一整年循環(huán)周期內(nèi)，普通熱管和機(jī)械式制冷熱管的月均溫度分別在活動層中為-1.06 ℃、-1.78 ℃，在多年凍土層2.0～6.0 m中為-2.67 ℃、-3.41 ℃。

從上述分析得知，在活動層0～2.0 m范圍內(nèi)，機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁溫度比普通熱管側(cè)壁溫度在寒季和暖季均分別低1.18 ℃、0.35 ℃；在多年凍土層2.0～6.0 m范圍中，機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁溫度比普通熱管側(cè)壁溫度在寒季和暖季均分別低1.31 ℃、0.29 ℃。因此，無論是在寒季還是暖季，在相同月份、同一深度處，機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁月均溫度比普通熱管側(cè)壁月均溫度在活動層和多年凍土層中均低很多，普通熱管側(cè)壁溫度比天然地溫略低，因此，在相同條件下，機(jī)械式制冷熱管對多年凍土層的制冷效果比普通熱管制冷效果更佳。

3.2 月均溫差分析

圖5分別為普通熱管和機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁溫度與天然地溫三者的月均溫差變化曲線。

圖5 不同條件下月均溫差變化曲線

從圖5(a)看出，普通熱管與天然地溫之間的溫差存在較大差異，從地表到3.0 m深度范圍內(nèi)，普通熱管與天然地溫之間的溫差為-1.91～2.42 ℃，平均為0.34 ℃，說明在地表到3.0 m深度范圍內(nèi)普通熱管側(cè)壁月均溫度與天然地溫比較接近。3.0 m以下深度普通熱管側(cè)壁月均溫度與天然地溫差異性較大，二者溫差范圍為-11.44～5.82 ℃，平均為-1.43 ℃，說明3.0 m以下深度普通熱管側(cè)壁月均溫度比天然地溫低得多。

從圖5(b)看出，機(jī)械式制冷熱管與天然地溫的溫差最大出現(xiàn)在12月份，其次為11月份，溫差隨深度近似呈“S”形曲線變化，其余月份二者溫差比較接近。在12月份和11月份，二者溫差分別在-7.99～-4.57 ℃、-4.12～-2.30 ℃之間變化，平均為-6.49 ℃、-3.20 ℃。4月份～10月份二者溫差在深度2.5 m以上波動較大，變化范圍為-2.90～-0.30 ℃，平均為-1.24 ℃；而在2.5 m以下基本比較平穩(wěn)，變化范圍為-1.26～-0.27 ℃，平均為-0.66 ℃，并且隨月份溫差有一定變化，而隨深度二者溫差基本不變?？傮w來看，多年凍土上限深度以上范圍機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁月均溫度比天然地溫低-6.19～-0.52 ℃，多年凍土上限深度以下機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁月均溫度也比天然地溫低-7.99～-0.27 ℃。

從圖5(c)看出，機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁溫度與普通熱管側(cè)壁溫度之間的溫差最大出現(xiàn)在12月份，其次為11月份，溫差隨深度變化很紊亂，其余月份二者溫差相對比較接近。在12月份和11月份，二者溫差分別在-3.24～-1.47 ℃、-1.79～-0.82 ℃之間變化，平均為-2.33 ℃、-1.50 ℃。4月份～10月份二者溫差在深度1.5 m以上波動較大，變化范圍為-1.22～-0.13 ℃，平均為-0.45 ℃；而在1.5 m以下基本比較平穩(wěn)，變化范圍為-0.83～-0.12 ℃，平均為-0.39 ℃，隨月份溫差有一定變化，而隨深度二者溫差基本不變。從整年總體來看，多年凍土上限深度以上范圍機(jī)械式制冷熱管與普通熱管二者溫差范圍為-2.77～-0.13 ℃，平均為-0.74 ℃；多年凍土上限深度以下二者溫差范圍為-3.24～-0.12 ℃，平均為-0.74 ℃。

3.3 最低溫度對比分析

圖6 不同類型熱管最低溫度對比曲線

為了進(jìn)一步對比機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁溫度和普通熱管側(cè)壁溫度在月均最低溫度時的差異性，取在寒季12月份的最低溫度進(jìn)行分析，圖6為機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁溫度和普通熱管側(cè)壁溫度在12月份的變化曲線，從0.5～6.0 m深度范圍內(nèi)，機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁月均溫度范圍為-9.70～-7.76 ℃，平均為-8.63 ℃，最低溫度在0.5 m深度處達(dá)到-9.70 ℃；普通熱管側(cè)壁月均溫度范圍為-7.21～-5.37 ℃，平均為-6.30 ℃，月均最低溫度在距地表0.5 m處達(dá)到-7.21 ℃；機(jī)械式制冷熱管側(cè)壁最低溫度和普通熱管側(cè)壁最低溫度之間的溫差范圍為-3.24～-1.47 ℃，平均為-2.33 ℃。

分別在活動層和多年凍土層中，機(jī)械式制冷熱管和普通熱管之間的溫差范圍分別為-2.77～-1.78 ℃，-3.24～-1.47 ℃，平均為-2.31 ℃、-2.34 ℃。即在12月份，機(jī)械式制冷熱管比普通熱管在活動層和多年凍土層中的平均溫度分別低2.31 ℃和2.34 ℃。由此看來，僅在12月份，機(jī)械式制冷熱管應(yīng)該明顯比普通熱管可提高活動層的溫度約2.3 ℃，因此，機(jī)械式制冷熱管對多年凍土層和活動層的制冷效果比普通熱管制冷效果更優(yōu)。

3.4 月均積溫對比分析

圖7為不同類型熱管和天然地溫的積溫對比曲線。從圖7可以看出，在2016年12月份，機(jī)械式制冷熱管、普通熱管和天然地溫的積溫分別為-103.6(℃·d)、-75.6(℃·d)、-25.7(℃·d)，機(jī)械式制冷熱管在12月份的積溫是普通熱管積溫的1.4倍，同比之下，機(jī)械式制冷熱管在10月份和11月份的積溫分別是普通熱管積溫的1.8倍和1.6倍，在8月份和9月份機(jī)械式制冷熱管的積溫分別是普通熱管積溫的1.4倍和2.1倍。從整年計算得到，即機(jī)械式制冷熱管的年積溫約為普通熱管年積溫的1.9倍，由此充分說明，與普通熱管相比，機(jī)械式制冷熱管可充分發(fā)揮對多年凍土的制冷效果，增加多年凍土層和活動層的冷儲量，抬高多年凍土上限深度，可以有效保護(hù)多年凍土的穩(wěn)定性。

圖7 不同類型熱管和天然地溫的積溫對比曲線

4 結(jié)論

通過對機(jī)械式制冷熱管在風(fēng)火山凍土定位觀測站的現(xiàn)場試驗，對比分析了第一年度循環(huán)周期內(nèi)機(jī)械式制冷熱管與普通熱管對多年凍土的制冷效果，主要結(jié)論如下。

(1)機(jī)械式制冷熱管可以彌補普通熱管在暖季工效低或幾乎不工作的缺陷，能在暖季和寒季同時帶走活動層中的熱量，增加冷儲量，有效保護(hù)多年凍土。

(2)分別在寒季和暖季，機(jī)械式制冷熱管比普通熱管的側(cè)壁溫度在活動層0～2.0 m范圍中低2.77～0.39 ℃、1.22～0.13 ℃；在多年凍土層2.0～6.0 m范圍中低3.24～0.52 ℃、0.55～0.12 ℃。機(jī)械式制冷熱管年均溫度比普通熱管年均溫度在活動層和多年凍土層均低0.74 ℃。

(3)分別在暖季和寒季，機(jī)械式制冷熱管積溫是普通熱管積溫的1.4倍～2.1倍、1.4倍～1.8倍，機(jī)械式制冷熱管的年積溫約為普通熱管年積溫的1.9倍。

(4)研究成果可為新型機(jī)械式制冷熱管技術(shù)在多年凍土熱穩(wěn)定維護(hù)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。