溫泉熱能消除高海拔地區(qū)道路積雪暗冰試驗(yàn)研究

鄭 波, 鄭金龍, 蔚艷慶, 吳 劍

(1. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731； 2. 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

高海拔地區(qū)冬季路面易積雪結(jié)冰，特別是在隧道洞口、彎道等路段，形成的暗冰極易誘發(fā)交通事故，給交通帶來(lái)嚴(yán)重危害。對(duì)高海拔地區(qū)路面積雪結(jié)冰問(wèn)題，以往常采用撒融雪劑、鹽、沙子及人工或機(jī)械鏟除等除雪方法[1,2]，這些方法缺點(diǎn)明顯、效果不佳。近年來(lái)，采用發(fā)熱電纜作為融雪除冰新技術(shù)得到了越來(lái)越多的關(guān)注[3-6]，但采用電能方式解決路面積雪暗冰，能耗大，運(yùn)行成本高。目前，又出現(xiàn)了一些新型的融雪方法，如采用太陽(yáng)能法[2]、地?zé)崮芊╗7]等。

雀兒山隧道地處青藏高原向四川盆地的過(guò)渡地帶，受地質(zhì)構(gòu)造影響，區(qū)域地?zé)崾职l(fā)育，隧道出口附近海拔4 300 ～ 4 600 m一帶有溫泉群出露，淺層地?zé)崮苜Y源較為豐富[8,9]。利用雀兒山隧道出口附近溫泉資源消除隧道洞口冬季路面積雪，可以減少甚至避免由暗冰導(dǎo)致的交通事故發(fā)生。將溫泉或隧道內(nèi)熱水作為直接循環(huán)流體用于消除路面積雪，具有環(huán)保、安全、便捷等特點(diǎn)，既能達(dá)到自然資源的可持續(xù)利用，又能夠保證冬季行車(chē)安全。

筆者通過(guò)在混凝土面板中鋪設(shè)熱水管道的試驗(yàn)段，對(duì)利用溫泉熱能消除冬季路面積雪的技術(shù)方案進(jìn)行探索性研究，為利用溫泉熱能解決高海拔地區(qū)路面積雪暗冰問(wèn)題提供技術(shù)支持。

1 模型試驗(yàn)段概況

1.1 場(chǎng)地特征

試驗(yàn)段區(qū)域年平均氣溫3.2 ～ -15.2 ℃，平均最高氣溫12.6 ～ -0.2 ℃，平均最低氣溫-3.2 ～ -16.0 ℃，極端最高氣溫27.2 ～ 14.4 ℃，極端最低氣溫-28.6 ～ -41.4 ℃，年較差18.2 ℃。通常，全年降雪81 d，積雪83 d，結(jié)冰236.5 d，大風(fēng)19.5 d，日最大風(fēng)速24 m/s，全年蒸發(fā)量1 493.1 mm，年平均氣壓為634.0 hPa，年平均濕度60%，年日照時(shí)數(shù)2 306.7 h，最大凍結(jié)深度大于150 cm，30 cm凍結(jié)深度平均開(kāi)始日為11月14日，解凍日為4月17日。出露的地層巖性以燕山期花崗巖為主，第四系冰磧冰水沉積發(fā)育[10]。

1.2 試驗(yàn)概況

在混凝土面板中鋪設(shè)熱水管道的試驗(yàn)段選址位于雀兒山隧道主洞出口與服務(wù)隧道出口中間區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1。

圖1 試驗(yàn)段Fig. 1 Test site

試驗(yàn)段總長(zhǎng)24 m，寬4.5 m。熱水管道材質(zhì)選擇DN20 PVC管和DN15鋼管兩種，試驗(yàn)段長(zhǎng)均為12 m；分3幅布置，每幅長(zhǎng)度4 m；均可獨(dú)立進(jìn)出水，PVC材質(zhì)熱水管道管間距24 cm，鋼材熱水管道管間距40 cm。混凝土面板厚度40 cm，熱水管道在混凝土面板中埋深15 ～18 cm，試驗(yàn)段管道布置如圖2。通過(guò)水管將溫泉熱水從溫泉出露點(diǎn)接至試驗(yàn)段處，水管外采用保溫棉保溫。

圖2 試驗(yàn)段管道布置示意Fig. 2 Layout of pipeline arrangement in test section

1.3 測(cè)試方案

采用串式高精度溫度探頭測(cè)試溫度。溫度探頭精度為0.05 ℃，溫度測(cè)線長(zhǎng)2.5 m，其中，出露在路面以上的測(cè)點(diǎn)數(shù)為3個(gè)，路面下最上側(cè)的2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)間距為0.25 m，其余測(cè)點(diǎn)間距均為0.5 m，每串溫度測(cè)點(diǎn)線均布置9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。

采用MRDT603數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集溫度數(shù)據(jù)。采樣頻率為試驗(yàn)時(shí)每小時(shí)采集1次，其余時(shí)刻每2 h采集1次。

1.4 工作原理

混凝土面板中鋪設(shè)熱水管道的融雪化冰基本原理是：溫泉熱水通過(guò)鋪設(shè)在路面下的管道，在對(duì)流傳熱、熱傳導(dǎo)的作用下，管道周?chē)炷翜囟壬仙?，隨之路面溫度也會(huì)升高，達(dá)到加熱路面目的。路面上的積雪吸收熱量，冰雪開(kāi)始融化，在熱水管道持續(xù)供熱的過(guò)程中，路面冰雪會(huì)不斷融化，融水不斷排到道路兩側(cè)，同時(shí)伴隨水分不斷蒸發(fā)，直至路面無(wú)積雪和融水，從而保持路面干燥，確保了行車(chē)安全。

1.5 試驗(yàn)段施工

試驗(yàn)段施工基本步驟如下：

1)組裝PVC管、鋼管系統(tǒng)；

2)在每幅管道加熱系統(tǒng)的中心位置處，埋設(shè)用于安裝溫度測(cè)點(diǎn)的鋼管；

3)采用隧道內(nèi)的出碴和中細(xì)砂對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行鋪底；

4)將鋪設(shè)好的底層整平，根據(jù)設(shè)計(jì)高度安裝模板；

5)澆筑底層混凝土，用振搗棒搗實(shí)混凝土；

6)鋪設(shè)預(yù)制好的PVC管、鋼管管道系統(tǒng)，如圖3；

7)澆筑表層混凝土，用振搗棒搗實(shí)混凝土；

8)在試驗(yàn)段預(yù)埋溫度探頭，并將探頭連接至數(shù)據(jù)采集儀以測(cè)試路基溫度。試驗(yàn)段于2015年10月24日鋪設(shè)完畢。

圖3 溫泉水管道系統(tǒng)布置Fig. 3 Layout of hot spring water pipe system

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

2015年12月23日開(kāi)始進(jìn)行路面融雪化冰試驗(yàn)。通水前，試驗(yàn)段混凝土面板上覆冰雪層厚度約為1.5～3.5 cm，靠墻側(cè)冰雪層相對(duì)較厚。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)PVC管系統(tǒng)的溫泉水流速約為0.147 L/s時(shí)，進(jìn)水口處水溫范圍為24～33℃，出水口處水溫范圍為10～21 ℃；通過(guò)鋼管系統(tǒng)的溫泉水流速約為0.152 L/s時(shí)，進(jìn)水口處水溫范圍為24～33 ℃，出水口處水溫范圍為10.5～23.5℃。

表1為PVC管和鋼管兩種管道系統(tǒng)通水試驗(yàn)時(shí)路面冰雪層融化情況。

表1 PVC管與鋼管通溫泉水后路面冰雪融化試驗(yàn)記錄 Table 1 Test record of ice and snow melting on pavement after PVC pipe and steel pipe flowing through hot spring water

由表1看出，對(duì)于PVC管系統(tǒng)，通水24 h后在管道埋深相對(duì)較小的路面冰雪層開(kāi)始融化，而在管道埋深相對(duì)較大的區(qū)域，路面冰雪層融化現(xiàn)象稍微滯后；通水96 h后，路面冰雪層全部融化。對(duì)于鋼管系統(tǒng)，通水20 h后在管道埋深相對(duì)較小的路面冰雪層開(kāi)始融化，而在管道埋深相對(duì)較大的區(qū)域，路面冰雪層融化也同樣出現(xiàn)滯后現(xiàn)象；通水48 h后，路面冰雪層完全融化。對(duì)比兩種系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同條件下，鋼管系統(tǒng)路面冰雪層融化速率更快，鋼管試驗(yàn)段路面冰雪層完全融化耗時(shí)只是PVC管試驗(yàn)段的1/2，可以說(shuō)鋼管系統(tǒng)融化效率比PVC管系統(tǒng)高1倍。另外，試驗(yàn)過(guò)程中鋼管路基試驗(yàn)段經(jīng)歷了數(shù)次大雪天氣考驗(yàn)，最大下雪量達(dá)12 cm，路面無(wú)積雪，全部融化，工程效果可靠，該系統(tǒng)可以有效應(yīng)對(duì)冬季降雪，能及時(shí)消除路面積雪防止暗冰產(chǎn)生，可以工程中應(yīng)用。

2.2 路基內(nèi)溫度變化規(guī)律

2.2.1 自然條件下

圖4為自然條件下沒(méi)有通溫泉熱水時(shí)，試驗(yàn)段路基內(nèi)外溫度曲線。

圖4 自然條件下路基不同深度處的溫度曲線Fig. 4 Temperature curves of subgrade at different depths undernatural conditions

由圖4可看出：試驗(yàn)過(guò)程中，整個(gè)試驗(yàn)段地表溫度測(cè)點(diǎn)的溫度范圍為-3.9～-19.2 ℃，路面下1 cm處測(cè)點(diǎn)溫度范圍為-7.3～-15.6 ℃，路面下51 cm處地溫范圍為-5.8～-7.4 ℃，路面下101 cm處地溫約-2.0 ℃，路面下151 m處地溫位于0 ℃附近。研究表明：地表和淺層受環(huán)境溫度變化影響較大；隨著路基深度加大，越往下環(huán)境對(duì)地溫影響越小，當(dāng)深度達(dá)100 cm以后，地溫基本穩(wěn)定，可忽略環(huán)境條件的影響。

2.2.2 PVC管和鋼管試驗(yàn)段

圖5為PVC管及鋼管試驗(yàn)路段不同路基深度處的溫度曲線。由圖5可知，不論是PVC管試驗(yàn)段還是鋼管試驗(yàn)段，路表面測(cè)點(diǎn)溫度值主要受氣溫影響，管道通水對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度值影響不大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于路表溫度測(cè)點(diǎn)與混凝土面有一定的空隙，冬季試驗(yàn)段風(fēng)速較大，管道通水加熱路面而散發(fā)的熱量在風(fēng)的影響下，會(huì)弱化其加熱效果，故對(duì)這些測(cè)點(diǎn)溫度值影響不大。

管道系統(tǒng)通溫泉水加熱路面過(guò)程中，鋼管試驗(yàn)段比PVC管試驗(yàn)段的路面溫度升溫速率快，而試驗(yàn)時(shí)進(jìn)入管道的溫泉水溫度基本相同，可見(jiàn)通水管道材質(zhì)對(duì)路面融雪化冰時(shí)的加熱效果影響顯著。

圖5 PVC管、鋼管試驗(yàn)路段不同深度路基內(nèi)地溫曲線Fig. 5 Temperature curves of subgrade at different depths in testsection of PVC pipe and steel pipe

表2為試驗(yàn)段通水不同時(shí)長(zhǎng)、不同路基深度處的溫度情況。通水前地表溫度，鋼管試驗(yàn)段為-12.3 ℃，PVC管試驗(yàn)段為-11.4 ℃。

表2 兩種管段通溫泉水后不同深度路基溫度觀測(cè)情況 Table 2 Observation of subgrade temperature at different depths after hot spring water flowing through steel pipe and PVC pipe ℃

由表2及圖5可知，總體來(lái)說(shuō)，鋼管系統(tǒng)的路表面升溫速率快，這很好地解釋了鋼管系統(tǒng)的路表冰雪融化速率比PVC管系統(tǒng)高出1倍的現(xiàn)象。

2.3 管道溫降分析

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)原油輸送過(guò)程中流體管道的溫降有較系統(tǒng)的研究[11-13]，混凝土中鋪設(shè)熱水管道消除路面積雪的溫降與其類(lèi)似。因此，可以借鑒原油輸送流體管道溫降公式估算熱水管道溫降，但有必要對(duì)其進(jìn)行可靠性驗(yàn)證和修正。

原油輸送過(guò)程中，對(duì)距離不長(zhǎng)、管徑小、流速較低、溫降較大的管道，在摩擦熱對(duì)沿程溫降影響不大或概略計(jì)算溫降時(shí)，通常忽略摩擦熱的作用，用蘇霍夫公式(1)來(lái)計(jì)算管道溫降：

TL=T0+ (TR-T0)e-aL

(1)

(2)

式中：TL為距起點(diǎn)L處的溫度，℃；T0為管道周?chē)寥罍囟?，℃；TR為管道起點(diǎn)溫度，℃；a為參數(shù)，無(wú)量綱；K為總傳熱系數(shù)，K= 500 W/(m2·℃)；Dw為管道外直徑，Dw=0.02 m；G為流體的質(zhì)量流量，kg/s，通常熱水管道流速0.2～1.0 m/s，文中以實(shí)際流速計(jì)算；c為流體比熱，c=4 200 J/(kg·℃)。

試驗(yàn)段分別采用PVC管及鋼管兩種材質(zhì)的管道進(jìn)行輸水傳送熱量，顯然其輸水過(guò)程中的溫降會(huì)受到材質(zhì)的影響。因此，為體現(xiàn)不同材質(zhì)對(duì)管道溫降的影響，在蘇霍夫公式中引入考慮材質(zhì)及周邊巖體環(huán)境影響的修正系數(shù)β，得到式(3)：

TL=T0+ (TR-T0)e-aβL

(3)

為獲得式(3)中修正系數(shù)β值，分別在PVC管試驗(yàn)段和鋼管試驗(yàn)段進(jìn)水端和出水端埋設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，在無(wú)影響區(qū)域埋設(shè)參照點(diǎn)，以獲得試驗(yàn)時(shí)混凝土路基內(nèi)的實(shí)際溫度。試驗(yàn)時(shí)PVC管總長(zhǎng)約94 m，管道內(nèi)溫降約12～14℃，鋼管總長(zhǎng)約35 m，管道內(nèi)溫降9.5～13.5 ℃。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和回歸處理，得出雀兒山隧道出口區(qū)域鋼質(zhì)管道修正系數(shù)β鋼管=1.8，PVC管道修正系數(shù)βPVC管=0.9。圖6為采用修正公式計(jì)算的溫降與實(shí)測(cè)溫降。

由圖6(a)可以看出，經(jīng)過(guò)94 m PVC管的熱水實(shí)測(cè)溫降值與修正的蘇霍夫公式(βPVC管=0.9)計(jì)算值吻合較好，計(jì)算誤差基本保持在5%內(nèi)。從測(cè)試與計(jì)算結(jié)果來(lái)看，94 m PVC管實(shí)測(cè)溫降范圍為4.0～7.0 ℃，修正的蘇霍夫公式溫降計(jì)算值范圍為4.3～6.0 ℃，對(duì)于混凝土面板中鋪設(shè)PVC管熱水系統(tǒng)，修正蘇霍夫公式可以滿足工程需求。

由圖6(b)可以看出，鋼管管道溫降基本處于-6.3 ～ -8.1℃范圍內(nèi)。通水初期，經(jīng)過(guò)35 m鋼管的熱水溫降實(shí)測(cè)值與修正蘇霍夫公式(β鋼管=1.8)計(jì)算值相差較大，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，通過(guò)鋼管熱水的溫降測(cè)試值與計(jì)算值吻合越好，計(jì)算誤差基本保持在5%內(nèi)。從測(cè)試與計(jì)算結(jié)果來(lái)看，35 m鋼管實(shí)測(cè)溫降值范圍為2.9～7.2 ℃，修正的蘇霍夫公式溫降計(jì)算值范圍為2.9～5.4 ℃，對(duì)于混凝土面板中鋪設(shè)鋼管熱水系統(tǒng)，修正蘇霍夫公式可以滿足工程需求。

圖6 PVC管與鋼管流體溫降實(shí)測(cè)值與計(jì)算值Fig. 6 Measured and calculated values of fluid temperature dropof PVC pipe and steel pipe

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)溫泉熱管系統(tǒng)融雪化冰效果及雀兒山溫降計(jì)算公式，建議在遇到類(lèi)似工況需要消除冬季路面積雪或暗冰時(shí)，若路基附近存在溫泉或者隧道排水溫度能達(dá)到20 ℃以上時(shí)，可采用文中方案消除路面冬季暗冰。

3 結(jié) 論

筆者建立試驗(yàn)段，開(kāi)展了利用溫泉熱水分別通過(guò)PVC管、鋼管系統(tǒng)以消除高海拔地區(qū)道路積雪暗冰的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出以下主要結(jié)論：

1)鋼管試驗(yàn)段比PVC管試驗(yàn)段段升溫快；從完全融化耗時(shí)來(lái)看，鋼管試驗(yàn)段只用了PVC管試驗(yàn)段的一半時(shí)間；40 cm間距鋼管系統(tǒng)比24 cm間距PVC管系統(tǒng)更有效。

2)在傳統(tǒng)的蘇霍夫公式中引入由材質(zhì)及周邊巖體環(huán)境決定的修正系數(shù)β，雀兒山隧道出口區(qū)域鋼質(zhì)管道修正系數(shù)為1.8，PVC管修正系數(shù)為0.9，修正蘇霍夫公式可用來(lái)計(jì)算流體管道溫降。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，計(jì)算結(jié)果可以滿足工程需求。

3)利用自然溫泉資源消除冬季路面積雪暗冰的技術(shù)，是提高高海拔地區(qū)道路通行安全性與運(yùn)營(yíng)能力的新方法，可以推廣應(yīng)用。