雀兒山隧道溫泉熱能融化洞口段路面冰雪的可行性

楊 楓， 鄭金龍

(1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031； 2.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，成都 610041)

道路路面狀況是道路交通安全的一個重要影響因素，尤其是在高海拔寒冷地區(qū)和高緯度的北方地區(qū)冬季，經(jīng)常會出現(xiàn)較為惡劣的天氣條件，影響通行能力和行車安全。而在影響冬季路面狀況的諸多因素中，積雪結冰問題最為關鍵，常常導致一系列的負面連鎖反應[1-2]。學者對世界范圍內(nèi)大中城市的調(diào)查結論表明，道路積雪結冰引起的交通事故約占冬季交通事故總量的35%，傅沛興、劉偉統(tǒng)計結果也表明，有效的道路融雪化冰措施可降低約88.3%的冬季交通事故發(fā)生率，百公里道路死亡人數(shù)可降低73.4%[3-4]。道路融雪化冰技術已經(jīng)成為道路養(yǎng)護工作中一個不可缺少的組成部分。

目前除人工和機械除雪方法外，使用的融雪方法包括融雪劑、電纜加熱、微波加熱、熱流體加熱等[5-9]。融雪劑污染環(huán)境、成本高，電纜加熱所需耗能大、壽命較短，而微波加熱效率低，無法實現(xiàn)快速除冰[10-13]。相比而言利用太陽能與地熱能埋管加熱融雪能夠因地制宜地利用可再生資源，具有經(jīng)濟性好，效率高的優(yōu)點[14-16]。中國川西地區(qū)溫泉資源豐富[17]，利用溫泉融化路面冰雪，對于保障冬季行車安全，降低能源消耗具有重要意義。

海拔4 200 m以上的雀兒山隧道冬季洞口道路容易結冰積雪，附近發(fā)育有數(shù)個天然溫泉。在監(jiān)測雀兒山隧道出口與溫泉全年溫度變化規(guī)律基礎上，對路面中不同溫泉管道敷設方式下的溫度場特征進行數(shù)值計算，探索溫泉熱能融化洞口段路面冰雪可行性并進行現(xiàn)場驗證。用于指導中國高海拔地區(qū)溫泉熱能在道路融雪中的應用。

1 雀兒山隧道洞口溫度與溫泉狀況

國道317線雀兒山隧道位于川西甘孜德格縣，兩端洞口海拔高度為4 380 m和4 260 m，隧道長度7 079 m，如圖1所示。已有氣象資料表明雀兒山東西兩側3 800～5 200 m年平均氣溫在3.2～-15.2 ℃之間，全年降雪天數(shù)一般在81 d左右，積雪天數(shù)83 d，結冰天數(shù)236.5 d。

圖1 雀兒山隧道位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of Queershan tunnel location

為獲得海拔4 200 m的雀兒山隧道洞口氣象資料，在隧道洞口建立氣象觀測站，基于自動與人工監(jiān)測相結合的方法獲得隧道出口月平均氣溫如圖2所示。溫度變化可通過余弦函數(shù)良好擬合，獲得隧道出口溫度隨月份變化如式(1)所示。結果表明每年約6.5個月洞口氣溫低于0 ℃，路面易出現(xiàn)冰雪災害，路面摩擦系數(shù)變化大，行車風險高。

(1)

式(1)中：Ta(τ)為月平均氣溫， ℃；τ為月份。

距雀兒山隧道出口400 m處存在5個天然溫泉，不同月份測試泉水溫度與流量如表1所示，溫泉溫度為41～70 ℃，泉水流量穩(wěn)定在4.93 L/s，考慮在洞口路面下設置融雪管道，利用溫泉熱能加熱路面，提高路面溫度，融化冰雪，保障冬季行車安全。

圖2 雀兒山隧道出口氣溫實測值與計算值Fig.2 The measured and calculated air temperature at theexit of the Queershan tunnel

表1 各泉眼水流量與溫度Table 1 Water flow rate and temperature of each spring

2 溫泉作用下路面溫度變化研究

圖3 融雪管道直列型并聯(lián)敷設方式Fig.3 Direct and parallel laying of snowmelt pipeline

為了降低管道阻力，防止一處堵塞導致整個系統(tǒng)無法運行，融雪管道擬參照目前成熟的直列型并聯(lián)敷設，如圖3所示。介質(zhì)為天然溫泉，利用溫泉與洞口路面高差產(chǎn)生的重力勢能通過保溫管道將溫泉引入。管道采用2 cm直徑不銹鋼管，埋設在路面以下10 cm處，路基整體厚度為80 cm，以混凝土參數(shù)考慮。計算模型中路面寬度為8.5 m，路堤邊坡坡率為1∶1.5，路基兩側計算寬度為路堤坡腳各向外延伸30 m，計算深度為天然地面以下30 m。洞口出露的地層巖性以燕山期花崗巖為主，植被不發(fā)育，考慮“附面層”增溫為2.5 ℃。下邊界地溫梯度根據(jù)實測取0.057 ℃/m，路面與空氣換熱系數(shù)為15 W·m-2·℃-1，鋼管與溫泉換熱系數(shù)為500 W·m-2·℃-1，其余參數(shù)取值如表2所示，基于Ramsey模型計算10～60 ℃下管道直徑為2 m、 埋深10 cm時，不同管道間距對路面加熱效果，如圖4所示。

表2 土層的熱物理參數(shù)Table 2 Thermal physical parameters of soil layer

圖4 相鄰兩管間路面溫度分布Fig.4 Pavement temperature distributionsbetween two adjacent pipes

可以看出，相鄰管間距40 cm，流體溫度為10 ℃時，相鄰兩管中心上方路面溫度約為-2.4 ℃，管道正上方路面溫度約為-0.6 ℃，其溫差約為1.8 ℃；當流體溫度達到60 ℃，相鄰兩管中心上方路面溫度約為15.1 ℃，管道正上方路面溫度約為21.6 ℃，其溫差約為6.5 ℃；管道正上方路面溫度與相鄰兩管中心上方路面溫差范圍1.8～6.5 ℃。當兩管間距為24 cm時，溫差范圍0.5～1.9 ℃；間距63 cm時，溫差范圍為3.5～12.5 ℃；間距80 cm時，溫差范圍為4.2～15.4 ℃?？傮w上看，管道正上方路面溫度最高，兩管中心上方路面溫度最低；兩管間距越大，管道正上方與兩管中心上方溫度相差越大，且流體溫度越高，溫差越大。為提高路面冰雪融化效率，保證管道中心上方路面溫度要求，管道間距宜選擇24 cm或40 cm。

在實際工程中，外界環(huán)境某段短時間內(nèi)，其環(huán)境溫度會比年平均最低氣溫低，即達到極端低溫。此時，路面溫度如何響應，也是工程實際運用中關注的一個重要問題。雀兒山平均最低氣溫-3.2～-16.0 ℃，極端最低氣溫-28.6～-41.4 ℃，因此考慮了兩種極端負溫(-16、-40 ℃)條件下開啟溫泉熱水管道系統(tǒng)，分別計算相鄰管道中心路面溫度變化如圖5和圖6所示。

圖5 環(huán)境溫度-16 ℃ 時相鄰管道中心路面溫度變化Fig.5 Temperature changes of road surface with theenvironment temperature of -16 ℃

圖6 環(huán)境溫度-40 ℃ 時相鄰管道中心路面溫度變化Fig.6 Temperature changes of road surface with theenvironment temperature of -40 ℃

管間距24 cm，環(huán)境溫度-16 ℃條件下，開啟溫泉熱水管道系統(tǒng)后，相鄰管道中心路面溫度會迅速提高，流體溫度越高，其溫度提升越明顯，流體溫度為30 ℃時，溫泉熱水系統(tǒng)啟動6 h以后，相鄰管道中心路面溫度基本穩(wěn)定在5 ℃左右，流體溫度達到50 ℃，相鄰管道中心路面溫度基本穩(wěn)定在12 ℃左右。管間距變?yōu)?0 cm，流體溫度為30 ℃時，相鄰管道中心路面溫度始終處于0 ℃以下，流體溫度達到50 ℃時，相鄰管道中心路面溫度在溫泉熱水系統(tǒng)啟動6 h以后能達到3 ℃，在之后一段時間內(nèi)，緩慢上升到5 ℃。

管間距24 cm，環(huán)境溫度-40 ℃條件下，只有當流體溫度達到50 ℃以上，才能保證開啟溫泉熱水管道系統(tǒng)后，相鄰管道中心路面溫度處于0 ℃以上，且融化冰雪能力有限，即使流體溫度達到60 ℃，相鄰管道中心路面溫度也只能保持4～6 ℃范圍內(nèi)。當管間距變?yōu)?0 cm，即使流體溫度為60 ℃，也不能夠促使路面冰雪融化，該極端條件發(fā)生概率小，可等外界環(huán)境溫度自然升高促使路面冰雪融化，或是采用人工除冰方法。因此，考慮平均溫度與極端溫度條件下的計算結果，設計管間距24 cm、埋深10 cm、管徑2 cm能較好地滿足融化冰雪的要求。

3 利用溫泉熱能融化道路冰雪現(xiàn)場測試

為驗證利用溫泉熱能融化道路冰雪現(xiàn)場應用效果，在隧道洞口進行了現(xiàn)場試驗，試驗段長度6 m，采用路面相同的厚度和材料進行鋪底整平，然后分層澆筑混凝土，其中按照間距24 cm、埋深10 cm、管徑2 cm要求埋設不銹鋼管和各類傳感儀器，施工過程如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場試驗過程Fig.7 Field test procedure

試驗開始時，環(huán)境溫度為-3.9～-19.2 ℃，地表上覆冰雪層厚度為1.5～3.5 cm，以0.15 L/s速度注入溫泉水，入口溫度為30 ℃，對路面冰雪層變化情況記錄如圖8所示。

圖8 路面冰雪層變化情況記錄Fig.8 Record the change of snow and ice on road surface

現(xiàn)場測試結果表明，試驗后6 h，路面冰雪無明顯融化現(xiàn)象，至24 h冰雪呈明顯凸凹交錯狀，管道上方冰雪層融化更明顯。30 h時路面冰雪基本完全融化干燥。30 h后現(xiàn)場出現(xiàn)降雪，48 h時地面積雪厚度為4～5 cm，60 h時冰雪厚度達10～12 cm，而溫泉管道試驗段有融水，無積雪結冰現(xiàn)象，取得了良好的融化路面冰雪效果，能夠保障冬季路面的運營安全。

4 結論

(1)雀兒山隧道洞口溫度變化可用余弦函數(shù)良好擬合，每年約6.5個月低于0 ℃，路面冰雪疊加洞口黑白洞效應和地面摩擦系數(shù)變化，易導致交通事故的發(fā)生。隧道洞口附近溫泉溫度為41～70 ℃，泉水流量穩(wěn)定在4.93 L/s，能提供穩(wěn)定溫泉熱能。

(2)基于數(shù)值分析獲得了不同溫泉管道布置條件下隧道出口冬季平均溫度和兩種極端低溫相應的路面溫度分布與升溫規(guī)律。減小管道間距能夠提高路面冰雪融化效率，但不利于管道施工，管道布置存在合理間距。對比優(yōu)化了間距24 cm、埋深10 cm、管徑2 cm不銹鋼溫泉融雪管道布置方式。

(3)在現(xiàn)場進行了溫泉融化路面冰雪測試，結果表明30 ℃溫泉24 h能明顯融化管道上方3.5 cm厚冰雪，30 h路面冰雪基本融化干燥。在10～12 cm積雪環(huán)境下溫泉管道能夠保障上方路面無冰雪堆積.

(4)實驗結果表明30 ℃溫泉能夠有效融化海拔4 232 m雀兒山隧道出口路面冬季結冰與積雪，提高了路面的行車安全。本研究成果可為利用溫泉熱能保障高海拔和寒區(qū)隧道洞口路面冬季行車安全提供借鑒。