熱棒在多年凍土區(qū)電力塔基的應(yīng)用效果試驗(yàn)研究

王映梅，王 興

（1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070；3.青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 格爾木 816000）

多年凍土區(qū)因工程建設(shè)引起凍土融化導(dǎo)致構(gòu)筑物運(yùn)營及安全使用問題一直是科研人員關(guān)注的重點(diǎn)[1-4]。俞祁浩等[5]就青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)中可能遇到的凍土問題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。李永強(qiáng)等[6]在青藏高原風(fēng)火山關(guān)于熱棒對路基的降溫效果進(jìn)行了深入的研究。徐安花[7]對熱棒在共和至玉樹高速公路路基中冷卻效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析研究。金龍等[8]通過建立空氣-熱棒-凍土地基數(shù)值計(jì)算模型，研究了不同熱棒型式對路基的降溫效果。李鈺等[9]通過數(shù)值計(jì)算方法及預(yù)測模型對多年凍土區(qū)公路路基熱棒的降溫效果進(jìn)行了監(jiān)測與分析研究，結(jié)果表明熱棒可以有效降低凍土地溫及抬升凍土上限。吳金權(quán)等[10]在東北高緯度島狀凍土區(qū)根牙公路進(jìn)行了L型熱棒實(shí)體試驗(yàn)研究，確定了熱棒合理的埋設(shè)間距。蔡漢成等[11]通過研究多年凍土區(qū)凍土路基熱量收支特征，提出一種新的工程適用性強(qiáng)及參數(shù)易于獲取的熱棒計(jì)算方法。

本試驗(yàn)通過對電力塔基澆筑完成后進(jìn)行為期1 a的試驗(yàn)監(jiān)測，對比有無熱棒的電力塔基樁壁、樁周凍土的地溫及凍土上限的變化特征，分析研究熱棒在多年凍土區(qū)電力塔基的應(yīng)用效果。

1 工程概況

青海至西藏直流聯(lián)網(wǎng)工程起點(diǎn)為格爾木，終點(diǎn)至拉薩，是連接青海、西藏經(jīng)濟(jì)區(qū)沿線各城市的電力通道，也是我國西北電力網(wǎng)的重要組成部分，對該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

該工程建設(shè)難度大，自然環(huán)境惡劣，平均海拔4 800 m，最高海拔超過5 400 m。沿線凍土類型差異較大，穿越季節(jié)性凍土區(qū)與多年凍土區(qū)。參考以往凍土區(qū)工程建設(shè)及運(yùn)營過程中遇到的凍土問題，本研究著重關(guān)注解決凍土融化導(dǎo)致的塔基沉降變形和電力塔基樁周凍土的保護(hù)。

2 樁基現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 工程地質(zhì)情況

為了研究熱棒在多年凍土區(qū)電力塔基的應(yīng)用效果，選取多年凍土區(qū)123#塔基和124#塔基，分別采取未設(shè)置熱棒和設(shè)置熱棒工程措施進(jìn)行地溫監(jiān)測。首先進(jìn)行工程地質(zhì)鉆孔勘察，探明塔基下伏地層及凍土分布情況，如圖1所示。

圖1 塔基工程地質(zhì)柱狀圖（單位：m）

2.2 測試元件布設(shè)

熱棒是一種單向傳熱的裝置，通過工質(zhì)的循環(huán)蒸發(fā)、冷凝過程，將下部環(huán)境的熱量源源不斷地輸送到外部環(huán)境，使下部環(huán)境的溫度不斷下降。熱棒可以把外部冷量直接送到地下深處，起到降低地溫的作用，熱棒示意如圖2所示。

圖2 熱棒示意圖

地溫監(jiān)測通過測溫孔實(shí)現(xiàn)，測溫傳感器采用的新型半導(dǎo)體元件—熱敏電阻，可用于高精度的溫度測量，其測溫范圍：-30 ℃～30 ℃；測量精度：±0.05 ℃；時間常數(shù)：不大于5 s，均滿足試驗(yàn)要求。根據(jù)試驗(yàn)需要，分別在樁壁、距離樁壁0.5 m和1.0 m設(shè)置測溫孔，另外距離塔基20 m處設(shè)置天然測溫孔（編號TR）。測溫線測點(diǎn)間距1.0 m，監(jiān)測元件布設(shè)示意如圖3所示。

圖3 監(jiān)測元件布設(shè)示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 樁周凍土回凍規(guī)律分析

塔基鉆孔灌注樁冬季施工時，嚴(yán)格控制混凝土的入模溫度以減少對凍土的熱擾動，樁體澆筑完成后開始采集數(shù)據(jù)。受不同位置凍土類型及含冰量分布不均的影響，各測點(diǎn)初始溫度略有差異。以未設(shè)置熱棒和設(shè)置熱棒的塔基地表以下6.0 m及10.0 m深度處的溫度變化特征研究樁周凍土的回凍規(guī)律。

從圖4可以看出，電力塔基鉆孔灌注樁澆筑完成后溫度在0～30 d內(nèi)呈先增大后減小的趨勢，這是因?yàn)樵跇扼w完成澆筑后混凝土中的活性礦物成分發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，同時放出大量的水化熱，從而導(dǎo)致樁周土體溫度急劇升高。隨著時間的推移，化學(xué)反應(yīng)逐漸變緩至最后停止，釋放出的熱量逐漸減少最終為零。6.0 m處設(shè)置熱棒和未設(shè)置熱棒的塔基溫度變化特征差異明顯：設(shè)置熱棒的塔基樁壁6.0 m處的溫度第18天降為負(fù)溫，這表明樁周凍土已經(jīng)完成回凍；此時未設(shè)置熱棒的塔基樁壁6.0 m處的溫度為1.7 ℃，還處于繼續(xù)降低的狀態(tài)，直至第30天測得該點(diǎn)溫度為-0.1 ℃，樁周凍土完成回凍；由此可見，設(shè)置熱棒的塔基樁體回凍僅約為未設(shè)置熱棒的70%，節(jié)約了30%的時間。由圖5分析10.0 m處設(shè)置熱棒和未設(shè)置熱棒的塔基樁周凍土回凍時間：設(shè)置熱棒的塔基第14天第1次出現(xiàn)負(fù)溫并保持在0 ℃以下；未設(shè)置熱棒的塔基直至第21天才第1次出現(xiàn)負(fù)溫，樁周土體此時才完成回凍；設(shè)置熱棒的塔基樁體回凍僅為未設(shè)置熱棒的66%。根據(jù)樁體不同位置的溫度變化特征分析，設(shè)置熱棒的塔基樁體回凍所需的時間僅為未設(shè)置熱棒的60%～70%。

圖4 樁側(cè)地表以下6 m深度處溫度曲線

圖5 樁側(cè)地表以下10 m深度處溫度曲線

3.2 熱棒降溫效果分析

評價熱棒對于電力塔基鉆孔灌注樁的降溫效果，至少需要澆筑完成經(jīng)歷一個凍融循環(huán)。根據(jù)氣溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，該地區(qū)最低月平均氣溫出現(xiàn)在每年的1月，最高月平均氣溫出現(xiàn)在每年的8月，考慮到地溫相對于氣溫有明顯的滯后性，故選擇2月1號與9月1號的地溫?cái)?shù)據(jù)分析熱棒的降溫效果。由圖6可見，熱棒正常運(yùn)營1 a，設(shè)置熱棒塔基的樁壁溫度均比未設(shè)置熱棒的塔基樁壁溫度低，最大相差0.37 ℃，最小相差0.12 ℃，降溫效果較好，隨著時間的持續(xù)，溫度的差異將愈來愈明顯。由圖7可知，設(shè)置熱棒塔基的樁壁溫度與未設(shè)置熱棒的塔基樁壁溫度相比，最大差距僅為0.1℃，這與熱棒的工作原理有極大的關(guān)系：熱棒是單向?qū)嵩?，只有?dāng)熱棒下部環(huán)境溫度高于上部環(huán)境溫度時，管內(nèi)工質(zhì)才可以蒸發(fā)-冷凝循環(huán)，達(dá)到降溫的效果。暖季氣溫較高，熱棒停止工作無法起到降溫效果，此時設(shè)置熱棒的塔基與未設(shè)置熱棒的塔基樁壁的溫度差異是因?yàn)楹緹岚艄ぷ鲿r傳入樁周土體存儲冷量的原因。

圖6 寒季設(shè)置熱棒與未設(shè)置熱棒樁壁溫度柱狀圖

圖7 暖季設(shè)置熱棒與未設(shè)置熱棒樁壁溫度柱狀圖

3.3 凍土上限變化分析

凍土上限是指多年凍土區(qū)地表以下某一深度位置最高溫度為0 ℃，該深度是暖季凍土融化達(dá)到的最大深度，以該位置為分界線，其深度以上凍土暖季融化寒季凍結(jié)，以下終年處于凍結(jié)狀態(tài)[12]。凍土上限受環(huán)境溫度、降水及其形態(tài)和地基土的類型、構(gòu)造與含水量等多種因素的影響。凍土上限以上季節(jié)性活動層熱穩(wěn)定性差，工程性質(zhì)差異大[13]，因此，研究凍土上限的變化對電力塔基承載力的影響具有重要意義。

受時間限制，僅以熱棒服役一年的地溫?cái)?shù)據(jù)研究分析其對凍土上限變化的影響具有局限性，但監(jiān)測收集到的地溫?cái)?shù)據(jù)已經(jīng)能夠較好地體現(xiàn)出設(shè)置熱棒的塔基與未設(shè)置的熱棒塔基凍土上限之間的差異，試驗(yàn)結(jié)果表明熱棒對降低凍土溫度、增加地基的冷量儲存具有顯著的效果。圖8為該地區(qū)凍土暖季達(dá)到最大融化深度時各測溫孔的凍土上限所在位置。

由圖8可知，設(shè)置熱棒的塔基周圍布設(shè)的測溫孔CW1、CW2和CW3凍土上限分別為地表以下2.32 m、2.33 m及2.35 m，未設(shè)置熱棒的塔基周圍布設(shè)的測溫孔CW4、CW5和CW6凍土上限分別為2.46 m、2.44 m及2.42 m，天然測溫孔TR的凍土上限為地表以下2.40m。由此可見，設(shè)置熱棒的塔基相比較未設(shè)置熱棒的塔基，凍土上限最大0.14 m；與天然孔相比凍土上限也提升了0.08 m，說明熱棒的降溫效果是比較理想的。未設(shè)置熱棒的塔基樁壁、樁側(cè)0.5 m及樁側(cè)1.0 m的凍土上限變化規(guī)律與設(shè)置熱棒的塔基正好相反，分析原因是電力塔基鉆孔灌注樁水化熱對樁周凍土的熱擾動，隨著距離的增加逐漸減小，但無外界冷量主動輸入進(jìn)行補(bǔ)給，僅依靠周圍凍土的環(huán)境溫度平衡，導(dǎo)致樁壁位置凍土上限深度低于樁側(cè)位置。

圖8 各測溫孔凍土上限位置柱狀圖

4 結(jié)論

根據(jù)在多年凍土區(qū)電力塔基熱棒的應(yīng)用效果現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)合地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）熱棒對于多年凍土區(qū)電力塔基鉆孔灌注樁的樁體回凍具有較好的加速效果，設(shè)置熱棒的塔基樁體回凍所需的時間僅為未設(shè)置熱棒的60%～70%，可以節(jié)約近三分之一的時間，對于自然環(huán)境惡劣，工期要求嚴(yán)格的高原多年凍土地區(qū)工程建設(shè)意義重大。

（2）熱棒在寒季對電力塔基的降溫及增加冷儲量效果顯著，有無設(shè)置熱棒的樁壁溫度相差最大可達(dá)0.37 ℃。

（3）熱棒對于多年凍土區(qū)凍土上限的影響明顯，與天然上限和未設(shè)置熱棒的塔基位置凍土上限相比，分別抬升了0.08 m和0.14 m。

（4）通過進(jìn)行有無設(shè)置熱棒的對比試驗(yàn)及地溫監(jiān)測，證實(shí)了熱棒在多年凍土區(qū)電力塔基等建筑工程具有良好的降溫效果，但是受地基土的類型、凍土分布情況及初始地溫的影響，熱棒的降溫效果存在不確定性，需要進(jìn)行更加深入的研究。