通風(fēng)管降溫技術(shù)在輸電線路凍土區(qū)應(yīng)用研究

張 媛，劉 慧，馮宗鑫

(1. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075；2. 西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著我國(guó)西部大開發(fā)的逐步實(shí)施，青海、西藏等西部高寒地區(qū)的輸電線路工程建設(shè)項(xiàng)目增加，有些輸電線路經(jīng)過(guò)凍土地區(qū)，由于凍土自身較差的熱穩(wěn)定性、高比重的含冰量、較敏感的氣候變暖反應(yīng)及劇烈的水熱活動(dòng)性[1]，對(duì)經(jīng)過(guò)路徑的優(yōu)化、塔基位置選取、基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)施工及運(yùn)行等方面帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。凍脹融沉、凍拔、不良凍土等凍融災(zāi)害問(wèn)題對(duì)輸電線路桿塔地基穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響[2]，凍脹、融沉作用等引發(fā)的輸電線路工程凍害造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，凍土區(qū)輸電線路桿塔地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及凍害機(jī)理分析將成為寒區(qū)輸電線路工程研究的重點(diǎn)問(wèn)題。本文提出將通風(fēng)管這一主動(dòng)降溫措施引入到輸電線路工程中，對(duì)輸電線路桿塔地基降溫效果進(jìn)行研究。

1 研究現(xiàn)狀

我國(guó)針對(duì)電力桿塔基礎(chǔ)性凍害問(wèn)題進(jìn)行了許多探討研究[3-7]，指出通過(guò)輸電線路選線、塔基類型的合理確定，防凍脹、防融沉措施的合理選用能夠很好地避免或減少凍融災(zāi)害。目前，在高原凍土區(qū)輸電線路塔基中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)型式主要有：裝配式基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、錐柱基礎(chǔ)和掏挖式樁基礎(chǔ)等[8]。其中，裝配式基礎(chǔ)解決了凍土地區(qū)無(wú)法在冬季澆筑混凝土的難題，避免了水泥水化熱造成的凍土融化，大幅提高工作效率，但是裝配式基礎(chǔ)對(duì)場(chǎng)地的要求比較高，無(wú)法在交通不便的地方使用，另外運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的費(fèi)用是不容忽視的[9]；鉆孔灌注樁基礎(chǔ)深度較大，一般使用旋挖機(jī)輔助成孔，成樁后承載能力高，抗凍能力強(qiáng)，是凍土地區(qū)輸電線塔基最常用的基礎(chǔ)型式[10]；錐柱基礎(chǔ)由挖掘機(jī)進(jìn)行基坑開挖，其截面的優(yōu)勢(shì)可以減小凍脹作用對(duì)基礎(chǔ)側(cè)面產(chǎn)生的切向凍脹力，承載能力高[11]。

凍土地區(qū)基礎(chǔ)在凍脹、融沉過(guò)程中容易造成拔起破壞或不均勻下沉，導(dǎo)致基礎(chǔ)功能失效。在基礎(chǔ)選型設(shè)計(jì)中，除了選用抗凍拔性能良好的基礎(chǔ)型式外，對(duì)易發(fā)生凍脹、融沉的塔位基礎(chǔ)還要采取其它的防護(hù)措施才能保證基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。熱棒是當(dāng)前較有效的凍土地基防融沉措施之一，如圖1所示。熱棒降溫雖然可以保持樁基礎(chǔ)周圍凍土熱穩(wěn)定性，但是帶來(lái)了不均勻沉降和擠壓塔基周圍土體等問(wèn)題，且熱棒造價(jià)較高，制冷液體每隔一段時(shí)間需要更換，對(duì)寒區(qū)工程環(huán)境影響大，不利于達(dá)到綠色、節(jié)能的環(huán)保要求。

圖1 熱棒防融沉措施

通風(fēng)管結(jié)構(gòu)作為一種主動(dòng)降溫措施，廣泛應(yīng)用于在寒區(qū)橋梁、鐵路等工程建設(shè)中(如圖2)。通風(fēng)管通過(guò)低溫空氣在通風(fēng)空間中的移動(dòng)，將周邊建筑物及土體中的熱量帶走，從而達(dá)到保護(hù)原天然凍土或使其上限略有上升的目的。為了更好地保證路基的穩(wěn)定性，透壁式通風(fēng)管、透壁式通風(fēng)管—塊石組合路基、加裝采風(fēng)口的通風(fēng)管以及通風(fēng)管和保溫材料組合路基、通風(fēng)管和拋碎石組合路基等先后出現(xiàn)[12-15]。Lai[16]等發(fā)現(xiàn)通風(fēng)管存在可以降低寒區(qū)公路路基的溫度，可以保證路基溫度在-1 ℃。Zhang[17]等分析了風(fēng)對(duì)通風(fēng)管降溫效果的影響，對(duì)比了通風(fēng)管中軸線和管壁溫度的變化以及通風(fēng)管徑向風(fēng)速的變化，同時(shí)驗(yàn)證了通風(fēng)管良好的降溫效果。以上研究成果表明通風(fēng)管在寒區(qū)工程建設(shè)中有良好的降溫效果。

圖2 通風(fēng)管防融沉措施

2 通風(fēng)管工作原理

2.1 通風(fēng)管內(nèi)自然對(duì)流機(jī)理

當(dāng)空氣溫度較通風(fēng)管內(nèi)空氣溫度低時(shí)，通風(fēng)管內(nèi)的空氣溫度高，密度小，在浮力作用下上升而產(chǎn)生自然對(duì)流來(lái)降低或維持路基體的溫度。空氣在桿塔地基中流動(dòng)，熱空氣上升換熱方式為自然對(duì)流，而UPVC管密封性好，管內(nèi)熱空氣積聚在桿塔基礎(chǔ)中心，自然對(duì)流停止；當(dāng)空氣溫度較通風(fēng)管內(nèi)空氣溫度高時(shí)，通風(fēng)管內(nèi)的空氣密度大于外界，對(duì)于通風(fēng)管中間高兩端低的埋設(shè)方式而言，空氣下沉，通風(fēng)管內(nèi)的冷空氣將沿管壁溢出，發(fā)生的自然對(duì)流不利于地基冷空氣留存。

2.2 通風(fēng)管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流機(jī)理

對(duì)于強(qiáng)迫對(duì)流，不同長(zhǎng)徑比通風(fēng)管的情況不一樣。由于空氣在流動(dòng)過(guò)程中受到管內(nèi)壁粗糙度、雷諾數(shù)及彎管等的影響其風(fēng)壓將沿程降低。為了保證空氣以一定的初速度穿越通風(fēng)管時(shí)，其前提條件是空氣流的初始風(fēng)壓必須大于空氣流穿越通風(fēng)管時(shí)所損失的風(fēng)壓。

為了計(jì)算空氣流穿越通風(fēng)管的沿程損失系數(shù)，必須弄清空氣在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，即層流或紊流。層流和紊流以臨界速度為分界點(diǎn)，低于臨界速度時(shí)空氣流過(guò)通風(fēng)管的方式為層流，高于臨界速度時(shí)即為紊流。臨界速度值取決于流體物性與流道的形狀和大小。層流和紊流因物理機(jī)制的不同，反映出不同的熱轉(zhuǎn)移規(guī)律。層流時(shí)，沿壁面法向方向的熱量轉(zhuǎn)移依靠導(dǎo)熱；紊流時(shí)，最貼近壁面的一薄層具有層流性質(zhì)，在這薄層之外，熱量的轉(zhuǎn)移除依靠導(dǎo)熱機(jī)理外還同時(shí)依靠紊流擾動(dòng)的對(duì)流機(jī)理。

在一般工程管道里能保持層流流動(dòng)的臨界雷諾準(zhǔn)則數(shù)Re為2 300。在0 ℃氣溫條件下，空氣的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)γ為2.30×10-5m2/s。

對(duì)于內(nèi)徑為d的通風(fēng)管，其臨界速度Vlj為：

在高原地區(qū)通風(fēng)管內(nèi)層流與紊流分界的臨界速度非常小，空氣流幾乎不可能以層流方式流動(dòng)，因此，研究通風(fēng)管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流的空氣熱交換問(wèn)題時(shí)按紊流考慮。

當(dāng)空氣以一定的速度v穿越通風(fēng)管時(shí)交換的熱量Q可用下式表示：

式中：ρ為空氣密度；v為空氣速度；Cp為干空氣的熱容量；Δt為溫差絕對(duì)值。

2.3 通風(fēng)管強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的合理長(zhǎng)徑比

風(fēng)力強(qiáng)度W與風(fēng)速的關(guān)系表示為：

式中：γ1為空氣容重，N/m3；g為重力加速度，

m/s2。

當(dāng)空氣以強(qiáng)迫對(duì)流方式通過(guò)通風(fēng)管時(shí)管內(nèi)的沿程降壓差Δp表示為：

式中：ρ為空氣密度；f為摩擦系數(shù)，與雷諾數(shù)Re、管內(nèi)壁粗糙度Δ及通風(fēng)管的直徑D有關(guān)；D為通風(fēng)管直徑；l為通風(fēng)管的長(zhǎng)度；v為管截面的平均速度。

當(dāng)W＞ Δp時(shí)，空氣才能在一定動(dòng)力的驅(qū)使下穿過(guò)通風(fēng)管，即發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流，因此：

根據(jù)式(6)可以看出，通風(fēng)管內(nèi)發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流的長(zhǎng)徑比條件只與通風(fēng)管內(nèi)壁的摩擦系數(shù)有關(guān)。在青海地區(qū)，空氣的平均速度v= 5 m/s，通風(fēng)管直徑按D= 0.4 m進(jìn)行計(jì)算，得到Re=8.7×104，混凝土管內(nèi)壁的粗糙度Δ= 3 mm，查莫迪圖得到f= 0.04，代入式(6)得到：l D≤40

綜合考慮計(jì)算誤差及一定的安全系數(shù)情況下，建議在設(shè)計(jì)中通風(fēng)管強(qiáng)迫對(duì)流的合理長(zhǎng)徑比為

3 通風(fēng)管與地基的傳熱特征

通風(fēng)管的內(nèi)、外徑分別為d1、d2。假定通風(fēng)管的內(nèi)表面和外表面分別維持均勻不變的溫度t1和t2。假定忽略軸向?qū)?，且溫度僅沿半徑方向發(fā)生變化，溫度場(chǎng)僅沿半徑R方向而變，材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ為常量。根據(jù)導(dǎo)熱的基本定律[18]：

分離變數(shù)后，積分得到：

把邊界條件代入，求得熱量Q的計(jì)算式：

由式(9)可以看出，每小時(shí)通過(guò)通風(fēng)管的熱量與導(dǎo)熱系數(shù)λ管長(zhǎng)l和溫差(t1-t2)成正比，與內(nèi)外徑比值的自然對(duì)數(shù)成反比。

桿塔地基土體與基礎(chǔ)底面之間的傳熱方式主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，遵循傅里葉定律和能量守恒定律。傅里葉定律表達(dá)式為：

在溫度降低方向的能流q與橫截面積A和溫度梯度ΔT/Δx成正比例。

按照能量守恒定律，單元土體在任一時(shí)間間隔內(nèi)滿足以下熱平衡關(guān)系：導(dǎo)入微元體的總熱流量＋微元體內(nèi)熱源的生成熱＝導(dǎo)出微元體的總熱流量＋微元體熱力學(xué)能(內(nèi)能)的增量。

根據(jù)上述兩個(gè)定律推導(dǎo)得到三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，表示為：

式(11)可以簡(jiǎn)化為：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；x、y、z為空間坐標(biāo)；a為導(dǎo)溫系數(shù)a=λ/(ρc)；τ為時(shí)間坐標(biāo)；ρ為土體的密度；c為土體的比熱；L為水分相變的潛熱。

4 通風(fēng)管降溫效果數(shù)值分析

4.1 工程概況

本文選取青海瑪多至玉樹330 kV輸電線路工程作為工程實(shí)例。該線路位于青藏高原東南部，沿線海拔在3 600～5 000 m之間，全線有652個(gè)塔基位于多年凍土區(qū)，其中，70%的塔基是預(yù)制淺埋基礎(chǔ)，深度范圍為3.7～6.0 m。由于輸電線路塔基結(jié)構(gòu)的特殊性，地基受凍土凍脹融沉影響大，對(duì)淺埋塔基的穩(wěn)定性造成很大的威脅。高溫凍土的融化會(huì)造成顯著的不均勻沉降現(xiàn)象，再加上全球變暖的影響，使得維持輸電線塔基的熱穩(wěn)定性變得更加復(fù)雜。

本工程經(jīng)過(guò)地區(qū)地處青藏高原三江源地區(qū)腹地，氣候嚴(yán)寒，自然條件惡劣。沿線地區(qū)年平均氣溫在-4.8～1.4 ℃，極端最低氣溫-42.7～-30.0 ℃。線路所經(jīng)區(qū)域位于青藏高原中部，因受到高層大氣環(huán)流的影響，該區(qū)多年盛行西風(fēng)，由于地處高原腹地，多年平均風(fēng)速為1.0～3.2 m/s，年最大風(fēng)速為21～30 m/s，年大風(fēng)日數(shù)為26.9～71.9 d；沿線地區(qū)地處青藏高原季節(jié)凍土和多年凍土發(fā)育地帶，氣象站最大凍土深度為2.77 m。

4.2 通風(fēng)管桿塔地基降溫效果數(shù)值分析

運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行通風(fēng)降溫效果模擬，詳細(xì)模擬塔基周圍布置通風(fēng)管和未布置通風(fēng)管兩種方案桿塔地基溫度場(chǎng)分布，計(jì)算模型如圖3所示。假設(shè)空氣是不可壓縮的，且具有穩(wěn)定的物理性質(zhì)。土體在凍脹和融沉過(guò)程中的對(duì)流換熱和質(zhì)量傳遞遠(yuǎn)小于熱傳導(dǎo)的效率，因此，只考慮熱傳導(dǎo)。通風(fēng)管通過(guò)伸出地面的管道將外界空氣引入塔基周圍土體內(nèi)部，形成一個(gè)氣體循環(huán)的通風(fēng)管管道，對(duì)通風(fēng)管伸出地面的結(jié)構(gòu)和管壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，且不考慮地面的輻射熱。

圖3 通風(fēng)管降溫措施計(jì)算模型

模型大小為20 m×30 m×30 m，地基土巖性從上到下分別為回填土、粉質(zhì)粘土和粉土。桿塔基礎(chǔ)型式為錐柱式，其全高為4.7 m，熱物理參數(shù)見表1所列。地表初始溫度為-1.8 ℃，樁基表面溫度與地表溫度相同，空氣溫度為-4 ℃，風(fēng)速為2.7 m/s。

表1 地基土和混凝土的熱物理參數(shù)

底層土體的熱流密度為0.06 W/m2，模型四周定為絕熱層，底層土體網(wǎng)格模型如圖4所示。沿塔基中心線地基溫度場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 底層土體數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型

圖5 地基溫度場(chǎng)分布規(guī)律

圖6 塔基中心線地基溫度分布

通過(guò)圖5和圖6可以看出，通風(fēng)管改變了桿塔地基的溫度分布規(guī)律，在桿塔地基中埋入通風(fēng)管增加了地基土體與空氣的接觸面，同一高度處的土體溫度得到了降低0.2～0.4 ℃，對(duì)保護(hù)多年凍土起到積極作用，有效地降低了由于多年凍土融沉及季節(jié)融化層的凍融對(duì)多年凍土區(qū)塔基的危害。通過(guò)對(duì)比通風(fēng)管內(nèi)的年平均溫度和風(fēng)道內(nèi)壁及軸線上的溫度，驗(yàn)證了通風(fēng)管塔基的降溫效果。

5 結(jié)論

本文提出了將通風(fēng)管降溫措施應(yīng)用到凍土地區(qū)輸電線路工程中，通過(guò)分析通風(fēng)管內(nèi)空氣與大氣熱量交換的物理過(guò)程，對(duì)通風(fēng)管與輸電線路桿塔地基土體的傳熱物理特征進(jìn)行研究，推導(dǎo)了通風(fēng)管強(qiáng)迫對(duì)流的合理長(zhǎng)徑比。結(jié)合青海工程實(shí)際環(huán)境，進(jìn)行了通風(fēng)管降溫效果的有限元分析，主要結(jié)論如下：

1)在桿塔基礎(chǔ)周邊埋入通風(fēng)管增加地基與空氣的接觸面，對(duì)地基通風(fēng)管內(nèi)紊流空氣與地面空氣熱交換機(jī)理進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出通風(fēng)管強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的合理長(zhǎng)徑比

2)空氣在通風(fēng)管內(nèi)的流動(dòng)以湍流換熱方式消耗了輸電線路桿塔地基中存在的熱量，減少了基礎(chǔ)熱量的下傳，能夠有效地降低地溫，可以使桿塔基礎(chǔ)以下多年凍土維持凍結(jié)狀態(tài)，是凍土地區(qū)基礎(chǔ)融沉的良好防治措施。

3)通風(fēng)管與基礎(chǔ)的傳熱效果主要取決于通風(fēng)管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而基礎(chǔ)與地基土的傳熱效果主要取決于土體的導(dǎo)溫系數(shù)等。

4)通風(fēng)管改變了桿塔地基的溫度分布規(guī)律，在地基中埋入通風(fēng)管增加了地基土體與空氣的接觸面，同一高度處的土體溫度得到了降低0.2～0.4 ℃，對(duì)保護(hù)多年凍土起到積極作用，有效降低了多年凍土融沉及季節(jié)融化層凍融帶來(lái)的塔基危害。