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(xiàng)目的快速實(shí)施，研發(fā)高效、綠色、環(huán)保、主動(dòng)防護(hù)多年凍土熱穩(wěn)定技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。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(jiǎn)稱(chēng)“熱管”)、通風(fēng)管、碎石護(hù)坡、遮陽(yáng)板、旱橋等，由于其具有“主動(dòng)降溫、冷卻地基”等特性，對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng)度，可以有效解決凍土區(qū)隧道圍巖的凍融破壞問(wèn)題[4]。李永強(qiáng)等研究了管徑大小、蒸發(fā)段長(zhǎng)度、埋設(shè)方式等因素對(duì)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(duì)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(shì)，能夠更好地保護(hù)多年凍土[6]。樊凱等對(duì)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(jì)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(jì)和施工工藝[7]。馮振剛采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)對(duì)甲醇、甲苯、水等不同工質(zhì)的熱管對(duì)瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)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(duì)瀝青路面的降溫機(jī)理[8]。劉偉博等對(duì)熱管在多年凍土區(qū)機(jī)場(chǎng)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(shí)間和空間維度對(duì)多年凍土區(qū)公路工程熱管路基的能量調(diào)節(jié)過(guò)程及其效果進(jìn)行了分析[10]。侯彥東等對(duì)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(bǔ)強(qiáng)措施的路基溫度場(chǎng)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(duì)214線共和—玉樹(shù)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(chǎng)特征進(jìn)行了研究。梁恒祥等[14]對(duì)半導(dǎo)體熱管的可行性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。曹彥國(guó)等[15]對(duì)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?chē)諝猸h(huán)境中，工作時(shí)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(jiǎn)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(yùn)行，將對(duì)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(yáng)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(zhuān)利技術(shù)[18-19]，并在多年凍土區(qū)風(fēng)火山試驗(yàn)研究基地對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本文重點(diǎn)對(duì)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(chēng)熱棒、熱虹吸管等，是氣液兩相對(duì)流循環(huán)系統(tǒng)中熱傳輸效率很高的一種無(wú)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(diǎn)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(shí)，蒸發(fā)器中的液體工質(zhì)吸收周?chē)馏w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(guò)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(shí)，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(guò)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)，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(qiáng)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(yáng)能、風(fēng)能或電能給制冷機(jī)組提供動(dòng)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(bǔ)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(chǎng)試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

機(jī)械式制冷熱管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(cè)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(guò)。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(cè)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(lèi)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(yàn)場(chǎng)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(chǎng)布設(shè)及數(shù)據(jù)采集方式

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，共采用了2組機(jī)械式制冷熱管進(jìn)行平行對(duì)比，編號(hào)為NMCT-1和NMCT-2、天然地溫監(jiān)測(cè)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(cè)試元件，各測(cè)點(diǎn)沿深度方向的距離為0.5 m，總長(zhǎng)度為6.0 m，從地表至鉆孔底部共計(jì)13個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖3 風(fēng)火山試驗(yàn)場(chǎng)地試驗(yàn)裝置平面布置(單位：m)

溫度測(cè)試元器件各測(cè)點(diǎn)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(duì)比發(fā)現(xiàn)編號(hào)為NMCT-2的制冷裝置月均地溫略低于編號(hào)為NMCT-1的制冷裝置月均地溫，因此，采用編號(hào)為NMCT-2的制冷裝置月均地溫?cái)?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(chǎng)試驗(yàn)效果分析。

3 機(jī)械式制冷熱管試驗(yàn)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(gè)別月份變化趨勢(shì)比較零散，整體來(lái)看，活動(dòng)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(dòng)。

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(dòng)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(dòng)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(wú)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(dòng)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(duì)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(shuō)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(shuō)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(dòng)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。總體來(lái)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(duì)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(dòng)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(lái)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(duì)比分析

圖6 不同類(lèi)型熱管最低溫度對(duì)比曲線

為了進(jìn)一步對(duì)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(lái)，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(dòng)層的溫度約2.3 ℃，因此，機(jī)械式制冷熱管對(duì)多年凍土層和活動(dòng)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(duì)比分析

圖7為不同類(lèi)型熱管和天然地溫的積溫對(duì)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(jì)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(shuō)明，與普通熱管相比，機(jī)械式制冷熱管可充分發(fā)揮對(duì)多年凍土的制冷效果，增加多年凍土層和活動(dòng)層的冷儲(chǔ)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(lèi)型熱管和天然地溫的積溫對(duì)比曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)機(jī)械式制冷熱管在風(fēng)火山凍土定位觀測(cè)站的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)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(duì)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(bǔ)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(shí)帶走活動(dòng)層中的熱量，增加冷儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)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)。