鄭 波, 鄭金龍, 蔚艷慶, 吳 劍

(1. 中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731； 2. 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，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，給交通帶來嚴重危害。對高海拔地區(qū)路面積雪結(jié)冰問題，以往常采用撒融雪劑、鹽、沙子及人工或機械鏟除等除雪方法[1,2]，這些方法缺點明顯、效果不佳。近年來，采用發(fā)熱電纜作為融雪除冰新技術得到了越來越多的關注[3-6]，但采用電能方式解決路面積雪暗冰，能耗大，運行成本高。目前，又出現(xiàn)了一些新型的融雪方法，如采用太陽能法[2]、地熱能法[7]等。

雀兒山隧道地處青藏高原向四川盆地的過渡地帶，受地質(zhì)構(gòu)造影響，區(qū)域地熱十分發(fā)育，隧道出口附近海拔4 300 ～ 4 600 m一帶有溫泉群出露，淺層地熱能資源較為豐富[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，既能達到自然資源的可持續(xù)利用，又能夠保證冬季行車安全。

筆者通過在混凝土面板中鋪設熱水管道的試驗段，對利用溫泉熱能消除冬季路面積雪的技術方案進行探索性研究，為利用溫泉熱能解決高海拔地區(qū)路面積雪暗冰問題提供技術支持。

1 模型試驗段概況

1.1 場地特征

試驗段區(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19.5 d，日最大風速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 試驗概況

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

圖1 試驗段Fig. 1 Test site

試驗段總長24 m，寬4.5 m。熱水管道材質(zhì)選擇DN20 PVC管和DN15鋼管兩種，試驗段長均為12 m；分3幅布置，每幅長度4 m；均可獨立進出水，PVC材質(zhì)熱水管道管間距24 cm，鋼材熱水管道管間距40 cm?；炷撩姘搴穸?0 cm，熱水管道在混凝土面板中埋深15 ～18 cm，試驗段管道布置如圖2。通過水管將溫泉熱水從溫泉出露點接至試驗段處，水管外采用保溫棉保溫。

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

1.3 測試方案

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

采用MRDT603數(shù)據(jù)采集儀自動采集溫度數(shù)據(jù)。采樣頻率為試驗時每小時采集1次，其余時刻每2 h采集1次。

1.4 工作原理

混凝土面板中鋪設熱水管道的融雪化冰基本原理是：溫泉熱水通過鋪設在路面下的管道，在對流傳熱、熱傳導的作用下，管道周圍混凝土溫度上升，隨之路面溫度也會升高，達到加熱路面目的。路面上的積雪吸收熱量，冰雪開始融化，在熱水管道持續(xù)供熱的過程中，路面冰雪會不斷融化，融水不斷排到道路兩側(cè)，同時伴隨水分不斷蒸發(fā)，直至路面無積雪和融水，從而保持路面干燥，確保了行車安全。

1.5 試驗段施工

試驗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，埋設用于安裝溫度測點的鋼管；

3)采用隧道內(nèi)的出碴和中細砂對試驗段進行鋪底；

4)將鋪設好的底層整平，根據(jù)設計高度安裝模板；

5)澆筑底層混凝土，用振搗棒搗實混凝土；

6)鋪設預制好的PVC管、鋼管管道系統(tǒng)，如圖3；

7)澆筑表層混凝土，用振搗棒搗實混凝土；

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

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

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗過程及現(xiàn)象

2015年12月23日開始進行路面融雪化冰試驗。通水前，試驗段混凝土面板上覆冰雪層厚度約為1.5～3.5 cm，靠墻側(cè)冰雪層相對較厚。試驗過程中，通過PVC管系統(tǒng)的溫泉水流速約為0.147 L/s時，進水口處水溫范圍為24～33℃，出水口處水溫范圍為10～21 ℃；通過鋼管系統(tǒng)的溫泉水流速約為0.152 L/s時，進水口處水溫范圍為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)通水試驗時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，對于PVC管系統(tǒng)，通水24 h后在管道埋深相對較小的路面冰雪層開始融化，而在管道埋深相對較大的區(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。對于鋼管系統(tǒng)，通水20 h后在管道埋深相對較小的路面冰雪層開始融化，而在管道埋深相對較大的區(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。對比兩種系統(tǒng)試驗結(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，鋼管試驗段路面冰雪層完全融化耗時只是PVC管試驗段的1/2，可以說鋼管系統(tǒng)融化效率比PVC管系統(tǒng)高1倍。另外，試驗過程中鋼管路基試驗段經(jīng)歷了數(shù)次大雪天氣考驗，最大下雪量達12 cm，路面無積雪，全部融化，工程效果可靠，該系統(tǒng)可以有效應對冬季降雪，能及時消除路面積雪防止暗冰產(chǎn)生，可以工程中應用。

2.2 路基內(nèi)溫度變化規(guī)律

2.2.1 自然條件下

圖4為自然條件下沒有通溫泉熱水時，試驗段路基內(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：試驗過程中，整個試驗段地表溫度測點的溫度范圍為-3.9～-19.2 ℃，路面下1 cm處測點溫度范圍為-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)境對地溫影響越小，當深度達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管和鋼管試驗段

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

管道系統(tǒng)通溫泉水加熱路面過程中，鋼管試驗段比PVC管試驗段的路面溫度升溫速率快，而試驗時進入管道的溫泉水溫度基本相同，可見通水管道材質(zhì)對路面融雪化冰時的加熱效果影響顯著。

圖5 PVC管、鋼管試驗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為試驗段通水不同時長、不同路基深度處的溫度情況。通水前地表溫度，鋼管試驗段為-12.3 ℃，PVC管試驗段為-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，總體來說，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，國內(nèi)外學者對原油輸送過程中流體管道的溫降有較系統(tǒng)的研究[11-13]，混凝土中鋪設熱水管道消除路面積雪的溫降與其類似。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，但有必要對其進行可靠性驗證和修正。

原油輸送過程中，對距離不長、管徑小、流速較低、溫降較大的管道，在摩擦熱對沿程溫降影響不大或概略計算溫降時，通常忽略摩擦熱的作用，用蘇霍夫公式(1)來計算管道溫降：

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

(1)

(2)

式中：TL為距起點L處的溫度，℃；T0為管道周圍土壤溫度，℃；TR為管道起點溫度，℃；a為參數(shù)，無量綱；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，文中以實際流速計算；c為流體比熱，c=4 200 J/(kg·℃)。

試驗段分別采用PVC管及鋼管兩種材質(zhì)的管道進行輸水傳送熱量，顯然其輸水過程中的溫降會受到材質(zhì)的影響。因此，為體現(xiàn)不同材質(zhì)對管道溫降的影響，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管試驗段和鋼管試驗段進水端和出水端埋設溫度測點。同時，在無影響區(qū)域埋設參照點，以獲得試驗時混凝土路基內(nèi)的實際溫度。試驗時PVC管總長約94 m，管道內(nèi)溫降約12～14℃，鋼管總長約35 m，管道內(nèi)溫降9.5～13.5 ℃。

通過對試驗數(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為采用修正公式計算的溫降與實測溫降。

由圖6(a)可以看出，經(jīng)過94 m PVC管的熱水實測溫降值與修正的蘇霍夫公式(βPVC管=0.9)計算值吻合較好，計算誤差基本保持在5%內(nèi)。從測試與計算結(jié)果來看，94 m PVC管實測溫降范圍為4.0～7.0 ℃，修正的蘇霍夫公式溫降計算值范圍為4.3～6.0 ℃，對于混凝土面板中鋪設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35 m鋼管的熱水溫降實測值與修正蘇霍夫公式(β鋼管=1.8)計算值相差較大，但隨著時間的延長，通過鋼管熱水的溫降測試值與計算值吻合越好，計算誤差基本保持在5%內(nèi)。從測試與計算結(jié)果來看，35 m鋼管實測溫降值范圍為2.9～7.2 ℃，修正的蘇霍夫公式溫降計算值范圍為2.9～5.4 ℃，對于混凝土面板中鋪設鋼管熱水系統(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測值與計算值Fig. 6 Measured and calculated values of fluid temperature dropof PVC pipe and steel pipe

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

3 結(jié) 論

筆者建立試驗段，開展了利用溫泉熱水分別通過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)場試驗，得出以下主要結(jié)論：

1)鋼管試驗段比PVC管試驗段段升溫快；從完全融化耗時來看，鋼管試驗段只用了PVC管試驗段的一半時間；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計算流體管道溫降?，F(xiàn)場試驗表明，計算結(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，是提高高海拔地區(qū)道路通行安全性與運營能力的新方法，可以推廣應用。