王映梅，王 興

（1.甘肅建筑職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730050；2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070；3.青海省凍土與環(huán)境工程重點實驗室，青海 格爾木 816000）

多年凍土區(qū)因工程建設引起凍土融化導致構筑物運營及安全使用問題一直是科研人員關注的重點[1-4]。俞祁浩等[5]就青藏直流聯網工程建設中可能遇到的凍土問題進行了系統(tǒng)的分析研究。李永強等[6]在青藏高原風火山關于熱棒對路基的降溫效果進行了深入的研究。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行了數值模擬分析研究。金龍等[8]通過建立空氣-熱棒-凍土地基數值計算模型，研究了不同熱棒型式對路基的降溫效果。李鈺等[9]通過數值計算方法及預測模型對多年凍土區(qū)公路路基熱棒的降溫效果進行了監(jiān)測與分析研究，結果表明熱棒可以有效降低凍土地溫及抬升凍土上限。吳金權等[10]在東北高緯度島狀凍土區(qū)根牙公路進行了L型熱棒實體試驗研究，確定了熱棒合理的埋設間距。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及參數易于獲取的熱棒計算方法。

本試驗通過對電力塔基澆筑完成后進行為期1 a的試驗監(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)電力塔基的應用效果。

1 工程概況

青海至西藏直流聯網工程起點為格爾木，終點至拉薩，是連接青海、西藏經濟區(qū)沿線各城市的電力通道，也是我國西北電力網的重要組成部分，對該地區(qū)的經濟發(fā)展具有重要意義。

該工程建設難度大，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)工程建設及運營過程中遇到的凍土問題，本研究著重關注解決凍土融化導致的塔基沉降變形和電力塔基樁周凍土的保護。

2 樁基現場試驗

2.1 工程地質情況

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

圖1 塔基工程地質柱狀圖（單位：m）

2.2 測試元件布設

熱棒是一種單向傳熱的裝置，通過工質的循環(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)測通過測溫孔實現，測溫傳感器采用的新型半導體元件—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：不大于5 s，均滿足試驗要求。根據試驗需要，分別在樁壁、距離樁壁0.5 m和1.0 m設置測溫孔，另外距離塔基20 m處設置天然測溫孔（編號TR）。測溫線測點間距1.0 m，監(jiān)測元件布設示意如圖3所示。

圖3 監(jiān)測元件布設示意圖

3 試驗結果分析

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據。受不同位置凍土類型及含冰量分布不均的影響，各測點初始溫度略有差異。以未設置熱棒和設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內呈先增大后減小的趨勢，這是因為在樁體完成澆筑后混凝土中的活性礦物成分發(fā)生劇烈的化學反應，同時放出大量的水化熱，從而導致樁周土體溫度急劇升高。隨著時間的推移，化學反應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處設置熱棒和未設置熱棒的塔基溫度變化特征差異明顯：設置熱棒的塔基樁壁6.0 m處的溫度第18天降為負溫，這表明樁周凍土已經完成回凍；此時未設置熱棒的塔基樁壁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天測得該點溫度為-0.1 ℃，樁周凍土完成回凍；由此可見，設置熱棒的塔基樁體回凍僅約為未設置熱棒的70%，節(jié)約了30%的時間。由圖5分析10.0 m處設置熱棒和未設置熱棒的塔基樁周凍土回凍時間：設置熱棒的塔基第14天第1次出現負溫并保持在0 ℃以下；未設置熱棒的塔基直至第21天才第1次出現負溫，樁周土體此時才完成回凍；設置熱棒的塔基樁體回凍僅為未設置熱棒的66%。根據樁體不同位置的溫度變化特征分析，設置熱棒的塔基樁體回凍所需的時間僅為未設置熱棒的60%～70%。

圖4 樁側地表以下6 m深度處溫度曲線

圖5 樁側地表以下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歷一個凍融循環(huán)。根據氣溫監(jiān)測數據，該地區(qū)最低月平均氣溫出現在每年的1月，最高月平均氣溫出現在每年的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號的地溫數據分析熱棒的降溫效果。由圖6可見，熱棒正常運營1 a，設置熱棒塔基的樁壁溫度均比未設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，設置熱棒塔基的樁壁溫度與未設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系：熱棒是單向導熱元件，只有當熱棒下部環(huán)境溫度高于上部環(huán)境溫度時，管內工質才可以蒸發(fā)-冷凝循環(huán)，達到降溫的效果。暖季氣溫較高，熱棒停止工作無法起到降溫效果，此時設置熱棒的塔基與未設置熱棒的塔基樁壁的溫度差異是因為寒季熱棒工作時傳入樁周土體存儲冷量的原因。

圖6 寒季設置熱棒與未設置熱棒樁壁溫度柱狀圖

圖7 暖季設置熱棒與未設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，以下終年處于凍結狀態(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數據研究分析其對凍土上限變化的影響具有局限性，但監(jiān)測收集到的地溫數據已經能夠較好地體現出設置熱棒的塔基與未設置的熱棒塔基凍土上限之間的差異，試驗結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，設置熱棒的塔基周圍布設的測溫孔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，未設置熱棒的塔基周圍布設的測溫孔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，設置熱棒的塔基相比較未設置熱棒的塔基，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。未設置熱棒的塔基樁壁、樁側0.5 m及樁側1.0 m的凍土上限變化規(guī)律與設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行補給，僅依靠周圍凍土的環(huán)境溫度平衡，導致樁壁位置凍土上限深度低于樁側位置。

圖8 各測溫孔凍土上限位置柱狀圖

4 結論

根據在多年凍土區(qū)電力塔基熱棒的應用效果現場試驗，結合地溫監(jiān)測數據分析，可以得到以下結論：

（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，設置熱棒的塔基樁體回凍所需的時間僅為未設置熱棒的60%～70%，可以節(jié)約近三分之一的時間，對于自然環(huán)境惡劣，工期要求嚴格的高原多年凍土地區(qū)工程建設意義重大。

（2）熱棒在寒季對電力塔基的降溫及增加冷儲量效果顯著，有無設置熱棒的樁壁溫度相差最大可達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）通過進行有無設置熱棒的對比試驗及地溫監(jiān)測，證實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，需要進行更加深入的研究。