0 引言

近年來，地埋電纜回填材料的熱物性成為電力工程和巖土工程交叉領(lǐng)域研究的熱點。國內(nèi)外不少學(xué)者圍繞回填材料的散熱性能、環(huán)境適應(yīng)性及經(jīng)濟性展開了系統(tǒng)性探究。

其中發(fā)達(dá)國家較早關(guān)注到了電纜回填材料的優(yōu)化設(shè)計，IEEE442-2017標(biāo)準(zhǔn)明確要求中壓地埋電纜回填材料熱阻率需低于 1.0Ω^°C?m/W ，并推薦使用改性材料，但其在長期穩(wěn)定性和濕度敏感性方面受到一定制約。國內(nèi)研究針對風(fēng)電場特殊工況，嘗試?yán)脵C制骨料作為回填材料，但其顆粒棱角易損傷電纜絕緣層，因而應(yīng)用受限。

天然砂雖熱阻率較低，但其開采會導(dǎo)致生態(tài)破壞，且運輸成本過高。此外，天然砂級配單調(diào)，長期運行后易板結(jié)，孔隙率下降會導(dǎo)致散熱性能下降。而砂巖風(fēng)化砂土（以下簡稱“風(fēng)化砂土\"作為區(qū)域性材料，兼具熱物性和力學(xué)性能優(yōu)勢，熱阻率與天然砂相當(dāng)甚至更低，含水率敏感性更低，且就地取材，無須再加工和改性，經(jīng)濟性、環(huán)保性顯著，具有替代天然砂作為地埋電纜回填材料的可行性。

但現(xiàn)有研究大多忽略了回填材料的熱濕耦合效應(yīng)，本次研究通過試驗檢測首次系統(tǒng)量化了風(fēng)化砂土的散熱性能，以期為地埋電纜工程提供低成本、高適配的解決方案，為電纜回填材料優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 熱阻檢測試驗

1.1 試驗材料介紹

地埋電纜回填材料需滿足多重工程需求：首先，材料需具備低熱阻率以保障電纜散熱效率；其次，需避免尖銳顆粒損傷電纜絕緣層；此外，材料應(yīng)兼具透水性、抗板結(jié)性及長期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

地埋電纜設(shè)計通常需要結(jié)合區(qū)域性材料的熱物特性和輸電需求，選擇經(jīng)濟合理的電纜類型和尺寸方案。原則上應(yīng)選取熱阻率較小的回填材料，以提高電纜載流量、減小截面尺寸、節(jié)約電纜成本，但必須進行適配性試驗和驗證。有關(guān)研究表明，土壤的熱阻率與含水率之間有較明顯的影響關(guān)系，因此本文針對風(fēng)化砂土材料研究其不同含水條件下的熱阻量化表現(xiàn)，以便在有關(guān)工程中應(yīng)用。

風(fēng)化砂土施工特性良好，易于開挖、轉(zhuǎn)運和鋪設(shè)施工，這使得其在回填工程中具有較高的實用性和可靠性；除了施工效率高外，風(fēng)化砂土還具有施工成本和維護費用較低的優(yōu)點。與其他回填材料相比，砂土易于獲取，經(jīng)濟效益良好。

1.1.1 砂土的物理分析

某山地風(fēng)電項目場區(qū)廣泛分布的風(fēng)化砂土外觀性狀如圖1所示，其主要由石英、長石及黏土礦物構(gòu)成，其礦物組分決定了材料的力學(xué)響應(yīng)特征[]。石英的高硬度與長石的次生蝕變產(chǎn)物共同作用，賦予材料適中的抗壓強度和抗風(fēng)化能力；顆粒形態(tài)存在一定的棱角狀，棱角狀顆粒間通過咬合效應(yīng)顯著提升其抗剪強度和內(nèi)摩擦角2；而黏土礦物的膠結(jié)作用使其具有一定的內(nèi)聚力[3]。

力學(xué)行為方面，風(fēng)化砂土屬低壓縮性材料。其應(yīng)力-應(yīng)變特征，符合Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則，在動態(tài)荷載下變形可控4。此外，其累積塑性應(yīng)變率低于 1% 1百次循環(huán)，表明其具備良好的抗疲勞性能，可有效抵抗地埋電纜熱循環(huán)引起的差異疲勞，適用于長期承受電纜熱膨脹應(yīng)力的工況，替代天然砂作為地埋電纜回填材料具有良好的可行性。

1.1.2 砂土的粒度分析

風(fēng)化砂土的粒度分析采用美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMD422-63：2007，將樣品烘干后進行，并針對篩孔直徑0.063mm 以上的篩余進行比重計分析，使用對數(shù)刻度來表示粒度，繪制粒度分布曲線，如圖2所示。

風(fēng)化砂土的物理力學(xué)特性及其熱濕耦合行為與其粒度分布特征存在顯著關(guān)聯(lián)?；贏STMD422-63標(biāo)準(zhǔn)，采用篩分法與比重計法聯(lián)合分析，材料粒度分布曲線呈現(xiàn)典型單峰特征，有效粒徑 D₁₀=0.15mm. 中值粒徑 D₅₀=0.35mm. 限定粒徑 D₆₀=0.63mm ，均勻系數(shù) C_u=4.2 ，曲率系數(shù) C_p=1.1 ，依據(jù)美國統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)（USCS）判定為級配不良中細(xì)砂。圖2中曲線的斜率平緩 （D₃₀=0.28mm） 表明，孔隙結(jié)構(gòu)以開放型為主，能形成高效滲流通道。此級配特性不僅抑制了毛細(xì)水上升高度，還通過減少細(xì)顆粒對孔隙的堵塞效應(yīng)，優(yōu)化了水分分布均勻性，為熱傳導(dǎo)路徑的連續(xù)性提供了結(jié)構(gòu)保障[3]。

圖2的粒度分布數(shù)據(jù)為解析材料熱阻特性提供了關(guān)鍵依據(jù)。級配不良特征 （C_u=4.2） 導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高連通性，使空氣與水界面分布均勻，顯著提升了導(dǎo)熱效率[5]。相較于天然砂，其較寬的均勻系數(shù)減少了細(xì)顆粒對孔隙的局部阻塞，避免了因板結(jié)導(dǎo)致的散熱不均問題。此外，低黏粒抑制了水膜結(jié)合對熱阻的增益效應(yīng)，因此其熱阻率對含水率波動的敏感性較低。而中細(xì)砂骨架在含水率波動時仍能維持孔隙率穩(wěn)定性，確保導(dǎo)熱路徑的完整性，表明其適用于濕度波動較大的工程環(huán)境。

自然含水率范圍 （2.4%～28%） 內(nèi)，風(fēng)化砂土材料熱阻率均低于 1.0Ω^°C?m/W （規(guī)范要求的閾值）[4]，且隨含水率增加呈對數(shù)下降趨勢，其機理可歸因于開放孔隙中水分形成的連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)格與棱角顆粒緊密堆積對空氣滯留空間的協(xié)同削減作用。

綜上所述，風(fēng)化砂土的級配特征（圖2）與組成成分共同決定了其低熱阻、高透水性及適度抗剪強度的綜合性能。粒度分布對孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，結(jié)合棱角顆粒的力學(xué)響應(yīng)機制，使其能夠在地埋電纜回填工程中實現(xiàn)散熱效率與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的均衡，為替代天然砂提供了多尺度理論依據(jù)。

1.2 試驗方法與設(shè)備

1.2.1 試驗方法

一般土壤的熱阻率測試方法主要包括穩(wěn)態(tài)球法和暫態(tài)法兩種。穩(wěn)態(tài)球法，作為傳統(tǒng)的測量方法，需要在地下埋設(shè)加熱球體，測定其達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的溫升，再依據(jù)鏡像原理計算土壤的熱阻率，但此方法耗時較長，操作相對復(fù)雜。暫態(tài)法，利用裝有加熱絲和測溫?zé)犭娕嫉奶结樈Y(jié)構(gòu)快速測量土壤熱阻率，通過保持加熱絲發(fā)熱功率不變并測量溫升，結(jié)合Fourier定律進行計算。該方法具有測量速度快、操作簡便快捷且準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，非常適用于野外和大量測量項目的應(yīng)用場景。

因此，本次試驗選用更加靈活、快捷的暫態(tài)法進行。試驗按照ASTMD5334-14規(guī)范進行，通過記錄和分析大量不同含水率條件下的實測熱阻率，根據(jù)離散點的規(guī)律進行回歸分析，得到熱阻率與含水率之間變化關(guān)系的回歸曲線與回歸方程，反映材料熱阻率對不同濕度的影響程度。

1.2.2 試驗設(shè)備

試驗使用THERMTESTTLS-100（暫態(tài)線源）熱導(dǎo)率儀，探頭由一根細(xì)加熱絲和溫度傳感器組成，密封在 100mm 或 50mm 鋼管中。傳感器完全插入待測樣品中，使用恒定電源將熱量傳遞給樣品，可直接讀取熱阻率和熱導(dǎo)率。該儀器適用于土壤、巖石、混凝土、聚合物等材料的熱阻率檢測。在使用前必須進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)和試驗過程應(yīng)遵循ASTMD5334-14和IEEE442-2017規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。試驗裝置如圖3所示。

2 熱阻率測量試驗結(jié)果

本研究基于ASTMD5334-14規(guī)范，采用THERM-TESTTLS-100熱導(dǎo)率儀對風(fēng)化砂土進行暫態(tài)法熱阻率測試，共完成10組不同自然含水率條件下的熱阻測試，每組重復(fù)3次，以保證數(shù)據(jù)的可靠性，如表1、圖4所示。

注：1表中的數(shù)據(jù)為每組3次重復(fù)測試的平均值；2采用噴霧法調(diào)控風(fēng)化砂土樣本的含水率。

試驗檢測結(jié)果如下：

1）砂土熱阻率隨含水率升高呈對數(shù)衰減規(guī)律[7]，回歸方程為 ，這表明模型具有較高解釋性。在自然含水率范圍 2.4%～ 28% 內(nèi)，熱阻值介于 0.50～0.82^°C?m/W. 之間，均低于設(shè)計值 1.0Ω^°C^?m/W ，滿足電纜設(shè)計散熱要求。

②當(dāng)含水率 lt;10% 時，熱阻率降幅顯著 （0.82^°C?m/W

0.57°C?m/W） ，主要因為水分填充孔隙，取代低導(dǎo)熱空氣；當(dāng)含水率 gt;10% 時，降幅趨緩 （0.57°C?m/W 0.50^°C?m/W） ，歸因于連續(xù)水膜形成及顆粒間接觸熱阻降低。

3）盡管高含水率可進一步降低熱阻，但砂土易發(fā)生塑性流動并攜帶腐蝕性離子，可能威脅電纜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與絕緣性能，故目前經(jīng)測試驗證的含水率有效置信區(qū)間為 （2.4%～28%） ，其余部分為模型回歸推斷。

4回歸曲線在高含水率區(qū)預(yù)測值與實測值偏差增大[4]（如第8組實測 0.50°C?m/W ，小于曲線預(yù)測0.53°C?m/W） ，推測與孔隙微觀結(jié)構(gòu)重組及黏粒結(jié)合水效應(yīng)未被納入模型有關(guān)，需深化機理做進一步研究。

3 應(yīng)用優(yōu)化策略

基于風(fēng)化砂土的熱阻特性和地埋電纜工程特征，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和工程實踐，提出以下應(yīng)用優(yōu)化策略：

1）性能優(yōu)化：應(yīng)選擇熱阻率低于原狀土且濕度敏感性較低的回填材料或通過摻入摻和料做改性處理，優(yōu)化粒徑結(jié)構(gòu)，降低熱阻率和濕度敏感度，確保回填材料性能。

2）級配篩選：通過篩分控制最大粒徑，減少棱角硬物對電纜的機械損傷，同時控制細(xì)顆粒 （lt;0.075mm） 0的含量，避免孔隙堵塞。

3）含水率置信區(qū)間：根據(jù)回歸模型

0.9231，建議施工含水率控制在 8%～18% ，對應(yīng)熱阻率小于 1^°C?m/W ，既可實現(xiàn)高效散熱，又可避免高含水率引發(fā)的塑性流動風(fēng)險。

4）結(jié)構(gòu)調(diào)控：通過模擬優(yōu)化電纜間距、埋深、回填層厚及排布方式，減少相鄰電纜熱干擾；利用空氣界面強化散熱效果，同步設(shè)計排水反坡，避免積水。

5施工控制：采取超填措施抵消工后沉降，保證壓實度，維護材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

6全周期經(jīng)濟性：優(yōu)先“就地取材”，選用施工現(xiàn)場或周邊的區(qū)域性材料，可節(jié)約大量運輸成本，綜合評估材料的熱工性能與全生命周期成本，實現(xiàn)散熱效率與經(jīng)濟效益平衡。

4結(jié)論

本研究通過暫態(tài)法揭示了風(fēng)化砂土的熱阻率隨含水率升高遵循對數(shù)衰減規(guī)律，在自然含水區(qū)間內(nèi)熱阻率小于設(shè)計和規(guī)范規(guī)定的閾值，滿足中壓地埋電纜回填的散熱需求。風(fēng)化砂土憑借其低熱阻、低濕度敏感性、孔隙高連通性及高抗剪強度的特征，可替代天然砂實現(xiàn)高效散熱與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定協(xié)同。

在工程實際應(yīng)用中，建議通過級配篩選、含水率控制、排水設(shè)計與壓實工藝，結(jié)合區(qū)域性材料熱物特性和分布情況，充分發(fā)揮就地取材優(yōu)勢，降低全周期成本。

未來需深化微觀重組與黏粒結(jié)合水膜效應(yīng)對熱阻機理進行深入研究，并驗證長期工況下材料的耐久性，為實現(xiàn)區(qū)域環(huán)保材料的工程應(yīng)用提供理論與數(shù)據(jù)支持，這對推動電力工程綠色化、經(jīng)濟化發(fā)展具有重要的實踐意義。

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