室外給排水管道內(nèi)熱媒傳導(dǎo)對多年凍土的影響研究

姜海濤， 王越， 張壽紅， 袁琦， 吳君

（中國鐵路青藏集團(tuán)有限公司，西寧 810000）

0 引言

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，青藏高原地區(qū)鐵路沿線生產(chǎn)生活用房給排水管道存在排水功能失效、地層脫空等問題，嚴(yán)重影響鐵路工作人員正常的工作和生活環(huán)境，尤其給排水系統(tǒng)不良影響基本生活需求。

查閱文獻(xiàn)[1,2]，多年凍土在4m深度以下溫度維持在-2℃左右，單獨(dú)埋設(shè)給水管容易發(fā)生凍結(jié)，造成給水系統(tǒng)凍結(jié)失效。目前工程上有采用電伴熱解決隧道排水溝凍結(jié)和低溫環(huán)境供水管道防凍問題[3,4]，但電伴熱在高原地區(qū)給水管道系統(tǒng)應(yīng)用后，時(shí)常出現(xiàn)工作失效問題，難以維修。因此現(xiàn)場給水管道的設(shè)計(jì)在充分考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素影響后[5]，設(shè)計(jì)為鑄鐵管外包保溫層，鑄鐵管內(nèi)通給水管和熱媒管路，熱媒管路可以使得鑄鐵管內(nèi)保持恒溫，防止給水管凍結(jié)，保溫層可以削弱管內(nèi)溫度向多年凍土的傳遞，保護(hù)多年凍土，也可以防止凍土融化導(dǎo)致地層沉降引起管道的破壞，但結(jié)合保溫板應(yīng)用于季凍區(qū)路基防凍脹僅能減小凍脹的產(chǎn)生，并不能消除凍脹這一病害[6-8]，說明保溫措施并不能隔絕熱量的傳遞。

文中通過構(gòu)建給水管道系統(tǒng)模型，討論不同保溫材料在熱媒傳導(dǎo)下對多年凍土溫度變化的影響，通過對比選擇較優(yōu)的保溫材料，為現(xiàn)場工程應(yīng)用提供參考建議。

1 給水管道系統(tǒng)模型及方案

1.1 給水管道系統(tǒng)模型尺寸確定

由熱傳遞計(jì)算式（1）可得[9]：熱量傳遞與導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱面積和溫度變化率有關(guān)，但目前很難從傳熱面積和溫度變化率方面出發(fā)去降低熱量傳遞大小，僅能通過改變導(dǎo)熱系數(shù)這一材料性能參數(shù)來削弱熱量傳遞。

式中，Ф為單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量，W；T為溫度，℃；x 為導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)，m；A 為傳熱面積，m2；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·k）。根據(jù)現(xiàn)場勘測，鑄鐵管外徑為300mm，自來水PE管外徑為100mm。根據(jù)試驗(yàn)需要，將鑄鐵管外徑縮小為60mm，用鍍鋅管代替，PE管外徑縮小為20mm，整個(gè)模型為60cm×30cm×50cm（長×寬×高），如圖 1所示。

圖1 給水管道系統(tǒng)模型

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要研究熱媒給水管道系統(tǒng)在鍍鋅管外包裹不同材質(zhì)保溫材料后，對周圍多年凍土溫度變化的影響，通過對比不同保溫材料對多年凍土的保護(hù)效果，為現(xiàn)場管路保溫材料的選擇提供指導(dǎo)和建議。試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 給水管道試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 方案步驟

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況并綜合考慮試驗(yàn)效果，擬選用粉土作為試驗(yàn)用土，經(jīng)測定該土樣最優(yōu)含水率和最大干密度分別為 ωop=16%，ρdmax=1.81g/cm3。

（1） 首先，將篩分好的試驗(yàn)用土做烘干處理；其次，根據(jù)土樣基本物性配制含水率為16%，密閉靜置一晝夜，使水分在土體中分布均勻；再次，等土料靜置完備后，將土樣分層放入模型槽中并按規(guī)定壓實(shí)度（70%）進(jìn)行擊實(shí)，并在每層中心處放置溫度傳感器。當(dāng)土樣裝填到管件安裝位置時(shí)，將鍍鋅管和保溫棉組裝完成放入模型槽中并繼續(xù)進(jìn)行填土擊實(shí)，直到填滿模型槽結(jié)束。模型槽內(nèi)溫度傳感器布置如圖2所示，熱媒管路和自來水管位置如圖3所示。

圖2 溫度傳感器埋設(shè)位置示意圖（單位：mm）

圖3 熱媒管路和自來水管路示意圖

（2） 將模型槽放入高低溫凍融環(huán)境試驗(yàn)箱中，調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度，考慮到土樣體積較大，為保證土完全凍結(jié)，模型槽需在試驗(yàn)箱凍結(jié)一段時(shí)間并通過觀察溫度傳感器的數(shù)據(jù)來確定是否達(dá)到-2～-3℃左右。

（3） 凍結(jié)完成，土體達(dá)到目標(biāo)溫度后，將自來水PE管和熱媒循環(huán)管路放置于鍍鋅管內(nèi)并固定各管路位置，使各管壁具有一定間隔。為防止外界溫度對模型槽內(nèi)凍土溫度變化所產(chǎn)生的影響，將模型槽每個(gè)面用30mm厚保溫材料包裹密封。設(shè)置高低溫凍融環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)溫度為-2℃。然后開啟冷浴機(jī)，調(diào)節(jié)冷浴機(jī)工作溫度為5℃，來模擬現(xiàn)場管內(nèi)溫度，通過溫度采集裝置來觀察管內(nèi)溫度對周圍凍土產(chǎn)生影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同保溫材料下熱媒對土體溫度變化分析

土樣在凍結(jié)完成后，溫度基本保持在-2.5～3℃左右，然后經(jīng)過3d的熱媒（5℃）加熱后，包裹不同保溫材料的鍍鋅管對周圍土體溫度變化有一定的影響，導(dǎo)致土體溫度有明顯上升趨勢，如圖4、圖5所示。

圖4 聚氨酯保溫材料下熱媒對土體溫度變化

圖5 巖棉保溫材料下熱媒對土體溫度變化

通過圖4、圖5可以看出土體溫度變化率為先增大后減小的趨勢，這主要是由于熱媒能夠使鍍鋅管壁維持恒定溫度T0，管壁雖然包裹保溫層，降低了與土體間的導(dǎo)熱系數(shù)λ，但僅能削弱熱量在管壁與土體間的傳導(dǎo)，并不能消除熱量的傳遞過程；管壁熱量引起土體溫度升高，土體溫度升高導(dǎo)致管壁與土體的溫差減小，由式（1）和溫度變化圖可得到溫度變化率降低（a

2.2 土體溫度擬合分析

由于試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)僅進(jìn)行72h熱媒加熱，得到了土體溫度上升的趨勢，但并未使得土體溫度達(dá)到0℃以上；為了進(jìn)一步分析兩種保溫材料在長時(shí)間作用下對土體升溫抑制的效果，選取兩次試驗(yàn)開始溫度相差不多的鍍鋅管下層土體，以試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對距管壁30、100、170cm處土體溫度進(jìn)行擬合處理。擬合公式如表2、表3所示。

表2 聚氨酯保溫材料下土體溫度擬合方程

表3 巖棉保溫材料下土體溫度擬合方程

根據(jù)擬合公式計(jì)算較長時(shí)間下熱媒對周圍土體的作用效果，選取t=288 h進(jìn)行計(jì)算，見表4。可以看出聚氨酯保溫材料下的土體溫度仍然呈現(xiàn)階梯狀分布，說明聚氨酯保溫具有一定削弱熱量傳遞的效果；而巖棉保溫層下的土體溫度已經(jīng)基本持平，說明巖棉在長時(shí)間條件下的保溫效果較差。通過對比可以認(rèn)為聚氨酯保溫材料更加適用于熱媒給水管道保溫，用于工程現(xiàn)場防止管道凍結(jié)和維持周圍多年凍土的狀態(tài)。

表4 t=288h時(shí)土體溫度擬合

3 給排水系統(tǒng)數(shù)值仿真模型計(jì)算

文中通過模型試驗(yàn)對保溫材料的保溫性能進(jìn)行對比分析，為現(xiàn)場應(yīng)用提供了參考。為考慮更多種熱媒溫度作用下現(xiàn)場土體溫度和變形的變化情況，需要以現(xiàn)場給排水系統(tǒng)原型為參考進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。

3.1 模型建立

（1） 給排水管道幾何模型。結(jié)合該地區(qū)地下給排水管道的結(jié)構(gòu)及布置形式，簡化得到管道、土體的幾何模型見圖6，管道直徑300mm，管壁厚30mm，保溫材料厚度60mm。以此為原型，按照圖中所示土體尺寸及管道間距，利用Comsol數(shù)值模擬軟件建立水熱力耦合三維計(jì)算模型進(jìn)行溫度場、變形場的分析。

圖6 幾何模型示意圖（單位：mm）

（2） 模型假定。受限于理論研究現(xiàn)狀和簡化計(jì)算的需要，模型建立時(shí)采用如下假定：①土體為各向同性的彈性材料；②僅研究水冰相變產(chǎn)生的土體變形，不考慮固結(jié)、蠕變等土體行為；③不考慮熱對流、水汽相變、太陽輻射熱效應(yīng)。

可以預(yù)見的是，計(jì)算時(shí)忽略日內(nèi)溫差和太陽輻射等效應(yīng)，只考慮年內(nèi)周期溫度、水分變化對管道周圍土體的影響，因此，計(jì)算所得溫度場、變形場與實(shí)際情況可能存在一定誤差，但其演變規(guī)律、發(fā)展過程仍具有實(shí)際參考價(jià)值，用于比選更優(yōu)的管道保溫、防凍措施具有一定的可靠性。

（3） 溫度邊界。以青藏線地區(qū)實(shí)際監(jiān)測的1年周期地溫?cái)?shù)據(jù)作為上邊界溫度條件輸入；下邊界根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，一定深度土體的溫度隨季節(jié)變化趨于穩(wěn)定。模型建立時(shí)，土體底部采用恒溫作為下邊界條件。結(jié)合現(xiàn)有資料，選用-1.3℃為土體底部邊界的恒定地溫；前后邊界：模型建立時(shí)考慮到邊界影響，沿管道方向長度取為4m，且前后兩側(cè)地溫認(rèn)為與監(jiān)測溫度分布一致，按照天然狀態(tài)考慮，即不受路基熱狀態(tài)影響，與外界無熱流交換，定義為絕熱邊界；左右邊界：模型建立時(shí)，左右土體距離管道1m，不影響兩管道之間土體的溫度場分布，故按照絕熱邊界處理。

（4） 力學(xué)邊界。模型上部為自由邊界，沿管道方向邊界約束水平向位移，沿管道橫向約束縱向位移，底部為固定邊界。

（5） 計(jì)算參數(shù)與有限元模型的建立。如表5和表6所示土體、保溫材料、混凝土管道等參數(shù)建立有限元計(jì)算模型。

表5 土體及管道的熱物理參數(shù)

表6 土體及管道的力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算方案

工況展開模型的計(jì)算如表7所示。

表7 給排水管道仿真分析工況

工況1的防凍措施為管道外包保溫材料；工況2～工況4的防凍措施是在工況1的基礎(chǔ)上，利用熱媒控制管道內(nèi)溫度分別為1、3、5℃。

3.3 計(jì)算方案與結(jié)果分析

選取模型中心位置，提取工況1不同天數(shù)的土體地溫隨深度變化的計(jì)算結(jié)果，與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，以驗(yàn)證地溫的傳遞情況和模型的可靠性見圖7。

圖7 地溫隨深度變化曲線

選取計(jì)算周期內(nèi)的110d（地表溫度全年最高時(shí)刻）、200d（地表正溫變負(fù)溫時(shí)刻）、270d（地表溫度全年最低時(shí)刻）為特征時(shí)刻提取計(jì)算結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)，在深度1～2m之間的計(jì)算值與實(shí)測值存在一定差異，主要由于此深度為管道埋設(shè)深度，對地溫的傳遞產(chǎn)生一定影響，但誤差范圍未超過0.5℃，因此，計(jì)算結(jié)果可信，模型可靠。

3.4 計(jì)算結(jié)果對比

不同工況的溫度場分布云圖如圖8、圖9所示。

圖8 不同工況110d（地表溫度最高時(shí)刻）溫度場分布

圖9 不同工況270d（地表溫度最低時(shí)刻）溫度場分布

結(jié)合圖8和圖9，發(fā)現(xiàn)工況1僅采用管道保溫措施的情況下，在土體凍結(jié)期內(nèi)管道內(nèi)溫度為負(fù)值，即管道保溫的措施無法保證管道內(nèi)流體不發(fā)生凍結(jié)；工況2～工況4中，在管道保溫基礎(chǔ)上結(jié)合管道內(nèi)流體加熱，使得管道在凍結(jié)期內(nèi)仍能保持正溫，具體溫度變化情況需結(jié)合溫度等值線進(jìn)一步分析。分析可知，圖10中管道熱媒維持溫度為1℃時(shí)，凍結(jié)線存在于保溫層內(nèi)，可保持管道內(nèi)溫度在1℃左右；隨管道溫度升高見圖11、圖12，0℃凍結(jié)線逐漸過渡到管道周圍土體，管道內(nèi)流體溫度可維持正溫，不發(fā)生凍結(jié)。不同工況270d（地表溫度最低時(shí)刻）溫度等值線見圖10～圖12。

圖10 工況2在270d（地表溫度最低時(shí)刻）的溫度等值線和凍結(jié)線

圖11 工況3在270d（地表溫度最低時(shí)刻）的溫度等值線和凍結(jié)線

圖12 工況4在270d（地表溫度最低時(shí)刻）的溫度等值線和凍結(jié)線

由于管道內(nèi)設(shè)置熱媒升溫，導(dǎo)致管道周圍土體的凍結(jié)、融化狀況變化，因此，對于兼顧防凍效果、保護(hù)多年凍土狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的熱媒溫度的確定，可推薦3℃，既能維持管道內(nèi)正溫，防止管道凍結(jié)，也能盡可能減少對多年凍土的擾動(dòng)。

3.5 防凍措施分析

結(jié)合管道-土體溫度場的計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為保溫材料結(jié)合管道熱媒的使用，可有效保障給排水管道內(nèi)流體的流動(dòng)。參考多年凍土地區(qū)給排水管道的工程經(jīng)驗(yàn)[10]，還可采取如下措施以防止管道的凍結(jié)：

（1） 盡量加大管道坡度，采用陡坡高速排水的方式解決排水管道出口處易凍結(jié)的問題。

（2） 有經(jīng)驗(yàn)表明，青藏鐵路沿線排水管道利用羊糞回填的保溫效果尚好，由于羊糞的特點(diǎn)是遇水發(fā)酵并發(fā)熱，不會(huì)因?yàn)榻В虼丝勺鳛榱己玫谋夭牧鲜褂谩?/p>

4 結(jié)語

（1） 通過試驗(yàn)短時(shí)間監(jiān)測和長時(shí)間擬合土體溫度變化并比發(fā)現(xiàn)，聚氨酯保溫材料比巖棉更加適用于熱媒給排水管道保溫，可應(yīng)用于工程現(xiàn)場防止管道凍結(jié)和維持周圍多年凍土的狀態(tài)。

（2） 建立給排水系統(tǒng)仿真模型，并通過計(jì)算值與實(shí)測值的對比，驗(yàn)證了模型的可靠性。

（3） 僅采用管道保溫措施的情況下，在土體凍結(jié)期內(nèi)管道內(nèi)溫度為負(fù)值；當(dāng)采用熱媒時(shí)管道內(nèi)流體溫度可維持正溫，不發(fā)生凍結(jié)。

（4） 對于兼顧防凍效果、保護(hù)多年凍土狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的熱媒溫度的確定，可推薦3℃，該種工況既能維持管道內(nèi)正溫，防止管道凍結(jié)，也能盡可能減少對多年凍土的擾動(dòng)。