不同測(cè)試條件下巖土體熱導(dǎo)率對(duì)比分析研究

賈子龍　鄭佳　李娟　劉愛(ài)華　李富

摘 要：巖土熱導(dǎo)率是淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，依據(jù)實(shí)際工程案例中的測(cè)試孔開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試，對(duì)取得的巖土體熱導(dǎo)率進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示，在第四系松散沉積物中，巖土熱導(dǎo)率與天然含水率、孔隙比呈負(fù)相關(guān)；巖土平均熱導(dǎo)率在大功率（9 kW）條件下比小功率（6 kW）大；同一測(cè)試孔，實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試取得的巖土體熱導(dǎo)值存在差異，實(shí)際工程應(yīng)根據(jù)不同參數(shù)需求和應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的測(cè)試方法。

關(guān)鍵詞：熱導(dǎo)率；地源熱泵系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)室測(cè)試；現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試

Thermal conductivity of rock and soil under different test conditions

JIA Zilong1，2， ZHENG Jia1，2， LI Juan1，2， LIU Aihua1，2， LI Fu1，2

（1.Geothermal Research Institute of Beijing， Beijing 102218， China；

2.Key Laboratory of Shallow Geothermal Energy， Ministry of Natural Resources， Beijing 102218， China）

Abstract： Geotechnical thermal conductivity is an important parameter in the evaluation of the exploitation and utilization of shallow geothermal energy. We conducted both laboratory and field thermal response tests on test holes in actual engineering cases and analyzed the thermal conductivity obtained. The results show that the thermal conductivity is negatively correlated with the natural water content and the porosity ratio in the Quaternary loose sediments. The average thermal conductivity of rock and soil is higher at high power （9kW） than at low power （6kW）. For the same test hole， the thermal conductivity of rock and soil bodies obtained differs for laboratory test and field thermal response test. Therefore in actual projects， appropriate testing method should be selected according to different parameter requirements and application scenarios.

Keywords： thermal conductivity; ground source heat pump system; laboratory testing; field thermal response test

地源熱泵系統(tǒng)施工前期需要對(duì)換熱孔區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，主要內(nèi)容包括實(shí)施勘察孔并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試工作，取得地層相關(guān)資料，獲取相關(guān)巖土體熱物性參數(shù)。其中，巖土體熱導(dǎo)率是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，如果該值不準(zhǔn)確，則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能無(wú)法滿足建筑負(fù)荷要求，并且影響系統(tǒng)初投資及運(yùn)行效果（衛(wèi)萬(wàn)順等，2010；欒英波等，2014；李強(qiáng)，2010）。目前，巖土體熱導(dǎo)率的測(cè)試方法主要有實(shí)驗(yàn)室測(cè)試法和現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試法。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法是通過(guò)對(duì)巖土體進(jìn)行抽取樣本，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析，再通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算得到熱導(dǎo)率。現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試是通過(guò)對(duì)巖土體開(kāi)展換熱試驗(yàn)，獲取相關(guān)參數(shù)，并基于線熱源模型或柱面熱源模型，計(jì)算巖土體熱導(dǎo)率（吳迪等，2017）。對(duì)于這兩種測(cè)試方法，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了多項(xiàng)相關(guān)研究工作（沈亮等，2016），有對(duì)實(shí)驗(yàn)室?guī)r土體熱導(dǎo)率影響因素開(kāi)展的研究工作（趙秀峰等，2016），有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試影響因素及傳熱模型的相關(guān)研究（王灃浩等，2012；徐曉宇，2014）。這些研究都是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試方法，從計(jì)算原理和數(shù)值模擬方面，分別開(kāi)展的研究，對(duì)2種方法同時(shí)開(kāi)展實(shí)際測(cè)試的研究較少。本文結(jié)合北京通州區(qū)某勘查項(xiàng)目，選擇3眼換熱測(cè)試孔開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試，針對(duì)測(cè)試孔選取一定數(shù)量的樣品進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，通過(guò)2種測(cè)試方法分別取得了測(cè)試孔巖土體熱導(dǎo)率，并對(duì)2種測(cè)試條件下巖土熱導(dǎo)率的影響因素進(jìn)行了相關(guān)性分析，研究成果對(duì)巖土體熱導(dǎo)率的測(cè)試工作有指導(dǎo)意義。

1? 換熱測(cè)試孔布設(shè)

本次3眼換熱測(cè)試孔布設(shè)區(qū)域位于北京市通州區(qū)（圖1），地處永定河、潮白河及溫榆河沖洪積平原，具有典型的多層巖土體結(jié)構(gòu)，組成物質(zhì)主要為黏性土層和砂層互層。鉆孔過(guò)程中對(duì)3眼換熱測(cè)試孔進(jìn)行了全孔取芯，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)電阻率測(cè)井，取得了比較準(zhǔn)確的地層數(shù)據(jù)（圖2）。換熱測(cè)試孔巖性主要分為黏土類（主要為黏土、粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土等）和砂土類（主要為砂質(zhì)粉土、中砂、細(xì)砂等）。

相關(guān)研究成果顯示，目前通州區(qū)主要開(kāi)采利用300 m以內(nèi)的第四系含水層中的地下水。根據(jù)地下水開(kāi)發(fā)利用情況以及水文地質(zhì)條件，將通州區(qū)地下水在垂向上概化為4個(gè)含水層組。根據(jù)含水層的埋藏深度及水文地質(zhì)條件，淺層地下水包括第一含水層組（底板埋深40～50 m）和第二含水層組（底界深度80～120 m）。依據(jù)第四系淺層含水層單井出水量大小，通州區(qū)第四系淺層地下水可劃分為2個(gè)富水性區(qū)域：I區(qū)分布在永樂(lè)店以南地區(qū)，含水層以砂層為主，富水性一般；II區(qū)主要分布在永樂(lè)店、覓子店以北通州區(qū)大部分地區(qū)，含水層主要為多層砂及少量砂礫石，富水性較好。

2? 測(cè)試方法

2.1? 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法

從各換熱測(cè)試孔全孔取芯的樣品中，選取典型層位的巖土體樣品（表1），在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展熱物性參數(shù)測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法為非穩(wěn)態(tài)法中平面熱源法，即在物體內(nèi)部垂直于導(dǎo)熱方向取2個(gè)相距1 m、面積1 m2的平行平面，若2個(gè)平面的溫度相差1 K，則在1 s內(nèi)從一個(gè)平面?zhèn)鲗?dǎo)至另一個(gè)平面的熱量就規(guī)定為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率。本次試驗(yàn)熱導(dǎo)率參數(shù)是通過(guò)瑞典Hot disk熱導(dǎo)率測(cè)試儀（圖3）進(jìn)行測(cè)量的，精度為±3%，導(dǎo)熱系數(shù)范圍0.005～500 W·m-1K-1。

2.2? 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試

對(duì)鉆探完成的換熱測(cè)試孔，經(jīng)過(guò)下管、回填、靜置等一系列工作后，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試，取得相關(guān)測(cè)試參數(shù)。

1）巖土初始地溫測(cè)量

采用無(wú)功循環(huán)法測(cè)試150 m以淺巖土體初始平均地溫，此時(shí)加熱器不開(kāi)啟，即加熱功率為0，使土壤換熱器中的循環(huán)液（水）循環(huán)，試驗(yàn)時(shí)間一般為不小于24 h，試驗(yàn)過(guò)程中記錄進(jìn)、出換熱器的水溫、流量，待試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后停止原始溫度的試驗(yàn)。在循環(huán)水的溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)（地埋管出水溫度連續(xù)12 h變化不大于0.5 ℃），循環(huán)水與巖土體達(dá)到熱平衡，該溫度即為巖土體初始平均溫度。

2）穩(wěn)定熱流測(cè)試

原理是通過(guò)測(cè)試儀向地埋管換熱器提供恒定熱流，通過(guò)監(jiān)測(cè)地埋管換熱器的進(jìn)、出水溫度的變化和流量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算后得到巖土體的平均熱導(dǎo)率。

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)中，同一測(cè)試孔不同加熱功率取得的結(jié)果不同，較大功率得出的熱導(dǎo)率比較高，主要是由于地下水滲流的緣故，對(duì)于地下水有流動(dòng)水的地區(qū)，適合采用不同加熱功率測(cè)試，取平均值作為最終的熱導(dǎo)率（石凱波等，2017；史旭東等，2016；岳麗燕等，2017）。

本次現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試中穩(wěn)定熱流加熱功率參數(shù)設(shè)置為6 kW和9 kW，持續(xù)時(shí)間至溫度變化小于1℃時(shí)，循環(huán)流量大于0.8 m3·h-1。

2.3? 巖土體其他參數(shù)測(cè)試

以往研究表明，巖土體熱導(dǎo)率受巖土體物理參數(shù)影響（王濤，2014；佟紅兵，2014；鄭強(qiáng)等，2015；皇甫紅旺等，2016），為了研究巖土體其他特性跟巖土體熱導(dǎo)率的關(guān)系，本次對(duì)巖土體樣品開(kāi)展了土工試驗(yàn)測(cè)試，取得了樣品的含水率、飽和度和孔隙比參數(shù)。其中含水率測(cè)試采用的是室內(nèi)烘干法，本次試驗(yàn)進(jìn)行了2次平行測(cè)定，取算術(shù)平均值。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

巖土體熱導(dǎo)率與其基本物理性質(zhì)密切相關(guān)，本次對(duì)實(shí)驗(yàn)室熱物性參數(shù)測(cè)試和土工試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析研究，得到了熱導(dǎo)率與含水率、飽和度和孔隙比直接的關(guān)聯(lián)性。由于鉆探工藝的原因，砂類巖土體樣品無(wú)法獲取原狀樣品，因此本次數(shù)據(jù)分析只針對(duì)黏土類樣品。

從圖4可以看出，本次試驗(yàn)取得的樣品飽和度基本都在80%以上，表明此次樣品空隙中充滿了水。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下空隙越大、含水量越多，圖4中（b）和（c）也表明了巖土體熱導(dǎo)率隨含水率和孔隙比的增加而降低。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，參照土工實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)處理中的相關(guān)方法，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下測(cè)試孔的平均熱導(dǎo)率分別為1#孔1.543 W·m-1·K-1，2#孔1.646 W·m-1·K-1，3#孔1.308 W·m-1·K-1（表2）。

3.2? 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，獲取換熱測(cè)試孔的平均導(dǎo)熱系數(shù)（表2）。本次試驗(yàn)結(jié)果顯示，6 kW工況下取得的地層平均熱導(dǎo)率均低于9 kW工況下的值。

3.3? 對(duì)比分析

從表2可以看出，實(shí)驗(yàn)法取得的值與現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試取得的值存在一定的差異，反映出2種測(cè)試方法由于巖土體環(huán)境、測(cè)試方法、理論計(jì)算方法的不同，測(cè)試結(jié)果還是存在很大差異。

試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中巖土體熱導(dǎo)率受樣品本身的影響比較大，特別是樣品空隙大小以及空隙中的水或空氣。本次研究換熱孔位于地下水較豐富地區(qū)（圖 2），現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試中巖土體熱導(dǎo)率受地下水的影響比較大，在地下水徑流的影響條件下熱導(dǎo)率普遍高于實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)試值。

4? 結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)室測(cè)試巖土體熱導(dǎo)率受巖土體本身影響較大，黏土類熱導(dǎo)率隨含水率的增大而降低，隨孔隙比的增加而降低。

2）現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試熱導(dǎo)率受測(cè)試參數(shù)及地質(zhì)條件影響較大，在地下水富水性好、流速較快的地區(qū)，加熱功率越大，取得的熱導(dǎo)率就越大。實(shí)際工程應(yīng)用中，因進(jìn)行多組不同參數(shù)的測(cè)試，取其平均值。

3）實(shí)驗(yàn)室測(cè)試取得的巖土體熱導(dǎo)率與現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試取得的結(jié)果存在一定的差異。實(shí)際工程中，應(yīng)該開(kāi)展多種方法測(cè)試，更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

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收稿日期：2022-10-09；修回日期：2023-01-03

基金項(xiàng)目：通州區(qū)南部（751 km2）重大地質(zhì)問(wèn)題調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目淺層地溫能資源調(diào)查與評(píng)價(jià)專題資助

第一作者簡(jiǎn)介：賈子龍（1988- ），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用及監(jiān)測(cè)研究工作。E-mail：jiazl30@126.com

引用格式：賈子龍，鄭佳，李娟，劉愛(ài)華，李富，2023.不同測(cè)試條件下巖土體熱導(dǎo)率對(duì)比分析研究［J］.城市地質(zhì)，18（1）：49-54