含水率對砂巖風化砂土熱阻率的影響分析及在地埋電纜回填中的優化應用

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域研究的熱點。國內外不少學者圍繞回填材料的散熱性能、環境適應性及經濟性展開了系統性探究。

其中發達國家較早關注到了電纜回填材料的優化設計，IEEE442-2017標準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，但其在長期穩定性和濕度敏感性方面受到一定制約。國內研究針對風電場特殊工況，嘗試利用機制骨料作為回填材料，但其顆粒棱角易損傷電纜絕緣層，因而應用受限。

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

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

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，材料應兼具透水性、抗板結性及長期結構穩定性。

地埋電纜設計通常需要結合區域性材料的熱物特性和輸電需求，選擇經濟合理的電纜類型和尺寸方案。原則上應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、節約電纜成本，但必須進行適配性試驗和驗證。有關研究表明，土壤的熱阻率與含水率之間有較明顯的影響關系，因此本文針對風化砂土材料研究其不同含水條件下的熱阻量化表現，以便在有關工程中應用。

風化砂土施工特性良好，易于開挖、轉運和鋪設施工，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，風化砂土還具有施工成本和維護費用較低的優點。與其他回填材料相比，砂土易于獲取，經濟效益良好。

1.1.1 砂土的物理分析

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

力學行為方面，風化砂土屬低壓縮性材料。其應力-應變特征，符合Mohr-Coulomb強度準則，在動態荷載下變形可控4。此外，其累積塑性應變率低于 1% 1百次循環，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引起的差異疲勞，適用于長期承受電纜熱膨脹應力的工況，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

風化砂土的粒度分析采用美國標準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，使用對數刻度來表示粒度，繪制粒度分布曲線，如圖2所示。

風化砂土的物理力學特性及其熱濕耦合行為與其粒度分布特征存在顯著關聯。基于ASTMD422-63標準，采用篩分法與比重計法聯合分析，材料粒度分布曲線呈現典型單峰特征，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 C_u=4.2 ，曲率系數 C_p=1.1 ，依據美國統一土壤分類系統（USCS）判定為級配不良中細砂。圖2中曲線的斜率平緩 （D₃₀=0.28mm） 表明，孔隙結構以開放型為主，能形成高效滲流通道。此級配特性不僅抑制了毛細水上升高度，還通過減少細顆粒對孔隙的堵塞效應，優化了水分分布均勻性，為熱傳導路徑的連續性提供了結構保障[3]。

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

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

綜上所述，風化砂土的級配特征（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。粒度分布對孔隙結構的調控作用，結合棱角顆粒的力學響應機制，使其能夠在地埋電纜回填工程中實現散熱效率與結構穩定性的均衡，為替代天然砂提供了多尺度理論依據。

1.2 試驗方法與設備

1.2.1 試驗方法

一般土壤的熱阻率測試方法主要包括穩態球法和暫態法兩種。穩態球法，作為傳統的測量方法，需要在地下埋設加熱球體，測定其達到穩態后的溫升，再依據鏡像原理計算土壤的熱阻率，但此方法耗時較長，操作相對復雜。暫態法，利用裝有加熱絲和測溫熱電偶的探針結構快速測量土壤熱阻率，通過保持加熱絲發熱功率不變并測量溫升，結合Fourier定律進行計算。該方法具有測量速度快、操作簡便快捷且準確度高等優點，非常適用于野外和大量測量項目的應用場景。

因此，本次試驗選用更加靈活、快捷的暫態法進行。試驗按照ASTMD5334-14規范進行，通過記錄和分析大量不同含水率條件下的實測熱阻率，根據離散點的規律進行回歸分析，得到熱阻率與含水率之間變化關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 試驗設備

試驗使用THERMTESTTLS-100（暫態線源）熱導率儀，探頭由一根細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，校準和試驗過程應遵循ASTMD5334-14和IEEE442-2017規范和標準。試驗裝置如圖3所示。

2 熱阻率測量試驗結果

本研究基于ASTMD5334-14規范，采用THERM-TESTTLS-100熱導率儀對風化砂土進行暫態法熱阻率測試，共完成10組不同自然含水率條件下的熱阻測試，每組重復3次，以保證數據的可靠性，如表1、圖4所示。

注：1表中的數據為每組3次重復測試的平均值；2采用噴霧法調控風化砂土樣本的含水率。

試驗檢測結果如下：

1）砂土熱阻率隨含水率升高呈對數衰減規律[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，熱阻值介于 0.50～0.82^°C?m/W. 之間，均低于設計值 1.0Ω^°C^?m/W ，滿足電纜設計散熱要求。

②當含水率 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，取代低導熱空氣；當含水率 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，但砂土易發生塑性流動并攜帶腐蝕性離子，可能威脅電纜結構穩定性與絕緣性能，故目前經測試驗證的含水率有效置信區間為 （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預測值與實測值偏差增大[4]（如第8組實測 0.50°C?m/W ，小于曲線預測0.53°C?m/W） ，推測與孔隙微觀結構重組及黏粒結合水效應未被納入模型有關，需深化機理做進一步研究。

3 應用優化策略

基于風化砂土的熱阻特性和地埋電纜工程特征，結合試驗數據和工程實踐，提出以下應用優化策略：

1）性能優化：應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，優化粒徑結構，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，同時控制細顆粒 （lt;0.075mm） 0的含量，避免孔隙堵塞。

3）含水率置信區間：根據回歸模型

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

4）結構調控：通過模擬優化電纜間距、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，維護材料結構的穩定性。

6全周期經濟性：優先“就地取材”，選用施工現場或周邊的區域性材料，可節約大量運輸成本，綜合評估材料的熱工性能與全生命周期成本，實現散熱效率與經濟效益平衡。

4結論

本研究通過暫態法揭示了風化砂土的熱阻率隨含水率升高遵循對數衰減規律，在自然含水區間內熱阻率小于設計和規范規定的閾值，滿足中壓地埋電纜回填的散熱需求。風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，可替代天然砂實現高效散熱與結構穩定協同。

在工程實際應用中，建議通過級配篩選、含水率控制、排水設計與壓實工藝，結合區域性材料熱物特性和分布情況，充分發揮就地取材優勢，降低全周期成本。

未來需深化微觀重組與黏粒結合水膜效應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，為實現區域環保材料的工程應用提供理論與數據支持，這對推動電力工程綠色化、經濟化發展具有重要的實踐意義。

[參考文獻]

[1]郭鴻，朱起紅.土力學及基礎工程學習指導書[M].北京：中央廣播電視大學出版社，1995.

[2]何世玲.地基與基礎工程[M].2版.武漢：武漢理工大學出版社，2002.

[3]ASTM INTERNATIONAL.Standard Test Method for Parti-cle-Size Analysis of Soils：ASTM D422-63：2007[S].

[4]CIGRE WORKING GROUP.Thermal Performance of BuriedPower Cables[Z].Paris：CIGRE Technical Brochure，2013.

[5] CHEN L.Micro-CT Analysis of Pore StructureEvolution in Weathered Sands under Hydration