1、 利用浅层地热能防范公路冰雪灾害技术研究一、绪论1.1 研究背景截止到 2012 年底，我国公路通车里程从 1980 年的 88.8 万公里增加到 410 万公里，其中，高速公路通车里程达到 9.6 万公里。我国十二五发展规划提出国家运输建设，在十二五期间基本建成高速公路。加强省际和国省干线公路建设，建立一个畅通的、高效、安全的、绿色的现代交通运输体系1。随着，我国交通的飞快发展，道路车祸也随着增加，成为严重影响交通、经济、社会发展的问题。从我国 90 年 04 年交通事故死亡人数的变化图 1.1）2可以看出，20012002 年以前，车祸次数迅速增加，2002 年道路车祸次数虽然下降，但是死
2、亡人数一直在增加，说明交通事故并未从根本上得到缓解。导致交通事故一个重要的原因是路面状况不良，特别是在北方和高寒地区的高速公路路面面临结冰问题。一旦道路结冰，运输条件恶劣，交通运输将面临严峻挑战。我国学者徐丽丽3研究表明，在我国交通事故中，道路条件因素的影响比例约为 45%，而国外约占 10%。根据交通部统计，我国交通事故的发生数量在时间上曾马鞍 状分布，年末年初月份事故最多，中间月份事故相对较少5，因为在年末和年初，由于天气寒冷，对于北方、高寒地区以及南方的部分地区降雪、结冰讲严重影响道路的安全。这个也从侧面反映出路面状况对于交通的发生有着重要的影响4。道路结冰不仅影响影响道路安全，造成交通
3、事故，道路结冰也造成大范围的交通瘫痪，造成严重的经济损失。2008 年春节期间， 贵州、湖南、云南、广东等省遭受大范围雪灾袭击，多条高速公路因结冰积雪而封闭，造成了巨大经济损失。京港澳原京珠）高速公路京珠粤北段从 2010 年 12 月 15 日下午 3 点开始结冰，气温达到零下 5 度，滞留车龙 20km,8000 余人被困车中，造成严重的经济损失。全世界每年由于路面积雪结冰，所造成的直接经济损失达数亿元5。根据不完全统计，我国每年因各类降雪造成的直接经济损失为 40200 亿元，约占全部自然灾害损失的 210%6。1.2 国内道路融雪技术研究及应用现状1.2.1 道路除雪技术分类国内外的融
4、雪化冰技术主要可以分为三大类：清除法、融化法、高压气流除雪法。其中清除法可以分为机械清除法和人工清除法，融化法主要分化学融化法和热融化法。人工清除法是用人力除去道路表面的积雪或者冰层。该方法的优点在于机动、灵活，对环境和机械的依赖程度小，适用于各种状态下的道路除雪，同时兼具环保和成本低的优点。其缺点在于工作效率低下，不适宜大面积的除雪、除冰。随着道路的增加和技术的进步，该方法将被淘汰。人工除雪适用于小雪，收费站口，高速公路的中央分隔带活动护栏，拦水带或路缘石至超车道实线部分，距路边 75cm 以外的积雪，通过人工的方式进行彻底清除。机械式除冰雪已有数十年的发展历史，有专用除雪机与汽车、拖拉机配
5、套的除雪机具，已形成适应各种情况的系列产品。大型除雪机的功率达到 367.7kw，如德国的 VF5 型专用除雪机，除雪能力达到 4500t/h；小型除雪机功率只有 4.4kw，如日本的小松 Rss6 除雪机，除雪能力为 35t/h,该机型已经进入家庭，可以在家庭、社区道路上使用7。二 、基于公路结构物基础埋管的换热技术研究2.1 地热换热器埋管的分类地热换热器就是位于地面以下，与土壤或者岩石进行热交换的装置。地热换热器在整个地源热泵系统里面具有十分重要的地位，它的工作性能主要受到埋管方式和土壤密切联系，对地热的利用效率和工程投资都具有十分重要的影响。通常浅层地热的利用就是在地面下埋设封闭的管道
6、回路，这些管道主要是高密度的塑料管道构成。在管道内灌入换热介质，在热泵的驱动下，热介质首先进入地下管道与土壤进行热交换，然后回到至地面与热泵进行热交换。通过这样循环的热介质流动，完成热泵与土壤的热交换任务。地热换热器在地下的主要埋设方式有水平式埋管和垂直式埋管两种形式。水平埋管式换热器通埋深较浅，由于水平埋设因而工程开挖量大，初期投资相对于竖直埋管小;缺点是占地面积大,受外温影响稳定性差。可以分为水平 U 型，水平螺旋管型。结合公路工程实际，水平埋管的管道布设适用于隧道衬砌、和隧道底部的换热器图 2.1）、地下连续墙换热器(图 2.2)和土工换热器图 2.3）。2.2 桥梁桩基埋管式换热器利用
7、浅层地热融化道路冰雪，特别是对于交通的关节点桥梁）的融雪化冰具有重大的意义。利用浅层地热需要建立适合热源通道并满足相关使用性能，同时要降低工程造价并且满足道路构筑物的使用要求，使整体达到工程效益和经济效益的统一。在公路工程中，桥梁的桩基埋入地下达到一定的深度，达到温度恒定的地层，可以作为地源热泵换热的通道。本小节主要探讨以桥梁桩基作为热源通道管道布设方式。桥梁桩基作为地源热泵的换热器与一般的竖直埋管相比，具有以下优点：由于桥梁桩基与桩基之间的间距较大，可以有效减小换热管之间的相互影响，换热管的相互热影响几乎为零，意味桥梁桩基作为换热器具有更加稳定的工作状况。桥梁桩基作为换热通道可以省掉传统的钻
8、孔程序，与桥梁施工同时进行，一方面节约施工时间，一方面节约施工费用，不占用地面。由于桥梁桩基的回填材料全部是混凝土，而混凝土具有较好的导热性能，因此桥梁桩基的换热性能要优于传统的竖直埋管，有更加优良的换热效果。由于桥梁桩基深入地下，同时与周围的土壤或者岩体通过混凝土的浇筑紧密相联，减少了热阻，强化了桥梁桩基与大地之间的换热。综合上所述，桥梁作为换热器和其他传统换热器相比具有工作状态稳定，换热效率较高，充分利用公路构筑物节约用地面积和工程费用，提高施工效率等优点，是一种优良的地热换热器，作为热源通道是可行的。三、道路融雪影响因素和融雪模型研究. 303.1 对流换热系数 . 303.2 天空有效
9、温度 . 323.3 融雪等级 . 333.4 融雪工况 . 333.5 三种道路融雪模型 . 343.5.1 Chapman 道路融雪模型 . 343.5.2 Kilkis 道路融雪模型 . 353.5.3 Ramsey 道路融雪模型 . 373.5.4 模型对比. 383.6 道路融雪热负荷模型的简化 . 393.7 本章小结. 40四、沥青混凝土融雪路面温度场研究. 414.1 加装导热管的路面模型 . 414.2 道路内部传热过程分析 . 414.2.1 沥青混凝土的导热 . 424.2.2 管壁的导热 . 434.2.3 流体至管道内部对流换热 . 434.3 道路表面传热过程分析
10、. 444.3.1 对流换热 . 444.3.2 辐射换热 . 444.4 路面温度场数值模拟 . 444.5 本章小结. 48五、地源热泵热泵融雪系统构架. 505.1 地源热泵融雪系统的构架 . 505.1.1 路面热交换系统 . 505.1.2 热泵及其控制装置 . 515.1.3 地下换热系统. 535.2 地源热泵融雪系统效益分析. 535.3 本章小结 . 55六、桥梁桩基埋管对承载力影响的初步分析6.1 有限元法有限元对于浅层地热能融化道路冰雪灾害，为促进公路建设与地源热泵融雪系统的一体化，需要在桥梁桩基中埋设换热管道，必然对桥梁桩基的承载能力造成一定的影响。本章节针对桥梁桩基埋
11、管的情况，在有限元分析的方法的基础上对埋管对于桩基承载能力的影响进行初步分析。单位法的主要特点是结构矩阵分析，该方分析方法认为一个结构由有限个小单元组成，他们相互连接组合成结合体，并且满足整体机构的力学特征。随着单元数目的增加，有限元分析求得的近似解讲不断改善，最终无线接近于真实解。该分析方法进过不断的发展和改进，不断开拓新的应用范围，其范围己经由杆件结构问题扩展到了弹性力学乃至塑性力学问题，由平面问题扩展到空间问题，由静力学问题扩展到动力学问题和稳定性问题，由固体力学问题扩展到流体力学、热力学和电磁学等问题。利用有限元方法的一般思路如下：物体离散化：这个过程主要是将计算分析的结构离散分解为各
12、个独立的计算单元，并且结合物体性质、形态和计算精度来确定单元节点的性质和性质。由于利用有限元分析获得的结果为近似解，所以合理划分单元数目对求解具有重要意思。结论本文以浅层地热防治公路冰雪灾害作为研究对象，对公路构筑物基础作为热源通道、融雪模型、流体加热路面温度场等方面得到一些研究成果，对今后的实际应用工作与研究具有一定的价值。主要结论如下：将地源热泵技术与公路构筑物基础相结合，对公路构筑物基础作为地源热泵换热器可行性进行深入分析。分析了竖直埋管、水平埋管对桥梁桩基、深埋隧道、路基基础的适用性。比较了 U 型、W 型、螺线型埋管的优劣，结合构筑物的情况，提出桥梁桩基埋管适合使用螺线形埋管，深埋隧
13、道、路基基础等则适合于水平埋管。针对公路构筑物作为换热通道，提出了温度场的计算和分析方法。对于桥梁桩基埋管温度场计算的线性热源模型、空心圆柱面热源模型、无限长度实心圆柱模型三种一维模型的温度响应进行比较，得出实心圆柱面热源模型适合于桩基螺线埋管的温度场计算。在无限场实心圆柱面热源模型的基础上，考虑桩基长度和地面的影响以及温度在竖直方向的传导，提出桥梁桩基埋管的二维温度场模型计算，对比得出在实际运营工作中，有限场圆柱面热源模型更加符合实际工作状况。针对隧道作为地热换热器的情况，主要提出针对于隧道衬砌结构、隧道基础机构的埋管方式。对于隧道衬砌埋管的情况，结合土壤温度和边界条件，给出了隧道衬砌埋管的换热计算单元。
