安徽浅层岩土体热物性特征及其影响因素

陈学锋，付文博，夏智先，杜雨彤

（安徽省地质环境监测总站，安徽合肥 230001）

安徽浅层岩土体热物性特征及其影响因素

陈学锋，付文博，夏智先，杜雨彤

（安徽省地质环境监测总站，安徽合肥 230001）

在安徽不同地质条件区开展钻探取样和现场测试，对比分析了岩土体室内和现场测试的热导率结果，地层的热导率会随着固结程度的变好而增大，室内与现场测试结果也具有较好的相关性，地下水动力条件、人类活动会对现场测试结果产生一定的影响。同时针对地埋管型地源热泵系统的不同设计阶段，提出了获取热导率的方法建议，促进了合理开发利用浅层地热能资源。

浅层地热；热物性；测试；影响因素

0 概述

浅层地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源（中华人民共和国国土资源部，2009），具有分布广、储量大、清洁环保、易开发等特点，是我国提倡开发利用地热能的一种。在开发利用中需要精细掌握地质、水文地质、岩土体热物性等相关参数，安徽部分开发利用工程出现换热效率降低、回灌量减少、涌砂等现象（陶庆法，2007；王秉忱，2008），严重的直接导致热泵系统无法正常运行，造成较大的经济损失。

地埋管型地源热泵系统设计中最重要的参数是岩土体热物性参数，此参数可通过取样室内测试和现场热响应试验获取，两种方法各有优缺点，得出的结果不尽相同（中华人民共和国建设部，2009；汪集旸，2005）。深入对比安徽不同地质、水文地质条件区的测试数据，总结其热物性特征，分析其影响因素，对今后的浅层地热能开发利用具有重要的指导意义。

1 地层岩性、结构划分

安徽地层跨华北、华南两个地层大区，分属三个地层区和五个地层分区，地层岩性、结构较复杂（安徽省地质矿产局，1987）。结合浅层地热能赋存条件及开发利用特点将地层岩性划分为松散岩类（Q+N）、半固结（E+K）及固结岩类（除Q+N、E+K外的岩石）三种类型（安徽省地质环境监测总站，2013）。

中心城市规划区浅层地热能主要赋存于200m以浅岩土体中，按地层结构有单一结构和双层结构两类，其中双层结构为上覆松散层、下伏半固结岩类及固结岩类地层。

松散岩类地层主要分布于淮河以北平原及芜湖、合肥市等城市规划区；半固结岩类地层主要分布于江淮之间波状平原以及合肥、六安、滁州及宣城市等城市规划区，黄山、淮南及马鞍山市局部地区；固结岩类地层主要分布于沿江、江南丘陵地区以及平原局部地区。

松散岩类地区发育有浅、深层松散岩类孔隙水，半固结岩类地区地下水较贫乏，固结岩类地区地下水贫富不均。

2 测试方法

室内测试是对单个岩土样品导热能力的测试，其主要特点是样品已脱离了岩土体的天然环境，尤其水文地质条件的影响在室内测试中难以体现，同时砂性土原状样品难以采取；同一岩土体有无地下水参与，其热物性特征是不同的。岩土样室内测试结果是一项基础性工作（韩再生，2007），对不同岩性的岩土热物性对比分析具有重要意义。

通过钻探全孔取芯，采取代表性岩土样品，送中国科学院武汉岩土力学研究所进行室内测试，采用热针法（瞬态热流法的一种）测定无限大均匀介质中线热源处的温度上升率来确定介质的热导率。热针法温升不大，在短时间内即可完成一次测试，样品中水分不致发生明显的迁移，测试值能较真实地反映实际情况。

现场热响应测试是对孔内综合环境的测试，是整个孔的平均值，地下水的活动在现场试验中对地层换热能力会产生一定的影响，所测试结果更接近工程实际运行条件，具有工程应用的实际意义（王秉忱，2008）。

通过在钻孔中安装双U型HDPE管、回填、静置恢复，完成地埋管的准备，采用我站的浅层地热能测试仪先后对其进行大小两功率的稳定热流测试，根 据 Carslaw、Jaeger（1947） 和 Ingersoll（1948，1954）的圆柱热源理论模型结合参数估计法来计算岩土体现场热导率。

3 测试结果分析

先将现场测试结果按松散岩类、半固结及固结岩类进行分类统计分析，然后与室内测试结果进行对比。

3.1 松散岩类

将以松散岩类为主的测试孔现场测试数据列于表1，对比得到图1。

粘性土所占比例较高的地区现场热导率较小，固结地层比例高的地区现场热导率大；地下水的流动加强了换热效果，如QS01孔位于地下水开采区，测得的现场热导率较大，在同等地层结构情况下，地下水流速大的地区现场热导率大。这也准确地反映地质、水文地质条件与地层的换热效果息息相关，现场热导率是对这一综合作用的集中体现，不同地质背景条件会出现不同的测试结果。

3.2 半固结岩类

将以半固结岩类为主的测试孔现场测试数据列于表2，对比得到图2。

粘性土所占比例较高的地区现场热导率较小，半固结地层比例高的地区现场热导率大；QHn01孔位于山前，地下水参与换热较多，测得的现场热导率较大。地层结构、地下水的参与换热对现场热导率的影响与松散岩类类似。

表1 松散岩类现场热响应试验成果表Tab.1 Test results of spot thermal response of loosened rocks

图1 热导率与地层结构对照图Fig.1 Thermal conductivity vs stratigraphic structure

3.3 固结岩类

将以固结岩类为主的测试孔现场测试数据列于表3，对比得到图3。

粘性土所占比例较高的地区现场热导率稍小，坚硬花岗岩地层的现场热导率大，如QB02孔。由于固结岩类地区地下水贫乏，地下水活动对现场测试结果的影响较小，此时地层岩性本身的导热性能直接影响到现场测试结果，即热导率大的岩性现场测出的热导率也偏大，反之亦然，客观地反映了地层岩性与地层的换热效果存在紧密联系。

表2 半固结岩类现场热响应试验成果表Tab.2 Test results of spot thermal response of semiconsolidated rocks

图2 热导率与地层结构对照图Fig.2 Thermal conductivity vs stratigraphic structure

表3 固结岩类现场热响应试验成果表Tab.3 Test results of spot thermal response of consolidated rocks

图3 热导率与地层结构对照图Fig.2 Thermal conductivity vs stratigraphic structure

3.4 对比分析

不同固结程度岩类的室内测试结果见表4，同一岩性，时代越老，固结程度越好，热传导能力越强，室内热导率越大，现场测试热导率也越大，粉细砂（岩）室内与现场测试热导率对比见图4。

表4 三类岩地区测试结果对照表Tab.4 Comparison of indoor and spot test results of three types of rocks

图4 砂(岩)室内与现场测试热导率对比图Fig.4 Comparison of thermal conductivity of sand (rock)tested indoors and in situ

室内与现场测试热导率表现出很好的一致性，说明地层岩性对测试结果具有决定性的影响，是所有测试结果的根本所在，同比现场测试结果大于室内测试。

为分析地层结构对测试结果的影响，将各测试孔按地层厚度求出不同岩性的权值，乘上各岩性对应的室内热导率，相加后得到室内加权平均热导率，计算结果见表5。

将各测试孔室内与现场测试结果绘制成图5，两者具有较好相关性，尤其是半固结单层、固结单层结构的一致性更好，松散单层结构的两种测试结果基本一致，现场测试结果有一定的波动。分析其原因，松散岩类地区的地下水径流条件较好，地下水参与换热，导致现场测试结果较室内偏大；在半固结、固结地层区地下水径流条件较差，地下水对测试结果影响小，体现在现场测试结果与室内保持较好的一致性。

表5 室内平均热导率与现场测试结果对比表Tab.5 Comparison of indoor thermal conductivity in average and spot test result

图5 现场与室内测试热导率对比图Fig.5 Comparison of thermal conductivity tested in situ and indoors

4 结论

（1）安徽浅部地层随着固结程度的变好，室内与现场测试的热导率也随之增大，热传导能力变强。

（2）室内平均热导率与现场测试结果有较好的相关性，尤其半固结岩类单一结构与固结岩类单一结构一致性更好。

（3）宿州、淮北等地的地下水径流条件较好，在地下水开采、采矿等人类活动的影响下，加快了地下水的流动，增强了地层的换热效果，使现场测试的热导率较大。

（4）地层岩性、固结程度、样品采集决定了室内测试的结果，而现场测试的热导率是在地层岩性、结构、固结程度、地下水动力条件、人类活动的综合作用下的结果。

（5）两种测试结果均能真实地反应地层的换热能力。在开发利用初期可采用经验数据和本次测试结果进行热导率估算，开发利用后期则必须采用现场测试数据进行计算。

安徽省地质矿产局，1987．安徽省区域地质志[M]．北京：地质出版社.

安徽省地质环境监测总站，2013．安徽省浅层地热能调查与评价报告[R]．

韩再生，冉伟彦，佟红兵，等，2007．浅层地热能勘查评价[J]．中国地质，34(6)：1115-1121．

陶庆法，胡杰，2007．浅层地热能开发利用现状、发展趋势与对策[M]．北京：地质出版社．

王秉忱，2008．科学利用地源热泵开发浅层地热能[J]．水文地质工程地质，35(3)：3．

汪集旸，马伟斌，龚宇烈，等，2005．地热利用技术[M]．北京：化学工业出版社．

王秉忱，2008．我国利用水源、地源热泵技术开发浅层地热能呈现好形势[J]．工程设计与建设，(1)：8-11．

中华人民共和国国土资源部，2009．浅层地热能勘查评价规范(DZ/T 0225-2009)[S]. 中国标准出版社．

中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2009．地源热泵系统工程技术规范[S]．北京：中国建筑工业出版社．

Thermal Properties and Their Inf l uence Factors of the Shallow Rock-soil
Mass in Anhui Province

CHEN Xuefeng, FU Wenbo, XIA Zhixian, DU Yutong

(Geo-environment Monitoring Station of Anhui Province, Hefei 230001)

Drill core sampling and spot test were performed in areas of different geological conditions in Anhui Province. Comparative analysis was made indoors and in situ for thermal conductivity of rock or soil mass. The results indicate that thermal conductivity of stratum increases with its bettering consolidation, indoor and spot test results are well correlated, dynamic conditions of groundwater and human activities have effect on spot test result. Methods and suggestions for obtaining thermal conductivity were given for different design stages of buried pipeline-type ground-source heat pump system to promote reasonable development and utilization of the shallow geothermal energy.

Shallow geothermal energy; Thermal property; Test; Inf l uence factor

A

1007-1903（2017）03-0076-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.013

陈学锋（1976— ），男，硕士，高工，主要从事水工环、地热地质基础及研究工作。E-mail:chenxuefeng02@163.com