西伯利亚典型土坝热虹吸管内对流特性分析

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，李卉玉，于淼，赵伟静 译

(1.俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，萨哈共和国 雅库茨克 677010；2.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；4.黑龙江大学中俄寒区水文和水利工程联合实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；5.黑龙江省寒地建筑科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

对雅库特中部自然冻结土坝的热态动力学的研究，不仅揭示了处于稳定状态下低水头土坝的结构特征，同时确定了用于流域灌溉的低水头土坝具有季节性冻融的特点[1-3]。本文对萨哈(雅库特)共和国典型土坝中热虹吸管内的对流特性进行监测与分析。

在多年冻土地区，土坝的抗渗性和结构稳定性受温度影响较大。通过对低水头土坝的运行状况进行分析，发现土坝不仅缺乏长期可靠的观测数据，而且现有的数据显示，在运行过程中地下热状态参数不断改变，导致土坝的结构特点与建成之初相比有很大不同[4]。

在没有水库的情况下，土坝表面频繁地进行热交换，因此具有相当大的温度梯度(冬季为10 ℃/m，夏季为20 ℃/m)和湿度梯度(10 %/m)，且温度的波幅为50 ℃，另外在冬季和夏季均存在水分再分配过程。

由于实际需要，在雅库特其他地区的土坝运行过程中，有必要观察土坝的热态形成情况，这项研究需要通过计算机进行处理。这个课题十分复杂，因为随着自然冻结季节制冷系统的应用，形成了冻土防水芯，制造了更多的防冻型土壤。通过对土坝的运行过程进行详细的研究，发现热物理模型可以充分体现土坝运行的自然过程。地下水动力学和物理力学研究了夏季液体热虹吸管的对流特性，确定了季节性制冷系统装置的最佳埋深。

1 热虹吸管实际应用

热虹吸管使用煤油作为制冷剂，依靠液体的特性来改变其密度。液体的密度与温度有关。温度越低，密度就越大。这就使得冷却的液体因密度变大而下沉，占据未冷却的较热而密度小的液体空间，进而迫使其上升。这样，液体密度梯度的改变就形成了对流。

Buchko和Turchina在1978年提出了一种观点，认为土壤冻融期的热虹吸管对流现象在夏季和冬季都会发生[5]。然而，文献资料中没有能够支撑这个观点的实验数据。

于是他们决定，在自然环境中运行的建筑物中监测夏季对流现象是否存在。在雅库茨克市的冻土研究所地区，有使用煤油热虹吸管来维持堤防和地基的冻结状态的土石坝。他们就是利用这些热虹吸管来进行观测的。

试验土坝长220 m，高2 m，顶宽4 m，坡角1∶1.5。填方材料为含不同粒径的砂石。土坝试验段的长度为21 m，坝体表面覆盖厚度为6 cm的PCV-1级塑料泡沫。

坝基下方的11.5 m深处，在其左右两侧均发现了大量冰冻的灰色砂石。砂体上覆有含腐殖质残留物的沉积物，深度为3.3 m。沉积物被塑性冷冻，具有水平分层的低温结构。砂粒含水率为28%，而黏土含水率为36%～48%，密度为1.98 g/cm3。在大坝的中心1.6 m深的地下，地基土由棕色、黑色、蓝灰色和绿灰色淤泥组成。其含水率为0.43，容重为1.8 g/cm3。地表以下1.6～4.1 m的深度范围内出现含有植物残渣的暗灰色的黏土，其中水分的含量为0.36～0.48。这些黏土被塑性冷冻后，体积重量从1.76 g/cm3变化到2.0 g/cm3。

厚度为300 m的永久冻土层不断扩展，钻井资料表明，多年冻土层位于地表以下45 cm深处，温度为-2.6 ℃，8月底纵向安装了37个热虹吸管，9月初就冻结了大坝的堤坝和地基土壤，其中6个是蒸气—液体的(充满氟利昂-22和氟利昂-17)，其余的则装有煤油TS-1。

热虹吸管的深度为7.5～10.3 m，间距为3 m。以煤油作为制冷剂的热虹吸管有以下特点：地表以下热交换器包括直径为159 mm的外管和直径为85 mm的内管；地表以上热交换器直径为219 mm，高1.3 m。

2 夏季对热虹吸管内对流特性参数监测与分析

在夏季，通过在同一土壤中观察两组相同的热虹吸管N3和N4，检测热虹吸管中是否存在对流。分别在两组热虹吸管的地表以下1.5 m处、热虹吸管底部、地表以上热交换器的顶部和底部4处安装了温度传感器(图1)。在整个实验过程中对热虹吸管所处的环境温度进行监测。实验在6月开始，于10月结束(图2)。在实验之前，同时对N3号和N4号两个热虹吸管进行了温度测量，然后从N3号热虹吸管的地下热交换器中倒出煤油。此后在不同的天气条件下对制冷剂温度进行一系列的日常测量。因此，沿着热虹吸管的温度传感器反馈的温度值，间接地进行了对流监测。N3号和N4号热虹吸管温度偏差证实热虹吸管中存在对流现象。

图1 N3号和N4号热虹吸管剖面图

夏季进行的第一次监测是从6月20日到22日。观测结果表明，在低温条件下，N3号和N4号热虹吸管底部的温度保持不变(图3)。

制冷剂其他一系列对于温度的监测是在9月19日至21日期间进行的，夜间最低温度达到-5 ℃。从记录的温度上可以清楚地看到，N4热虹吸管中制冷剂的温度范围在-1.3～0.6 ℃，而在同一深度，N3号热虹吸管的制冷剂温度稳定在-0.8 ℃(图4)。

图2 1984年6月至10月环境与制冷剂的温度动态

图3 稳定的高温时期N3号和N4号热虹吸管中环境与制冷剂温度动态

图4 夜间温度低于0 ℃时，N3号和N4号热虹吸管中环境温度与制冷剂温度动态

分析表明，8 m深处的制冷剂温度随着周围环境的散热而平稳变化，当温度低于0 ℃时开始产生对流。

因此，自然观测结果表明，在实验的精度范围内，夏季在季节性融化层以下，热虹吸管中没有对流[6]。

3 结 论

热虹吸管使用煤油为制冷剂，依靠液体的温度变化来改变其密度。温度越低，密度就越大，由于密度梯度的改变而形成对流。通过对热虹吸管内的制冷剂进行温度监测，实验数据表明热虹吸管温度存在偏差，证实热虹吸管中存在对流。但是在温度低于0 ℃时热虹吸管中才开始产生对流，夏季时在季节性融化层以下，热虹吸管中没有对流。

在寒区，坝体内部制冷剂温度较高，因密度小而上升，带走坝体内部热量；坝体外温度较低的制冷剂因密度较大而下沉，可降低坝体温度，周而复始，可使坝体冻结更加牢固，进而提高坝体稳定性。

参考文献：

[1] Чжан Р В. Температурный режим низконапорных земляных плотин для лиманного орошения в условиях Центральной Якутии[C]//Труды координационных совещаний по гидротехнике. Ленинград:1975.

[2] Чжан Р В. Прогноз термического режима низконапорных плотин при естественном промерзании[C]//Проектирование плотин для оросительных мелиораций в Центральной Якутии. Якутск: Якуткнигоиздат, 1976.

[3] Чжан Р В. Исследование теплового режима низконапорных земляных плотин лиманного орошения в условиях Центральной Якутии[D]. Москва:1977.

[4] Чжан Р В. Водно-тепловой режим земляных плотин лиманного назначения[C]//Труды ЯНИИСХ СО ВАСХНИЛ. Якутск：1972.

[5] Бучко Н А, Турчина В А. Искусственное замораживание грунтов. Обзор[M]. Информэнерго, 1978.

[6] Чжан Р В. Особенности деформаций земляных плотин и водосбросных сооружений низкого напора в условиях вечной мерзлоты[J].Криосфера Земли. 1997,4: 66-71.

Abstract：The convection in the thermosyphon in the earth dam has a positive effect on maintaining its stability, while the study of the stability of the low-head earth dam in the cold region has an important impact on the irrigation system and is of great significance to the development of the national agricultural economy.Under the same geological conditions, the temperature of the refrigerant inside the thermosyphon in different environments was monitored, it is pointed out that temperature sensors are installed at the bottom of the thermosyphon at the bottom of the thermosyphon and at the top and bottom of the heat exchangers above the surface at 1.5 m below the surface of N3 and N4 respectively under the same environmental conditions.The temperature of the refrigerant in the siphon is monitored. The experimental data show that there is a deviation in the temperature of the two thermosyphons and the convection exists in the thermosyphon.However, the convection in the thermosyphon begins to occur only when the temperature is below 0 ℃, and no convection occurs in the thermosyphon in the summer below the seasonal melting layer.

Keywords：thermal siphon; convection; temperature; earth dam; cold region; Siberia