温泉热能消除高海拔地区道路积雪暗冰试验研究

郑 波, 郑金龙, 蔚艳庆, 吴 剑

(1. 中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731； 2. 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

高海拔地区冬季路面易积雪结冰，特别是在隧道洞口、弯道等路段，形成的暗冰极易诱发交通事故，给交通带来严重危害。对高海拔地区路面积雪结冰问题，以往常采用撒融雪剂、盐、沙子及人工或机械铲除等除雪方法[1,2]，这些方法缺点明显、效果不佳。近年来，采用发热电缆作为融雪除冰新技术得到了越来越多的关注[3-6]，但采用电能方式解决路面积雪暗冰，能耗大，运行成本高。目前，又出现了一些新型的融雪方法，如采用太阳能法[2]、地热能法[7]等。

雀儿山隧道地处青藏高原向四川盆地的过渡地带，受地质构造影响，区域地热十分发育，隧道出口附近海拔4 300 ～ 4 600 m一带有温泉群出露，浅层地热能资源较为丰富[8,9]。利用雀儿山隧道出口附近温泉资源消除隧道洞口冬季路面积雪，可以减少甚至避免由暗冰导致的交通事故发生。将温泉或隧道内热水作为直接循环流体用于消除路面积雪，具有环保、安全、便捷等特点，既能达到自然资源的可持续利用，又能够保证冬季行车安全。

笔者通过在混凝土面板中铺设热水管道的试验段，对利用温泉热能消除冬季路面积雪的技术方案进行探索性研究，为利用温泉热能解决高海拔地区路面积雪暗冰问题提供技术支持。

1 模型试验段概况

1.1 场地特征

试验段区域年平均气温3.2 ～ -15.2 ℃，平均最高气温12.6 ～ -0.2 ℃，平均最低气温-3.2 ～ -16.0 ℃，极端最高气温27.2 ～ 14.4 ℃，极端最低气温-28.6 ～ -41.4 ℃，年较差18.2 ℃。通常，全年降雪81 d，积雪83 d，结冰236.5 d，大风19.5 d，日最大风速24 m/s，全年蒸发量1 493.1 mm，年平均气压为634.0 hPa，年平均湿度60%，年日照时数2 306.7 h，最大冻结深度大于150 cm，30 cm冻结深度平均开始日为11月14日，解冻日为4月17日。出露的地层岩性以燕山期花岗岩为主，第四系冰碛冰水沉积发育[10]。

1.2 试验概况

在混凝土面板中铺设热水管道的试验段选址位于雀儿山隧道主洞出口与服务隧道出口中间区域，现场情况如图1。

图1 试验段Fig. 1 Test site

试验段总长24 m，宽4.5 m。热水管道材质选择DN20 PVC管和DN15钢管两种，试验段长均为12 m；分3幅布置，每幅长度4 m；均可独立进出水，PVC材质热水管道管间距24 cm，钢材热水管道管间距40 cm。混凝土面板厚度40 cm，热水管道在混凝土面板中埋深15 ～18 cm，试验段管道布置如图2。通过水管将温泉热水从温泉出露点接至试验段处，水管外采用保温棉保温。

图2 试验段管道布置示意Fig. 2 Layout of pipeline arrangement in test section

1.3 测试方案

采用串式高精度温度探头测试温度。温度探头精度为0.05 ℃，温度测线长2.5 m，其中，出露在路面以上的测点数为3个，路面下最上侧的2个温度测点间距为0.25 m，其余测点间距均为0.5 m，每串温度测点线均布置9个温度测点。

采用MRDT603数据采集仪自动采集温度数据。采样频率为试验时每小时采集1次，其余时刻每2 h采集1次。

1.4 工作原理

混凝土面板中铺设热水管道的融雪化冰基本原理是：温泉热水通过铺设在路面下的管道，在对流传热、热传导的作用下，管道周围混凝土温度上升，随之路面温度也会升高，达到加热路面目的。路面上的积雪吸收热量，冰雪开始融化，在热水管道持续供热的过程中，路面冰雪会不断融化，融水不断排到道路两侧，同时伴随水分不断蒸发，直至路面无积雪和融水，从而保持路面干燥，确保了行车安全。

1.5 试验段施工

试验段施工基本步骤如下：

1)组装PVC管、钢管系统；

2)在每幅管道加热系统的中心位置处，埋设用于安装温度测点的钢管；

3)采用隧道内的出碴和中细砂对试验段进行铺底；

4)将铺设好的底层整平，根据设计高度安装模板；

5)浇筑底层混凝土，用振捣棒捣实混凝土；

6)铺设预制好的PVC管、钢管管道系统，如图3；

7)浇筑表层混凝土，用振捣棒捣实混凝土；

8)在试验段预埋温度探头，并将探头连接至数据采集仪以测试路基温度。试验段于2015年10月24日铺设完毕。

图3 温泉水管道系统布置Fig. 3 Layout of hot spring water pipe system

2 试验结果与分析

2.1 试验过程及现象

2015年12月23日开始进行路面融雪化冰试验。通水前，试验段混凝土面板上覆冰雪层厚度约为1.5～3.5 cm，靠墙侧冰雪层相对较厚。试验过程中，通过PVC管系统的温泉水流速约为0.147 L/s时，进水口处水温范围为24～33℃，出水口处水温范围为10～21 ℃；通过钢管系统的温泉水流速约为0.152 L/s时，进水口处水温范围为24～33 ℃，出水口处水温范围为10.5～23.5℃。

表1为PVC管和钢管两种管道系统通水试验时路面冰雪层融化情况。

表1 PVC管与钢管通温泉水后路面冰雪融化试验记录 Table 1 Test record of ice and snow melting on pavement after PVC pipe and steel pipe flowing through hot spring water

由表1看出，对于PVC管系统，通水24 h后在管道埋深相对较小的路面冰雪层开始融化，而在管道埋深相对较大的区域，路面冰雪层融化现象稍微滞后；通水96 h后，路面冰雪层全部融化。对于钢管系统，通水20 h后在管道埋深相对较小的路面冰雪层开始融化，而在管道埋深相对较大的区域，路面冰雪层融化也同样出现滞后现象；通水48 h后，路面冰雪层完全融化。对比两种系统试验结果可知，在相同条件下，钢管系统路面冰雪层融化速率更快，钢管试验段路面冰雪层完全融化耗时只是PVC管试验段的1/2，可以说钢管系统融化效率比PVC管系统高1倍。另外，试验过程中钢管路基试验段经历了数次大雪天气考验，最大下雪量达12 cm，路面无积雪，全部融化，工程效果可靠，该系统可以有效应对冬季降雪，能及时消除路面积雪防止暗冰产生，可以工程中应用。

2.2 路基内温度变化规律

2.2.1 自然条件下

图4为自然条件下没有通温泉热水时，试验段路基内外温度曲线。

图4 自然条件下路基不同深度处的温度曲线Fig. 4 Temperature curves of subgrade at different depths undernatural conditions

由图4可看出：试验过程中，整个试验段地表温度测点的温度范围为-3.9～-19.2 ℃，路面下1 cm处测点温度范围为-7.3～-15.6 ℃，路面下51 cm处地温范围为-5.8～-7.4 ℃，路面下101 cm处地温约-2.0 ℃，路面下151 m处地温位于0 ℃附近。研究表明：地表和浅层受环境温度变化影响较大；随着路基深度加大，越往下环境对地温影响越小，当深度达100 cm以后，地温基本稳定，可忽略环境条件的影响。

2.2.2 PVC管和钢管试验段

图5为PVC管及钢管试验路段不同路基深度处的温度曲线。由图5可知，不论是PVC管试验段还是钢管试验段，路表面测点温度值主要受气温影响，管道通水对测点温度值影响不大。造成这种现象的主要原因是由于路表温度测点与混凝土面有一定的空隙，冬季试验段风速较大，管道通水加热路面而散发的热量在风的影响下，会弱化其加热效果，故对这些测点温度值影响不大。

管道系统通温泉水加热路面过程中，钢管试验段比PVC管试验段的路面温度升温速率快，而试验时进入管道的温泉水温度基本相同，可见通水管道材质对路面融雪化冰时的加热效果影响显著。

图5 PVC管、钢管试验路段不同深度路基内地温曲线Fig. 5 Temperature curves of subgrade at different depths in testsection of PVC pipe and steel pipe

表2为试验段通水不同时长、不同路基深度处的温度情况。通水前地表温度，钢管试验段为-12.3 ℃，PVC管试验段为-11.4 ℃。

表2 两种管段通温泉水后不同深度路基温度观测情况 Table 2 Observation of subgrade temperature at different depths after hot spring water flowing through steel pipe and PVC pipe ℃

由表2及图5可知，总体来说，钢管系统的路表面升温速率快，这很好地解释了钢管系统的路表冰雪融化速率比PVC管系统高出1倍的现象。

2.3 管道温降分析

目前，国内外学者对原油输送过程中流体管道的温降有较系统的研究[11-13]，混凝土中铺设热水管道消除路面积雪的温降与其类似。因此，可以借鉴原油输送流体管道温降公式估算热水管道温降，但有必要对其进行可靠性验证和修正。

原油输送过程中，对距离不长、管径小、流速较低、温降较大的管道，在摩擦热对沿程温降影响不大或概略计算温降时，通常忽略摩擦热的作用，用苏霍夫公式(1)来计算管道温降：

TL=T0+ (TR-T0)e-aL

(1)

(2)

式中：TL为距起点L处的温度，℃；T0为管道周围土壤温度，℃；TR为管道起点温度，℃；a为参数，无量纲；K为总传热系数，K= 500 W/(m2·℃)；Dw为管道外直径，Dw=0.02 m；G为流体的质量流量，kg/s，通常热水管道流速0.2～1.0 m/s，文中以实际流速计算；c为流体比热，c=4 200 J/(kg·℃)。

试验段分别采用PVC管及钢管两种材质的管道进行输水传送热量，显然其输水过程中的温降会受到材质的影响。因此，为体现不同材质对管道温降的影响，在苏霍夫公式中引入考虑材质及周边岩体环境影响的修正系数β，得到式(3)：

TL=T0+ (TR-T0)e-aβL

(3)

为获得式(3)中修正系数β值，分别在PVC管试验段和钢管试验段进水端和出水端埋设温度测点。同时，在无影响区域埋设参照点，以获得试验时混凝土路基内的实际温度。试验时PVC管总长约94 m，管道内温降约12～14℃，钢管总长约35 m，管道内温降9.5～13.5 ℃。

通过对试验数据的分析和回归处理，得出雀儿山隧道出口区域钢质管道修正系数β钢管=1.8，PVC管道修正系数βPVC管=0.9。图6为采用修正公式计算的温降与实测温降。

由图6(a)可以看出，经过94 m PVC管的热水实测温降值与修正的苏霍夫公式(βPVC管=0.9)计算值吻合较好，计算误差基本保持在5%内。从测试与计算结果来看，94 m PVC管实测温降范围为4.0～7.0 ℃，修正的苏霍夫公式温降计算值范围为4.3～6.0 ℃，对于混凝土面板中铺设PVC管热水系统，修正苏霍夫公式可以满足工程需求。

由图6(b)可以看出，钢管管道温降基本处于-6.3 ～ -8.1℃范围内。通水初期，经过35 m钢管的热水温降实测值与修正苏霍夫公式(β钢管=1.8)计算值相差较大，但随着时间的延长，通过钢管热水的温降测试值与计算值吻合越好，计算误差基本保持在5%内。从测试与计算结果来看，35 m钢管实测温降值范围为2.9～7.2 ℃，修正的苏霍夫公式温降计算值范围为2.9～5.4 ℃，对于混凝土面板中铺设钢管热水系统，修正苏霍夫公式可以满足工程需求。

图6 PVC管与钢管流体温降实测值与计算值Fig. 6 Measured and calculated values of fluid temperature dropof PVC pipe and steel pipe

结合现场试验温泉热管系统融雪化冰效果及雀儿山温降计算公式，建议在遇到类似工况需要消除冬季路面积雪或暗冰时，若路基附近存在温泉或者隧道排水温度能达到20 ℃以上时，可采用文中方案消除路面冬季暗冰。

3 结 论

笔者建立试验段，开展了利用温泉热水分别通过PVC管、钢管系统以消除高海拔地区道路积雪暗冰的现场试验，得出以下主要结论：

1)钢管试验段比PVC管试验段段升温快；从完全融化耗时来看，钢管试验段只用了PVC管试验段的一半时间；40 cm间距钢管系统比24 cm间距PVC管系统更有效。

2)在传统的苏霍夫公式中引入由材质及周边岩体环境决定的修正系数β，雀儿山隧道出口区域钢质管道修正系数为1.8，PVC管修正系数为0.9，修正苏霍夫公式可用来计算流体管道温降。现场试验表明，计算结果可以满足工程需求。

3)利用自然温泉资源消除冬季路面积雪暗冰的技术，是提高高海拔地区道路通行安全性与运营能力的新方法，可以推广应用。