热棒在多年冻土区堤防工程中的应用研究

汪恩良,田 雨,刘兴超,任志凤,胡胜博

(1.东北农业大学 水利与土木工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150030；2.黑龙江省寒区水资源与水利工程重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150030)

我国多年冻土与季节性冻土区域面积占国土总面积的75%以上，其中多年冻土面积占国土面积的22.4%，典型多年冻土区域当属中低纬度的青藏高原和高纬度的东北大小兴安岭地区[1]。在全球气候变暖的影响下，随着人类工程建设活动的增加，植被的破坏和回填土都会对地基表面的热量平衡产生扰动，引起多年冻土的融化，最终导致建筑物基础的沉降以致破坏堤防地基的稳定性。因此，在多年冻土区修建水工建筑物面临着诸多难题，采取何种措施能够保证水工建筑物在多年冻土区的稳定性成为一个亟待解决的问题[2-4]。

热棒技术是20世纪60年代初开始广泛用于土木工程中的一种冷冻技术，热棒在冬季可以将热量带出地下散发到空气中，夏季又可有效地阻止热量向下传递，是一种可控热量传递的高效热导装置[5]，热棒的工作原理如图1所示。它的优点是无需外加动力，无运动部件、无噪声干扰、无需日常维修养护，是真正的环保型产品，因此在多年冻土区被广泛使用[6]。从20世纪60年代开始，美国、俄罗斯、加拿大等国家在寒冷地区的工程建筑物中应用热棒[7-9]，用于冷却地基确保冻土稳定性。国内，热棒在青藏铁路和青藏公路的首次应用，取得了很好的降温效果[10-14]。有许多学者对热棒在多年冻土区的设置和应用效果进行研究，例如，曹元平等[15]探究了热棒在抬升多年冻土路基的上限、寒季制冷、暖季保冷等方面的作用；武俊杰等[16]以热棒路基右路肩孔水平热收支为基础估算了路基的水平热收支,进而给出了单个热棒的平均“产冷量”；Dong等[17]通过室内试验探究了L型热棒和保温材料联合降温对路基的影响效果；周亚龙等[18]预测了热棒功率变化下多年冻土区输电塔热棒桩基的长期降温效果，并结合青藏铁路望昆-不冻泉段电力杆塔基础的现场地温测试试验，建立热桩基础的三维有限元模型[19]；孔森等[20]探究建立了热管路基水热计算模型。同时，张旭东[21]以祁连山中高山区由前斜坡地带某段多年冻土路基为例，建立了数值模型，进行路基多场模拟计算；Zhang等[22-23]利用数值模拟、分层求和计算及耦合水热模型等对富冰多年冻土河岸热动态演变及沉降特性进行了估算，为热棒在多年冻土区的应用提供了支撑。目前，热棒在多年冻土区的应用研究较多集中于路基工程，本文将借鉴热棒在路基工程中应用的成功先例，研究其在多年冻土区(堤防)工程中应用的效果。

图1 热棒工作原理图

本文通过现场试验，设置3个试验段，分别进行单桩热棒影响半径试验、热棒无保温板覆盖试验和热棒结合保温板试验，对堤防基础下的地温进行监测，分析温度变化规律，探究热棒技术及热棒结合保温板综合措施在水利工程上的应用效果，为在多年冻土区修建水工建筑物提供依据。

1 研究地点及方法

1.1 研究地点

黑龙江省大兴安岭地区漠河县位于我国版图最北部、中俄交界处，是全国纬度最高的县份。地处全国九大山系之一的大兴安岭山脉的北坡，黑龙江上游南岸。北极村位于黑龙江省大兴安岭地区漠河县最北部，地处北纬53.48°，东经122.35°，具体位置如图2所示。漠河县是全国气温最低的县份，属于寒温带大陆性季风气候[24]。据中国气象数据网数据，1959年至2019年北极村站年平均气温为-4.15℃，平均每年月平均气温在0℃以下的达8个月。年平均降水量为440.2 mm，全年降水量70%以上集中在7月，5月—6月为非汛期，7月—8月为汛期。气温是决定东北大小兴安岭地区冻土类型的决定因素，根据《中国冰雪冻土图简要说明书》[25]，研究区属于岛状融区多年冻土，连续程度为50%～60%。寒冷的自然地理环境既严重影响了本区人民的文化、生活及经济建设，也造成了水利工程的冻害。

本文试验地位于黑龙江省漠河县北极村回水堤防0+486，试验区现场如图3所示。通过地质勘测，该区位于高纬度不连续多年冻土区，冻土类型为少冰高温冻土和多冰高温冻土。多年冻土天然上限为2.7 m，下限为9.2 m，冻土层厚度为6.5 m。

1.2 研究方法

本研究采用野外原型试验和实测数据数值分析相结合的方法进行研究。

图2 北极村地理位置图

图3 试验区现场图

研究试验工程现场共安排三个试验段，即单热棒影响半径试验、双热棒无保温板试验和双热棒覆盖保温板试验。双热棒覆盖保温板试验区上覆厚8cm、宽3.6m、长8.4m保温板，试验场安排见图4。

图4 试验场布置图(单位：cm)

试验场共安装5根规格为89 mm×9 m(管壁直径×热棒长度)的热棒。图5给出了测温孔垂直分布的情况：2号、6号、10号测温孔温度点分布见图5(a)；3号—5号、7号—9号、11号—15号测温孔温度点分布见图5(b)；1号测温孔温度点分布见图5(c)。

由于本试验在实测数据收集过程中地表浅层及地表以上部分受大气热交换作用影响较大，且本试验要跟踪研究一定工作周期内随外界气温的变化热棒的工作周期和工作效果，所以编制固定的数据收集周期。本次试验数据的收集周期为7 d，实测时间为下午13:00左右。

图5 垂直方向测温孔温度点分布情况(单位：cm)

2 试验结果分析

2.1 热棒影响半径的确定

2.1.1 单桩热棒效应分析

图6为1号测温孔1.0 m～6.5 m深度的温度变化曲线。随着测温时间的不同，0～2.0 m的温度变动幅度较大，温度随时间(季节)的变化明显，表现出浅部土层容易受到气温影响的特点，且越靠近地表该特点越明显；而在4 m以下的土层受时间(季节)的影响很小，土层温度基本都处于恒定的负温状态，平均温度为-0.12℃，体现了一定深度多年冻土的稳定性。

图6 无热棒影响下不同深度温度变化

热棒的影响半径是评价热棒降温效果的主要指标之一，是指热棒在工作期间所带入外界冷量在地基中传递的距离。由图6可以看出该试验地区的地温最低值出现在2017年1月底至2月初，选择2017年1月23日为研究日期，此时热棒的制冷效果最为明显。由2017年1月23日距热棒不同水平距离地温随深度的变化情况图(见图7)可以看出：0～2.5 m深度为热棒的绝热段，受到外界气温的干扰明显，温度波动大；2.5 m～6.0 m为热棒的蒸发段，热棒持续作用且地温变化不大，趋于平稳；6.0 m后为热棒的充液段，制冷效果逐渐减弱。本文选择距地表6.0 m深度处来分析热棒作用半径。

图7 2017年1月23日地温变化

图8为-6.0 m深度无热棒影响地温与R5热棒侧壁以及距离R5热棒水平距离0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m地温的对比。可以明显看出，受热棒影响下的地温温度低于未安装热棒地区，由此可见热棒对多年冻土层起到保护作用，由于热棒在10月份完成埋设，可见热棒在埋设后即进入启动状态。随着冬季来临，地温不断降低，各层温度也随之降低，但距离热棒不同水平距离上温度存在明显差异性。其中，除热棒侧壁外，距热棒水平距离0.5 m处降温效果最为明显，特别是2017年1月23日，热棒的降温效果达到最大值，温度由-0.25℃降至-5.0℃。6月份前后，气温逐渐回升，进入暖季，热棒逐渐停止工作，附近土体的温度开始上升，但由于热棒在冬季积攒的"冷量"开始扩散，影响范围逐渐扩大，使得热棒附近的地温仍低于无热棒影响的地温。虽然热棒对土层温度的影响强度在水平方向上呈现逐渐降低的趋势，但其影响半径可达到2.50 m以上。

图8 -6.0 m深度地温对比

距热棒不同水平距离地温表现出相同的变化趋势，分析水平距离热棒2.50 m处不同深度地温的变化情况。图9为单桩热棒作用下不同深度的温度场变化。可见不同深度下温度场变化趋势并无明显差异。主要表现为深度为-0.5 m、-1.0 m处温度在寒季较低，距离近地表较近受气候相应显著表现为正弦变化，寒季温度较低而暖季温度较高，表层土受外界温度变化影响，表现出随季节变化的特性。而对于-2.0 m～-8.0 m深度处，在距离热棒不同水平方向上，温度场变化趋势均较为接近且波动较小，始终在0℃以下波动。在距离热棒水平距离2.50 m处，各点的温度值年内始终处于正温，可见热棒仍对对多年冻土起到良好的保护作用。以上分析表明：仅从单桩热棒对温度场的影响情况来看，其影响半径至少为2.50 m。

图9 单桩热棒作用下水平距离热棒2.50 m处地温变化

2.1.2 无保温板覆盖的群桩热棒效应分析

受群桩热棒影响的土体水平方向下各层温度值较单桩热棒作用下的变化规律亦存在明显不同。

由图10可以看出，群桩热棒作用下，在-6.0 m深度距离热棒蒸发段水平方向0.60 m处地温与单桩热棒作用下相差约在0.1℃左右，可见R4热棒两侧的热棒均未对此处产生明显叠加效应。

图10 -6.0 m深度距离热棒水平方向0.60 m处单桩、群桩温度场变化

为更直观体现群桩热棒和单桩热棒降低土体内温度程度的不同，进一步确定热棒影响半径。以-6.0 m处深度为例，对单桩热棒温度场进行插值并将计算结果与相应的群桩热棒作用下温度场变化做对比。图11和图12所示分别为距离热棒水平方向1.80 m和1.20 m处单桩、群桩温度场变化。从图中可以看出，群桩作用下负温在水平距离上产生明显叠加现象。二者相比较而言，在1.80 m处产生的叠加现象更为显著。群桩叠加年内温度降低值较单桩相比最高可达2.56℃，而1.20 m处则为1.74℃。可以看出，不论水平距离为何值，寒季热棒处于工作状态时对温度场影响较大，而暖季的影响则呈现衰弱趋势，但随着季节交替，下一个寒季来临前，热棒储存的冷量足以维持冻土状态稳定。同时，R3热棒对于R4的叠加效应也确定在2.5 m～3.0 m范围内，进一步确定了热棒影响半径的范围。

图11 -6.0 m深度距离热棒水平方向1.80 m处单桩、群桩温度场变化

图12 -6.0 m深度距离热棒水平方向1.20 m处单桩、群桩温度场变化

群桩热棒冷量的叠加还可以通过相同深度下各点年内温度最低值得以体现。以2016年10月10日至2017年9月20日期间深度-6.0 m处温度值为例，在2月21日时，可用插值法判断水平方向距离热棒1.20 m处温度区间为-2.8℃，而群桩热棒作用下产生叠加区域的相同深度下水平距离1.20 m处的地温值为-4.4℃，叠加后降低温度值在-1.5℃以上，对于受温度影响较大的多年冻土(尤其高温冻土)而言，-1.5℃足以维持其状态稳定，基本解决了融沉现象。

群桩热棒作用下热棒侧壁温度变化则与单桩热棒作用下相比表现出高度一致性，在深度为-4.0 m～-6.0 m内，热棒侧壁温度最低温度仍然均在-10.0℃～-15.0℃范围内，对于同一区域内相同地质条件而言，相同功率的热棒在正常工作过程中产生的冷量并无明显差异。与单桩热棒影响下的地温对比，在双热棒间距3.6 m的布置模式下距离热棒1.80 m处地温明显降低，低于0.60 m、1.20 m处温度且低于单热棒时1.5 m、2.0 m处地温、高于单热棒时距离热棒2.50 m处地温，这说明热棒降温效果在距离热棒1.80 m处产生了明显叠加效应，由此可以判断热棒的影响半径范围为2.5 m～3.0 m。因此3.6 m的热棒群布置间距是合理的，不会产生群桩效应和局部的融沉现象，且有利于地基储冷量的进一步增加，降低冻土地基冻土上限，让冻土地基更加稳定。

2.2 群桩热棒与XPS保温板组合效应分析

挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)保温板是聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)保温板经历挤塑工艺而成的一种内部蜂窝结构更密，孔隙结构更小，密度总体偏大的保温板。其常温物理性质总体优于EPS保温板，因此具有高抗压，轻质，不透气，耐磨，不降解等特性，也是一种理想的保温隔热材料。XPS板由于其自身具有较低的导热系数和较高的蓄热系数，制作简单等优点被广泛应用在寒区工程领域内并取得了良好的工程效果。

在之前的所有相关探索中，基本都是将热棒的主动降温和利用隔热保温材料隔热单独作为某项工程的冻融防治措施，这样做虽然达到了一定的要求，但依然没有取得十分理想的效果。热棒主动降温和隔热保温材料在冻土地基中的联合应用是一整套完备的冻土地基降温和维稳措施，从一定意义上来说这也是“热量的疏堵结合”。

群桩热棒+XPS保温板的降温措施与未覆盖保温板相比，年内温度变化的总体趋势表现出高度的一致性，不再赘述。不同的是覆盖保温板以后，寒季和暖季地温值变化情况发生了明显改变。其规律表现为：覆盖保温板后寒季内温度值虽略高于未覆盖保温板，但暖季覆盖保温板温度值明显低于未覆盖保温板。这是由于暖季内保温板起到阻止暖季外界热量进入土层的作用，达到了被动阻热的效果。

由于不同深度下温度场变化情况类似。故在此仅对-6.0 m深度下温度场变化情况进行分析(见图13)，随着气温的年内正弦变化，水平方向温度也呈现相似变化，但地温波动幅度得到弱化。各层地温在2月份前后达到最低温度，之后保持升温趋势直到9月20日观测期结束，与未采取降温措施的地温相比，采用热棒+保温板相结合的地基保护措施暖季降低土层温度最高可达到4℃，可见其产生了良好的工程效果。

图13 群桩热棒+XPS保温板作用下-6.0 m深度地温变化

为表征保温板在维持冻土始终处于稳态所发挥的作用，选取水平方向距离热棒1.80 m，深度-6.0 m温度场变化为例，分析其在年内发挥功用的差异性。如图14所示，覆盖保温板与未覆盖保温板相比变化规律明显不同，保温板的阻热和阻冷作用对温度场的双向影响随气温的年内变化表现并不相同，暖季和寒季相比较而言，保温板对冻土的有利影响主要在暖季得以体现，暖季在热棒停止工作时，保温板阻止土体内负温与外界的热交换，与未覆盖保温板相比，暖季降低地温均值约为0.20℃。虽然寒季覆盖保温板使地温略有升高，但由于寒季热棒处于工作状态，土层内温度相对较低，此时保温板的不利影响可忽略不计，暖季保温板的有利影响显得尤为重要。因此，从总体上看，热棒与XPS保温板的结合，能够将热棒的主动降温与XPS板的暖季隔热作用相结合，以达到最大程度的降温效果，覆盖XPS保温板对冻土发育和维持其状态稳定更为有利。

图14 覆盖保温板与未覆盖保温板地温对比

3 结 论

本文通过对北极村修建在多年冻土区的回水堤进行科学工程试验，采取单桩、群桩热棒以及群桩热棒+保温板3种多年冻土地基保护措施，并在热棒附近挖设测温孔埋设温度传感器以监测从2016年10月—2017年9月的温度变化情况，得出以下结论：

(1) 在多年冻土区，热棒能够有效降低埋设区土体温度，且垂直插入式单桩热棒影响半径在2.5 m～3.0 m之间。在实际施工过程中，单桩热棒影响半径的确定应结合多年冻土状态和类型，建议取下限2.5 m。

(2) 群桩热棒影响下埋设区温度场变化会产生较为明显的叠加现象。群桩热棒作用下，与单桩热棒相比，埋设区温度降低更为明显，且两根热棒在工作状态下产生的冷量在各自作用半径内产生明显叠加效应。

(3) 采用群桩热棒+XPS保温板的多年冻土保护措施在热棒明显降低地温的同时，XPS保温板在暖季有较为理想的隔热作用。