探討青藏鐵路的熱棒工作原理

李慧

摘要：高考題目靈活多變，背景材料更多源自生產生活，2015年高考全國課標卷文科綜合地理37小題頗受議論。本文通過分析青藏鐵路所處地理環境的特殊性，結合工程、熱學原理，以高考試題為背景，從高中地理教學的角度出發，探討了如何利用地理學科知識認識、理解實際事例的思路、方法。

關鍵詞：青藏鐵路；凍土；熱棒

一、引言

青藏鐵路創造了世界鐵路海拔最高之最，工程中也面臨、攻克了多年凍土、生態脆弱、高寒缺氧等鐵路建設史上的諸多世界性難題，成為世界高原鐵路建設工程的技術和經驗典范，尤其是“以橋代路”的工程方法和熱棒技術的應用，不僅成功解決多年凍土對工程質量與交通安全的影響，更為高原諸多動物留下了安全的遷徙通道。

青藏鐵路平均海拔在4500米以上，途經終年氣溫很低、多年凍土層廣布的人類活動禁區，有的地方凍土層厚達20多米。凍土的表層一般在溫暖的季節會融化下降，而寒冷的季節，其表層則會再凍結上升，從而對鐵路路基的穩定造成巨大的影響，也使得在凍土廣泛分布區修建鐵路成為世界性的不可能。縱觀整個青藏鐵路，其凍土地段長達550千米，占到鐵路總長的一半！因此工程建設中，如何保持凍土的相對穩定性，最大程度減小凍土隨溫度變化漲縮對鐵路路基的影響是工程技術突破的焦點。

青藏鐵路破解多年凍土難題，可以總結為兩個因地制宜：一是在相對穩定的凍土地段，因地制宜采用片石通風路基、片石護道、熱棒技術、鋪設保溫板等方法，保障路基通風，加快熱量散發，從而達到保持低溫和穩定凍土的目的；二是在極不穩定的凍土地段，因地制宜采用“以橋代路”的方法，把橋梁的四根樁基深入地下20米以上（即穿透多年凍土層），依靠橋墩與凍土之間的摩擦力來支撐橋梁路基的穩固性，把凍土的消融和凍脹對路基的影響減小到幾乎為零。

二、高考解題思路分析

青藏鐵路的成功修建，不僅在交通基礎設施建設領域引起巨大反響，同時也成為全社會各個領域討論關注的焦點，中學地理教育就敏銳地捕捉到了這一信息，并成功轉化為地理理論與實踐聯系的考查熱點。2015年高考全國課標卷文科綜合地理的37小題，不僅考查了考學生對地理基本理論原理的掌握程度，而且還圍繞熱棒工作原理，探索性建立了學科交叉的高考考查發展趨勢。

2015年高考全國課標卷文科綜合地理的37小題：

多年凍土分為上下兩層，上層為夏季融化，冬季凍結的活動層，下層為多年凍結層。我國的多年凍土分布主要分布于東北高緯度地區和青藏高原海拔地區。東北高緯地區多年凍土南界的年平均氣溫在- 1°- 1°，青藏高原多年凍土下界的年平均氣溫約為- 3.5°- 2°C。

由我國自行設計、建設的青藏鐵路格（爾木）拉（薩）段成功穿越了約550千米的連續多年凍土區，是全球目前穿越高原、高寒及多年凍土地區的最長鐵路。多年凍土的活動層反復凍融及冬季不完全凍結，會危機鐵路路基。青藏鐵路建設者創造性地提出了“主動降溫、冷卻路基、保護凍土”的新思路，采用了熱棒新技術等措施。圖8a（略去）示意青藏鐵路格拉段及沿線年平均氣溫的分布，其中西的灘至安多為連續多年凍土分布區。圖8b（略去）為青藏鐵路路基兩側的熱棒照片及其散熱工作原理示意圖。熱棒地上部分為冷凝段，地下部分為蒸發段，當冷凝段溫度低于蒸發段溫度時，蒸發段液態物質汽化上升，在冷凝段冷卻成液態，回到蒸發段，循環反復。

考題的第一問和第二問，知識運用主要集中于地理學基本原理中，突出考查了學生對緯度與氣溫、海拔與氣溫、氣溫與凍土消融凍漲之間的關系，但第三問卻引發了比較廣泛的爭議，其中包含了建筑工程的粗淺原理和物理熱學的相關知識，使得總體得分率較低。其實只要仔細分析，就可以看出，題干中對熱棒的介紹已經基本明確告訴了考生思考答題的方向，不難得出第三問的答題思路應為：冬季氣溫低于地溫，熱棒蒸發段通過吸收凍土的熱量（物理熱學中的汽化吸熱原理，即液態物質汽化上升，到達熱棒頂部時再液化放熱），從而達到傳導出凍土內部熱量，保持凍土內部穩定性的目的；熱棒傾斜設置是為了使棒體能深入鐵軌正下方，重點保證鐵軌正下方的多年凍土始終保持低溫和穩定。

三、熱棒的工作原理探析

低溫熱棒技術由中圣集團研制開發，是一種由碳素無縫鋼管制成的高效熱導裝置，內部空心密閉裝有一些液氨，地下5米，地面2米，具有獨特的單向傳熱性能。其具體工作原理為：冬半年時，熱棒中的液體工質通過吸收凍土中的熱量，汽化為成氣體，并在管內壓差的驅動下，向上流動至熱棒上部遇冷液化為液體，放出熱量，并在重力作用下流回吸熱段再汽化。反過來講，通過這一循環反復的過程，就可以把大氣中的冷量源源不斷地傳輸到地基凍土中。同時為保障熱棒有效放出熱量，在熱棒上部（放熱段）還裝配了散熱片。同時由于熱棒單向傳熱的特點，夏天大氣中的熱量是不會通過熱棒傳到凍土中的。

基于熱棒的單向導熱（亦可稱之為導冷）作用，冬天在地下凍土層中就可以儲存大量冷量，在夏季緩慢受熱、溫度漸升的過程中，不致使凍土內部的溫度上升到融化臨界點之上，形成穩定堅固的“永凍層”，可有效防止凍土的消融凍結對鐵路、公路等路基所帶來的融陷危害。這一技術可廣泛推廣應用于凍土地帶的鐵路、公路、橋梁、涵洞、隧道、固變電鐵塔等工程建設。

結束語：高考側重于考查理論在實踐的應用，其背景材料更多源自生產生活，建議在教授課本基礎知識的同時，更要倡導在科普書刊、科普電視節目和實踐中開闊視野。讀萬卷書，行萬里路，多從身邊的實際事例思考，理論教學會更加有效。

參考文獻

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[2]徐嘯海.青藏鐵路環保監理實踐的探討[J].中國鐵路，2004年01期