深埋地下工程圍護結構動態熱特性及設計策略

鄭清華　耿世彬　李　永　劉隆旺

(1.陸軍工程大學國防工程學院，江蘇 南京　210007;　2.廣東省清遠市人民防空辦公室，廣東 清遠　511500)

0　引言

人防工程和軍事指揮工程深埋于地下，研究其熱特性可為工程的保障提供理論基礎。姚楊等[2]在對地下工程進行了現場實測和計算機跟蹤模擬的基礎上，探討深埋地下工程圍護結構傳熱動態變化規律。張樹光等[3,4]建立了深埋巷道圍巖的熱擴散數學模型。溫建軍等[5]對水電站壩體的通風換熱特性進行了研究，提出了內部空氣溫度的解析解。袁艷平[6]借鑒了ITPE方法研究了單建式淺埋、深埋地下工程傳熱問題，王琴建立了深埋地下工程三維動態耦合傳熱模型，并使用整場技術求解[7]。基于深埋地下工程傳熱負荷特點，著重分析圍護結構對地下工程的動態負荷的影響，并提出相應的設計策略。

1　深埋工程圍護結構傳熱模型

相關的文獻[7](手冊)表明當工程的長寬比大于2時，可以將深埋地下工程的圍護結構傳熱簡化為當量圓柱體來計算，如圖1所示。可以將深埋地下工程的傳熱問題簡化為圓形斷面的一維傳熱問題。

巖土初始問題為恒溫層溫度，這時的傳熱過程屬于恒溫邊界條件下的傳熱問題，簡稱使用期的傳熱計算，屬于Dirichlet問題。則其控制方程為：

(1)

其中，t(r,τ)為巖石內某處某時刻的溫度，℃；a為巖石的導溫系數，m2/h；h為空氣與巖石的對流換熱系數，W/(m2·K)；tn為使用期工程內設計溫度值，℃；t∞為巖石的初始溫度，℃。

將巖土視為一半無限大物體，在已知巖土表面溫度周期性變化的情況下，可以用分離變量法解得巖土的溫度場為[8]：

(2)

不同地域的地表年平均地溫各不一樣，從式(2)可知，將帶來不同地域的地溫不同，同時不同深處的地溫也不同。聯合求解式(1)，式(2)即可得到深埋地下工程的圍護結構的換熱量。

2　圍護結構熱負荷分析

根據式(1)，式(2)，基于南京地區氣象參數可以得到圍護結構熱負荷隨埋深和時間的變化圖，如圖2，圖3所示。從圖2可以看出當埋深在0 m～10 m范圍內時，圍護結構的熱負荷變化較大，當地溫選取最大變化趨勢(夏季)時，熱負荷隨埋深急劇增大；當埋深大于15 m時，熱負荷值基本趨于穩定值。從圖3可以看出當埋深大于15 m，運行時間大于2 000 h時圍護結構的熱負荷趨于穩定值。在初期，由于圍護結構的溫度相對較低，圍護結構可以降低工程的冷負荷，然而由于周圍巖土的熱擴散能力有限，隨著散熱量逐漸增加，熱量不斷地在圍護巖土內堆積，巖土的天然降溫作用消失。

我國地域廣闊，不同地區深埋地溫差別較大，從最高的25.3 ℃(海口)到最低的(海拉爾)1.6 ℃相差23 ℃，地溫的地域性差異必然帶來圍護結構熱負荷具有較大差異，對全國部分典型城市的深埋地下工程圍護結構熱負荷計算，可以得到不同地域地溫與圍護結構熱負荷的關系圖，如圖4所示。

從圖4可見，不同的地域，由于地溫具有較大差別帶來圍護結構的熱負荷也具有較大的差異，總體來說，隨著地溫的升高熱負荷逐漸減小，在地溫偏高的廣州和?？诘貐^甚至出現了冷負荷，不同地域的深埋地下工程圍護結構熱負荷差異明顯。因此在進行熱負荷計算分析時，應注意區域差異性的影響。

3　深埋地下熱環境設計策略

針對地下工程熱處理設計，根據前文分析，其必須綜合考慮以下幾點：

1)工程的地域性分布特點。

我國幅員遼闊，不同地域的工程熱工參數包括地溫、空氣濕度等差異較大；人員對空氣環境參數的要求也有一定差異，在設計時應綜合考慮。

2)圍護結構熱量堆積問題。

工程巖土圍護結構初始溫度較低，具有天然冷卻作用，然而隨著運行時間增加，熱量不斷在圍護結構內堆積，這使得后期熱量處理更加困難。

3)工程排熱可靠性。

新型探測和打擊武器的發展，必須合理考慮工程熱排放的偽裝和安全措施。

4　結語

通過對深埋地下工程圍護負荷特性分析可知，由于深埋地下工程熱環境特殊性，深埋地下工程熱負荷特性與地面工程具有較大的差異，不能簡單照搬地面工程的熱負荷設計；埋深對圍護結構的負荷具有較大的影響，特別是埋深和不同地域差異性影響較大。為深埋地下工程高熱環境保障提供一定的參考。

參考文獻:

[1]黃福其，張家猷，謝守穆，等．深埋地下工程熱工計算方法[M]．北京：中國建筑工業出版社，1981．

[2]劉軍，姚楊，王清勤．地下建筑圍護結構傳熱的模擬與分析[M]．北京：中國建筑工業出版社，2004.

[3]張樹光．深埋巷道圍巖溫度場的數值模擬分析[J]．科學技術與工程,2006，6(14)：2194-2196．

[4]張樹光，孫樹魁，張向東，等．熱害礦井巷道溫度場分布規律研究[J]．中國地質災害與防治學報,2003，14(3)：9-11．

[5]溫建軍，李安桂，董宇.壩體通風換熱性能的解析研究[J].制冷空調與電力機械,2010(31):20-25.

[6]袁艷平．深埋地下工程巖土耦合傳熱規律研究[D]．南京：解放軍理工大學，2005.

[7]《地下建筑暖通空調設計手冊》編寫組．地下建筑暖通空調設計手冊[M]．北京：中國建筑工業出版社，1983．

[8]茅靳豐，韓旭.深埋地下工程熱濕理論與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2009．