通風管降溫技術在輸電線路凍土區應用研究

張 媛，劉 慧，馮宗鑫

(1. 中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；2. 西安科技大學，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著我國西部大開發的逐步實施，青海、西藏等西部高寒地區的輸電線路工程建設項目增加，有些輸電線路經過凍土地區，由于凍土自身較差的熱穩定性、高比重的含冰量、較敏感的氣候變暖反應及劇烈的水熱活動性[1]，對經過路徑的優化、塔基位置選取、基礎的設計施工及運行等方面帶來了巨大挑戰。凍脹融沉、凍拔、不良凍土等凍融災害問題對輸電線路桿塔地基穩定性造成嚴重影響[2]，凍脹、融沉作用等引發的輸電線路工程凍害造成了巨大的經濟損失。因此，凍土區輸電線路桿塔地基穩定性評價及凍害機理分析將成為寒區輸電線路工程研究的重點問題。本文提出將通風管這一主動降溫措施引入到輸電線路工程中，對輸電線路桿塔地基降溫效果進行研究。

1 研究現狀

我國針對電力桿塔基礎性凍害問題進行了許多探討研究[3-7]，指出通過輸電線路選線、塔基類型的合理確定，防凍脹、防融沉措施的合理選用能夠很好地避免或減少凍融災害。目前，在高原凍土區輸電線路塔基中廣泛應用的基礎型式主要有：裝配式基礎、鉆孔灌注樁基礎、錐柱基礎和掏挖式樁基礎等[8]。其中，裝配式基礎解決了凍土地區無法在冬季澆筑混凝土的難題，避免了水泥水化熱造成的凍土融化，大幅提高工作效率，但是裝配式基礎對場地的要求比較高，無法在交通不便的地方使用，另外運輸過程中產生的費用是不容忽視的[9]；鉆孔灌注樁基礎深度較大，一般使用旋挖機輔助成孔，成樁后承載能力高，抗凍能力強，是凍土地區輸電線塔基最常用的基礎型式[10]；錐柱基礎由挖掘機進行基坑開挖，其截面的優勢可以減小凍脹作用對基礎側面產生的切向凍脹力，承載能力高[11]。

凍土地區基礎在凍脹、融沉過程中容易造成拔起破壞或不均勻下沉，導致基礎功能失效。在基礎選型設計中，除了選用抗凍拔性能良好的基礎型式外，對易發生凍脹、融沉的塔位基礎還要采取其它的防護措施才能保證基礎的安全穩定運行。熱棒是當前較有效的凍土地基防融沉措施之一，如圖1所示。熱棒降溫雖然可以保持樁基礎周圍凍土熱穩定性，但是帶來了不均勻沉降和擠壓塔基周圍土體等問題，且熱棒造價較高，制冷液體每隔一段時間需要更換，對寒區工程環境影響大，不利于達到綠色、節能的環保要求。

圖1 熱棒防融沉措施

通風管結構作為一種主動降溫措施，廣泛應用于在寒區橋梁、鐵路等工程建設中(如圖2)。通風管通過低溫空氣在通風空間中的移動，將周邊建筑物及土體中的熱量帶走，從而達到保護原天然凍土或使其上限略有上升的目的。為了更好地保證路基的穩定性，透壁式通風管、透壁式通風管—塊石組合路基、加裝采風口的通風管以及通風管和保溫材料組合路基、通風管和拋碎石組合路基等先后出現[12-15]。Lai[16]等發現通風管存在可以降低寒區公路路基的溫度，可以保證路基溫度在-1 ℃。Zhang[17]等分析了風對通風管降溫效果的影響，對比了通風管中軸線和管壁溫度的變化以及通風管徑向風速的變化，同時驗證了通風管良好的降溫效果。以上研究成果表明通風管在寒區工程建設中有良好的降溫效果。

圖2 通風管防融沉措施

2 通風管工作原理

2.1 通風管內自然對流機理

當空氣溫度較通風管內空氣溫度低時，通風管內的空氣溫度高，密度小，在浮力作用下上升而產生自然對流來降低或維持路基體的溫度。空氣在桿塔地基中流動，熱空氣上升換熱方式為自然對流，而UPVC管密封性好，管內熱空氣積聚在桿塔基礎中心，自然對流停止；當空氣溫度較通風管內空氣溫度高時，通風管內的空氣密度大于外界，對于通風管中間高兩端低的埋設方式而言，空氣下沉，通風管內的冷空氣將沿管壁溢出，發生的自然對流不利于地基冷空氣留存。

2.2 通風管內強迫對流機理

對于強迫對流，不同長徑比通風管的情況不一樣。由于空氣在流動過程中受到管內壁粗糙度、雷諾數及彎管等的影響其風壓將沿程降低。為了保證空氣以一定的初速度穿越通風管時，其前提條件是空氣流的初始風壓必須大于空氣流穿越通風管時所損失的風壓。

為了計算空氣流穿越通風管的沿程損失系數，必須弄清空氣在管內的流動狀態，即層流或紊流。層流和紊流以臨界速度為分界點，低于臨界速度時空氣流過通風管的方式為層流，高于臨界速度時即為紊流。臨界速度值取決于流體物性與流道的形狀和大小。層流和紊流因物理機制的不同，反映出不同的熱轉移規律。層流時，沿壁面法向方向的熱量轉移依靠導熱；紊流時，最貼近壁面的一薄層具有層流性質，在這薄層之外，熱量的轉移除依靠導熱機理外還同時依靠紊流擾動的對流機理。

在一般工程管道里能保持層流流動的臨界雷諾準則數Re為2 300。在0 ℃氣溫條件下，空氣的運動粘性系數γ為2.30×10-5m2/s。

對于內徑為d的通風管，其臨界速度Vlj為：

在高原地區通風管內層流與紊流分界的臨界速度非常小，空氣流幾乎不可能以層流方式流動，因此，研究通風管內強迫對流的空氣熱交換問題時按紊流考慮。

當空氣以一定的速度v穿越通風管時交換的熱量Q可用下式表示：

式中：ρ為空氣密度；v為空氣速度；Cp為干空氣的熱容量；Δt為溫差絕對值。

2.3 通風管強迫對流時的合理長徑比

風力強度W與風速的關系表示為：

式中：γ1為空氣容重，N/m3；g為重力加速度，

m/s2。

當空氣以強迫對流方式通過通風管時管內的沿程降壓差Δp表示為：

式中：ρ為空氣密度；f為摩擦系數，與雷諾數Re、管內壁粗糙度Δ及通風管的直徑D有關；D為通風管直徑；l為通風管的長度；v為管截面的平均速度。

當W＞ Δp時，空氣才能在一定動力的驅使下穿過通風管，即發生強迫對流，因此：

根據式(6)可以看出，通風管內發生強迫對流的長徑比條件只與通風管內壁的摩擦系數有關。在青海地區，空氣的平均速度v= 5 m/s，通風管直徑按D= 0.4 m進行計算，得到Re=8.7×104，混凝土管內壁的粗糙度Δ= 3 mm，查莫迪圖得到f= 0.04，代入式(6)得到：l D≤40

綜合考慮計算誤差及一定的安全系數情況下，建議在設計中通風管強迫對流的合理長徑比為

3 通風管與地基的傳熱特征

通風管的內、外徑分別為d1、d2。假定通風管的內表面和外表面分別維持均勻不變的溫度t1和t2。假定忽略軸向導熱，且溫度僅沿半徑方向發生變化，溫度場僅沿半徑R方向而變，材料的導熱系數λ為常量。根據導熱的基本定律[18]：

分離變數后，積分得到：

把邊界條件代入，求得熱量Q的計算式：

由式(9)可以看出，每小時通過通風管的熱量與導熱系數λ管長l和溫差(t1-t2)成正比，與內外徑比值的自然對數成反比。

桿塔地基土體與基礎底面之間的傳熱方式主要以熱傳導方式進行，遵循傅里葉定律和能量守恒定律。傅里葉定律表達式為：

在溫度降低方向的能流q與橫截面積A和溫度梯度ΔT/Δx成正比例。

按照能量守恒定律，單元土體在任一時間間隔內滿足以下熱平衡關系：導入微元體的總熱流量＋微元體內熱源的生成熱＝導出微元體的總熱流量＋微元體熱力學能(內能)的增量。

根據上述兩個定律推導得到三維非穩態導熱微分方程，表示為：

式(11)可以簡化為：

式中：λ為導熱系數；x、y、z為空間坐標；a為導溫系數a=λ/(ρc)；τ為時間坐標；ρ為土體的密度；c為土體的比熱；L為水分相變的潛熱。

4 通風管降溫效果數值分析

4.1 工程概況

本文選取青海瑪多至玉樹330 kV輸電線路工程作為工程實例。該線路位于青藏高原東南部，沿線海拔在3 600～5 000 m之間，全線有652個塔基位于多年凍土區，其中，70%的塔基是預制淺埋基礎，深度范圍為3.7～6.0 m。由于輸電線路塔基結構的特殊性，地基受凍土凍脹融沉影響大，對淺埋塔基的穩定性造成很大的威脅。高溫凍土的融化會造成顯著的不均勻沉降現象，再加上全球變暖的影響，使得維持輸電線塔基的熱穩定性變得更加復雜。

本工程經過地區地處青藏高原三江源地區腹地，氣候嚴寒，自然條件惡劣。沿線地區年平均氣溫在-4.8～1.4 ℃，極端最低氣溫-42.7～-30.0 ℃。線路所經區域位于青藏高原中部，因受到高層大氣環流的影響，該區多年盛行西風，由于地處高原腹地，多年平均風速為1.0～3.2 m/s，年最大風速為21～30 m/s，年大風日數為26.9～71.9 d；沿線地區地處青藏高原季節凍土和多年凍土發育地帶，氣象站最大凍土深度為2.77 m。

4.2 通風管桿塔地基降溫效果數值分析

運用Fluent軟件進行通風降溫效果模擬，詳細模擬塔基周圍布置通風管和未布置通風管兩種方案桿塔地基溫度場分布，計算模型如圖3所示。假設空氣是不可壓縮的，且具有穩定的物理性質。土體在凍脹和融沉過程中的對流換熱和質量傳遞遠小于熱傳導的效率，因此，只考慮熱傳導。通風管通過伸出地面的管道將外界空氣引入塔基周圍土體內部，形成一個氣體循環的通風管管道，對通風管伸出地面的結構和管壁結構進行了簡化，且不考慮地面的輻射熱。

圖3 通風管降溫措施計算模型

模型大小為20 m×30 m×30 m，地基土巖性從上到下分別為回填土、粉質粘土和粉土。桿塔基礎型式為錐柱式，其全高為4.7 m，熱物理參數見表1所列。地表初始溫度為-1.8 ℃，樁基表面溫度與地表溫度相同，空氣溫度為-4 ℃，風速為2.7 m/s。

表1 地基土和混凝土的熱物理參數

底層土體的熱流密度為0.06 W/m2，模型四周定為絕熱層，底層土體網格模型如圖4所示。沿塔基中心線地基溫度場分布計算結果如圖5、圖6所示。

圖4 底層土體數值計算網格模型

圖5 地基溫度場分布規律

圖6 塔基中心線地基溫度分布

通過圖5和圖6可以看出，通風管改變了桿塔地基的溫度分布規律，在桿塔地基中埋入通風管增加了地基土體與空氣的接觸面，同一高度處的土體溫度得到了降低0.2～0.4 ℃，對保護多年凍土起到積極作用，有效地降低了由于多年凍土融沉及季節融化層的凍融對多年凍土區塔基的危害。通過對比通風管內的年平均溫度和風道內壁及軸線上的溫度，驗證了通風管塔基的降溫效果。

5 結論

本文提出了將通風管降溫措施應用到凍土地區輸電線路工程中，通過分析通風管內空氣與大氣熱量交換的物理過程，對通風管與輸電線路桿塔地基土體的傳熱物理特征進行研究，推導了通風管強迫對流的合理長徑比。結合青海工程實際環境，進行了通風管降溫效果的有限元分析，主要結論如下：

1)在桿塔基礎周邊埋入通風管增加地基與空氣的接觸面，對地基通風管內紊流空氣與地面空氣熱交換機理進行了分析，推導出通風管強迫對流時的合理長徑比

2)空氣在通風管內的流動以湍流換熱方式消耗了輸電線路桿塔地基中存在的熱量，減少了基礎熱量的下傳，能夠有效地降低地溫，可以使桿塔基礎以下多年凍土維持凍結狀態，是凍土地區基礎融沉的良好防治措施。

3)通風管與基礎的傳熱效果主要取決于通風管材料的導熱系數，而基礎與地基土的傳熱效果主要取決于土體的導溫系數等。

4)通風管改變了桿塔地基的溫度分布規律，在地基中埋入通風管增加了地基土體與空氣的接觸面，同一高度處的土體溫度得到了降低0.2～0.4 ℃，對保護多年凍土起到積極作用，有效降低了多年凍土融沉及季節融化層凍融帶來的塔基危害。