室外给排水管道内热媒传导对多年冻土的影响研究

姜海涛， 王越， 张寿红， 袁琦， 吴君

（中国铁路青藏集团有限公司，西宁 810000）

0 引言

经过现场调研发现，青藏高原地区铁路沿线生产生活用房给排水管道存在排水功能失效、地层脱空等问题，严重影响铁路工作人员正常的工作和生活环境，尤其给排水系统不良影响基本生活需求。

查阅文献[1,2]，多年冻土在4m深度以下温度维持在-2℃左右，单独埋设给水管容易发生冻结，造成给水系统冻结失效。目前工程上有采用电伴热解决隧道排水沟冻结和低温环境供水管道防冻问题[3,4]，但电伴热在高原地区给水管道系统应用后，时常出现工作失效问题，难以维修。因此现场给水管道的设计在充分考虑当地环境因素影响后[5]，设计为铸铁管外包保温层，铸铁管内通给水管和热媒管路，热媒管路可以使得铸铁管内保持恒温，防止给水管冻结，保温层可以削弱管内温度向多年冻土的传递，保护多年冻土，也可以防止冻土融化导致地层沉降引起管道的破坏，但结合保温板应用于季冻区路基防冻胀仅能减小冻胀的产生，并不能消除冻胀这一病害[6-8]，说明保温措施并不能隔绝热量的传递。

文中通过构建给水管道系统模型，讨论不同保温材料在热媒传导下对多年冻土温度变化的影响，通过对比选择较优的保温材料，为现场工程应用提供参考建议。

1 给水管道系统模型及方案

1.1 给水管道系统模型尺寸确定

由热传递计算式（1）可得[9]：热量传递与导热系数、传热面积和温度变化率有关，但目前很难从传热面积和温度变化率方面出发去降低热量传递大小，仅能通过改变导热系数这一材料性能参数来削弱热量传递。

式中，Ф为单位时间内所传递的热量，W；T为温度，℃；x 为导热面上的坐标，m；A 为传热面积，m2；λ为导热系数，W/（m·k）。根据现场勘测，铸铁管外径为300mm，自来水PE管外径为100mm。根据试验需要，将铸铁管外径缩小为60mm，用镀锌管代替，PE管外径缩小为20mm，整个模型为60cm×30cm×50cm（长×宽×高），如图 1所示。

图1 给水管道系统模型

1.2 试验方案

试验主要研究热媒给水管道系统在镀锌管外包裹不同材质保温材料后，对周围多年冻土温度变化的影响，通过对比不同保温材料对多年冻土的保护效果，为现场管路保温材料的选择提供指导和建议。试验方案如表1所示。

表1 给水管道试验方案设计

1.3 方案步骤

根据现场调研情况并综合考虑试验效果，拟选用粉土作为试验用土，经测定该土样最优含水率和最大干密度分别为 ωop=16%，ρdmax=1.81g/cm3。

（1） 首先，将筛分好的试验用土做烘干处理；其次，根据土样基本物性配制含水率为16%，密闭静置一昼夜，使水分在土体中分布均匀；再次，等土料静置完备后，将土样分层放入模型槽中并按规定压实度（70%）进行击实，并在每层中心处放置温度传感器。当土样装填到管件安装位置时，将镀锌管和保温棉组装完成放入模型槽中并继续进行填土击实，直到填满模型槽结束。模型槽内温度传感器布置如图2所示，热媒管路和自来水管位置如图3所示。

图2 温度传感器埋设位置示意图（单位：mm）

图3 热媒管路和自来水管路示意图

（2） 将模型槽放入高低温冻融环境试验箱中，调节箱内温度，考虑到土样体积较大，为保证土完全冻结，模型槽需在试验箱冻结一段时间并通过观察温度传感器的数据来确定是否达到-2～-3℃左右。

（3） 冻结完成，土体达到目标温度后，将自来水PE管和热媒循环管路放置于镀锌管内并固定各管路位置，使各管壁具有一定间隔。为防止外界温度对模型槽内冻土温度变化所产生的影响，将模型槽每个面用30mm厚保温材料包裹密封。设置高低温冻融环境试验箱内温度为-2℃。然后开启冷浴机，调节冷浴机工作温度为5℃，来模拟现场管内温度，通过温度采集装置来观察管内温度对周围冻土产生影响。

2 试验结果分析

2.1 不同保温材料下热媒对土体温度变化分析

土样在冻结完成后，温度基本保持在-2.5～3℃左右，然后经过3d的热媒（5℃）加热后，包裹不同保温材料的镀锌管对周围土体温度变化有一定的影响，导致土体温度有明显上升趋势，如图4、图5所示。

图4 聚氨酯保温材料下热媒对土体温度变化

图5 岩棉保温材料下热媒对土体温度变化

通过图4、图5可以看出土体温度变化率为先增大后减小的趋势，这主要是由于热媒能够使镀锌管壁维持恒定温度T0，管壁虽然包裹保温层，降低了与土体间的导热系数λ，但仅能削弱热量在管壁与土体间的传导，并不能消除热量的传递过程；管壁热量引起土体温度升高，土体温度升高导致管壁与土体的温差减小，由式（1）和温度变化图可得到温度变化率降低（a

2.2 土体温度拟合分析

由于试验条件限制，试验仅进行72h热媒加热，得到了土体温度上升的趋势，但并未使得土体温度达到0℃以上；为了进一步分析两种保温材料在长时间作用下对土体升温抑制的效果，选取两次试验开始温度相差不多的镀锌管下层土体，以试验所得数据为基础，对距管壁30、100、170cm处土体温度进行拟合处理。拟合公式如表2、表3所示。

表2 聚氨酯保温材料下土体温度拟合方程

表3 岩棉保温材料下土体温度拟合方程

根据拟合公式计算较长时间下热媒对周围土体的作用效果，选取t=288 h进行计算，见表4。可以看出聚氨酯保温材料下的土体温度仍然呈现阶梯状分布，说明聚氨酯保温具有一定削弱热量传递的效果；而岩棉保温层下的土体温度已经基本持平，说明岩棉在长时间条件下的保温效果较差。通过对比可以认为聚氨酯保温材料更加适用于热媒给水管道保温，用于工程现场防止管道冻结和维持周围多年冻土的状态。

表4 t=288h时土体温度拟合

3 给排水系统数值仿真模型计算

文中通过模型试验对保温材料的保温性能进行对比分析，为现场应用提供了参考。为考虑更多种热媒温度作用下现场土体温度和变形的变化情况，需要以现场给排水系统原型为参考进行数值仿真计算。

3.1 模型建立

（1） 给排水管道几何模型。结合该地区地下给排水管道的结构及布置形式，简化得到管道、土体的几何模型见图6，管道直径300mm，管壁厚30mm，保温材料厚度60mm。以此为原型，按照图中所示土体尺寸及管道间距，利用Comsol数值模拟软件建立水热力耦合三维计算模型进行温度场、变形场的分析。

图6 几何模型示意图（单位：mm）

（2） 模型假定。受限于理论研究现状和简化计算的需要，模型建立时采用如下假定：①土体为各向同性的弹性材料；②仅研究水冰相变产生的土体变形，不考虑固结、蠕变等土体行为；③不考虑热对流、水汽相变、太阳辐射热效应。

可以预见的是，计算时忽略日内温差和太阳辐射等效应，只考虑年内周期温度、水分变化对管道周围土体的影响，因此，计算所得温度场、变形场与实际情况可能存在一定误差，但其演变规律、发展过程仍具有实际参考价值，用于比选更优的管道保温、防冻措施具有一定的可靠性。

（3） 温度边界。以青藏线地区实际监测的1年周期地温数据作为上边界温度条件输入；下边界根据相关文献及监测数据显示，一定深度土体的温度随季节变化趋于稳定。模型建立时，土体底部采用恒温作为下边界条件。结合现有资料，选用-1.3℃为土体底部边界的恒定地温；前后边界：模型建立时考虑到边界影响，沿管道方向长度取为4m，且前后两侧地温认为与监测温度分布一致，按照天然状态考虑，即不受路基热状态影响，与外界无热流交换，定义为绝热边界；左右边界：模型建立时，左右土体距离管道1m，不影响两管道之间土体的温度场分布，故按照绝热边界处理。

（4） 力学边界。模型上部为自由边界，沿管道方向边界约束水平向位移，沿管道横向约束纵向位移，底部为固定边界。

（5） 计算参数与有限元模型的建立。如表5和表6所示土体、保温材料、混凝土管道等参数建立有限元计算模型。

表5 土体及管道的热物理参数

表6 土体及管道的力学参数

3.2 计算方案

工况展开模型的计算如表7所示。

表7 给排水管道仿真分析工况

工况1的防冻措施为管道外包保温材料；工况2～工况4的防冻措施是在工况1的基础上，利用热媒控制管道内温度分别为1、3、5℃。

3.3 计算方案与结果分析

选取模型中心位置，提取工况1不同天数的土体地温随深度变化的计算结果，与现场监测数据对比，以验证地温的传递情况和模型的可靠性见图7。

图7 地温随深度变化曲线

选取计算周期内的110d（地表温度全年最高时刻）、200d（地表正温变负温时刻）、270d（地表温度全年最低时刻）为特征时刻提取计算结果。分析发现，在深度1～2m之间的计算值与实测值存在一定差异，主要由于此深度为管道埋设深度，对地温的传递产生一定影响，但误差范围未超过0.5℃，因此，计算结果可信，模型可靠。

3.4 计算结果对比

不同工况的温度场分布云图如图8、图9所示。

图8 不同工况110d（地表温度最高时刻）温度场分布

图9 不同工况270d（地表温度最低时刻）温度场分布

结合图8和图9，发现工况1仅采用管道保温措施的情况下，在土体冻结期内管道内温度为负值，即管道保温的措施无法保证管道内流体不发生冻结；工况2～工况4中，在管道保温基础上结合管道内流体加热，使得管道在冻结期内仍能保持正温，具体温度变化情况需结合温度等值线进一步分析。分析可知，图10中管道热媒维持温度为1℃时，冻结线存在于保温层内，可保持管道内温度在1℃左右；随管道温度升高见图11、图12，0℃冻结线逐渐过渡到管道周围土体，管道内流体温度可维持正温，不发生冻结。不同工况270d（地表温度最低时刻）温度等值线见图10～图12。

图10 工况2在270d（地表温度最低时刻）的温度等值线和冻结线

图11 工况3在270d（地表温度最低时刻）的温度等值线和冻结线

图12 工况4在270d（地表温度最低时刻）的温度等值线和冻结线

由于管道内设置热媒升温，导致管道周围土体的冻结、融化状况变化，因此，对于兼顾防冻效果、保护多年冻土状态和经济效益的热媒温度的确定，可推荐3℃，既能维持管道内正温，防止管道冻结，也能尽可能减少对多年冻土的扰动。

3.5 防冻措施分析

结合管道-土体温度场的计算结果，认为保温材料结合管道热媒的使用，可有效保障给排水管道内流体的流动。参考多年冻土地区给排水管道的工程经验[10]，还可采取如下措施以防止管道的冻结：

（1） 尽量加大管道坡度，采用陡坡高速排水的方式解决排水管道出口处易冻结的问题。

（2） 有经验表明，青藏铁路沿线排水管道利用羊粪回填的保温效果尚好，由于羊粪的特点是遇水发酵并发热，不会因为浸水而失效，因此可作为良好的保温材料使用。

4 结语

（1） 通过试验短时间监测和长时间拟合土体温度变化并比发现，聚氨酯保温材料比岩棉更加适用于热媒给排水管道保温，可应用于工程现场防止管道冻结和维持周围多年冻土的状态。

（2） 建立给排水系统仿真模型，并通过计算值与实测值的对比，验证了模型的可靠性。

（3） 仅采用管道保温措施的情况下，在土体冻结期内管道内温度为负值；当采用热媒时管道内流体温度可维持正温，不发生冻结。

（4） 对于兼顾防冻效果、保护多年冻土状态和经济效益的热媒温度的确定，可推荐3℃，该种工况既能维持管道内正温，防止管道冻结，也能尽可能减少对多年冻土的扰动。