热棒在多年冻土区电力塔基的应用效果试验研究

王映梅，王 兴

（1.甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050；2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730070；3.青海省冻土与环境工程重点实验室，青海 格尔木 816000）

多年冻土区因工程建设引起冻土融化导致构筑物运营及安全使用问题一直是科研人员关注的重点[1-4]。俞祁浩等[5]就青藏直流联网工程建设中可能遇到的冻土问题进行了系统的分析研究。李永强等[6]在青藏高原风火山关于热棒对路基的降温效果进行了深入的研究。徐安花[7]对热棒在共和至玉树高速公路路基中冷却效果进行了数值模拟分析研究。金龙等[8]通过建立空气-热棒-冻土地基数值计算模型，研究了不同热棒型式对路基的降温效果。李钰等[9]通过数值计算方法及预测模型对多年冻土区公路路基热棒的降温效果进行了监测与分析研究，结果表明热棒可以有效降低冻土地温及抬升冻土上限。吴金权等[10]在东北高纬度岛状冻土区根牙公路进行了L型热棒实体试验研究，确定了热棒合理的埋设间距。蔡汉成等[11]通过研究多年冻土区冻土路基热量收支特征，提出一种新的工程适用性强及参数易于获取的热棒计算方法。

本试验通过对电力塔基浇筑完成后进行为期1 a的试验监测，对比有无热棒的电力塔基桩壁、桩周冻土的地温及冻土上限的变化特征，分析研究热棒在多年冻土区电力塔基的应用效果。

1 工程概况

青海至西藏直流联网工程起点为格尔木，终点至拉萨，是连接青海、西藏经济区沿线各城市的电力通道，也是我国西北电力网的重要组成部分，对该地区的经济发展具有重要意义。

该工程建设难度大，自然环境恶劣，平均海拔4 800 m，最高海拔超过5 400 m。沿线冻土类型差异较大，穿越季节性冻土区与多年冻土区。参考以往冻土区工程建设及运营过程中遇到的冻土问题，本研究着重关注解决冻土融化导致的塔基沉降变形和电力塔基桩周冻土的保护。

2 桩基现场试验

2.1 工程地质情况

为了研究热棒在多年冻土区电力塔基的应用效果，选取多年冻土区123#塔基和124#塔基，分别采取未设置热棒和设置热棒工程措施进行地温监测。首先进行工程地质钻孔勘察，探明塔基下伏地层及冻土分布情况，如图1所示。

图1 塔基工程地质柱状图（单位：m）

2.2 测试元件布设

热棒是一种单向传热的装置，通过工质的循环蒸发、冷凝过程，将下部环境的热量源源不断地输送到外部环境，使下部环境的温度不断下降。热棒可以把外部冷量直接送到地下深处，起到降低地温的作用，热棒示意如图2所示。

图2 热棒示意图

地温监测通过测温孔实现，测温传感器采用的新型半导体元件—热敏电阻，可用于高精度的温度测量，其测温范围：-30 ℃～30 ℃；测量精度：±0.05 ℃；时间常数：不大于5 s，均满足试验要求。根据试验需要，分别在桩壁、距离桩壁0.5 m和1.0 m设置测温孔，另外距离塔基20 m处设置天然测温孔（编号TR）。测温线测点间距1.0 m，监测元件布设示意如图3所示。

图3 监测元件布设示意图

3 试验结果分析

3.1 桩周冻土回冻规律分析

塔基钻孔灌注桩冬季施工时，严格控制混凝土的入模温度以减少对冻土的热扰动，桩体浇筑完成后开始采集数据。受不同位置冻土类型及含冰量分布不均的影响，各测点初始温度略有差异。以未设置热棒和设置热棒的塔基地表以下6.0 m及10.0 m深度处的温度变化特征研究桩周冻土的回冻规律。

从图4可以看出，电力塔基钻孔灌注桩浇筑完成后温度在0～30 d内呈先增大后减小的趋势，这是因为在桩体完成浇筑后混凝土中的活性矿物成分发生剧烈的化学反应，同时放出大量的水化热，从而导致桩周土体温度急剧升高。随着时间的推移，化学反应逐渐变缓至最后停止，释放出的热量逐渐减少最终为零。6.0 m处设置热棒和未设置热棒的塔基温度变化特征差异明显：设置热棒的塔基桩壁6.0 m处的温度第18天降为负温，这表明桩周冻土已经完成回冻；此时未设置热棒的塔基桩壁6.0 m处的温度为1.7 ℃，还处于继续降低的状态，直至第30天测得该点温度为-0.1 ℃，桩周冻土完成回冻；由此可见，设置热棒的塔基桩体回冻仅约为未设置热棒的70%，节约了30%的时间。由图5分析10.0 m处设置热棒和未设置热棒的塔基桩周冻土回冻时间：设置热棒的塔基第14天第1次出现负温并保持在0 ℃以下；未设置热棒的塔基直至第21天才第1次出现负温，桩周土体此时才完成回冻；设置热棒的塔基桩体回冻仅为未设置热棒的66%。根据桩体不同位置的温度变化特征分析，设置热棒的塔基桩体回冻所需的时间仅为未设置热棒的60%～70%。

图4 桩侧地表以下6 m深度处温度曲线

图5 桩侧地表以下10 m深度处温度曲线

3.2 热棒降温效果分析

评价热棒对于电力塔基钻孔灌注桩的降温效果，至少需要浇筑完成经历一个冻融循环。根据气温监测数据，该地区最低月平均气温出现在每年的1月，最高月平均气温出现在每年的8月，考虑到地温相对于气温有明显的滞后性，故选择2月1号与9月1号的地温数据分析热棒的降温效果。由图6可见，热棒正常运营1 a，设置热棒塔基的桩壁温度均比未设置热棒的塔基桩壁温度低，最大相差0.37 ℃，最小相差0.12 ℃，降温效果较好，随着时间的持续，温度的差异将愈来愈明显。由图7可知，设置热棒塔基的桩壁温度与未设置热棒的塔基桩壁温度相比，最大差距仅为0.1℃，这与热棒的工作原理有极大的关系：热棒是单向导热元件，只有当热棒下部环境温度高于上部环境温度时，管内工质才可以蒸发-冷凝循环，达到降温的效果。暖季气温较高，热棒停止工作无法起到降温效果，此时设置热棒的塔基与未设置热棒的塔基桩壁的温度差异是因为寒季热棒工作时传入桩周土体存储冷量的原因。

图6 寒季设置热棒与未设置热棒桩壁温度柱状图

图7 暖季设置热棒与未设置热棒桩壁温度柱状图

3.3 冻土上限变化分析

冻土上限是指多年冻土区地表以下某一深度位置最高温度为0 ℃，该深度是暖季冻土融化达到的最大深度，以该位置为分界线，其深度以上冻土暖季融化寒季冻结，以下终年处于冻结状态[12]。冻土上限受环境温度、降水及其形态和地基土的类型、构造与含水量等多种因素的影响。冻土上限以上季节性活动层热稳定性差，工程性质差异大[13]，因此，研究冻土上限的变化对电力塔基承载力的影响具有重要意义。

受时间限制，仅以热棒服役一年的地温数据研究分析其对冻土上限变化的影响具有局限性，但监测收集到的地温数据已经能够较好地体现出设置热棒的塔基与未设置的热棒塔基冻土上限之间的差异，试验结果表明热棒对降低冻土温度、增加地基的冷量储存具有显著的效果。图8为该地区冻土暖季达到最大融化深度时各测温孔的冻土上限所在位置。

由图8可知，设置热棒的塔基周围布设的测温孔CW1、CW2和CW3冻土上限分别为地表以下2.32 m、2.33 m及2.35 m，未设置热棒的塔基周围布设的测温孔CW4、CW5和CW6冻土上限分别为2.46 m、2.44 m及2.42 m，天然测温孔TR的冻土上限为地表以下2.40m。由此可见，设置热棒的塔基相比较未设置热棒的塔基，冻土上限最大0.14 m；与天然孔相比冻土上限也提升了0.08 m，说明热棒的降温效果是比较理想的。未设置热棒的塔基桩壁、桩侧0.5 m及桩侧1.0 m的冻土上限变化规律与设置热棒的塔基正好相反，分析原因是电力塔基钻孔灌注桩水化热对桩周冻土的热扰动，随着距离的增加逐渐减小，但无外界冷量主动输入进行补给，仅依靠周围冻土的环境温度平衡，导致桩壁位置冻土上限深度低于桩侧位置。

图8 各测温孔冻土上限位置柱状图

4 结论

根据在多年冻土区电力塔基热棒的应用效果现场试验，结合地温监测数据分析，可以得到以下结论：

（1）热棒对于多年冻土区电力塔基钻孔灌注桩的桩体回冻具有较好的加速效果，设置热棒的塔基桩体回冻所需的时间仅为未设置热棒的60%～70%，可以节约近三分之一的时间，对于自然环境恶劣，工期要求严格的高原多年冻土地区工程建设意义重大。

（2）热棒在寒季对电力塔基的降温及增加冷储量效果显著，有无设置热棒的桩壁温度相差最大可达0.37 ℃。

（3）热棒对于多年冻土区冻土上限的影响明显，与天然上限和未设置热棒的塔基位置冻土上限相比，分别抬升了0.08 m和0.14 m。

（4）通过进行有无设置热棒的对比试验及地温监测，证实了热棒在多年冻土区电力塔基等建筑工程具有良好的降温效果，但是受地基土的类型、冻土分布情况及初始地温的影响，热棒的降温效果存在不确定性，需要进行更加深入的研究。