基于地温场多年冻土区铁路路基设计理论研究.ppt

5. 路基降温保温技术研究及应用 5.3 片石通风路堤 1.片石路基降温效果的形成机理 作为多孔介质的片石路基，其中在对流换热即气体流过片石壁面时，由于气体和片石表面的温度差所导致的热量交换现象。对流换热中，气体和片石避免必须直接接触，且导热和对流同时起作用。气体流动可以是由外部动力源（如风力）引起，也可能是由于冬季片石层中温度差所造成其中气体的密度差引起，他们分别对应为强制对流换热和自然对流换热。对于现场片石路基，导热、强制对流换热和自然对流换热这三种机理可能同时存在，对于不同时段、片石块径、铺设位置和高度，起作用机理会不同或有主次之分。同时，对流换热强度还与气体流动的层流和湍流两种状态，换热面的几何因素，换热面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度，湿气有无发生变相及气体的物理性质有关。 5. 路基降温保温技术研究及应用 5.3 片石通风路堤 1.片石路基降温效果的形成机理 片石层中自然对流是由于温度场的不均匀性从而引起密度的不均匀性并在重力作用下产生浮升力而引起的流动。因此，在自然对流中，没有温差就意味着没有热交换，也就没有流体的流动。但不均匀的温度场并不一定引起自然对流，只有顶面温度低于底面温度时会产生自然对流。底面为地温，靠近底面的流体密度大于顶层附近，在重力作用下不会产生自然对流。所以，自然对流只有在秋冬季节，当片石层顶层温度低于其底面温度时才能形成。由于地温按指数规律随深度递减，为增强降温效果，片石层在路堤总铺设的位置应当满足力学稳定性的前提下，尽量靠上，即尽量减少上覆土层的厚度。强制对流与自然对流换热不同，只要有风压差存在且片石温度与环境温度间存在温差就可以产生强制对流，降温效果只有在片石层温度高于环境温度时才能表现出来。 5. 路基降温保温技术研究及应用 5.3 片石通风路堤 1.片石路基降温效果的形成机理 目前青藏铁路施工中，片石层紧贴天然地面（下铺30cm渗水土），厚度为1.2m，块径为30～40cm，宽度约为24m，上覆土层厚度3～9m。由于上覆土层大大削减了由于气温年周期波动的振幅，导致1.2m片石层内的温差小，因此，垂向自然对流换热产生的几率及强度均较弱，甚至没有。但由于片石块径大，其中的空隙也较大，由于风压差的影响，横向强制对流换热应是主要机制。因此，可将其理解为通风路基的形式，在年平均气温为负值及风力资源较为丰富的青藏高原，若片石块径大，其降温效果是明显的。但随着全球气温升高，会对其长期效果产生负面影响。 5. 路基降温保温技术研究及应用 5.3 片石通风路堤 2.影响片石路基对流换热长期效果的主要因素 要使冷空气在片石中易进难出，起核心是最佳孔径问题。孔径过大，冷空气易进也易出，起通风作用，起降温效果取决与通风量（与块径、风压差、流速等因素有关）及片石层温度要高于环境气温，起极限状态就是架空通风形式，当然架空通风形式的造价就会猛增，反之，孔径过小，冷空气难进也难出，几乎没有降温效果。 当然最佳块径还取决与片石的物理力学性质、温度梯度、片石层的铺筑厚度等诸多因素。这里要指出的是，即使铺筑时选定了最佳块径，在长期使用过程中其块径、孔径和孔隙还会发生变化，从而影响长期效果。 5. 路基降温保温技术研究及应用 5.4 具有自然采风口的透壁通风管块石路堤 块石层中设置透壁通风管是为了把块石层中的多孔性通过透壁通风管与外界相连，冬季通过自然采风口和烟囱，把不同方向的来风引入通风管内，并通过透壁通风管，把块石层中的热空气通过拖泄作用排除路基，而达到快速降温的目的。对于路堤宽度大的路基，可并排设置两套具有自然采风口的透壁通风管，相当于使路基宽度缩减一半，快速降低路基温度。当无风且路基内温度比外界气温高使，也可以通过烟囱的吸抽作用，把块石层中的热空气排除路基。 6. 总结 6.1 进一步研究的问题及思路 6.2 进一步研究重点 6. 总结 6.1 进一步研究的问题及思路 目前对于多年冻土区铁路路基设计理论研究取得了一定的成果，但是由于多年冻土路基地温场是与水分场、应力场等相互耦合的复杂体系，是一个设计气象学、气候学、地理、地质热学、数学等多门学科的复杂课题，需要多方面的知识，技能，由于时间、精力、客观条件等的限制，还存在一些问题需要进一步解决： (1) 模型计算中边界条件的选择、计算时间步长的选择等存在一定的理论误差，故如何优化模型加强数学模型与实际观测值的进一步联系，来提高计算精度和准确性，是今后应该值得研究的问题。 6.