通风管降温技术在输电线路冻土区应用研究
时间：2023-01-20 12:25:18 来源：天一资源网 本文已影响 人 
张 媛，刘 慧，冯宗鑫
(1. 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；
2. 西安科技大学，陕西 西安 710054)
随着我国西部大开发的逐步实施，青海、西藏等西部高寒地区的输电线路工程建设项目增加，有些输电线路经过冻土地区，由于冻土自身较差的热稳定性、高比重的含冰量、较敏感的气候变暖反应及剧烈的水热活动性[1]，对经过路径的优化、塔基位置选取、基础的设计施工及运行等方面带来了巨大挑战。冻胀融沉、冻拔、不良冻土等冻融灾害问题对输电线路杆塔地基稳定性造成严重影响[2]，冻胀、融沉作用等引发的输电线路工程冻害造成了巨大的经济损失。因此，冻土区输电线路杆塔地基稳定性评价及冻害机理分析将成为寒区输电线路工程研究的重点问题。本文提出将通风管这一主动降温措施引入到输电线路工程中，对输电线路杆塔地基降温效果进行研究。
我国针对电力杆塔基础性冻害问题进行了许多探讨研究[3-7]，指出通过输电线路选线、塔基类型的合理确定，防冻胀、防融沉措施的合理选用能够很好地避免或减少冻融灾害。目前，在高原冻土区输电线路塔基中广泛应用的基础型式主要有：装配式基础、钻孔灌注桩基础、锥柱基础和掏挖式桩基础等[8]。其中，装配式基础解决了冻土地区无法在冬季浇筑混凝土的难题，避免了水泥水化热造成的冻土融化，大幅提高工作效率，但是装配式基础对场地的要求比较高，无法在交通不便的地方使用，另外运输过程中产生的费用是不容忽视的[9]；
钻孔灌注桩基础深度较大，一般使用旋挖机辅助成孔，成桩后承载能力高，抗冻能力强，是冻土地区输电线塔基最常用的基础型式[10]；
锥柱基础由挖掘机进行基坑开挖，其截面的优势可以减小冻胀作用对基础侧面产生的切向冻胀力，承载能力高[11]。
冻土地区基础在冻胀、融沉过程中容易造成拔起破坏或不均匀下沉，导致基础功能失效。在基础选型设计中，除了选用抗冻拔性能良好的基础型式外，对易发生冻胀、融沉的塔位基础还要采取其它的防护措施才能保证基础的安全稳定运行。热棒是当前较有效的冻土地基防融沉措施之一，如图1所示。热棒降温虽然可以保持桩基础周围冻土热稳定性，但是带来了不均匀沉降和挤压塔基周围土体等问题，且热棒造价较高，制冷液体每隔一段时间需要更换，对寒区工程环境影响大，不利于达到绿色、节能的环保要求。
图1 热棒防融沉措施
通风管结构作为一种主动降温措施，广泛应用于在寒区桥梁、铁路等工程建设中(如图2)。通风管通过低温空气在通风空间中的移动，将周边建筑物及土体中的热量带走，从而达到保护原天然冻土或使其上限略有上升的目的。为了更好地保证路基的稳定性，透壁式通风管、透壁式通风管—块石组合路基、加装采风口的通风管以及通风管和保温材料组合路基、通风管和抛碎石组合路基等先后出现[12-15]。Lai[16]等发现通风管存在可以降低寒区公路路基的温度，可以保证路基温度在-1 ℃。Zhang[17]等分析了风对通风管降温效果的影响，对比了通风管中轴线和管壁温度的变化以及通风管径向风速的变化，同时验证了通风管良好的降温效果。以上研究成果表明通风管在寒区工程建设中有良好的降温效果。
图2 通风管防融沉措施
2.1 通风管内自然对流机理
当空气温度较通风管内空气温度低时，通风管内的空气温度高，密度小，在浮力作用下上升而产生自然对流来降低或维持路基体的温度。空气在杆塔地基中流动，热空气上升换热方式为自然对流，而UPVC管密封性好，管内热空气积聚在杆塔基础中心，自然对流停止；
当空气温度较通风管内空气温度高时，通风管内的空气密度大于外界，对于通风管中间高两端低的埋设方式而言，空气下沉，通风管内的冷空气将沿管壁溢出，发生的自然对流不利于地基冷空气留存。
2.2 通风管内强迫对流机理
对于强迫对流，不同长径比通风管的情况不一样。由于空气在流动过程中受到管内壁粗糙度、雷诺数及弯管等的影响其风压将沿程降低。为了保证空气以一定的初速度穿越通风管时，其前提条件是空气流的初始风压必须大于空气流穿越通风管时所损失的风压。
为了计算空气流穿越通风管的沿程损失系数，必须弄清空气在管内的流动状态，即层流或紊流。层流和紊流以临界速度为分界点，低于临界速度时空气流过通风管的方式为层流，高于临界速度时即为紊流。临界速度值取决于流体物性与流道的形状和大小。层流和紊流因物理机制的不同，反映出不同的热转移规律。层流时，沿壁面法向方向的热量转移依靠导热；
紊流时，最贴近壁面的一薄层具有层流性质，在这薄层之外，热量的转移除依靠导热机理外还同时依靠紊流扰动的对流机理。
在一般工程管道里能保持层流流动的临界雷诺准则数Re为2 300。在0 ℃气温条件下，空气的运动粘性系数γ为2.30×10-5m2/s。
对于内径为d的通风管，其临界速度Vlj为：
在高原地区通风管内层流与紊流分界的临界速度非常小，空气流几乎不可能以层流方式流动，因此，研究通风管内强迫对流的空气热交换问题时按紊流考虑。
当空气以一定的速度v穿越通风管时交换的热量Q可用下式表示：
式中：ρ为空气密度；
v为空气速度；
Cp为干空气的热容量；
Δt为温差绝对值。
2.3 通风管强迫对流时的合理长径比
风力强度W与风速的关系表示为：
式中：γ1为空气容重，N/m3；
g为重力加速度，
m/s2。
当空气以强迫对流方式通过通风管时管内的沿程降压差Δp表示为：
式中：ρ为空气密度；
f为摩擦系数，与雷诺数Re、管内壁粗糙度Δ及通风管的直径D有关；
D为通风管直径；
l为通风管的长度；
v为管截面的平均速度。
当W＞ Δp时，空气才能在一定动力的驱使下穿过通风管，即发生强迫对流，因此：
根据式(6)可以看出，通风管内发生强迫对流的长径比条件只与通风管内壁的摩擦系数有关。在青海地区，空气的平均速度v= 5 m/s，通风管直径按D= 0.4 m进行计算，得到Re=8.7×104，混凝土管内壁的粗糙度Δ= 3 mm，查莫迪图得到f= 0.04，代入式(6)得到：l D≤40
综合考虑计算误差及一定的安全系数情况下，建议在设计中通风管强迫对流的合理长径比为
通风管的内、外径分别为d1、d2。假定通风管的内表面和外表面分别维持均匀不变的温度t1和t2。假定忽略轴向导热，且温度仅沿半径方向发生变化，温度场仅沿半径R方向而变，材料的导热系数λ为常量。根据导热的基本定律[18]：
分离变数后，积分得到：
把边界条件代入，求得热量Q的计算式：
由式(9)可以看出，每小时通过通风管的热量与导热系数λ管长l和温差(t1-t2)成正比，与内外径比值的自然对数成反比。
杆塔地基土体与基础底面之间的传热方式主要以热传导方式进行，遵循傅里叶定律和能量守恒定律。傅里叶定律表达式为：
在温度降低方向的能流q与横截面积A和温度梯度ΔT/Δx成正比例。
按照能量守恒定律，单元土体在任一时间间隔内满足以下热平衡关系：导入微元体的总热流量＋微元体内热源的生成热＝导出微元体的总热流量＋微元体热力学能(内能)的增量。
根据上述两个定律推导得到三维非稳态导热微分方程，表示为：
式(11)可以简化为：
式中：λ为导热系数；
x、y、z为空间坐标；
a为导温系数a=λ/(ρc)；
τ为时间坐标；
ρ为土体的密度；
c为土体的比热；
L为水分相变的潜热。
4.1 工程概况
本文选取青海玛多至玉树330 kV输电线路工程作为工程实例。该线路位于青藏高原东南部，沿线海拔在3 600～5 000 m之间，全线有652个塔基位于多年冻土区，其中，70%的塔基是预制浅埋基础，深度范围为3.7～6.0 m。由于输电线路塔基结构的特殊性，地基受冻土冻胀融沉影响大，对浅埋塔基的稳定性造成很大的威胁。高温冻土的融化会造成显著的不均匀沉降现象，再加上全球变暖的影响，使得维持输电线塔基的热稳定性变得更加复杂。
本工程经过地区地处青藏高原三江源地区腹地，气候严寒，自然条件恶劣。沿线地区年平均气温在-4.8～1.4 ℃，极端最低气温-42.7～-30.0 ℃。线路所经区域位于青藏高原中部，因受到高层大气环流的影响，该区多年盛行西风，由于地处高原腹地，多年平均风速为1.0～3.2 m/s，年最大风速为21～30 m/s，年大风日数为26.9～71.9 d；
沿线地区地处青藏高原季节冻土和多年冻土发育地带，气象站最大冻土深度为2.77 m。
4.2 通风管杆塔地基降温效果数值分析
运用Fluent软件进行通风降温效果模拟，详细模拟塔基周围布置通风管和未布置通风管两种方案杆塔地基温度场分布，计算模型如图3所示。假设空气是不可压缩的，且具有稳定的物理性质。土体在冻胀和融沉过程中的对流换热和质量传递远小于热传导的效率，因此，只考虑热传导。通风管通过伸出地面的管道将外界空气引入塔基周围土体内部，形成一个气体循环的通风管管道，对通风管伸出地面的结构和管壁结构进行了简化，且不考虑地面的辐射热。
图3 通风管降温措施计算模型
模型大小为20 m×30 m×30 m，地基土岩性从上到下分别为回填土、粉质粘土和粉土。杆塔基础型式为锥柱式，其全高为4.7 m，热物理参数见表1所列。地表初始温度为-1.8 ℃，桩基表面温度与地表温度相同，空气温度为-4 ℃，风速为2.7 m/s。
表1 地基土和混凝土的热物理参数
底层土体的热流密度为0.06 W/m2，模型四周定为绝热层，底层土体网格模型如图4所示。沿塔基中心线地基温度场分布计算结果如图5、图6所示。
图4 底层土体数值计算网格模型
图5 地基温度场分布规律
图6 塔基中心线地基温度分布
通过图5和图6可以看出，通风管改变了杆塔地基的温度分布规律，在杆塔地基中埋入通风管增加了地基土体与空气的接触面，同一高度处的土体温度得到了降低0.2～0.4 ℃，对保护多年冻土起到积极作用，有效地降低了由于多年冻土融沉及季节融化层的冻融对多年冻土区塔基的危害。通过对比通风管内的年平均温度和风道内壁及轴线上的温度，验证了通风管塔基的降温效果。
本文提出了将通风管降温措施应用到冻土地区输电线路工程中，通过分析通风管内空气与大气热量交换的物理过程，对通风管与输电线路杆塔地基土体的传热物理特征进行研究，推导了通风管强迫对流的合理长径比。结合青海工程实际环境，进行了通风管降温效果的有限元分析，主要结论如下：
1)在杆塔基础周边埋入通风管增加地基与空气的接触面，对地基通风管内紊流空气与地面空气热交换机理进行了分析，推导出通风管强迫对流时的合理长径比
2)空气在通风管内的流动以湍流换热方式消耗了输电线路杆塔地基中存在的热量，减少了基础热量的下传，能够有效地降低地温，可以使杆塔基础以下多年冻土维持冻结状态，是冻土地区基础融沉的良好防治措施。
3)通风管与基础的传热效果主要取决于通风管材料的导热系数，而基础与地基土的传热效果主要取决于土体的导温系数等。
4)通风管改变了杆塔地基的温度分布规律，在地基中埋入通风管增加了地基土体与空气的接触面，同一高度处的土体温度得到了降低0.2～0.4 ℃，对保护多年冻土起到积极作用，有效降低了多年冻土融沉及季节融化层冻融带来的塔基危害。
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