雀儿山隧道温泉热能融化洞口段路面冰雪的可行性

2020-04-08郑金龙

科学技术与工程 2020年4期

杨枫，郑金龙

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031； 2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041)

道路路面状况是道路交通安全的一个重要影响因素，尤其是在高海拔寒冷地区和高纬度的北方地区冬季，经常会出现较为恶劣的天气条件，影响通行能力和行车安全。而在影响冬季路面状况的诸多因素中，积雪结冰问题最为关键，常常导致一系列的负面连锁反应[1-2]。学者对世界范围内大中城市的调查结论表明，道路积雪结冰引起的交通事故约占冬季交通事故总量的35%，傅沛兴、刘伟统计结果也表明，有效的道路融雪化冰措施可降低约88.3%的冬季交通事故发生率，百公里道路死亡人数可降低73.4%[3-4]。道路融雪化冰技术已经成为道路养护工作中一个不可缺少的组成部分。

目前除人工和机械除雪方法外，使用的融雪方法包括融雪剂、电缆加热、微波加热、热流体加热等[5-9]。融雪剂污染环境、成本高，电缆加热所需耗能大、寿命较短，而微波加热效率低，无法实现快速除冰[10-13]。相比而言利用太阳能与地热能埋管加热融雪能够因地制宜地利用可再生资源，具有经济性好，效率高的优点[14-16]。中国川西地区温泉资源丰富[17]，利用温泉融化路面冰雪，对于保障冬季行车安全，降低能源消耗具有重要意义。

海拔4 200 m以上的雀儿山隧道冬季洞口道路容易结冰积雪，附近发育有数个天然温泉。在监测雀儿山隧道出口与温泉全年温度变化规律基础上，对路面中不同温泉管道敷设方式下的温度场特征进行数值计算，探索温泉热能融化洞口段路面冰雪可行性并进行现场验证。用于指导中国高海拔地区温泉热能在道路融雪中的应用。

1 雀儿山隧道洞口温度与温泉状况

国道317线雀儿山隧道位于川西甘孜德格县，两端洞口海拔高度为4 380 m和4 260 m，隧道长度7 079 m，如图1所示。已有气象资料表明雀儿山东西两侧3 800～5 200 m年平均气温在3.2～-15.2 ℃之间，全年降雪天数一般在81 d左右，积雪天数83 d，结冰天数236.5 d。

图1 雀儿山隧道位置示意图Fig.1 Schematic diagram of Queershan tunnel location

为获得海拔4 200 m的雀儿山隧道洞口气象资料，在隧道洞口建立气象观测站，基于自动与人工监测相结合的方法获得隧道出口月平均气温如图2所示。温度变化可通过余弦函数良好拟合，获得隧道出口温度随月份变化如式(1)所示。结果表明每年约6.5个月洞口气温低于0 ℃，路面易出现冰雪灾害，路面摩擦系数变化大，行车风险高。

(1)

式(1)中：Ta(τ)为月平均气温， ℃；τ为月份。

距雀儿山隧道出口400 m处存在5个天然温泉，不同月份测试泉水温度与流量如表1所示，温泉温度为41～70 ℃，泉水流量稳定在4.93 L/s，考虑在洞口路面下设置融雪管道，利用温泉热能加热路面，提高路面温度，融化冰雪，保障冬季行车安全。

图2 雀儿山隧道出口气温实测值与计算值Fig.2 The measured and calculated air temperature at theexit of the Queershan tunnel

表1 各泉眼水流量与温度Table 1 Water flow rate and temperature of each spring

2 温泉作用下路面温度变化研究

图3 融雪管道直列型并联敷设方式Fig.3 Direct and parallel laying of snowmelt pipeline

为了降低管道阻力，防止一处堵塞导致整个系统无法运行，融雪管道拟参照目前成熟的直列型并联敷设，如图3所示。介质为天然温泉，利用温泉与洞口路面高差产生的重力势能通过保温管道将温泉引入。管道采用2 cm直径不锈钢管，埋设在路面以下10 cm处，路基整体厚度为80 cm，以混凝土参数考虑。计算模型中路面宽度为8.5 m，路堤边坡坡率为1∶1.5，路基两侧计算宽度为路堤坡脚各向外延伸30 m，计算深度为天然地面以下30 m。洞口出露的地层岩性以燕山期花岗岩为主，植被不发育，考虑“附面层”增温为2.5 ℃。下边界地温梯度根据实测取0.057 ℃/m，路面与空气换热系数为15 W·m-2·℃-1，钢管与温泉换热系数为500 W·m-2·℃-1，其余参数取值如表2所示，基于Ramsey模型计算10～60 ℃下管道直径为2 m、埋深10 cm时，不同管道间距对路面加热效果，如图4所示。

表2 土层的热物理参数Table 2 Thermal physical parameters of soil layer

图4 相邻两管间路面温度分布Fig.4 Pavement temperature distributionsbetween two adjacent pipes

可以看出，相邻管间距40 cm，流体温度为10 ℃时，相邻两管中心上方路面温度约为-2.4 ℃，管道正上方路面温度约为-0.6 ℃，其温差约为1.8 ℃；当流体温度达到60 ℃，相邻两管中心上方路面温度约为15.1 ℃，管道正上方路面温度约为21.6 ℃，其温差约为6.5 ℃；管道正上方路面温度与相邻两管中心上方路面温差范围1.8～6.5 ℃。当两管间距为24 cm时，温差范围0.5～1.9 ℃；间距63 cm时，温差范围为3.5～12.5 ℃；间距80 cm时，温差范围为4.2～15.4 ℃。总体上看，管道正上方路面温度最高，两管中心上方路面温度最低；两管间距越大，管道正上方与两管中心上方温度相差越大，且流体温度越高，温差越大。为提高路面冰雪融化效率，保证管道中心上方路面温度要求，管道间距宜选择24 cm或40 cm。

在实际工程中，外界环境某段短时间内，其环境温度会比年平均最低气温低，即达到极端低温。此时，路面温度如何响应，也是工程实际运用中关注的一个重要问题。雀儿山平均最低气温-3.2～-16.0 ℃，极端最低气温-28.6～-41.4 ℃，因此考虑了两种极端负温(-16、-40 ℃)条件下开启温泉热水管道系统，分别计算相邻管道中心路面温度变化如图5和图6所示。

图5 环境温度-16 ℃ 时相邻管道中心路面温度变化Fig.5 Temperature changes of road surface with theenvironment temperature of -16 ℃

图6 环境温度-40 ℃ 时相邻管道中心路面温度变化Fig.6 Temperature changes of road surface with theenvironment temperature of -40 ℃

管间距24 cm，环境温度-16 ℃条件下，开启温泉热水管道系统后，相邻管道中心路面温度会迅速提高，流体温度越高，其温度提升越明显，流体温度为30 ℃时，温泉热水系统启动6 h以后，相邻管道中心路面温度基本稳定在5 ℃左右，流体温度达到50 ℃，相邻管道中心路面温度基本稳定在12 ℃左右。管间距变为40 cm，流体温度为30 ℃时，相邻管道中心路面温度始终处于0 ℃以下，流体温度达到50 ℃时，相邻管道中心路面温度在温泉热水系统启动6 h以后能达到3 ℃，在之后一段时间内，缓慢上升到5 ℃。

管间距24 cm，环境温度-40 ℃条件下，只有当流体温度达到50 ℃以上，才能保证开启温泉热水管道系统后，相邻管道中心路面温度处于0 ℃以上，且融化冰雪能力有限，即使流体温度达到60 ℃，相邻管道中心路面温度也只能保持4～6 ℃范围内。当管间距变为40 cm，即使流体温度为60 ℃，也不能够促使路面冰雪融化，该极端条件发生概率小，可等外界环境温度自然升高促使路面冰雪融化，或是采用人工除冰方法。因此，考虑平均温度与极端温度条件下的计算结果，设计管间距24 cm、埋深10 cm、管径2 cm能较好地满足融化冰雪的要求。

3 利用温泉热能融化道路冰雪现场测试

为验证利用温泉热能融化道路冰雪现场应用效果，在隧道洞口进行了现场试验，试验段长度6 m，采用路面相同的厚度和材料进行铺底整平，然后分层浇筑混凝土，其中按照间距24 cm、埋深10 cm、管径2 cm要求埋设不锈钢管和各类传感仪器，施工过程如图7所示。

图7 现场试验过程Fig.7 Field test procedure

试验开始时，环境温度为-3.9～-19.2 ℃，地表上覆冰雪层厚度为1.5～3.5 cm，以0.15 L/s速度注入温泉水，入口温度为30 ℃，对路面冰雪层变化情况记录如图8所示。

图8 路面冰雪层变化情况记录Fig.8 Record the change of snow and ice on road surface

现场测试结果表明，试验后6 h，路面冰雪无明显融化现象，至24 h冰雪呈明显凸凹交错状，管道上方冰雪层融化更明显。30 h时路面冰雪基本完全融化干燥。30 h后现场出现降雪，48 h时地面积雪厚度为4～5 cm，60 h时冰雪厚度达10～12 cm，而温泉管道试验段有融水，无积雪结冰现象，取得了良好的融化路面冰雪效果，能够保障冬季路面的运营安全。