季节性冻土区路基专用太阳能主动供热装置研究

铁路、公路的路基是一类与地质、气候等赋存环境直接接触的土工构筑物，其环境敏感性强于桥隧结构。受孔隙水季节性相变的影响，路基及地基会循环出现冻胀和融沉现象，冻害防治是季节性冻土区交通工程的主要难题之一[1]。

季节性冻土区路基的防冻胀方法主要包括土质改良法、防排水法和保温法[2]。其中，土质改良法包括填料置换、物理改良、化学改良等；保温法包括采用EPS 保温垫层、XPS 保温垫层、PU 保温垫层和保温护道等。采用保温法可以减缓填料在冬季的降温速率，是目前的优选防冻胀方法[3]，哈大高铁、哈齐客专、兰新二线等代表性深季节冻土区高铁仍然沿用上述措施，并通过一些改良或优化防控路基冻胀。岳祖润等[4]和闫宏业[5]提出了高铁全断面保温路基和保温强化层等新型路基和基床结构；石越峰等[6]进行了季节性冻土区高铁路基沥青混凝土全封闭防水层的设计与应用；杜晓燕等[7]根据监测结果指出上述措施对于减缓冻胀起到积极作用，但无法完全消除冻胀。现有防冻胀方法普适性较好，但有时难以满足严格的变形控制要求，尤其缺乏冻害应急抢险措施。原因在于，路基在冬季属于相对的热源，其向大气的散热具有自发性和不可逆性，保温层仅可减小散热量，却无法实现对传热量和温度变化的主动控制，存在热学被动性[8]。

为防治各类土工构筑物的冻胀病害，除了上述常用的被动保温措施外，国内外学者还试图从主动供热的角度解决冻害问题。LAI 等[9]采用电热方式治理中国某高海拔隧道的冻胀问题，实测表明，隧道衬砌温度可以保持在0℃以上；GAO[10]和MIRZANAMADI 等[11]引入太阳能供热技术来解决路面积雪问题；BRANDL[12]和夏才初等[13]提出将热泵与地下结构联合，实现深部地热能利用的“能源地下工程”应用思路；ADAM 等[14]和江翮等[15]设计隧道洞口段热泵系统，利用地热能在冬季主动地向围岩冻结圈供给热量以解决冻害问题；满吉芳[16]还将地源热泵应用于季节性冻土区挡土墙，模拟结果表明防冻胀效果显著；YU 等[17]通过主动加热解决桥面结冰问题，这一方法已在美国大量采用。上述研究均表明主动供热方法有一定的适用性。

路基防冻胀的一个发展新方向为通过人工供热在冬季主动将路基控制在正温状态，即可严格控制冻胀。这一新方向已有一些研究进展：GAO 等[18]提出利用热管将太阳能传输至路基表层的防冻胀新方法，结果表明结合电热技术可以有效防治冻胀；胡田飞等[19-20]提出基于新能源热利用的路基防冻胀理念，设计太阳能与地热能供热装置，并初步开展热性能测试试验。供热在建筑环境和工业领域已形成完整的学科体系，历史悠久，方法多样。但是，路基热负荷特性及供热需求显著区别于传统的建筑环境调控，人工供热面向路基的应用方法还有待深入研究。

本文通过分析季节性冻土区冻胀路基供热需求，基于太阳能面向路基供热的资源优势，提出一种“主动供热”防冻胀新途径。设计路基专用太阳能供热装置，通过模型试验和理论计算分析该装置集热性能指标的变化规律，建立供热温度的预测模型，结合数值模拟结果，从资源、技术和实用角度论证路基太阳能供热防冻胀的可行性。

1 路基冻胀特征及供热需求

路基冻害发育特征包括分布位置、冻深、冻结速率等。冻害主要发生在寒冷和严寒气候区，地下水、局地微气候等因素会导致冻害的分散分布，路桥、路涵过渡段也是冻害高发区。冻结深度取决于气候环境，冻深几十厘米即会产生有害冻胀，我国季节性冻土区冻深可达3 m以上。此外，土体温度变化取决于传热量，土是一种热容量大、热惰性强的材料。根据稳态传热量和热储量变化值折算，单线铁路路基冬季热负荷约每延米20 W[19]。

根据路基冻害分布特征，主动供热防冻胀装置需满足：①热源供应具有分散性；②装置热输出深度大；③装置供热容量可控。

2 太阳能优势

对于路基工程，限于热力管网投资规模和运行成本，传统的集中供热模式不适用。电能是高价能源，其能效比和经济性差，而太阳能具有如下优势[21]。

（1）技术方面：光热利用技术成熟，真空集热器的光热转化效率高、热损低。

（2）经济方面：太阳能为可再生能源，取用不竭，且集热器造价低廉。

（3）耐久性方面：太阳能集热器无机械运动部件，使用寿命长。

（4）运行方面：不需要消耗电能，完全自驱化。此外，路基土体温度稍高于0℃即可消除冻胀，其热负荷远低于人居环境，对供热品位和连续性的要求低。因此，太阳能面向路基供热具有良好的技术条件。

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