CN107447746A - 一种防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统及安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统及其安装方法，加热系统包括加热装置、温控装置和供电装置，加热装置安装在路基中；加热装置包括热棒、加热外管，加热外管内布置有发热丝，加热外管安装在热棒的下端，发热丝环绕在所述热棒的蒸发段；路基中，以及热棒的冷凝段和/或加热外管安装有温度测量装置，温度测量装置与温控装置连接；温控装置还分别连接发热丝和供电装置，供电装置用于给发热丝供电。本发明充分发挥热棒的高效导热性，利用发热丝发热对热棒蒸发段进行加热，使得工质蒸发并在冷凝段与土体换热，提高土体温度，防治土体冻结，结构简单实用。解决了冻土冻胀作用导致既有线路破坏以及规划线路难以施工等难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统及安装方法，适用于寒区冻土灾害治理领域。
背景技术
在寒区公路、铁路建设中，往往路基基础存在季节性冻土，由于季节性冻土特殊的物理性质，在冻胀力作用之下，对路基造成破坏甚至变形，对公路、铁路的运营造成巨大的安全隐患，因此必须采取措施解决冻土冻胀产生的灾害。
CN201010217612.8的发明专利提供一种防治季冻区道路病害的路基结构，路基填筑时在地基土原地面路基底面宽度范围内全断面铺设一层复合防排水板，在复合防排水板上填筑下路堤填土至道路最大冻深标高，再次沿路基全断面铺设最大冻深处复合防排水板，继续填筑上路堤基土至设计路堤标高，在路基上路床顶面全断面铺设立体土工格栅，在道路最大冻深处、路堤底部原地面全断面铺设复合防排水板，在路床顶面沿路基横断面方向铺设立体土工格栅，下路堤填土与地基土之间铺设的基底复合防排水板的复合土工膜向上，虑水土工布向下。该发明降低了路基湿度、提高了路基整体刚度，降低了季冻区道路冻害。但该发明需要开挖路基，工程量浩大，并且无法应用于已经建设好的路段。
发明内容
本发明的目的是为了解决在季节性冻土区域，针对冻土冻胀作用导致既有线路破坏以及规划线路难以施工等问题难以解决的情况，设计了一种防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统，充分发挥热棒的高效导热性，利用发热丝发热对热棒蒸发段进行加热，使得工质蒸发并在冷凝段与土体换热，提高土体温度，防治土体冻结，结构简单实用。
本发明提供的防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统，包括加热装置、温控装置和供电装置，所述加热装置安装在路基中；所述加热装置包括热棒、加热外管，所述加热外管内布置有发热丝，所述加热外管安装在热棒的下端，所述发热丝环绕在所述热棒的蒸发段；路基中，以及所述热棒的冷凝段和/或加热外管安装有温度测量装置，所述温度测量装置与温控装置连接；所述温控装置还分别连接发热丝和供电装置，所述供电装置用于给发热丝供电。
当温度测量装置测量到路基土体温度、热棒温度较低需要加热时，温控装置控制供电装置与发热丝之间导通，供电装置对发热丝供电，发热丝发热，并对热棒蒸发段进行加热，热棒中的工质受热蒸发进入冷凝段，在冷凝段与土体进行换热，土体温度提高即可防止冻结，对于已冻结的土体也可以进行加热融化，换热冷凝后的工质顺着热棒内壁回流到蒸发段，实现循环利用。本发明结构简单，可以有效防治季节性冻土路基冻胀灾害，热棒中填充的工质可以使用液氮或氟利昂等，换热效率高。
为提高对热棒的加热效果，所述发热丝沿加热外管纵向螺旋布置或回环发卡式布置，发热丝螺旋环绕在热棒外。
为防止发热丝发出的热量散失，所述加热外管内壁设置有保温内层，加热外管中的温度测量装置安装在保温内层上，避免热量散发到加热装置外，提高热量利用效率。保温内层的材料为玻璃纤维棉或石英棉，厚度为1-50mm，可以有效隔热。
为方便加热外管与热棒的连接，所述加热外管与热棒通过螺纹或卡扣连接。
本发明所述加热外管为镀锌钢管，长度50-7000mm，壁厚1-10mm；热棒长度为500-17000mm，管径为25-1500mm，壁厚为1-10mm。
由于季节性冻土区域一般处于高纬度地区，太阳能资源丰富，为充分利用能源，所述供电装置包括蓄电池以及与蓄电池连接的太阳能板，所述蓄电池与温控装置连接，利用太阳能板利用太阳能。
本发明提供防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统的安装方法包括以下步骤：
(1)放线和定位：在路基边坡确定热棒和热电偶套管的打孔中心位置并放线标记；
(2)钻孔：在路基边坡放线标记位置钻孔，热棒的钻孔孔径大于热棒的径向最大直径，钻孔角度倾斜，热棒安装后，热棒的冷凝段高于蒸发段；热电偶套管的钻孔孔径大于热电偶套管的管径；
(3)安置套管：清空钻孔，然后在热棒钻孔、热电偶套管钻孔中分别插入套管、热电偶套管，热电偶套管中安装有温度测量装置；
(4)注浆填孔：在热棒钻孔、热电偶套管钻孔中插入注浆管并进行注浆作业，边注浆边抽出注浆管；套管留在路基中；
(5)封口：在热棒、热电偶套管与路基边坡的接触处用混凝土面板进行封口，将钻孔封住；
(6)接线：将加热装置以及热电偶套管中的温度测量装置通过信号传输线与温控装置连接，加热装置的发热丝通过电源线与温控装置连接；温控装置还通过电源线与供电装置连接；
(7)填土：对热棒外露处进行填土覆盖，填土侧面采用放坡处理。
为便于热棒的工质回流，热棒钻孔角度与水平面成0-70°。
优选地，热棒的钻孔孔径比热棒的径向最大直径大10-30cm，热电偶套管的钻孔孔径比热电偶套管的管径大5-20cm。
本发明采用千斤顶顶管成孔的方式进行钻孔作业，对路基基础的扰动较小，并且施工便捷，施工周期短。
为方便热电偶套管的布置，本发明所述热电偶套管成L或Z形。
由于冻土区域大多处于高寒偏远地区，可用能源匮乏，而太阳能源充足，本发明依据土力学及热学，充分发挥低温热棒的高效导热性，并利用纳米发热材料能在低压工作、发热效率高、具有暗红外辐射的工作特质，可以在太阳能清洁能源的供给下，可长期有效的防治因冻胀带来的工程灾害，是一种清洁、高效、便捷、实用的装置。本发明利用热棒传热原理以及纳米发热材料的特殊发热性能，能够给土体主动加热，控制土体温度，解决寒区路基的冻胀问题，扩大了热棒解决冻土灾害的应用范围。
本发明具有以下优点：
1、本发明热棒与加热外管通过螺纹或者卡扣方式连接，密封性能好，方便拆卸更换维护。热棒具有传热效率高，等温性能好的特点，迅速地将热量导入土体之内，改变土体温度。
2、本发明利用太阳能清洁能源，是在高寒地区能源匮乏情况下行之有效的长期供电措施，解决了高寒地区热棒在无输电能力处的能源供给问题，环保，有利于高寒地区的环境保护。
3、本发明解决了在季节性冻土区域，针对冻土冻胀作用导致既有线路破坏以及规划线路难以施工等问题难以解决的情况，在降温季节主动给土体加热，保护季节性冻土不冻结，不产生冻胀。满足了在不破坏土体及周边环境的情况下解决季节性冻土地区冻胀问题的工程需求。
4、本发明的发热丝可以采用高科技制造的特殊纳米合金材料的分子振动暗红外发热丝，在直流低压条件下即时发热温度区间可达到0-360℃；不会断线、可浸水材料；极细发热丝直径可做到0.1-0.5mm；发热丝由聚氨酯包膜不会释放出二甲苯，有别于已有的漆包线释放出致癌物质二氧化苯的发热线；电阻值均一，万米以上维持均一的电阻值；可在安全电压7-24v下发热，可匹配太阳能板电压；采用纳米技术生产的发热线，可比现有的发热丝节电90％。
5、施工方便，采用压力成孔，套管注浆施工，对路基基础的扰动较小，并且施工便捷，施工周期短；本发明可以有效应用于现有路基，是一种对现有铁路，公路进行冻土整治的有效方法。
附图说明
图1是本发明所述加热装置在路基中安装结构立面图；
图2是本发明所述加热外管结构示意图；
图3是本发明所述加热系统示意图。
图中：2、热棒；3、加热外管；4、基床层；5、垫层；6、套管；7、基床层下边界；8、基床层上边界；9、热电偶套管；10、混凝土面板；11、接线盒；12、热电偶；13、发热丝；14、钢管；15、螺纹卡口；16、保温内层；17、翅片；18、中心测温管；19、温控装置；20、蓄电池；21、太阳能板；22、热敏传感器。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明提供的防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统包括加热装置、蓄电池20、太阳能板21。
加热装置包括热棒2、加热外管3。热棒2包括蒸发段、绝热段、冷凝段，热棒2的冷凝段的外表面设置有翅片17，翅片的类型为螺旋圆盘翅片、齿型翅片、轧制翅片或纵向翅片或者其他特型翅片。热棒2内部设置有中心测温管18，中心测温管18位于冷凝段，中心测温管内沿热棒纵向方向分布1—10个热电偶；中心测温管18用于测量冷凝段的温度，可以采用其他多种形式的温度测量装置代替。热棒的长度为500—17000mm，热棒的管径为25—1500mm，热棒的壁厚为1—10mm。加热外管3的上端套在热棒2的下端，加热外管3与热棒2的连接处可以位于蒸发段，也可以位于绝热段，优选位于绝热段，这样，整个蒸发段都可以得到加热外管的加热，采用套接的方式，密封性良好，安装拆卸更换简易方便。热棒2中填充的工质为液氮或氟利昂，在蒸发段受热蒸发，在冷凝段换热后液化，沿热棒2的内壁流回蒸发段。
如图2所示，加热外管3采用钢管14，钢管14内外皆镀有锌，钢管长度为50—7000mm，壁厚为1—10mm。加热外管3内具有保温内层16、发热丝13、热敏传感器22，加热外管上开口端具有螺纹卡口15。保温内层16位于钢管14内，保温内层16的材料为玻璃纤维棉，石英棉，厚度为1—50mm。保温内层16上螺旋布置或者回环发卡式布置发热丝13，发热丝13的工作电压为直流电0V—30V，或者交流电0-220V，发热丝优先纳米合金材料制成的分子振动暗红外发热丝，分子振动暗红外发热丝的工作电压在7-24V。图2中示出的是螺旋式布置发热丝，发热丝的布置以不影响加热外管的安装为宜，加热外管3套在热棒2的下端后，发热丝13正好环绕在热棒2的外部，有利于发热丝对热棒的加热。在保温内层16的表面上可按照等间距或者不等间距布置1-20个热敏传感器22；热敏传感器也可以替换为其他温度测量装置，只要有效测量加热外管3、热棒2的下端的温度即可。螺纹卡口15设置在加热外管3的开口端，利用螺纹卡口15将加热外管3套在热棒2上，螺纹卡口15与热棒2的连接位置优选位于热棒的绝热段。连接套口的结构可以多种形式，只要实现稳定套接即可。加热外管与热棒可以采用螺纹方式连接，也可以采用其他卡扣方式。
加热装置的中心测温管18内的热电偶、热敏传感器22、发热丝13与温控装置19连接，如图1、3所示，本发明设置有接线盒11，中心测温管18内的热电偶、热敏传感器22、发热丝13通过接线盒与温控装置连接，其中，热敏传感器22、发热丝13通过加热外管底部的螺孔接入接线盒，热电偶、热敏传感器通过信号传输线与温控装置连接，发热丝通过电源导线与温控装置连接。温控装置19与蓄电池20连接，蓄电池20连接太阳能板22。在冻土路基中安装有多个热电偶12，热电偶12用于测量冻土路基的温度，也可以采用其他温度测量装置代替。热电偶12也接入接线盒11，通过接线盒与温控装置连接，热电偶12也是通过信号传输线与温控装置连接。
本发明提供的加热系统还包括安装在路基中的热电偶12，热电偶12放置在热电偶套管9中，热电偶12用于测量路基的温度，也可以使用其他温度测量装置代替。
本发明提供的防止季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统的制作、安装方法如下：
1、制作热棒2，加热外管3和热电偶套管9：热棒采用国家标准工艺生产，钢材采用冷拔(轧)无缝钢管，长度为500—17000mm，管材内径为10—200cm，壁厚为2—10cm；热棒2冷凝段焊接有翅片，翅片的类型为螺旋圆盘翅片、齿型翅片、轧制翅片或纵向翅片；加热外管3材料同样采用冷拔(轧)无缝钢管，内径比热棒2外径大2—40cm；热电偶套管9内径为3—10cm的细长不锈钢管，形状可以制作成L型和发卡型。在工厂完成热棒2和加热外管3的连接。热棒2填充的工质为液氨、氟利昂。
2、制作太阳能板21：太阳能板21采用多晶硅电池片，采用玻璃层压方式封装，表面材质为3.2mm厚超白钢化玻璃，提供电压为7—120V。
3、制作温控装置19：采用集成电路的方式控制信号，电路开断方式采用继电器控制盒，温控装置19的外箱体采用不锈钢制作，外箱的高度在20—200cm之间。
4、放线和定位：在路基边坡利用工程设计用测量仪确定热棒1和热电偶套管9的打孔中心位置。
5、钻孔：在路基边坡放线标记位置进行钻孔，钻孔方式均采用千斤顶顶管成孔的作业方式进行，热棒1的钻孔孔径比热棒1的径向最大直径大10—30cm，钻孔角度与水平方向的夹角θ的范围为0—70°；热电偶套管9的钻孔孔径比热电偶套管9的管径大5—20cm，钻孔角度保持与路面平行。
6、安置套管：进行清空作业，然后在热棒成孔处、热电偶套管成孔处分别插入套管6、热电偶套管9。
热电偶套管9布置在基床层上边界8下方，热棒1通过下千斤顶下套管6安装在基床层4之中，基床层4位于垫层5之上，热棒1处于基床层上边界8与基床层下边界7之间，或者安装在季节性冻土土层之中，热电偶套管9位于热棒1的上方。
7、注浆填孔：插入注浆管，采用压力注浆的方式进行注浆，边注浆边抽出注浆管；套管6不拔出，留在施工土体之内。
8、封口：在热棒1与路基边坡的接触处用混凝土面板10进行封口，将热棒成孔处的钻孔封住，封口表面形状为圆型或方形。
9、安装温控装置外箱：固定从接线盒9连接出来的热棒1和热电偶套管9中的数据传输线和电源导线，然后连接到温控装置19上，在距路基1—10m处安装温控装置19的外箱，外箱安装要求高度为0—1.5m，保证外箱不被人畜破坏。
10、填土：在有潜在破坏热棒因素的地区，在热棒外露处进行填土均匀覆盖，使热棒和接线盒均匀的被填土覆盖，填土侧面采用放坡处理。
本发明工作时，太阳能板21吸收太阳能热量转换成电能储存在蓄电池20中。当温控装置19通过热电偶12监测到路基周围土体的温度低于设定温度，如0℃，中心测温管18，热敏传感器22温度也低于0°的时候，温控装置19接通电路，蓄电池20储存的电能以直流电的方式供给给发热丝13，发热丝13产生电阻热量以及暗红外辐射热量给热棒2中工质加热，工质将热量传递给冷凝段给路基基础主动提供热量，阻碍冻土的产生，防治冻土产生冻胀灾害，当温度高于设定温度，如6°时，蓄电池20停止供电。
Claims (10)
1.一种防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统，其特征在于：包括加热装置、温控装置和供电装置，所述加热装置安装在路基中；所述加热装置包括热棒、加热外管，所述加热外管内布置有发热丝，所述加热外管安装在热棒的下端，所述发热丝环绕在所述热棒的蒸发段；路基中，以及所述热棒的冷凝段和/或加热外管安装有温度测量装置，所述温度测量装置与温控装置连接；所述温控装置还分别连接发热丝和供电装置，所述供电装置用于给发热丝供电。
2.如权利要求1所述的防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统，其特征在于：所述发热丝沿加热外管纵向螺旋布置或回环发卡式布置。
3.如权利要求1所述的防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统，其特征在于：所述加热外管内壁设置有保温内层，加热外管中的温度测量装置安装在保温内层上。
4.如权利要求1、2或3所述的防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统，其特征在于：所述加热外管与热棒通过螺纹或卡扣连接。
5.如权利要求1、2或3所述的防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统，其特征在于：所述加热外管为镀锌钢管，长度50-7000mm，壁厚1-10mm；热棒长度为500-17000mm，管径为25-1500mm，壁厚为1-10mm。
6.如权利要求1、2或3所述的防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统，其特征在于：所述供电装置包括蓄电池以及与蓄电池连接的太阳能板，所述蓄电池与温控装置连接。
7.一种防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)放线和定位：在路基边坡确定热棒和热电偶套管的打孔中心位置并放线标记；
(2)钻孔：在路基边坡放线标记位置采用千斤顶顶管成孔的方式钻孔，热棒的钻孔孔径大于热棒的径向最大直径，钻孔角度倾斜，热棒安装后，热棒的冷凝段高于蒸发段；热电偶套管的钻孔孔径大于热电偶套管的管径；
(3)安置套管：清空钻孔，然后在热棒钻孔、热电偶套管钻孔中分别插入套管、热电偶套管，热电偶套管中安装有温度测量装置；
(4)注浆填孔：在热棒钻孔、热电偶套管钻孔中插入注浆管并进行注浆作业，边注浆边抽出注浆管；套管留在路基中；
(5)封口：在热棒、热电偶套管与路基边坡的接触处用混凝土面板进行封口，将钻孔封住；
(6)接线：将加热装置以及热电偶套管中的温度测量装置通过信号传输线与温控装置连接，加热装置的发热丝通过电源线与温控装置连接；温控装置还通过电源线与供电装置连接；
(7)填土：对热棒外露处进行填土覆盖，填土侧面采用放坡处理。
8.如权利要求7所述的防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统的安装方法，其特征在于，热棒钻孔角度与水平面成0-70°。
9.如权利要求7所述的防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统的安装方法，其特征在于，热棒的钻孔孔径比热棒的径向最大直径大10-30cm，热电偶套管的钻孔孔径比热电偶套管的管径大5-20cm。
10.如权利要求7所述的防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统的安装方法，其特征在于，所述热电偶套管成L型或Z型。
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