CN108842567A - 带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构及施工与运行方法 - Google Patents

Abstract

带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构及施工与运行方法，属于滑坡区支挡结构领域，带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构由抗滑能源桩、矩形横梁、槽型路面板、地源热泵设备、循环管道、钢托架构成；将传热U型循环管插入内套钢管内，外套翅片钢管套在内套钢管上，竖直打入滑移层；通过矩形横梁将横向两侧的抗滑能源桩连接，将槽型路面板浇筑在矩形横梁上，散热U型循环管插入槽型路面板预留的孔道；将钢托架焊接在外套钢管上，用螺栓将地源热泵设备固定在钢托架上；通过连接管将传热U型循环管、散热U型循环管和地源热泵设备串连。本发明充分利用地热能源，高效节能无污染，防止冻胀作用对抗滑能源桩的破坏，提高了抗滑能源桩的竖向承载力。

Description

带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构及施工与运行方法

本发明属于滑坡区支挡结构领域，具体涉及在季节冻土区滑坡体上修筑自动融雪道路的技术。

背景技术

近年来，我国铁路和公路建设有了突飞猛进的发展，机动车数量和轨道交通数量迅速增加，同时道路交通事故也不断增多，在造成交通事故的众多因素当中，路面条件则是其中一个非常重要的因素，路面上的积雪和结冰常常导致交通阻塞甚至发生交通事故，尤其在冬季大雪纷飞及初春冰雪消融时节，这一因素显得尤为突出。而目前，通常清除冰雪的办法是喷洒防冻剂或机械扫除，但是这些方法不能及时和自动地清除积雪，并且机械除雪有时还会导致交通中断。造成交通事故的另外一个重要因素是高速或快速铁路、公路线形，尤其在季节冻土地区，该地区存在大量的滑坡地段，采用在滑坡地段上直接修筑道路难度极大，所以通常采取绕避措施，但是采取绕避措施的费用往往太高，故应考虑对滑坡进行整治。在现有的技术中，普遍采用抗滑桩来治理滑坡灾害，然而在季节冻土区中，抗滑桩在使用过程中经常出现了明显的冻胀破坏，究其原因：在滑坡不稳定层，影响抗滑桩的抗滑、承载力大小的主要因素是其桩身上的水平冻胀力和竖直抗拔力，对于这个问题，国内外常用的防冻胀措施主要有：换填法、保温法和人工盐渍化法，但是以上措施都是被动的治理方式，不能从根本上解决冻胀作用造成的破坏，并且也会留有较大的安全隐患。

地源热泵技术是一种以储存于地表浅层土壤（约10米以下）的太阳能为冷热源而进行供热制冷的系统，地表土壤不仅是一个巨大的太阳能集热器（收集了47%的太阳福射能量），而且还是一个巨大的能量平衡系统（地表土壤能保持能量的接受和发散相对均衡），这就使得利用储存于其中近乎无限的太阳能或地能成为现实。夏季外界环境温度远高于地表浅层中的温度，并且沥青路面具有极强的吸热能力，使得路面温度远高于地表浅层中的温度，使得地源热泵具有较高的能效比，可以将路面的热量收集储存到地表浅层土壤中，实现了对绿色能源太阳能的充分利用；在冬季时，地表浅层的温度远高于空气温度，使得地源热泵具有较高的能效比，可以将地表浅层土壤中储存的热量释放出来加以利用。因此，通过地源热泵技术对太阳能或地能的储存和释放，实现了太阳能或地能在夏季、冬季互补循环使用。基于能源热泵技术的这种特性，为解决上述提出的路面除雪和抗滑桩防冻的问题，所以提出了带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构。

发明内容

本发明的目的是提供带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构及施工与运行方法。

本发明是带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构及施工与运行方法，带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构，由抗滑能源桩1、矩形横梁7、沥青槽型路面板8、地源热泵设备9、循环管道、钢托架13构成；抗滑能源桩1由外套翅片钢管2、内套钢管3、相变蓄热混凝土4、泡沫混凝土5、多孔混凝土6构成；循环管道由传热U型循环管10、散热U型循环管11、连接管12构成；沥青槽型路面板8的底部预留散热U型循环管11的孔道；钢托架13由角钢焊接而成的矩形框架；传热U型循环管10竖直放进内套钢管3内，将相变蓄热混凝土4浇筑在位于滑移面以下的内套钢管3内，多孔混凝土6浇筑在位于滑坡面以下和滑移面以上的内套钢管3内，泡沫混凝土5浇筑在位于滑坡面以上的内套钢管3内；外套翅片钢管2套在位于滑坡面以上的内套钢管3上，向下竖直打进滑移层内，外套翅片钢管2和内套钢管3之间浇筑多孔混凝土6；沿道路顺坡方向，通过矩形横梁7将横向两侧的抗滑能源桩1浇筑连接，矩形横梁7的两端水平放在横向两侧的抗滑能源桩1的顶端；将沥青槽型路面板8的底部浇筑在矩形横梁7上，散热U型循环管11插入沥青槽型路面板8预留的孔道；将钢托架13焊接在位于滑坡面以上的内套钢管3上，通过螺栓将地源热泵设备9固定在钢托架13上；通过连接管12将其中一侧的传热U型循环管10、散热U型循环管11和地源热泵设备9串连，形成闭合循环回路。

带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构的施工方法，其步骤为：

（1）制作构件：根据工程设计要求，选用合适的外套翅片钢管2、内套钢管3、传热U型循环管10、散热U型循环管11、连接管12的型号和尺寸，按设计要求在工厂中加工；选用合适型号的角钢，工厂中加工制作钢托架13；根据承载力设计要求，确定矩形横梁7、沥青槽型路面板8的尺寸，预制成型；

（2）勘察设计：勘察滑坡体的工程地质条件，水文气象条件，分析确定潜在滑动面的位置，进行计算设计，确定抗滑能源桩1的高度、间距；

（3）施工内套钢管3：根据施工图确定抗滑能源桩1的位置，将内套钢管3打入设计计算的深度；

（4）施工传热U型循环管10：通过吊机将传热U型循环管10竖直吊进外套翅片钢管2内，将相变蓄热混凝土4浇筑在位于滑移面以下的内套钢管3内，多孔混凝土6浇筑在位于滑坡面以下和滑移面以上的内套钢管3内，泡沫混凝土5浇筑在位于滑坡面以上的内套钢管3内，分别振捣密实；

（5）施工外套翅片钢管2：将外套翅片钢管2套在位于滑坡面以上的内套钢管3上，并竖直打进滑移层中，外套翅片钢管2和内套钢管3之间浇筑多孔混凝土6，振捣密实；

（6）施工矩形横梁7和沥青槽型路面板8：沿道路顺坡方向，通过吊车将矩形横梁7水平放在横向两侧的抗滑能源桩1的顶端，并把矩形横梁7的两端部与抗滑能源桩1的顶端整体浇筑；通过吊车将沥青槽型路面板8吊装在矩形横梁7上，并把沥青槽型路面板8的下底面和矩形横梁7的上顶面整体浇筑；将散热U型循环管11插入沥青槽型路面板8预留的孔道，并用相变蓄热混凝土4填塞空隙；

（7）施工钢支架13和地源热泵设备9：将钢托架13焊接在位于滑坡面以上的内套钢管3上，通过螺栓将地源热泵设备9固定在钢托架13上顶面；

（8）施工连接管12：通过连接管12将其中一侧的传热U型循环管10、散热U型循环管11和地源热泵设备9串联，形成闭合循环回路；另一侧采用相同的方式施工连接管12。

带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构的运行方法，夏季集热模式：夏季外界环境温度远高于滑坡稳定层中的温度，沥青槽型路面板8的外层沥青层吸收外界环境热量，通过循环介质将热量沿散热U型循环管11、连接管12、地源热泵设备9、传热U型循环管10、抗滑能源桩1传入滑坡稳定层中，补充滑坡稳定层中的热量；冬季供热模式：冬季外界环境温度远低于滑坡稳定层中的温度，通过散热U型循环管11、连接管12、地源热泵设备9热源进出口、传热U型循环管10串联形成封闭回路吸收抗滑能源桩1桩基及滑坡稳定层中的热量，经过地源热泵设备9加热提升后，来加热滑移层和沥青槽型路面板8，释放出滑坡稳定层中的热量。

本发明的有益效果：（1）、充分利用可再生能源：地源热泵是一种利用土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源而进行能量转换的供暖制冷的系统，地源热泵利用的是清洁、可再生的太阳能或地能，太阳能或地能是最充足、最可靠、也最不会耗尽的能源。（2）、高效节能无污染：由于地表浅层（约10米以下）的温度一年四季相对稳定，且冬季时远高于空气温度，使得地源热泵具有较高的能效比，供热时能产生相当于其耗电量3倍以上的热量，因此，这种特性使沥青槽型路面板的自动融雪、化冰结构比传统电加热融雪化冰技术节能70%以上。（3）、增大抗滑力、竖向承载力：抗滑能源桩和矩形横梁浇筑成门型结构，增大了抗滑能源桩顺坡方向的抗弯刚度，能承受较大的坡体推力；通过外套翅片钢管、传热U型管、多孔混凝土使滑坡不稳定土层的温度始终保持在其冻结点以上，减小了冻胀作用对抗滑能源桩的破坏，极大的提高了抗滑能源桩的竖向承载力，对滑坡能进行有效的治理。

附图说明

图1是本发明带有自动融雪路面的抗滑能源结构整体示意图；图2是循环管道连接示意图；图3是传热U型循环管布置示意图；图4是带有自动融雪路面的抗滑能源结构的运行方法示意图。附图标记说明：抗滑能源桩1、外套翅片钢管2、内套钢管3、相变蓄热混凝土4、泡沫混凝土5、多孔混凝土6、矩形横梁7、沥青槽型路面板8、地源热泵设备9、传热U型循环管10、散热U型循环管11、连接管12、钢托架13。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施实例对本发明进一步说明，所举实例只用于解释本发明并非仅限于本实例。在阅读本发明后，凡在本发明原理内所做的等同替换、修改都属于本发明的保护范围。

本发明的工作原理：（1）、减冻胀原理：寒季时利用地源热泵设备将滑坡稳定层中的热能“提取”出来，经地源热泵设备提高水位后，输送至滑坡不稳定层中，通过外套翅片钢管、传热U型管、多孔混凝土使滑坡不稳定层的温度始终保持在其冻结点以上，达到防止抗滑能源桩遭到冻胀破坏的目的。（2）、自动融雪原理：冬季降雪后，利用地源热泵设备将滑坡稳定土层的热能“提取”出来，经地源热泵设备提高水位后，输送至沥青槽型路面板中，通过散热U型管、多孔混凝土使沥青槽型路面板的温度上升到融雪点以上，自动清除沥青槽型路面板上的积雪。（3）、抗滑、竖向承载力原理：矩形横梁和抗滑能源桩浇筑成门型结构，并且抗滑能源桩的底端插入到滑动面以下的稳定土层中，提高了抗滑能源结构的竖向承载力；当滑坡体在重力或其他外因的作用下发生变形或滑移时，稳定土层对抗滑能源桩的抗力可以平衡滑坡体由于变形而产生的作用荷载。（4）能源互补原理：充分利用地源热泵技术的特性，能够实现夏季储存热量、冬季释放热量，实现了冬、夏连用，使得地源热泵的系统具有更高的稳定性，从而能够实现可再生。

如图1~4所示，本发明是带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构及施工与运行方法，带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构，由抗滑能源桩1、矩形横梁7、沥青槽型路面板8、地源热泵设备9、循环管道、钢托架13构成；其特征在于：抗滑能源桩1由外套翅片钢管2、内套钢管3、相变蓄热混凝土4、泡沫混凝土5、多孔混凝土6构成；循环管道由传热U型循环管10、散热U型循环管11、连接管12构成；沥青槽型路面板8的底部预留散热U型循环管11的孔道；钢托架13由角钢焊接而成的矩形框架；传热U型循环管10竖直放进内套钢管3内，将相变蓄热混凝土4浇筑在位于滑移面以下的内套钢管3内，多孔混凝土6浇筑在位于滑坡面以下和滑移面以上的内套钢管3内，泡沫混凝土5浇筑在位于滑坡面以上的内套钢管3内；外套翅片钢管2套在位于滑坡面以上的内套钢管3上，向下竖直打进滑移层内，外套翅片钢管2和内套钢管3之间浇筑多孔混凝土6；沿道路顺坡方向，通过矩形横梁7将横向两侧的抗滑能源桩1浇筑连接，矩形横梁7的两端水平放在横向两侧的抗滑能源桩1的顶端；将沥青槽型路面板8的底部浇筑在矩形横梁7上，散热U型循环管11插入沥青槽型路面板8预留的孔道；将钢托架13焊接在位于滑坡面以上的内套钢管3上，通过螺栓将地源热泵设备9固定在钢托架13上；通过连接管12将其中一侧的传热U型循环管10、散热U型循环管11和地源热泵设备9串连，形成闭合循环回路。

如图1、图3所示，沥青槽型路面板8的底部预留的孔道的内直径比散热U型循环管11的外直径大20~80mm；沥青槽型路面板8的底部长度、宽度与矩形横梁7的长度、宽度相等；沥青槽型路面板8浇筑的混凝土采用多孔混凝土6，矩形横梁7浇筑的混凝土采用泡沫混凝土5。

如图1、图2所示，传热U型循环管10、散热U型循环管11采用导热性能高的紫铜管，均做防锈蚀处理；连接管12采用绝热的橡胶管。

如图1所示，抗滑能源桩1的内套钢管3的内直径比传热U型循环管10的横向长度大100~500mm，比外套翅片钢管2的内直径小500~1000mm；抗滑能源桩1的外套翅片钢管2选用市场上常见类型，其长度与滑移层的厚度相等；钢托架13上顶面与矩形横梁7下底面的垂直距离比地源热泵设备9的高度大300~1000mm；沥青槽型路面板8的底部长度、宽度与矩形横梁7的长度、宽度相等。

如图4所示，带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构的运行方法，夏季集热模式：夏季外界环境温度远高于滑坡稳定层中的温度，沥青槽型路面板8的外层沥青层吸收外界环境热量，通过循环介质将热量沿散热U型循环管11、连接管12、地源热泵设备9、传热U型循环管10、抗滑能源桩1传入滑坡稳定层中，补充滑坡稳定层中的热量；冬季供热模式：冬季外界环境温度远低于滑坡稳定层中的温度，通过散热U型循环管11、连接管12、地源热泵设备9热源进出口、传热U型循环管10串联形成封闭回路吸收抗滑能源桩1桩基及滑坡稳定层中的热量，经过地源热泵设备9加热提升后，来加热滑移层和沥青槽型路面板8，释放出滑坡稳定层中的热量。

如图1~4所示，带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构的施工方法，其步骤为：

（1）制作构件：根据工程设计要求，选用合适的外套翅片钢管2、内套钢管3、传热U型循环管10、散热U型循环管11、连接管12的型号和尺寸，按设计要求在工厂中加工；选用合适型号的角钢，工厂中加工制作钢托架13；根据承载力设计要求，确定矩形横梁7、沥青槽型路面板8的尺寸，预制成型；

（2）勘察设计：勘察滑坡体的工程地质条件，水文气象条件，分析确定潜在滑动面的位置，进行计算设计，确定抗滑能源桩1的高度，间距；

（3）施工内套钢管3：根据施工图确定抗滑能源桩1的位置，将内套钢管3打入设计计算的深度；

（4）施工传热U型循环管10：通过吊机将传热U型循环管10竖直吊进外套翅片钢管2内，将相变蓄热混凝土4浇筑在位于滑移面以下的内套钢管3内，多孔混凝土6浇筑在位于滑坡面以下和滑移面以上的内套钢管3内，泡沫混凝土5浇筑在位于滑坡面以上的内套钢管3内，分别振捣密实；

（5）施工外套翅片钢管2：将外套翅片钢管2套在位于滑坡面以上的内套钢管3上，并竖直打进滑移层中，外套翅片钢管2和内套钢管3之间浇筑多孔混凝土6，振捣密实；

（6）施工矩形横梁7和沥青槽型路面板8：沿道路顺坡方向，通过吊车将矩形横梁7水平放在横向两侧的抗滑能源桩1的顶端，并把矩形横梁7的两端部与抗滑能源桩1的顶端整体浇筑；通过吊车将沥青槽型路面板8吊装在矩形横梁7上，并把沥青槽型路面板8的下底面和矩形横梁7的上顶面整体浇筑；将散热U型循环管11插入沥青槽型路面板8预留的孔道，并用相变蓄热混凝土4填塞空隙；

（7）施工钢支架13和地源热泵设备9：将钢托架13焊接在位于滑坡面以上的内套钢管3上，通过螺栓将地源热泵设备9固定在钢托架13上顶面；

（8）施工连接管12：通过连接管12将其中一侧的传热U型循环管10、散热U型循环管11和地源热泵设备9串联，形成闭合循环回路；另一侧采用相同的方式施工连接管12。

Claims (8)

1.带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构，由抗滑能源桩（1）、矩形横梁（7）、沥青槽型路面板（8）、地源热泵设备（9）、循环管道、钢托架（13）构成；其特征在于：抗滑能源桩（1）由外套翅片钢管（2）、内套钢管（3）、相变蓄热混凝土（4）、泡沫混凝土（5）、多孔混凝土（6）构成；循环管道由传热U型循环管（10）、散热U型循环管（11）、连接管（12）构成；沥青槽型路面板（8）的底部预留散热U型循环管（11）的孔道；钢托架（13）由角钢焊接而成的矩形框架；传热U型循环管（10）竖直放进内套钢管（3）内，将相变蓄热混凝土（4）浇筑在位于滑移面以下的内套钢管（3）内，多孔混凝土（6）浇筑在位于滑坡面以下和滑移面以上的内套钢管（3）内，泡沫混凝土（5）浇筑在位于滑坡面以上的内套钢管（3）内；外套翅片钢管（2）套在位于滑坡面以上的内套钢管（3）上，向下竖直打进滑移层内，外套翅片钢管（2）和内套钢管（3）之间浇筑多孔混凝土（6）；沿道路顺坡方向，通过矩形横梁（7）将横向两侧的抗滑能源桩（1）浇筑连接，矩形横梁（7）的两端水平放在横向两侧的抗滑能源桩（1）的顶端；将沥青槽型路面板（8）的底部浇筑在矩形横梁（7）上，散热U型循环管（11）插入沥青槽型路面板（8）预留的孔道；将钢托架（13）焊接在位于滑坡面以上的内套钢管（3）上，通过螺栓将地源热泵设备（9）固定在钢托架（13）上；通过连接管（12）将其中一侧的传热U型循环管（10）、散热U型循环管（11）和地源热泵设备（9）串连，形成闭合循环回路。

2.根据权利要求1所述的带有自动融雪路面的抗滑能源结构，其特征在于：抗滑能源桩（1）的内套钢管（3）的内直径大于传热U型循环管（10）的横向长度，小于外套翅片钢管（2）的内直径。

3.根据权利要求1所述的带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构，其特征在于：抗滑能源桩（1）的外套翅片钢管（2）选用市场上常见类型，其长度与滑移层的厚度相等。

4.根据权利要求1所述的带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构，其特征在于：沥青槽型路面板（8）的底部预留的孔道的内直径大于散热U型循环管（11）的外直径；沥青槽型路面板（8）的底部长度、宽度与矩形横梁（7）的长度、宽度相等；沥青槽型路面板（8）浇筑的混凝土采用多孔混凝土（6）；矩形横梁（7）浇筑的混凝土采用泡沫混凝土（5）。

5.根据权利要求1所述的带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构，其特征在于：传热U型循环管（10）、散热U型循环管（11）采用导热性能高的紫铜管，均做防锈蚀处理；连接管（12）采用绝热的橡胶管。

6.根据权利要求1所述的带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构，其特征在于：钢托架（13）上顶面与矩形横梁（7）下底面的垂直距离大于地源热泵设备（9）的高度。

7.带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构的施工方法，其特征在于，其步骤为：

（1）制作构件：根据工程设计要求，选用合适的外套翅片钢管（2）、内套钢管（3）、传热U型循环管（10）、散热U型循环管（11）、连接管（12）的型号和尺寸，按设计要求在工厂中加工；选用合适型号的角钢，工厂中加工制作钢托架（13）；根据承载力设计要求，确定矩形横梁（7）、沥青槽型路面板（8）的尺寸，预制成型；

（2）勘察设计：勘察滑坡体的工程地质条件，水文气象条件，分析确定潜在滑动面的位置，进行计算设计，确定抗滑能源桩（1）的高度，间距；

（3）施工内套钢管（3）：根据施工图确定抗滑能源桩（1）的位置，将内套钢管（3）打入设计计算的深度；

（4）施工传热U型循环管（10）：通过吊机将传热U型循环管（10）竖直吊进外套翅片钢管（2）内，将相变蓄热混凝土（4）浇筑在位于滑移面以下的内套钢管（3）内，多孔混凝土（6）浇筑在位于滑坡面以下和滑移面以上的内套钢管（3）内，泡沫混凝土（5）浇筑在位于滑坡面以上的内套钢管（3）内，分别振捣密实；

（5）施工外套翅片钢管（2）：将外套翅片钢管（2）套在位于滑坡面以上的内套钢管（3）上，并竖直打进滑移层中，外套翅片钢管（2）和内套钢管（3）之间浇筑多孔（6），振捣密实；

（6）施工矩形横梁（7）和沥青槽型路面板（8）：沿道路顺坡方向，通过吊车将矩形横梁（7）水平放在横向两侧的抗滑能源桩（1）的顶端，并把矩形横梁（7）的两端部与抗滑能源桩（1）的顶端整体浇筑；通过吊车将沥青槽型路面板（8）吊装在矩形横梁（7）上，并把沥青槽型路面板（8）的下底面和矩形横梁（7）的上顶面整体浇筑；将散热U型循环管（11）插入沥青槽型路面板（8）预留的孔道，并用多孔混凝土（6）填塞空隙；

（7）施工钢支架（13）和地源热泵设备（9）：将钢托架（13）焊接在位于滑坡面以上的内套钢管（3）上，通过螺栓将地源热泵设备（9）固定在钢托架（13）上顶面；

（8）施工连接管（12）：通过连接管（12）将其中一侧的传热U型循环管（10）、散热U型循环管（11）和地源热泵设备（9）串联，形成闭合循环回路；另一侧采用相同的方式施工连接管（12）。

8.带有自动融雪路面的能源互补抗滑结构的运行方法，其特征在于：夏季集热模式：夏季外界环境温度远高于滑坡稳定层中的温度，沥青槽型路面板（8）的外层沥青层吸收外界环境热量，通过循环介质将热量沿散热U型循环管（11）、连接管（12）、地源热泵设备（9）、传热U型循环管（10）、抗滑能源桩（1）传入滑坡稳定层中，补充滑坡稳定层中的热量；冬季供热模式：冬季外界环境温度远低于滑坡稳定层中的温度，通过散热U型循环管（11）、连接管（12）、地源热泵设备（9）热源进出口、传热U型循环管（10）串联形成封闭回路吸收抗滑能源桩（1）桩基及滑坡稳定层中的热量，经过地源热泵设备（9）加热提升后，来加热滑移层和沥青槽型路面板（8），释放出滑坡稳定层中的热量。