CN109137661A - 一种用于冻土路基坡面降温的管道式空心调控层 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冻土路基坡面降温的管道式空心调控层，该空心调控层为多条空心管并排固定形成的层结构，所述空心管为一体结构；所述空心调控层沿路基坡面顺坡铺设，其位于路肩侧的通风口最高点距离路面‑90~150cm。本发明将以往路基调控机构单向通风降温过程改变为双向通风降温过程，使得总体路基坡面降温效能成倍增加，特别是在冬季由阴坡到阳坡方向空气流动过程降温效能更为突显。此外，本发明针对高填方路基也提供了两种高性价比的降温结构，均为破解“阴阳坡效应”对路基稳定性构成的重要威胁、有效解决多年冻土区高速公路修筑难题找到有效解决途径。

Description

一种用于冻土路基坡面降温的管道式空心调控层

技术领域

本发明涉及冻土工程领域，尤其涉及一种用于冻土路基坡面降温的管道式空心调控层。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，冻土的力学强度会随着温度的变化而发生巨大的改变：温度越低其强度越大，温度低于-1.5℃时，其瞬时抗压强度与一般岩石相当；而温度高于-0.5℃至0℃时，其抗压强度相当于一般土块、甚至基本丧失。因此，我国寒区科学工作者立足国情，围绕青藏铁路、青藏公路等国家重大工程，在以“冷却路基”科学思想的指导下，针对各种调控路基温度场的工程措施开展了系统的科学实践。

目前，为应对太阳辐射对路基坡面的加热作用，为满足冻土路基力学稳定性、热学稳定性的基本要求，同时也为破解“阴阳坡效应”（ “阴阳坡效应”指路堤阳坡吸热量大于阴坡吸热量，由此导致阳坡下部对应的冻土始终处于更加快速的退化或融化过程中，而阴坡则保持相对稳定或缓慢的退化过程。并由此造成阴坡、阳坡对应冻土退化速率的差异，以及导致路基强度和稳定性的差异）对路基稳定性的威胁，主要提出了遮阳板路基、块石（碎石）护坡路基以及空心块护坡等冻土路基调控措施，其中，空心块护坡措施（在路基坡面顺序、层叠放置一定厚度的预制混凝土空心块）兼具前两者的优点，在降温、稳定性方面效果更佳。

但是，空心块护坡措施具有以下缺点：（1）在施工现场得靠人工一块一块排放，先成排再成列最后层层堆叠，操作繁琐、效率低下；（2）由于是人工排放堆叠，难以保证空心块的绝对整齐和对正，经常会出现中间空心块相互的错位，导致空心块中心气流通道的狭窄或堵塞，影响通风对流换热效能；（3）施工时不准确考究整个空心块护坡措施在路肩端通风口的位置，凭感觉随意放置，通常使得空心块内部空气的束流量较少、流动过程缓慢，而且通常只存在从坡脚向上到路肩的空气流动过程，由此导致对流换热作用不强；（4）由于内部空气流速较慢，随着流经换热空气的不断吸热，空气温度存在由路基坡脚至破顶不断增加的现象，即存在整体调控层温度差异性较大的现象，不利于路基地温场的整体调控。

特别是在当今高速公路路基幅面更宽、黑色路面吸热量更大等情况下，面对路基更为强烈的吸热和复杂的传热过程，现有措施的降温效能难以满足实际工程需要，亟待降温效能更为突出的坡面调控措施的出现。因此，面对青藏高原多年冻土区青藏高速公路的建设、青藏铁路后期维护等迫切需要，有针对性地开展冻土路基坡面降温新型结构的研发，通过不断技术创新、进步，是解决工程难题的关键途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于冻土路基坡面降温的管道式空心调控层，以增强降温效能，为破解“阴阳坡效应”对路基稳定性构成的重要威胁、有效解决多年冻土区高速公路修筑难题找到有效解决途径。

申请人研究发现，（1）青藏公路所处的青藏高原多年冻土区，虽然风向多变，但在年季变化过程中，特别是冬季，多数存在由阴坡到阳坡方向的空气流动过程，即存在由公路一侧到另一侧、翻越公路的风场，即反向风场；（2）在该风场的空气流动过程中，由于路基在整体风场中对流动空气的阻挡和挤压作用，使得空气在翻越公路过程中于近路面附近的风速显著增大；（3）风速增大的流动空气，在翻越公路并经路肩顶点后，由于下降坡面产生的空气负压区会导致下降气流和绕流现象的存在，受空气惯性作用，此时风速依然较大，在强风速条件下最大作用深度可达路面以下约-100cm的位置。因此，空气流经路肩顶点以后，风速相对较大范围可达路面高度（竖直高度）约-100cm~150cm范围（称作高流速区域）。

结合青藏公路、青藏铁路多年冻土区路基填筑实践情况，路基高度基本以4m为界限，4m以下（含）为普通高度路基，4m以上为高填方路基（简称高路基）。在工程实际中，多年冻土区青藏公路的路基高度基本为2.5~3m，青藏铁路基本为4~5m。

由于空气流动的驱动力为空气的压力差，空气压力又进一步由静压、动压组成。其中，静压是空气静止条件下的压力，或背景压力，对空间开放、高度一定（如50m高度范围内）的流动空气而言，静压基本相同；动压则是空气运动条件下通过动能产生的压力。如果在空气流动的途中设置障碍物，如本发明按照上述条件设置的通风换热层的路基上风口，就会在障碍物的表层产生压力，即在障碍物的前端和末端就会产生压力差，即空气动压差。对本发明所述的普通路基、或高路基涉及的高度范围，在通风换热层的上端设置在路肩附近、或高于路肩的条件下，通风换热层的上下端的动压差始终存在、且基本相同，并不随路基高度而改变。同时，该动力差足以驱动空气在本发明空气调控层内快速流动和换热。因此，上文所述的风场特征在这两种高度路基上均适用。

在野外现场，空气温度始终低于地表温度，理论上坡面调控措施的降温机制不仅在于遮挡太阳辐射对于坡面的加热作用，更在于遮阳板下空气的流动过程对坡面的降温作用。然而，现有技术中，本领域普通技术人员未曾将上述风场特征准确地联系到坡面调控措施的设计和应用中，使得整体降温效能低下。而本发明特有的管道式空心调控层结构和位置设置，使其能够充分利用现场风场条件，显著提高降温效能。

为解决上述问题，本发明提供了一种用于冻土路基坡面降温的管道式空心调控层，所述空心调控层为多条空心管并排固定形成的单层结构或者多层结构，所述空心管为一体结构；所述空心调控层沿路基坡面顺坡铺设，其路肩侧通风口的最高点距离路面-90~150cm。

优选的，所述空心调控层路肩侧通风口的最低点距离路面-100cm或-100cm以上。

优选的，所述空心调控层路肩侧通风口的最低点与路面平齐。

优选的，所述空心管的管壁厚度为5mm~30mm，口径为5cm~40cm。

优选的，所述空心管指管状水泥布壳层经立体化成型、浇水、固化成型制得的水泥空心管。

优选的，所述空心管的横截面呈圆形、方形、三角形或者菱形。

优选的，所述空心管为混凝土管、金属管或者塑料管。

优选的，所述空心调控层路肩侧通风口的最高点高于路面，所述降温结构还包括：衔接在所述路基调控机构的路肩侧通风口上方、向上倾斜并由支架支撑的导风板。

以上方案在普通高度路基和高填方路基上均适用，不过，很显然，如果将上述方案实施在高填方路基上，则意味着使用大量的空心管、施工成本高，基于此，考虑到高填方路基具有以下特殊性：路基两侧坡面的面积已经开始超过了黑色路面的面积，并随着路基高度的增加，路基两侧坡面在整个路基外表面的占比越大。由于路基填土的热阻作用，路面距离路基底部越远，路面吸收的热量越难于传递到路基的底面，而同时路基吸热的热量更多来自于路基靠下的坡面。因此，在路基主要吸热传热部位进行温度调控，可以达到更高的性价比。

因此，针对高填方路基，本发明提供了另外两种结构和设置方式，一种是针对路基高度在4m以上的冻土路基，可以将所述空心调控层路肩侧通风口的最高点设在路基高度4m处。另一种是针对路基高度在5m以上的冻土路基，可以将空心调控层路肩侧通风口的最高点设在路基高度80%~90%位置处。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、新型对流换热机制的形成

本发明突出形成了反向风向条件下路基坡面的新型对流换热机制，重点解决了冬季路基阳坡坡面调控措施换热效能低下，以及“阴阳坡效应”长期困扰和威胁冻土道路工程稳定性的难题。本发明中，管道式空心调控层路肩侧通风口（称作上风口）的最高点距离路面-90~150cm，意味着部分或全部上风口能够有效拦截、疏导流速相对较高的反向风场空气，从而形成反向风场条件下空心调控层的对流换热过程。面对青藏高原多年冻土区冬季基本为反向风向条件、且风速相对更大，本发明使得冬季的低温环境得到了充分利用，达到大幅降低路基阳坡温度的效能，为从根本上解决路基“阴阳坡效应”找到了出路。

2、双向对流换热机制的建立，为提高路基稳定性奠定坚实基础

在正向风场、反向风场不同条件下，本发明均能实现路基坡面对流换热过程，使得空心调控层内存在空气从路基坡脚到路肩或者路肩到坡脚的对流换热过程，从而形成双向对流换热机制。正是由于该机制的形成，使得路基阳坡、阴坡的热边界条件基本接近或相同，彻底改变以往阳坡、阴坡坡面年均温差可以达到3~8℃、夏季最大温差达到约10~20℃的不利条件。另外，在实际工程中，路基调控机构多设置在阳坡一侧，特别是在青藏高原冬季或是环境气温较低情况下降温效能的提高更加显著。由此彻底解决“阴阳坡效应”对路基稳定性造成的不利影响，并为提高路基稳定性奠定坚实基础。显著改变了已有坡面调控工程措施缓慢对流换热条件下，沿坡面温差过大、温度调控难以均匀等困局。

3、对流换热加快、降温效能显著提高

对流换热效能的提升还源于本发明以下特性：本发明的特点在于空心调控层的空心管一体结构，意味着空气对流通道整体化、通透化，较以往措施得到了全面加强。由此，调控层内空气流量增加、流经时间缩短，大幅提高了对流换热效能。

现场发烟气流测试试验显示，对于路基坡面铺设双层管道空心调控层、上风口最低点与路面平齐、管径25cm的工况（参考图1），在正向风向、反向风向条件下，发烟物体距离管口远30cm、高15cm位置，空气100%全部流经空心调控层；其它风向条件，约有90~100%均可流经空心调控层。而相比其它工程措施，以其中稳定性和效能最好的混凝土空心块护坡为例，在正向风向条件下，仅有< 10%部分流经部分空心块层，且大部分集中在空心块层的下半部分，并随高度增加烟雾不断从空心块接缝中散出。反向风场、其它风场条件利用率基本为零。

现场实践证明，由于空心调控层通畅性的形成和大幅提高，不仅正向、反向风场可被利用，更大比例、不同角度的斜向风场条件也可被充分利用，也可用于坡面的调控层内的对流换热过程。由于实体结构特征的类似，使得类似结构特征对风场的利用以及取得的有益效果是明显可预见的一样或者类似，因此，上述试验结论同样适用于本发明中其它实施方式。

因此，本发明基本做到了全风场条件下坡面的对流换热和调控。而其它措施所能利用的风场条件，主要为正向风场条件，其它风场条件基本不能利用。正是由于上述空心调控层对流换热效能的大幅提升和显著优点，也就使得路基坡面的降温效能大幅提升的目标得以实现。

、针对高填方路基，提供了两种高性价比的降温结构

对于高填方路基，采用只是在大部分剖面设置管道式空心调控层，优点在于，既充分利用了路基的传热特性和管道式空心调控层的通风特性，同时最大程度节约了材料的使用，达到高性价比。模拟计算显示，管道式空心调控层的通风特性在高度达到4m以后，由于坡脚到路肩方向调控层内“烟囱效应”的存在和显著加强（不考虑反向风场的利用问题），通风量等通风和换热特性保持稳定，且通风和换热能够满足高路基的降温需要。

、有效解决工程难题

综上，本发明通过特有的双向对流换热机制，使得路基调控机构降温效能成倍提高，同时也保证了降温效果的整体性和均匀性，此外，针对高填方路基也提供了两种高性价比的降温结构，均为破解了“阴阳坡效应”对路基稳定性构成的重要威胁，为解决多年冻土区高速公路修筑难题找到有效途径。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的路基调控机构为管道式空心调控层的一种立体结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明实施例提供的管道式空心调控层的另一种侧视结构示意图。

图4为本发明实施例提供的管道式空心调控层的再一种侧视结构示意图。

图中：1—路基，2—阳坡坡面，3—阴坡坡面，4—路面，5—空心管，6—导风板，7—支架。

具体实施方式

参考附图1~4，本发明实施例提供了一种用于冻土路基坡面降温的管道式空心调控层，适用于普通高度路基和高填方路基，其具体为多条空心管5紧密并排固定形成的层结构，包括单层结构和多层堆叠结构，多层堆叠结构通常为2~4层；空心管5为一体结构。实施时，空心调控层沿路基阳坡坡面2顺坡铺设，其路肩侧通风口的最高点距离路面 -90~150cm。

可以理解的是，管道式空心调控层坡脚侧的通风口设在坡脚附近，视情况可以直接设置在坡脚位置，或者可以将通风口向坡底所在平面延伸0~3m，后者能够更好、更大范围的降温。

本发明中，空心调控层位于路肩侧的通风口是指空心调控层位于路肩侧所有空心管5管口的集合，在反向风场情况下，其为空心调控层的上风口，基于此，为便于描述且将路肩侧通风口称为上风口。

将空心调控层上风口最高点设置于距离路面-90~150cm的位置，意味着将其部分或全部上风口设置在近路面空气流速相对较高的高流速区域，使得上风口处于高流速区域的部分能够有效拦截、疏导流速相对较高的反向风场空气。

考虑到风向变化过程和靠近路面风速增加特点，对于上风口最高点比路面4高出0~150cm的情况，能够显著增加空心调控层内部对流换热空间（主要指处于高流速区域的空心管5内部空间）中空气的流速和流量，进而使从路基坡脚到路肩、路肩到坡脚的空气能够有效、有力地发挥通风透气的降温作用。

对于上风口最高点比路面4降低-90~0 cm的情况，在风向为反向时，由于下降坡面产生的空气负压区会导致下降气流和绕流现象的存在，使得这部分空气也可以流经对流换热空间起到降温作用。可见，这种低于路面-90~0cm 的设置方式也能达到较好的降温效果，同时还能节省工程材料、降低工程造价。

进一步地，可以将上风口最低点设置为距离路面等于或者大于-100cm，以使空心调控层整个上风口全部处于高流速区域，当然，也可以将空心调控层上风口最低点设置为与路面大致平齐，比如距离路面±10cm以内以上，以实现最为显著的降温效果。

本发明空心调控层不仅能够有效利用风向垂直于公路走向的反风场条件，还能够对风向斜切公路走向的反风场条件进行良好利用，由此基本达到全风场条件的利用。

现有技术中，本领域普通技术人员未曾将上述风场特征准确地联系到坡面调控措施的设计和应用中，使得整体降温效能低下。比如，遮阳板措施，受高原极端条件限制，净空设置较低，上风口不能完全开放，否则在大风条件下极易造成遮阳板的撕裂；块（碎）石护坡措施，调控块石层透气性差、不具有通透结构；空心块措施，护坡壁厚、口径小、完整和通透性差，而难以有效拦截和利用反向风场。

上述空心管5为一体结构，即其内部用于对流换热的空间一通到底、完全通透，能够保证空气的通畅流动，特别是加上本发明有效利用了反向风场条件下近路面风速增大的特点，使得反向风向条件下空心管5内的空气流速较天然场更大，由此进一步突显双向换热机制的功效。此外，空心管5一通到底的一体化设置一方面使得施工步骤方便快捷，另一方面保证了其内部用于对流换热空间的顺畅性、增强对流换热作用。

对于空心管5两端，可以是不加任何控制部件的裸端口，简单、省事，也可以在端口处设置风门，该风门用于自动或者手动控制端口开度，以精确控制管道式空心调控层的降温作用。只要是在需要空心管5通风、发挥对流换热作用时，空心管5两端均为开口即可。其中，风门怎样设置并不是本发明的保护点，在此不详述，如想要了解，可查阅以下文章：1、自动温控通风路基在青藏铁路中的应用研究. 中国科学(D辑增刊), 2003, 33卷: 160-167；2、实用新型专利“路基的自动温控通风装置”，申请号CN03218742.4。

实施时，空心管5管壁厚度可以为5mm~30mm，口径（所在圆直径）可以为5cm~40cm，进一步地，空心管5可以为薄壁、大口径空心管，大口径对流换热通道的形成，进一步保证了调控层内空气流动过程的通畅性，并使得空气流速大为增加。由于空心调控层位于路基坡面以上，无荷载作用，其管壁厚薄仅需要满足成型后自身和施工人员踩踏力学稳定性即可。因此采用薄壁结构不仅能够节省材料费用，同时为每个通风管通风截面占比的提高提供贡献。另外，空心管5可以由混凝土、金属或者塑料制成，其横截面可以是圆形、方形、三角形或者菱形等形状。

进一步地，空心管5可以由管状水泥布壳层经立体化成型、浇水、固化成型制得的水泥空心管。水泥布壳层由水泥布制成，水泥布（或水泥毯、水泥毡）是一种三维织物与水泥混料充分结合的结构，其在遇水前具有一般织物柔软、可折叠等特性，在浇水和饱水后能够快速固结成型。未浇水之前由水泥布制成的水泥布壳层可以是对应单根空心管，也可以是对应多根并排连体的空心管。水泥布的应用方便运输和装卸、运输成本低，施工过程简单、快速、高效。更多详细内容参见申请人之前申请的并且已公布的专利申请即可（申请号201810443498.7，名称“一种冻土路基坡面的降温结构以及降温用的空心层叠结构”）。

这里需要说明的是，当空心调控层为多层结构、上风口部分（至少也有10cm）处于高流速区域时，处于下层的空心管5有可能无法有效拦截、疏导反风场空气，但是，由于在实际应用中空心调控层的层数不多而且空心管5的口径不是很大，处于上层的空心管5通过对流换热产生的降温作用能够往下传递，而且下层空心管5内也不是完全无流动空气，因此，纵使是这种情况下本发明空心调控层仍能实现良好的坡面降温效果。

相较单层结构，多层结构具有更好的阻挡二次辐射（空心调控层顶层被太阳辐射加热后、顶层通过辐射对内部、或底面的加热过程），越靠近坡面的层内温度越低。显然，对于同样是空心调控层整个上风口全部处于高流速区域的情况，多层结构具有更好的路基坡面降温效果。

在多层结构中，各空心管5路肩侧通风口形成的集合要有利于进风，比如，各空心管5路肩侧通风口端面可以相互错位，参考图1和图2所示那样上层端面超过下层端面，也可以相互平齐，参考图3示出的垂直路面平齐或者图4示出的倾斜于路面平齐，在实际应用中根据实际情况选定具体设置方式即可。

可以理解的是，为保证整个空心调控层的稳定性和空心管间的紧密性，在空心管5并排固定形成空心调控层的过程中，空心调控层边缘位置以及各空心管5间需根据实际情况设置相应的定位部件和连接固定部件，当然，如果空心管5重量足够大，比如混泥土管，各空心管5可考虑简单堆叠即可。这部分内容参考相关现有技术（无需本领域普通技术人员付出创造性劳动）即可。

此外，还可以在空心调控层是上风口最高点斜上方设置一导风板6，该导风板6在路基1上通过数根均布的支架7架设，这主要针对空心调控层上风口最高点高于路面的情况。导风板6与空心管5或者遮阳板8内的空气流动过程相匹配，它的挡风、导风作用进一步增加了空心调控层对流换热空间中流动空气的束流量并且加快加强空气的流动过程。为起到更好的导风作用，导风板6与垂线的夹角为0°~30°。

其中，导风板6不仅起到导风作用，同时也具有交通的防护作用：本发明的导风板6可以结合现有高速公路防护栏，略加改进即可实现。同时，由于本发明坡面防护机构高于路面，且位于导风板6后面，进一步增强了导风板6的公路防护安全作用。

在实际应用中，由于“阴阳坡效应”路堤阳坡吸热量大于阴坡吸热量，坡面调控措施重点在于阳坡上的降温，即实际应用中坡面降温机构大多设置在路基阳坡坡面；当然，也会存在路基阴阳两侧均设置坡面降温机构的情况，对于这种情况，由于路面宽度足够宽，两侧坡面降温机构的降温作用互不影响。

此外，针对高填方路基，本发明还提供了另外两种结构和设置方式，管道式空心调控层的结构参考上述相关内容，其上风口最高点在坡面的设置方式具体如下：一种是针对路基高度在4m以上的冻土路基，可以将所述空心调控层路肩侧通风口的最高点设在路基高度4m处。另一种是针对路基高度在5m以上的冻土路基，可以将空心调控层路肩侧通风口的最高点设在路基高度80%~90%位置处。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的结构及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于冻土路基坡面降温的管道式空心调控层，其特征在于，所述空心调控层为多条空心管并排固定形成的单层结构或者多层结构，所述空心管为一体结构；所述空心调控层沿路基坡面顺坡铺设，其路肩侧通风口的最高点距离路面-90~150cm。

2.如权利要求1所述的空心调控层，其特征在于，所述空心调控层路肩侧通风口的最低点距离路面-100cm或-100cm以上。

3.如权利要求1所述的空心调控层，其特征在于，所述空心调控层路肩侧通风口的最低点与路面平齐。

4.如权利要求1所述的空心调控层，其特征在于，所述空心管的管壁厚度为5mm~30mm，口径为5cm~40cm。

5.如权利要求1所述的空心调控层，其特征在于，所述空心管指管状水泥布壳层经立体化成型、浇水、固化成型制得的水泥空心管。

6.如权利要求1所述的空心调控层，其特征在于，所述空心管的横截面呈圆形、方形、三角形或者菱形。

7.如权利要求1所述的空心调控层，其特征在于，所述空心管为混凝土管、金属管或者塑料管。

8.如权利要求1至7任意一项所述的空心调控层，其特征在于，所述空心调控层路肩侧通风口的最高点高于路面，所述降温结构还包括：衔接在所述路基调控机构的路肩侧通风口上方、向上倾斜并由支架支撑的导风板。

9.一种用于冻土路基坡面降温的管道式空心调控层，其特征在于，应用于路基高度在4m以上的冻土路基，所述空心调控层为多条空心管并排固定形成的层结构，所述空心管为一体结构；所述空心调控层沿路基坡面顺坡铺设，其路肩侧通风口的最高点设在路基高度4m处。

10.一种用于冻土路基坡面降温的管道式空心调控层，其特征在于，应用于路基高度在5m以上的冻土路基，所述空心调控层为多条空心管并排固定形成的层结构，所述空心管为一体结构；所述空心调控层沿路基坡面顺坡铺设，其路肩侧通风口的最高点设在路基高度80%~90%位置处。