CN110468826A - 一种太阳能供电的路基长期含水率电渗调控装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及道路工程领域，特别是涉及一种路基结构和能够维持路基低含水率的路基结构的排水方法。本发明提供一种路基结构，包括路基本体和太阳能电池，所述路基本体内设有阳极电极和阴极电极，所述阳极电极与太阳能电池的正极相连，所述阴极电极与太阳能电池的负极相连，所述阴极电极为中空管道，所述阴极电极的出口处设有排水沟，所述阴极电极中的水体可以通过阴极电极的出口被引入排水沟。本发明从新兴能源太阳能出发，将太阳能发电技术应用于耗电量高的电渗法，同时考虑到实际路基工程中长期应用的需求，采用一种耐腐蚀的碳纤维布与盲管组成的新型电极，提高电能的长期利用率，克服了远距离输电和电渗后期电极腐蚀造成的能量损耗。

Description

一种太阳能供电的路基长期含水率电渗调控装置及其使用 方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，特别是涉及一种路基结构和能够维持路基低含水率的路基结构的排水方法。

背景技术

路基的强度直接影响路面的使用性能,若路基承载能力不足,会出现永久变形,从而导致路面出现各类病害,如沉陷、车辙、翻浆等。路基承载力可以用路基回弹模量来表征，大量研究表明，路基土含水率变化对路基回弹模量的影响较大。受降雨、地下水、荷载作用的影响，公路路基含水率在运营期内逐渐增大，以致路基的力学性能发生改变，因此控制运营期路基含水率变化是提升路基性能的重要手段。电渗法因其排水效率高，对交通影响小等特点适用于路基长期含水率调控。但现阶段电渗排水法多用于软土地基的快速处治，传统的金属电极不能满足长期应用的要求，且电渗法耗电量高，违背低碳环保的发展趋势。所以对于含水率受环境影响较大的路基，本发明采用一种碳纤维电极，结合清洁能源太阳能，提出一种路基长期含水率电渗调控装置。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种路基结构和能够维持路基低含水率的路基结构的排水方法，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种路基结构，包括路基本体和太阳能电池，所述路基本体内设有阳极电极和阴极电极，所述阳极电极的水平高度高于所述阴极电极，所述阳极电极与太阳能电池的正极相连，所述阴极电极与太阳能电池的负极相连，所述阴极电极为中空管道，所述阴极电极的出口处设有排水沟，所述阴极电极中的水体可以通过阴极电极的出口被引入排水沟。

在本发明一些实施方式中，所述路基本体上还设有路面。

在本发明一些实施方式中，所述路面选自沥青路面、水泥混凝土路面中的一种或多种的组合。

在本发明一些实施方式中，所述路基本体的材质选自粉质土、粘质土、有机质土、黄土、膨胀土、红黏土、盐渍质土、冻土中的一种或多种的组合。

在本发明一些实施方式中，所述阴极电极为中空管道，管壁包含有碳纤维材料。

在本发明一些实施方式中，所述阳极电极和/或阴极电极为碳纤维布包裹的透水管，碳纤维布与透水管之间采用导电石墨胶水粘结。

在本发明一些实施方式中，所述透水管为硬质材料。

在本发明一些实施方式中，所述路基本体为路堤式路基结构。

在本发明一些实施方式中，所述太阳能电池位于路堤式路基结构的边坡上，太阳能电池能够使两电极之间形成不小于0.8V/cm的加载电势梯度。

在本发明一些实施方式中，至少部分的所述阳极电极和/或阴极电极延伸出路基本体。

在本发明一些实施方式中，至少部分的延伸出路基本体的电极包裹有保护材料。

在本发明一些实施方式中，所述排水沟位于路堤式路基结构的边坡的底部。

在本发明一些实施方式中，所述阴极电极的出口的位置与排水沟的位置相配合。

在本发明一些实施方式中，所述阳极电极位于路基本体的上部，所述阴极电极位于路基本体的底部。

本发明第二方面提供一种路基结构的排水方法，采用如上所述的路基结构，包括：将所述路基结构的太阳能电池置于适合于太阳能电池产生电流的条件下。

在本发明一些实施方式中，太阳能电池产生电流的直流电。

附图说明

图1显示为本发明整体结构示意图。

图2显示为本发明碳纤维布包裹的透水管示意图。

元件标号说明

1 路基结构

11 太阳能电池

12 阳极电极

13 阴极电极

14 阴极电极出水口

15 排水沟

16 路基本体

17 路面

18 边坡

19 导线

2 碳纤维电极

21 透水管透水侧

22 透水管不透水侧

23 碳纤维布

24 保护材料

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-2所示，本发明第一方面提供一种路基结构1，包括路基本体16和太阳能电池11，所述路基本体16内设有阳极电极12和阴极电极13，所述阳极电极12与太阳能电池11的正极相连，所述阴极电极13与太阳能电池11的负极相连(电极与电池之间通常为电连接，例如，可以通过导线19连接)，从而可以在路基本体内形成电场，所述阴极电极13为中空管道，从而在电场存在的条件下使路基本体16中的至少部分的水体被引入中空管道中，阴极电极13的出口处设有排水沟15，所述阴极电极13中的水体可以通过阴极电极13的阴极电极出水口14被引入排水沟15，从而引出并汇集路基本体16中所引出的水体。

本发明所提供的路基结构1中，所述路基本体16的材料通常为适用于构建路基的填料，，更具体可以是包括但不限于粉质土、粘质土、有机质土、黄土、膨胀土、红黏土、盐渍质土、冻土等中的一种或多种的组合。所述路基本体16通常为路堤式路基结构，所述路堤式路基结构，通常指路基顶面高于原地面的填方路基，路堤式路基结构的截面通常自上而下逐渐变大，例如可以是梯形截面，所述太阳能电池11通常可以位于路堤式路基结构的边坡18上，以便于太阳能电池11在暴露于能够形成电流的条件下(例如，阳光照射的条件下)形成电流(通常为直流电)，所述太阳能电池11可以为太阳能电池板，从而可以配合边坡18便于电池的分布，所述太阳能电池11可以为各种能够产生合适的电流强度的太阳能电池，例如可以为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池等。太阳能电池板11的额定电压通常需要保证两电极可以为土体提供不小于0.8V/cm的加载电势梯度，从而可以使路基本体16内产生合适强度的电场。所述排水沟15位于路堤式路基结构的边坡的底部，所述阴极电极13的阴极电极出水口14的位置与排水沟15的位置相配合，从而保证阴极电极13中所引出的水体被充分地引入排水沟15。在本发明一具体实施方式中，排水沟15的深度可以为10-30cm，宽度可以为20-60cm，与水平方向所形成的夹角可以为1-3°，排水沟15的长度方向通常与排水沟15中水流的流动方向相一致。

本发明所提供的路基结构1中，所述路基本体16上还设有路面17，路面的材质通常与路基本体16相配合，例如，所述路面17可以为各类沥青路面、各类水泥混凝土路面和各种复合路面。

本发明所提供的路基结构1中，所述阳极电极12的水平高度高于所述阴极电极13，从而可以利用电场自上而下将路基本体16中的水体引入中空的阴极电极13中，例如，阳极电极12通常可以水平和/或均匀分布于路基本体的上部，阴极电极13通常可以水平和/或均匀分布于路基本体的下部或底部，阳极电极12和/或阴极电极13向其出口方向可以海拔逐渐降低，从而可以通过重力充分地将阴极电极13中富集的水体引出阴极电极。所述阴极电极13为中空管道，管壁包含有碳纤维材料，从而形成碳纤维电极2，管壁上包裹的碳纤维材料通常需要与太阳能电池11相连，从而可以利用碳纤维材料的导电性能。所述阳极电极12和/或阴极电极13更具体可以为碳纤维布23包裹的透水管，所述透水管的底部(通常为透水管水平高度较低一侧的管壁)通常为透水管不透水侧22，其余部分的全部或部分通常可以为透水管透水侧21，从而可以通过透水管透水侧21引入水体，并通过透水管不透水侧21富集水体，并将水体通过阴极电极出水口14引出路基本体16。所述透水管为硬质材料，所述硬质材料通常指具有一定刚性的材料，例如可以是PE聚乙烯塑料等，从而保证透水管位于路基本体16中的稳定性。所述碳纤维布23与透水管之间采用导电石墨胶水粘结，从而保证碳纤维布23与透水管之间的紧密结合。在本发明一具体实施方式中，所述透水管的外径为50mm-100mm，透水管上半部分2/3设有透水孔，下半部分1/3不设有透水孔，阴极电极与水平方向的夹角可以为2-4°。

本发明所提供的路基结构1中，至少部分的所述阳极电极12和/或阴极电极13延伸出路基本体16，从而可以便于电极与电池的连接，延伸出路基16的部分通常可以为电极的出口端，从而也可以便于电极与排水沟15位置的相配合。至少部分的延伸出路基本体16的电极包裹有保护材料24，从而可以避免电极被损坏，也可以保证使用者的安全，所述保护材料可以是例如塑料软管等。

本发明第二方面提供一种路基结构的排水方法，所述排水方法可以维持路基低含水率，采用如上所述的路基结构，包括：将所述路基结构的太阳能电池置于适合于太阳能电池产生电流的条件下。当太阳能电池产生电流时，可以为电渗系统提供电能，电渗系统中的阳极电极、阴极电极在路基本体中形成下行电场，引导路基本体中的水分从路基上部阳极附近向路基下部的阴极附近迁移，长期含水率调控过程中汇集在阴极管的水将沿阴极管从排水口排出路基，并沿排水沟流走，保证路基上部土体在公路运营期始终处于含水率较低的状态。

本发明从新兴能源太阳能出发，将太阳能发电技术应用于耗电量高的电渗法，同时考虑到实际路基工程中长期应用的需求，采用一种耐腐蚀的碳纤维布与盲管组成的新型电极，提高电能的长期利用率，克服了远距离输电和电渗后期电极腐蚀造成的能量损耗，降低工程成本。

实施例1

实施例1为模型试验，所构建的模型参数如下：

电渗系统模型试件底面为20cm×30cm，试件高模型箱尺寸同为50cm×20cm×30cm。尺寸为20cm×50cm的模型箱正面底部开设1个直径为5cm的排水孔。尺寸为20cm×50cm的模型箱背面距试件顶部8.5cm处和距试件底部8.5cm处分别开设两个尺寸为5cm×1cm的孔用于在土体中插入湿度传感器。模型上表面敞开以便填土夯实成型。所述试验用土为上海低液限黏土，干密度为1.54g/cm³，初始体积含水率为30％，液限和塑限分别为42％和23％。

电渗模型系统包括太阳能供电模块，太阳能供电模块采用3块单晶硅太阳能电池板串联，所述太阳能电池板额定电压18V、额定功率100W、短路电流为5A。

电渗模型系统包括阳极管和阴极管；所述阳极管长28cm，水平埋设于试件顶部中间，所述阴极管长33cm，与水平方向夹角为2°向外倾斜埋设于试件底部中间位置，所述阳极管和阴极管均采用碳纤维电极，所述碳纤维电极为pe硬式透水管外采用石墨胶水粘结一层碳纤维布，所述碳纤维布为300g二级碳纤维布，其宽度为20cm，厚度为0.167mm，抗拉强度为3000MPa。所述硬式透水管外径为5cm，壁厚为0.5cm，阴极管中硬式透水管透水侧埋设时朝上，上半部分2/3设有透水孔，下半部分1/3不设有透水孔，阳极管和阴极管露出土体的部分外包塑料软管，所述阳极管和阴极管分别通过导线与太阳能电池板的正极和负极连接。

电渗模型系统包括湿度传感器；模型箱背面距试件顶部8.5cm处的预留孔中分别插入两个湿度传感器，所述湿度传感器为NHSF48型湿度传感器。

长期含水率调控过程中汇集在阴极管的水分将沿阴极排水口排出试件。通电后太阳能电池板在试件土体两端形成下行电场，晴天时两电极间的加载电压可达60V左右，在下行电场作用7天后，距试件顶部8.5cm处位于较上方的湿度测量计所测得的土体体积含水率可降低至25％以下。

实施例2

电渗模型系统包括太阳能供电模块，太阳能供电模块采用4块单晶硅太阳能电池板串联，所述太阳能电池板额定电压18V、额定功率100W、短路电流为5A。

路基上设有路面，路基和路面的参数如下：路基长4m，宽2m，高约1.0m，边坡按1:1.5放坡。用低液限黏性土为主要路基填料，路基土初始体积含水率为30％填筑过程中严格控制压实度为88％。路基上方为0.1m的基层，基层材料为水泥稳定碎石，最上方为约0.1m的沥青面层。所述太阳能电池板铺设在路基边坡上。

电渗系统包括阳极管和阴极管；所述阳极管长2.1m，共5根，间隔0.6m水平埋设于路基土上部，阳极管距路基土顶面5cm，所述阴极管长3.3m，共5根，间隔0.6m与水平方向夹角为2°向外倾斜埋设于路基土体底部，所述阳极管和阴极管均采用碳纤维电极，所述碳纤维电极为pe硬式透水管外采用石墨胶水粘结一层碳纤维布，所述碳纤维布为300g二级碳纤维布，其宽度为20cm，厚度为0.167mm，抗拉强度为3000MPa，所述硬式透水管外径为7.5cm，壁厚为0.8cm，阴极管中硬式透水管透水侧埋设时朝上，上半部分2/3设有透水孔，下半部分1/3无透水孔，阳极管和阴极管露出土体的部分外包塑料软管，所述阳极管和阴极管分别通过导线与太阳能电池板的正极和负极连接。阴极管的出口与排水沟相配合，长期含水率调控过程中汇集在阴极管的水分将沿阴极排水口排出路基，然后沿路基边坡坡脚处的排水沟流至路基以外，排水沟为设置在路基边坡坡脚处的蝶形混凝土排水沟，排水沟深10cm，宽20cm，纵向坡度为1°。电路接通后，晴天时两电极间的加载电压可以达到80V左右，在下行电场长期作用10天后，路基上部土体质量含水率可保持在体积含水率25％以下。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种路基结构，其特征在于，包括路基本体(16)和太阳能电池(11)，所述路基本体(16)内设有阳极电极(12)和阴极电极(13)，所述阳极电极(12)的水平高度高于所述阴极电极(13)，所述阳极电极(12)与太阳能电池(11)的正极相连，所述阴极电极(13)与太阳能电池(11)的负极相连，所述阴极电极(13)为中空管道，阴极电极(13)的出口处设有排水沟(15)，所述阴极电极(13)中的水体可以通过阴极电极(13)的出口被引入排水沟(15)。

2.如权利要求1所述的一种路基结构，其特征在于，所述路基本体(16)上还设有路面(17)，所述路面(17)选自沥青路面、水泥混凝土路面中的一种或多种的组合，所述路基本体(16)的材质选自粉质土、粘质土、有机质土、黄土、膨胀土、红黏土、盐渍质土、冻土中的一种或多种的组合。

3.如权利要求1所述的一种路基结构，其特征在于，所述阴极电极(13)为中空管道，管壁包含有碳纤维材料。

4.如权利要求1所述的一种路基结构，其特征在于，所述阳极电极(12)和/或阴极电极(13)为碳纤维布包裹的透水管，所述透水管的底部不透水，所述透水管为硬质材料，碳纤维布与透水管之间采用导电石墨胶水粘结。

5.如权利要求1所述的一种路基结构，其特征在于，所述路基本体(16)为路堤式路基结构。

6.如权利要求5所述的一种路基结构，其特征在于，所述太阳能电池(11)位于路堤式路基结构的边坡(18)上，太阳能电池(11)能够使两电极之间形成不小于0.8V/cm的加载电势梯度。

7.如权利要求1所述的一种路基结构，其特征在于，至少部分的所述阳极电极(12)和/或阴极电极(13)延伸出路基本体(16)，至少部分的延伸出路基本体(16)的电极包裹有保护材料。

8.如权利要求1所述的一种路基结构，其特征在于，所述排水沟(15)位于路堤式路基结构的边坡的底部，所述阴极电极(13)的出口的位置与排水沟(15)的位置相配合。

9.如权利要求1所述的一种路基结构，其特征在于，所述阳极电极(12)位于路基本体(16)的上部，所述阴极电极(13)位于路基本体(16)的底部。

10.一种路基结构的排水方法，采用如权利要求1-9任一权利要求所述的路基结构，包括：将所述路基结构的太阳能电池置于适合于太阳能电池产生电流的条件下。