CN114134772A - 一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备及其施工方法，包括供电装置、换热装置、中央处理器；供电装置包括温差发电机构、散热机构、供电用重力热管；换热装置包括换热用重力热管、保温管、自补水机构、循环水管；循环水管靠近出水口的一端绕设在自补水机构外，循环水管的进水口与保温管的一端固接，保温管的另一端与自补水机构的出水端连通，自补水机构的出水端与保温管连通；中央处理器与温差发电机构、自补水机构电性连接，供电用重力热管内、换热用重力热管内、路基内均设有若干与中央处理器无线传输的温度传感器。本发明的地基处理可靠性高、能源消耗小、后期维护成本低、环境影响小。

Description

一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备及其施工方法

技术领域

本发明涉及能源与环境领域，特别是涉及一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备及其施工方法。

背景技术

为高效开发我国西部资源，需要修建大量的铁路、公路等基础设施。西部地区不同于我国的中东部地区，那边海拔较高，气温较低，因此经常存在永久性冻土与季节性冻土。其中，季节性冻土是一种典型的不良地质条件。在炎热的夏季，冻土融化，土体强度降低，体积变小，将会导致地基沉降；在严寒的冬季，土体中的水分结冰，形成冻土，土体强度提高，但体积也将增大，这将导致地基隆起。冻土季节性的冻涨与融沉，将会对公路、铁路路基造成的巨大影响，甚至可能导致列车脱轨，公路断裂。因此，有必要对西部高寒地区季节性冻土路段的路基进行保护。

目前，西部冻土路基处理方式主要包括两种，一种是防止路基解冻，另一种是防止路基结冰。关于路基解冻，常用的方法是堆石垫高、氨棒散热。堆石垫高的原理是利用堆积的石子减缓地表温度变化对冻土层的影响；氨棒散热的原理是将冻土层中的温度引导至地表进行散热，减少热量堆积。方法一通过防止路基解冻，可以很好的缓解季节性冻土解冻融沉带来的影响，但是这些散热方法都存在一定的极限，即当环境温度较高、或者维持的时间段较长时，方法一不能很好的防止冻土融化，因此适用性较差。方法二是通过给位于冻土层的路基解冻，并始终通过电、热水等方式给与地层热量，使得冻土层不会结冰，从而达到消除季节性冻土的目的。但该方法消耗的能源巨大，同时供热电站需要沿路布置，成本较高。因此，需要提出一种高效的冻土路基施工处理方法。

西部地区地质条件特殊，处在特定的大地构造环境下，地热能资源丰富。因此，可以利用西部丰富的地热资源来解决冻土路基处理问题。地热开采分为开环与闭环两种形式，开环式通过直接抽取地下水来提取地层中的热量，但该方式对地下水系的影响较大，不利于生态保护。闭环式是采用封闭式的管道，利用循环液(通常为水溶液)，与地层进行换热的一种换热器，具有环境污染小，换热可靠性高等优势，但其较高的泵送压力需求限制了地埋管换热器的推广应用。因此，需要一种高效的地热能利用方式。

综合上述分析，西部高寒地区季节性冻土路基存在的问题主要包括：1)处理可靠性低；2)能源消耗大；3)后期维护成本高；4)环境污染大。因此，需要提出一种地基处理可靠性高、能源消耗小、后期维护成本低、环境影响小的西部高寒地区季节性冻土路基。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备及其施工方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，用于对路基防冻，包括供电装置、换热装置、中央处理器；

所述供电装置包括温差发电机构、设置在所述温差发电机构冷端的散热机构、设置在所述温差发电机构热端的供电用重力热管；

所述换热装置包括换热用重力热管、埋设在所述路基内的保温管、自补水机构、循环水管；所述换热用重力热管用于为所述循环水管提供热量，所述循环水管靠近出水口的一端绕设在所述自补水机构外，并且所述循环水管的出水口伸入至所述自补水机构的进水端内，所述循环水管的进水口与所述保温管的一端固接，所述保温管的另一端与所述自补水机构的出水端连通，所述自补水机构的出水端与所述保温管连通，所述自补水机构用于自动补充和输送循环水；所述供电用重力热管和所述换热用重力热管均埋设在地下；

所述中央处理器与所述温差发电机构、所述自补水机构电性连接，所述供电用重力热管内、所述换热用重力热管内、所述路基内均设有若干与所述中央处理器无线传输的温度传感器。

优选的，所述供电用重力热管的外侧壁中上部固接有保温棉；

所述换热用重力热管的外侧壁中上部、顶部均固接有所述保温棉。

优选的，所述供电用重力热管和所述换热用重力热管均为密封钢管；

所述换热用重力热管的内腔顶部固接有换热铜管，所述换热铜管的两端分别与所述循环水管固接，所述换热用重力热管通过所述换热铜管为所述循环水管提供热量。

优选的，所述温差发电机构为温差发电片，所述温差发电片的冷端设有所述散热机构，所述温差发电片的热端设有所述供电用重力热管，所述温差发电片与所述中央处理器电性连接。

优选的，所述自补水机构包括设置在所述路基一侧的自补水水泵、安装在所述自补水水泵进水端的托盘，所述托盘的顶部敞口，所述托盘内侧壁上可拆卸连接有过滤网；

所述循环水管靠近出水口的一端绕设在所述自补水水泵和所述托盘外，所述循环水管的出水口伸入至所述托盘内，并且所述循环水管的出水口位于所述过滤网的顶部。

优选的，所述散热机构为翅片散热器，所述翅片散热器设置在所述温差发电片的冷端。

优选的，所述保温管埋设在所述路基内部的两侧和中段，并且所述保温管埋设在所述路基内部两侧的密度大于埋设在所述路基内部中段的密度。

优选的，所述供电装置还包括埋设在所述路基内的压力发电机构，所述压力发电机构电性连接有所述中央处理器。

优选的，所述中央处理器用于存储所述温差发电片、所述压力发电机构产生的电能，所述中央处理器还用于接收若干所述温度传感器的监测数据并控制所述自补水水泵的运行速度。

本发明还提供一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、工程环境勘察：勘察地层中温度、地质条件及现场环境温度；

步骤二、结构设计：设计供电用重力热管、换热用重力热管的型号、尺寸和深度，设计温差发电机构、自补水机构的功率；

步骤三、路基保温管安装：挖路基、埋设保温管、路基回填；

步骤四、供能装置安装：安装供电用重力热管、温差发电机构、散热机构；

步骤五、保温装置安装：安装自补水机构、循环水管、换热用重力热管，将循环水管靠近出水口的一端绕设在自补水机构外；

步骤六、辅助系统安装：安装温度传感器；

步骤七、首次运行监测；

步骤八、长期运行反馈；

步骤九、后期维护：定期清除自补水机构中的垃圾，并进行润滑维护，当自补水机构缺水时进行补水。

本发明公开了以下技术效果：

1)本发明的处理可靠性高：通过换热用重力热管为循环水管中的循环水提供热量，循环水管中的循环水通过自补水机构运输至保温管中，进而实现防止冻土路基结冰，可靠性高；

2)本发明的能源消耗低：本发明的供电用重力热管和换热用重力热管均采用地热能作为热量来源，为系统运行及加热提供热量，无需额外的能量来源，对电能等高品质能源消耗小；

3)本发明的后期维护成本低，本发明的中央处理器依靠无线传输对装置的运行状态进行监测，自补水装置可以实现自补充循环水的功能，无需过多的人工干预，后期维护成本低；

4)本发明对环境污染小，本发明的设备仅需几个简单的小直径深井钻孔就可以对很长一段路基进行保护，不会对地下水系、自然环境造成影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于季节性冻土的无源式路基防冻设备的结构示意图；

图2为图1中A的局部放大图；

图3为本发明实施例2的第一视角示意图；

图4为本发明实施例2的第二视角示意图；

其中，1、保温棉；2、供电用重力热管；3、换热用重力热管；4、温差发电片；5、自补水水泵；6、翅片散热器；7、保温管；8、压力发电装置；9、中央处理器；10、温度传感器；11、循环水管；12、托盘；13、过滤网；14、路基； 15、储水箱；16、辅助加热水箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1-2，本发明提供一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，用于对路基14防冻，包括供电装置、换热装置、中央处理器9；

供电装置包括温差发电机构、设置在温差发电机构冷端的散热机构、设置在温差发电机构热端的供电用重力热管2；

换热装置包括换热用重力热管3、埋设在路基14内的保温管7、自补水机构、循环水管11；换热用重力热管3用于为循环水管11提供热量，循环水管11靠近出水口的一端绕设在自补水机构外，并且循环水管11的出水口伸入至自补水机构的进水端内，循环水管11的进水口与保温管7的一端固接，保温管7的另一端与自补水机构的出水端连通，自补水机构的出水端与保温管7连通，自补水机构用于自动补充和输送循环水；供电用重力热管2和换热用重力热管3均埋设在地下；如此设置，供电用重力热管2和换热用重力热管3均采用地热能作为热量来源，为系统运行及加热提供热量，无需额外的能量来源，对电能等高品质能源消耗小；通过换热用重力热管3为循环水管11中的循环水提供热量，循环水管11中的循环水通过自补水机构运输至保温管7中，进而实现防止冻土路基14 结冰，可靠性高；循环水管11绕设在自补水机构外，可有效避免自补水机构内的循环水和自补水结冰、造成自补水机构的损坏；

中央处理器9与温差发电机构、自补水机构电性连接，供电用重力热管2 内、换热用重力热管3内、路基14内均设有若干与中央处理器9无线传输的温度传感器10；如此设置，中央处理器9依靠无线传输对装置的运行状态进行监测，自补水装置可以实现自补充循环水的功能，无需过多的人工干预，后期维护成本低；本发明的设备仅需几个简单的小直径深井钻孔就可以对很长一段路基 14进行保护，不会对地下水系、自然环境造成影响。

进一步优化方案，供电用重力热管2的外侧壁中上部固接有保温棉1，供电用重力热管2的顶部端面为铜制端板，如此设置，通过供电用重力热管2的顶部的铜制端板与温差发电机构热端连接，提高热量的利用率；

换热用重力热管3的外侧壁中上部、顶部均固接有保温棉1，保温棉1的覆盖长度可以根据具体的使用环境进行设定，本实施例中，保温棉1固接在供电用重力热管2外侧壁上的长度优选为供电用重力热管2长度的70％、保温棉1固接在换热用重力热管3外侧壁上的长度优选为换热用重力热管3长度的70％；如此设置，减少供电用重力热管2、换热用重力热管3的中上部热量散失，提高低能热的利用率。

进一步优化方案，供电用重力热管2和换热用重力热管3均为密封钢管；供电用重力热管2和换热用重力热管3内填充有循环液(通常为水溶液)，与地层进行换热，供电用重力热管2、换热用重力热管3均采用密封填埋至地下，埋设深度可根据具体的使用环境进行设定，本实施例中供电用重力热管2、换热用重力热管3的填埋深度优选为1000-2500m，换热用重力热管3的内腔顶部固接有换热铜管，换热铜管优选为S型，换热铜管的两端分别与循环水管11固接，换热用重力热管3通过换热铜管为循环水管11提供热量。

进一步优化方案，温差发电机构为温差发电片4，温差发电片4的冷端设有散热机构，温差发电片4和散热机构均设置在地面上，温差发电片4的热端设有供电用重力热管2，温差发电片4与中央处理器9电性连接。

进一步优化方案，自补水机构包括设置在路基14一侧的自补水水泵5、安装在自补水水泵5进水端的托盘12，托盘12的顶部敞口，托盘12内侧壁上可拆卸连接有过滤网13，自补水水泵5与中央处理器9电性连接，中央处理器9 将温差发电片4产生的电能存储并为自补水水泵5提供电能，托盘12用于接纳补充水源，补充水源可以为自然降水、降雪、人工补水等；过滤网13用于过滤污染物、杂质，定期将过滤网13拆卸进行清理即可；

循环水管11靠近出水口的一端绕设在自补水水泵5和托盘12外，循环水管 11的出水口伸入至托盘12内，并且循环水管11的出水口位于过滤网13的顶部；循环水管11绕设在自补水水泵5和托盘12外，为自补水水泵5和托盘12提供热量，使得自补水水泵5和托盘12内的循环水和补充水保持液态，避免结冰，实现自动补水。

进一步优化方案，散热机构为翅片散热器6，翅片散热器6设置在温差发电片4的冷端；翅片散热器6设置在地面上，利用地表温度进行散热。

进一步优化方案，保温管7埋设在路基14内部的两侧和中段，并且保温管 7埋设在路基14内部两侧的密度大于埋设在路基14内部中段的密度；保温管7 的材质可以根据具体的使用环境进行设定，比如可以为钢管、PE管，本实施例中不做具体限定，保温管7采用U型布置在路基14中，由于保温管7埋设时在路基14的两侧密度高、中部密度小，对温度较低的两侧进行加密处理，对温度较高的中部密度降低，可以有效提高保温防冻的效率。

进一步优化方案，供电装置还包括埋设在路基14内的压力发电机构，压力发电机构电性连接有中央处理器9；如此设置，当温差发电片4产生的电能较少时，中央处理器9启动压力发电机构，压力发电机构通过路基上行驶的车辆等对路基14的压力作用产生电能，中央处理器9对其产生的电能进行存储并为自补水水泵5供电，实现设备自动激活备用供电，无需过多的人工干预，后期维护成本低。

进一步优化方案，中央处理器9用于存储温差发电片4、压力发电机构产生的电能，中央处理器9还用于接收若干温度传感器10的监测数据并控制自补水水泵5的运行速度；

温度传感器10还设置在地面上，中央处理器9通过接收温度传感器10的监测数据，实现对供电用重力热管2、换热用重力热管3的运行状态进行监测，对路基14内以及地面的温度数据进行监测，并根据路基14内的温度调控对自补水水泵5的输出功率，无需过多的人工干预，后期维护成本较低。

工作原理：

本发明的用于季节性冻土的无源式路基防冻设备在使用时，温差发电片4 通过供电用重力热管2与翅片散热器6的温差产生电能，并将电能存储在中央处理器9中，当温差发电片4产生的电能较少时，中央处理器9启动压力发电机构，压力发电机构通过路基上行驶的车辆等对路基14的压力作用产生电能，并将电能存储在中央处理器9中，中央处理器9为自补水水泵5提供电能并根据若干温度传感器10的监测数据调控自补水水泵5的输出功率；

换热用重力热管3为换热铜管提供热能、进而对循环水管11、保温管7中的循环水提供热量，循环水管11绕设在自补水水泵5和托盘12外，为自补水水泵5和托盘12提供热量，使得自补水水泵5和托盘12内的循环水和补充水保持液态，避免结冰，实现自动补水；保温管7对路基14输出热量，实现路基14 的保温防冻。

一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、工程环境勘察：勘察地层中温度、地质条件及现场环境温度；

步骤二、结构设计：设计供电用重力热管2、换热用重力热管3的型号、尺寸和深度，设计温差发电机构、自补水机构的功率；设计保温棉的种类；

步骤三、路基保温管安装：挖路基14、埋设保温管7、路基14回填；

步骤四、供能装置安装：安装供电用重力热管2、温差发电机构、散热机构；

步骤五、保温装置安装：安装自补水机构、循环水管11、换热用重力热管3，将循环水管11靠近出水口的一端绕设在自补水机构外；

步骤六、辅助系统安装：安装温度传感器10；安装压力发电机构；

步骤七、首次运行监测；

步骤八、长期运行反馈；

步骤九、后期维护：定期清除自补水机构中的垃圾，并进行润滑维护，当自补水机构缺水时进行补水；定期为自补水水泵5补水、添加润滑剂等进行维护。

实施例2

参照图3-4，本实施例与实施例1的不同之处在于，托盘12与自补水水泵5 的进水端之间安装有储水箱15，循环水管11绕设在储水箱15外，循环水管11 上固定安装有辅助加热水箱16，辅助加热水箱16与中央处理器9电性连接，辅助加热水箱16还电性连接有外接电源(图中未显示)；如此设置，储水箱15可以将循环水管11内的循环水、托盘12内收集的雨水、雪水等自然降水以及后期维护的补充水进行存储，保持水量充足，便于设备持续运行；当地热的换热温度较低，无法满足设备日常运行需求时，可以通过开启外接电源，实现辅助加热水箱16对循环水管11内的循环水进行加热的作用，保持设备高效运行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，用于对路基(14)防冻，其特征在于，包括：

供电装置，所述供电装置包括温差发电机构、设置在所述温差发电机构冷端的散热机构、设置在所述温差发电机构热端的供电用重力热管(2)；

换热装置，所述换热装置包括换热用重力热管(3)、埋设在所述路基(14)内的保温管(7)、自补水机构、循环水管(11)；所述换热用重力热管(3)用于为所述循环水管(11)提供热量，所述循环水管(11)靠近出水口的一端绕设在所述自补水机构外，并且所述循环水管(11)的出水口伸入至所述自补水机构的进水端内，所述循环水管(11)的进水口与所述保温管(7)的一端固接，所述保温管(7)的另一端与所述自补水机构的出水端连通，所述自补水机构的出水端与所述保温管(7)连通，所述自补水机构用于自动补充和输送循环水；所述供电用重力热管(2)和所述换热用重力热管(3)均埋设在地下；

中央处理器(9)，所述中央处理器(9)与所述温差发电机构、所述自补水机构电性连接，所述供电用重力热管(2)内、所述换热用重力热管(3)内、所述路基(14)内均设有若干与所述中央处理器(9)无线传输的温度传感器(10)。

2.根据权利要求1所述的用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，其特征在于：所述供电用重力热管(2)的外侧壁中上部固接有保温棉(1)；

所述换热用重力热管(3)的外侧壁中上部、顶部均固接有所述保温棉(1)。

3.根据权利要求2所述的用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，其特征在于：所述供电用重力热管(2)和所述换热用重力热管(3)均为密封钢管；

所述换热用重力热管(3)的内腔顶部固接有换热铜管，所述换热铜管的两端分别与所述循环水管(11)固接，所述换热用重力热管(3)通过所述换热铜管为所述循环水管(11)提供热量。

4.根据权利要求1所述的用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，其特征在于：所述温差发电机构为温差发电片(4)，所述温差发电片(4)的冷端设有所述散热机构，所述温差发电片(4)的热端设有所述供电用重力热管(2)，所述温差发电片(4)与所述中央处理器(9)电性连接。

5.根据权利要求4所述的用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，其特征在于：所述自补水机构包括设置在所述路基(14)一侧的自补水水泵(5)、安装在所述自补水水泵(5)进水端的托盘(12)，所述托盘(12)的顶部敞口，所述托盘(12)内侧壁上可拆卸连接有过滤网(13)；

所述循环水管(11)靠近出水口的一端绕设在所述自补水水泵(5)和所述托盘(12)外，所述循环水管(11)的出水口伸入至所述托盘(12)内，并且所述循环水管(11)的出水口位于所述过滤网(13)的顶部。

6.根据权利要求4所述的用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，其特征在于：所述散热机构为翅片散热器(6)，所述翅片散热器(6)设置在所述温差发电片(4)的冷端。

7.根据权利要求1所述的用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，其特征在于：所述保温管(7)埋设在所述路基(14)内部的两侧和中段，并且所述保温管(7)埋设在所述路基(14)内部两侧的密度大于埋设在所述路基(14)内部中段的密度。

8.根据权利要求1所述的用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，其特征在于：所述供电装置还包括埋设在所述路基(14)内的压力发电机构，所述压力发电机构电性连接有所述中央处理器(9)。

9.根据权利要求5所述的用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，其特征在于：所述中央处理器(9)用于存储所述温差发电片(4)、所述压力发电机构产生的电能，所述中央处理器(9)还用于接收若干所述温度传感器(10)的监测数据并控制所述自补水水泵(5)的运行速度。

10.一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备的施工方法，基于权利要求1-9任一项所述的用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、工程环境勘察：勘察地层中温度、地质条件及现场环境温度；

步骤二、结构设计：设计供电用重力热管(2)、换热用重力热管(3)的型号、尺寸和深度，设计温差发电机构、自补水机构的功率；

步骤三、路基保温管安装：挖路基(14)、埋设保温管(7)、路基(14)回填；

步骤四、供能装置安装：安装供电用重力热管(2)、温差发电机构、散热机构；

步骤五、保温装置安装：安装自补水机构、循环水管(11)、换热用重力热管(3)，将循环水管(11)靠近出水口的一端绕设在自补水机构外；

步骤六、辅助系统安装：安装温度传感器(10)；

步骤七、首次运行监测；

步骤八、长期运行反馈；

步骤九、后期维护：定期清除自补水机构中的垃圾，并进行润滑维护，当自补水机构缺水时进行补水。

Images