热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究

热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究 Thermosyphon technology and its application in permafrost

杨永平

1,2

，魏庆朝，周顺华，张鲁新

212

(1. 同济大学 道路与铁道工程教育部重点实验室，上海 200331; 2. 北京交通大学 土建学院，北京 100044)

摘 要：热管技术是国外寒区工程中广泛使用的一项主动冷却地基土体的技术，青藏铁路修建之前，国内很少对此技术进行研究。本文针对应用于青藏铁路多年冻土工程中的热管类型，通过国内外的研究资料，综述了与青藏铁路热管应用效果相关的理论研究与工程实践成果。由于青藏铁路沿线独有的气候和冻土条件，文中的理论与实践方法与参数虽然不能简单照搬应用于青藏铁路的设计，但是可以对青藏铁路多年冻土区热管的设计与应用起到借鉴的作用。 关键词：青藏铁路；热管；多年冻土；综述

中图分类号：U 416 文献标识码：A 文章编号：2005–4548(2005)06–0698–09

作者简介：杨永平（1976– ），男，博士，2004年12月于北京交通大学土木建筑工程学院获博士学位，现为同济大学博士后，从事高速铁路特殊土质路基结构分析及数值分析研究。

YANG Yong-ping1,2，WEI Qing-chao2，ZHOU Shun-hua1，ZHANG Lu-xin2

(1. Key Laboratory of Road Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200331, China; 2. Civil Engineering School, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract: Thremosyphon is a widely used technology applied to the engineering projects in permafrost regions at home and abroad. Before the construction of the Qinghai-Tibet railway, there was little study on this technology. This study is based on the type of the thermosyphon used in the Qinghai-Tibet railway. For the weather and permafrost conditions of Qinghai-Tibet plautea are different from the conditions of foreign countries, it is not proper to directly apply their theory and productions to the design of thermosyphon embankments in Qinghai-Tibet railway. This paper will be useful for the design and application of the thermosyphon used in permafrost regions of Qinghai-Tibet railway.

Key words: Qinghai-Tibet railway；thermosyphon；permafrost；comprehensive study

0 引 言

两相闭式热虹吸管（Two-phase closed thermosyphon） 又称重力热管，简称热虹吸管。是冻土区广泛使用的一种热管。青藏铁路使用的热管是低温、氨—碳钢热管，是一种制冷热管，由于热虹吸管内没有吸液芯这一重要特点，不仅结构简单，制造方便，成本低廉，而且传热性能优良，工作可靠，青藏铁路冻土区适用的热管就是这种类型。

1 主要应用国家概述

美国在20世纪60年代末申请了应用于多年冻土中的热管技术专利后，成立了研究机构，对热管技术在多年冻土中的应用进行了一些研究，主要的领军者为美国北极基础有限公司、阿拉斯加大学寒区工程研究所以及美国寒区军事工程研究所。加拿大在60年代后期向美国购置了热管专利，开展了热管技术应用的研究，并于70年代后期成立了加拿大北极基础有限公司，向加拿大多年冻土区提供热管系统和技术服务。

加拿大已将热管广泛应用于北美寒冷地区的工程

建筑物，用于冷却地基确保冻土稳定性。目前主要的应用领域有工业与民用建筑、公路工程、铁路工程、机场跑道、输油管线、通讯塔、大坝及冻结墙等工程。

当前美国和加拿大正在联合研究并推进热管在铁路工程中的应用，开发热管通用分析方法，研究和编制通用简便的电子计算机程序，改进制造和安装工艺。但是这些方面的研究成果仍属于公司所有，不予公开发表。

前苏联在60年代早期曾由学者ТаЛеев C ∏提到过热传导桩的概念[1]。列宁格勒铁路运输设计院、莫斯科铁路运输设计院以及西伯利亚冻土研究站曾用煤油做工质设计了单相单管和多管热传导设计，应用于伊尔库茨克公路和雅库斯克水库等工程项目中。煤油热管属于液体对流，较汽－液两相对流的热管传热效率要差。目前也被成功地应用于土芯坝基等水利工程，以及冻土区铁路路基工程，但热管技术的研究远不及美国和加拿大。

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收稿日期：2004–08–19

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热管和热管基础的研究在我国开始不久。20世纪80年代以来，我国中铁西北科学研究院、铁道第一勘查设计院、中国科学院兰州冰川冻土研究所以及交通部第一公路勘察设计院等单位的专家和技术人员多次赴美国、加拿大、前苏联以及俄罗斯等国家参观调研热管的使用情况。为了进一步发展我国寒区铁路工程勘测、设计和施工技术，更好地解决寒区铁路工程中存在的有关热学、力学问题，铁道部于1987年进行了“冻土地区应用热管技术的研究”的科研项目，铁道部科学研究院西北研究所承担了此项研究任务。经3 a的室内室外试验研究，解决了热管制作工艺、低温风洞试验等关键技术。设计制作了我国第一批用于土木工程的热管，进行了低温风洞试验，测定了有关热参数，并于1988年冬在兰州进行了野外试验，后又于1989年在青藏高原五道梁多年冻土地区进行了现场应用试验，取得了一定的成果。

日本对热管技术应用的研究始于1985年，其研究重点是热管冷库，在融雪和防冻方面也有应用。研究热管在寒区工程应用的国家还有瑞典、挪威以及芬兰等。

果研究相对来说要少的多。美国进行了许多计算倾斜热管的研究。Payakaruk T & Terdtoon P（2000）研究了无量纲参数（Bond数、弗鲁德数、Weber数和Kutateladze数）对倾斜热管热传输速率的影响。Lock G S H & Kirchner J D（2003）[7]通过试验研究了低雷诺数下倾斜封闭热管的特征，给出了加热段和冷凝段长度相同的热管的热传输数据。Gholami M M（2003）通过试验研究了封闭两相热管的倾斜角度对热传输行为的影响。白俄罗斯科学院的研究表明热管的优点在倾斜状态下表现得最为明显，此时对流型热管的效率大减。瓦西里耶夫Λ Λ，格拉科维奇Λ П（1983）[1]研究了用倾斜热管冻结土的效果，研究认为在倾角为40°～80°时的倾斜热虹吸管中有一个热传递的最佳值。Hayens F D & Zarling J P（1988）[5]用两个真实尺寸热管在美国军事寒区研究和工程实验室（CRREL）的大气风洞进行了实验室测试，得出热管的导热率是蒸发器倾斜角度的函数，并随着蒸发器倾斜角度而增加。

2.2 关于热管的数值模型研究

大气－热管－土体系统涉及到的因素多，状态变化复杂，因此数值模拟具有很大的难度。Bernier M A & Baliga B R（1992）研究了具有垂直蒸发段的封闭热管一维/二维模型，模型考虑了混合对流效果和绝缘部分的热损失（或热收益），提出的一维/二维模型与补充的试验进行对比。Harley(1994)开发了一个瞬态的两维热管模型，该模型考虑了管壁和下落的冷凝物之间的热耦合。Zuo Z J & Gunnerson F S（1994，1995）使用热力学第一定律建立了两相封闭热管的数值模型，模型能够进行热管的优化研究和设计。REED, Jeffrey & Gordon（2002）研究了两相封闭热管的分析模型，建立了蒸汽和液膜在热管的不同部分流动时的质量、动量和能量平衡的控制量方程。该模型对于预测系统的运行特征、系统运行时溢出和干涸很有用。Hu Hangying &，Wu Cunzhen（2003）研究了相变和热管结合的热传输问题，提出了高温相变介质冻结时两相封闭热管的组合热传输模型。

Haynes & Zarling（1988）[3]通过相变的两维非稳态热传导的计算机有限元程序分析认为蒸发段最优的埋置位置为粗颗粒填土的底部。Hayens F D & Zarling

[4]

J P （1988）在热管应用于多年冻土分层地基的设计中使用有限元技术建模。模拟显示：热管蒸发器垂直于填土放置的效果要好一些。Paterson, Lincoin & Schlanger, Harry P（1992）用一个冷却土体的热管研究了封闭的热对流回路与周围土体的热耦合问题，按照热流来自独立的热源对应用于多孔介质的热管进行了近似分析和数值模拟。潘阳、吴存真（2001）研究

2 热管应用于寒区工程的理论研究

在热管应用于寒区工程中以保护多年冻土的40多年的时间里，不同国家的学者们对于大气－热管－土体系统进行了深入的研究。

Long[2]关于热管在多年冻土地基中的应用中做了相当多的工作。关于热管的评估和试验研究由Jahns（1973），Bayley & Lock（1965），Feldman & Munje（1979），Glover（1975），Galate（1974）以及Reid & Tennant（1974）完成。单相及两相热管的试验与观测工作由Japikse（1973）来完成。通过准静态分析水和冰的热敏感性，不考虑冰边界处水的对流，利用热阻模型进行冻结土体的热管蒸发器的分析由Haynes和Zarling（1983）给出[3~5]。Lee & Bedrossian（1978）以及Negishi & Sawada（1983）使用模型热管试验发现使用水平蒸发器热传导率有很大的降低，蒸发段有“干涸”（冷凝物在蒸发之前不能到达管的底部）现象,这一结果被Haynes和Zarling（1988）使用蒸发段倾斜角度从0º~12º的真实尺寸的热管的试验所证实。Fan

[6]

Changfu等（1995）试验数据显示低温热管的应用是消除冻胀破坏的有效技术，在热管的作用下，土体冻结很快发生，通过限制水从非冻结区向冻结区的运动而消除冻胀。

2.1 关于倾斜热管的研究

与水平热管相比，在寒区工程中，倾斜热管的效

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了饱和土中热管的物理数学模型。俄罗斯维亚洛夫С С等对土体和热管做了一系列的假设后用焓法对应用于多年冻土地区的热管进行热物理计算，认为应用热管并考虑到土温和荷载随时间的变化，能使基础尺寸减小若干倍。斯洛耶夫Л Н进行了关于装有热管装置的桥柱墩地基中预报不稳定温度场的理论研究，研究了与自然因子和结构因子有关的热管装置的应用范围。

2.3 热管中流体性能的模拟与研究

Randy Clarksean（1993）[8] & Leong S S研究了封闭热管中的自然对流，给出了封闭式热管浮力驱动流的三维数值方程的解法。 Niro，Alfonso & Beretta，Gian Paolo（1992）通过试验研究了两相封闭热管蒸发器中液－汽混合物填充量的简化理论模型。Monde，Masanori等（1993）研究了有逆向环流液膜和蒸汽流的两相热管的极限热流量。通过试验研究了热管中的自然对流。Keary A C & Bowen R J（1998）研究了自然对流对于低温热管冻结的影响。Ángela Jiménez等

[9]

（2001）进行了包含Soret效应的封闭热管的数值分析。考虑以温度为变量的温度传输效果来获得热管的通用模型。Ishihara等（2002），以一个垂直壁作为热传输表面通过数值方法和试验揭示了液体流和热传输特征以及热管的自然对流和温度特征，发现它们与直径/热管长度的比率、热传输表面的温度差和工质的普朗德数有关。Zhou X & CollinsR E研究了两相翻转流热管中蒸气冷凝热传输的度量方法。Kharitonov & Andrei Nikolaevich研究了两相热管对热管的热动力场。Jiang Y Y & Shoji M（2002）着眼于研究环形热管中填充多孔介质的自然通风及其稳定性。 2.4 热管热传输性能的研究

Farsi，Hichem & Joly，Jean-Louis等（2003）进行了两相封闭热管瞬态温度场的试验和理论研究，建立了数学模型来获得系统随时间变化的分析表达式。

热管受外界风速的影响非常显著。Hayens F D & Zarling J P （1988）以及丁靖康得出随着风速的增加导热系数成指数增加。Lock G S H等（1989）[8]考虑利用人工风在热管内产生强迫对流热传输，用来维持冻结地基和水。Haynes F D & Zarling J P等(1992) 在试验室中得到了直接加在冷凝器表面的风速0~2.4 m/s的单位热传导率，并将这一热传导率值用在有限元分析中来验证多年冻土的设计。Evans，Austin Lewis（1985）在博士论文中对空气对流桩（空气热管）保护多年冻土进行试验研究，模型包括空气流过桩之前，启动条件下的传导和辐射的热传输控制微分方程的解法。雅科夫维研制出 用小直径（与埋深相比）水平蒸汽液化冷却装置系统冷却高填土建筑物下面温度场的

有效计算方法。Yarmak Jr. & Edward & Lon（2002）[2]介绍了使用水平循环型热管（FLE）提供地基的冷却效果。当安装在有风的地方时，性能试验显示FLE单元相对于CSE热管而言提供更多的热传输。同时对混合式热管、冷凝器埋置的热管、水平蒸发器热管以及蒸发器活动的热管的应用前景进行了讨论。秋明市国家石油天然气科学研究设计院提出的热管，可使蒸发部分长度增至几百米。这种设施不仅可以铺设在建筑下面，还可以铺设在邻近地区，保证建筑物下的热平衡，且使基础的承载力提高。近年来在俄罗斯开发了一种结构原理新颖的水平卧式汽液热管并被发明者命名为ГЕТ系统（道尔格赫（Долгих）等人，1991）[1]。与熟知的热管不同的是，这种系统具有两个循环线路-地下循环线路和地面循环线路，循环线路具有一定压头而且致冷剂（氨）在地下线路内作单向流动。此类结构可以将地下热交换器的长度增加到800 m。

所有的主动系统依赖于空气和地基之间的温度差。最近研制出了与气温无关的混和热管系统（Hybrid Thermosyphon），如图1。混合热管使用传统的机械冷却系统工作，当空气温度足够冷的时候，热管系统开始运行；当空气温度太热，机械系统单独工作。它克服了普通热管依赖较低地温的缺点，混合热管部分不用电能工作，这较大地减少了能量的工作。该研究主要有巴亚桑Р М、科罗特钦科А Г和波波夫А П等。主动热管的优势是：没有运行费用，低的维护费用、在地基中没有任何的有毒物质的溢出或者对环境不利的冷凝物的流动；劣势是当空气温度高于地面温度的时候，系统不能运行[10]。混合热管（热稳定器）的优势是它可以在一年的任何时间内运行、可以调整冷凝剂的数量来满足驱热的需求；劣势主要有运行费用、较高的维护费用和溢出冷凝物对地基的潜在危害。

图1 典型的混合式热管

Fig. 1 Typical structure of hybrid thermosyphon

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3 应用热管保护多年冻土地区地基稳

定性的工程实践

热管在寒区已经有了许多的应用，它将0℃以下的大气温度传输到土体或水中，从而使它们保持在冻结状态（Peace-Athabasca, 1972 & Biyanov, 1973 & Heuer, 1979 & Lock, 1986）。实际应用中有两种类型：开放型热管和封闭型热管。在开放系统中，管子在底部封闭而在顶部开放，顶部可以与流体的储存池相连通。（Japikse & Winter，1971 & Reid等，1975）。流体在管内自然对流开始之前必须要被大气冷却，从而使得它从埋藏它的土体中吸收热量。在封闭系统中，管子延伸到大气中，但是它的顶部封闭，这样就可以在管内封存流体。受到大气的冷却作用，然后在管的上部产生一个自然的回路，流动系统在管的底部（蒸发段）产生了相同的回路（Bayley & Lock, 1965; Japikse，1971；Lock & Simpson, 1986）。单向自然对流不能产生高的热传输率，但是它不会对热管性能造成限制。例如，如果空气紊流到管底，就可以很大地提高开放和封闭热管系统的传输率（Lock & Kirchner, 1987; Lock & Abdurahman, 1988）。如果封闭管里只有一部分充入流体，该流体在低端沸腾，高端冷凝，系统的自存储、自运行，有很高的内部热传输率（Larkin, 1971 & Negishi & Sawada, 1983 & Haynes & Zarling, 1988）。

热管可以在多年冻土融化发生时使用。在不连续的多年冻土区，可以安装热管来提高下部土体温度的连续性和稳定性。不连续的多年冻土比连续的多年冻土温度高，因此对于热扰动更加敏感。此外，弱冻结、非冻结土体可以被加固使其稳定并且可渗透的土体在热管的作用下变得不可渗透。热管可以被用来作为结构的或者非结构的单元。

多年冻土区的开发经常导致融化和多年冻土的不稳定性。在冻结地基中，气候变化和热扰动将引起预先冻结地基的融化和退化。如果地基重新被冻结，反复的融化和冻结将会引起冻胀、融沉、沼泽化以及蠕动。地基在几个冻融季节之后将被破坏。使用热管技术可克服这些问题。

热管在寒区基础工程中的应用，解决了基础冻胀、融沉等热力过程中的许多工程问题，保障了多年冻土地基的稳定。在下列工程中，热管也被用来冷却地基，防止冻胀和融沉，增加冻土地基的强度，保证冻土地基的稳定：①用来改善多年冻土分布区工业和民用建筑物土基（图5）、煤厂内部、低温储存库、桩基和基础（图4）、地上管道、蓄水池、输电线路，桥墩、涵洞（图2）等的修建和营运时的地基稳定；②用来防

治道路（图3）、飞机起降跑道、堤坝等的修建与营运时的冻胀融沉问题；③用来建造“冻土墙”和防渗幕（图5）、冰岛、冰道和冰渡口；④用来防治多年冻土的热融、热侵蚀、融冻泥流、冻胀等不良过程；⑤用来形成冻结壁，成为寒区存储危险性废弃物的天然容器壁；⑥用来在地下工程、采矿工程等需要进行人工冻结时形成高强度的冻结壁；⑦用来对土壤进行化学、物理的改良。

图2 利用热管加固涵洞基础

Fig. 2 Reinforcing the foundation of culvert with thermosyphon

图3 降低路基基底地温以防止冻土上限下降 Fig. 3 Reducing the temperature of embankment foundation to prevent the descending of freezing table in the permafrost

图4 利用热管降低地温提高桩基承载力

Fig. 4 Reducing the soil temperature and increasing the bearing

capacity of pile foundation

意识到需要维持多年冻土以及冻结预先融化的非稳定地基，Long Erv在20世纪50年代末期开发了一种热管系统并申请了专利，即无芯重力式热管，被命名为“Long热管”。第一个商用热管于1960年安装在Aurora和Glennallen通信地点，现仍在工作，并且能维持其下多年冻土的稳定性。1973年，Long在阿拉斯加的安科雷季建立了北极基础有限公司，向私人和

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工业企业提供热管和技术服务。经过了成百上千的安装和成千上万的设计、制造和安装，AFI（Arctic Foundations Inc）已经成为地基冷却和融化系统的领军人物。目前，该公司已将热管、热管的生产规格化，它生产着从3.81 cm直径的热管到50.8 cm直径的热管。其标准长度为6.4 m。所用的工质有二氧化碳、氟利昂、氨和丙烷等。

Mckenna J K & Biggar K W（1998）[11]报道了坐落在大约离北极650 km的加拿大Ellesmere岛的边缘的CFS报警站由于通风板混凝土地基通分孔的堵塞，下部多年冻土的过分的热退化引起了垫板不可接受的沉降。为了重建建筑物下的温度场，决定使用新开发的水平热管系统安装在现有的通风管中来恢复地基，起到阻止基础沉降的良好作用（图7）。

图5 在挡水捻内形成冻结幕阻截冻结层上水

Fig. 5 Forming a frozen curtain to hold up the water on top of the

freezing layer

图7 用于房屋的水平热管

Fig. 7 Horizontal thermosyphon used in the foundation of building

70年代中期热管在美国阿拉斯加1000多公里长

的输油管线工程中得到大量应用（图6），该输油管线从北冰洋起横穿阿拉斯加至太平洋，全长1200多公里共使用热管112000根。该区域很大部分管线的地面下为多年冻土层。为了防止油热引起的地面下沉，将管道置于地面上，在管线支撑的垂直支柱内安装热管，依靠季节性致冷起到阻止垂直支柱冻土下沉的作用，甚至使冻土层过冷而增加其强度。热管直径为5～7.5 cm，长度为8～18 m，工质为氨。运行测试结果表明，安装热管后，输油管线支柱壁面和6 m深处冻土温度迅速下降，到1975年1月初达-24℃，到4月中旬回升到-7℃，夏天也保持在0℃以下，至10月，热管又开始工作，从而保持了冻土的稳定。目前，这些热管已稳定运行了26 a，阿拉斯加输油管线工程是人类利用热管技术解决冻土稳定问题的最成功的工程典范。

图6 美国阿拉斯加输油管线 Fig 6. Oil pipeline in alaska

Kubaka大坝使用热管冻结来形成一个不可渗透的冻结地基，极大地减少持水大坝沉降的可能性。该设计已经申请了专利。

Manitoba北部有一段50 km的高速公路在20世纪70年代末期修建，到了80年代初期这段道路承受了严重的地基问题，导致大量的维护和很差的乘车舒适度。在1995年夏天重新铺设了30 km的路面。安装了总共900 m的两个热管现场测试断面，观测数据显示热管起到了很高的效果。高速公路由于多年冻土退化造成的地基失效，关于这一问题的原因一致的观点就是斜坡坡脚的退化。这造成路肩的失效和路面的纵向裂缝。由于雪从道路的表面清除，它积存在路肩上。裸露的表面导致了从路基中心的年净热损失，额外的雪盖绝缘路肩导致路肩的热量的净获得。采用水平热管系统平行安装在道路坡脚而不需要额外挖路堑。使用这个方法的第一个测试断面于1995年秋天在Gillam, Manitoba。Rockcliff公寓的地基在主地板之下产生蠕变，开始的深度是1 m。建筑物下多年冻土的退化导致地基土的蠕变融沉，随着时间的增加，建筑物的中间蠕变空间达到4 m。水平热管系统在1994年10月安装在正在下沉的地基上，最后的蠕变量减小到1.5 m。供给大厦建于1985年，在1991年建筑物地板显示的变形上升到100 mm，在1994年，变形达到140 mm。水平热管系统在1994年夏天安装在现有的通风管下面，使得变形不再发生变化。Terry McFadden（1987）使用热管周围土温对试验安装在阿拉斯加Bethel机场主动热驱除系统（热管）的性能的研究。使用了从1982～1987年的温度数据，给出了系统运行的理论和试验分析。Leong W U A & Hornby R P（1996）报道了在一个房屋设计中，使用了热管，利用两个流体代码分析分析这些热管。Smith L B &

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Graham J P & Nixon J F（1992）[12]对于解决Inuvik机场冻胀问题的空气受迫热管冷却系统进行了热分析。Bradley G P，Yamark E（1993）为了阻止铺好的跑道（60 m）多年冻土的退化，在1982年冬天安装了热管，穿入退化的多年冻土中，从而阻止上部边坡的失稳。Santana B W & Kinney T C（1998）报道了稳定美国普拉德霍湾桩基础的不同沉降的过程，使用热管控制桩的融沉而降低温度。获得了从1982年开始的每月的数据。数据采集点的空间分布提供了接近绝缘板表面的数据以及不同表面条件下9 m深处的数据。观察总和了由于绝缘效果、热管以及周边环境条件下路基温度场的变化。

Chena Hot Spring 测试断面从1998年秋天开始运行（Anna Forsstr Erwin L Long2 & John P，Zarling），其下用不同类型的的热管做了三个控制断面。这些断面置于高含水量冻土之上，在两个冻融季节之后，融化深度开始减少，所有的冻结深度开始增加。测试的温度显示了热管明显的冷却趋势，发现UAF/CRREL单元和AFI水平蒸发器冷却能力较小，而AFI埋藏单元断面的能力较大。中心线的热状况与冷凝器的尺寸相关，而道路边缘或者路肩的热状况与安装热管的类型相关。Goering & Zarling（1985）编写了两维分析的有限单元代码（TDHC），该代码用来设计UAF/CRREL单元（Zarling, 1999）。在分析中为了获得最有效的设计，热管变化的参数为热管间距、绝缘板厚度和热管的传热量。1987年，加拿大的哈德逊湾多年冻土区铁路上。曾用热管冷却4 km铁路路基，以防止热融下沉，收到良好的效果。

阻止热量进入多年冻土，这种技术还与ACE（空气对流路基）护坡组合使用。

热管已经被安装到一些冻土路基之下以控制的多年冻土的融化，相关报道有阿拉斯加Bethel的机场跑道（McFadden，1985），Hayley报道的（1983）阿拉斯加费尔班克斯附近农场的环形路以及休斯顿安大略湖的海湾铁路。热管可以替代反渗透聚合薄膜通过冻结土体形成的反渗透层来阻止地面加热效果和斜坡上多年冻土水的影响（图9）。

图9 热管用作铁路路基的抗渗幕

Fig. 9 Thermosyphon used as impervious curtain of railway

embankments

Erwin Long & Paulette Misterek & John Zarling（2003）在一个名为“用热管稳定高速公路”的项目中开发和测试一个阻止退化的多年冻土之上建筑物的破坏的水平热管，水平蒸发器将具有内部的冷凝物返回设备，这样就可以使热管安装在道路和建筑物等之下，将冷凝物返回到蒸发器的底部。它可以在低压的情况下运行。这一新的热管将作为可靠的主动热传输设备工具来稳定路基并减少道路维护，其蒸发段的工效将减少安装花费并且提供更加可靠的效果。Gakona，Alaska（2003）曙光项目研究了Antenna塔使用的热管，该处的土体主要由含有较高未冻水含量的冻结泥岩组成。当增加荷载的时候，这些土体显示了较高的蠕变速率。此外，自然植被的扰动引起了多年冻土的退化。热管有效地冷却地基从而对于该塔提供一个稳定的基础。

图8 Loftus 道路使用的“发夹”热管

Fig. 8. Hair-pin thermosyphon used in road embankments of

Loftus

[13]

Douglas Goering（2001, 2003）对于传统热管报道了建筑在多年冻土地区的费尔班克斯Loftus道路扩展项目中为了防止融沉而使用的一种新型热管—“发夹热管”（图8），在所做的现场试验的测试断面中，“发夹热管”完全埋置在道路之下，包围着一层刚性绝缘板，冬季依靠热管原理工作，夏季依靠刚性绝缘板来

图 10 Alaska Bethel 高速公路水平热管布设断面 Fig. 10 Layout of horizontal thermosyphon in Alaska Bethel Highway (Edward Yarmak & Jr Elizabetrh C. Phillips)

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热管首先是作为在地表有冷凝器、垂直安装的管来设计的。后来，设计出了倾斜热管和水平热管系统[14]

。

水平热管由于具有适应地形，节省空间，结构灵活等特点一直是研究的热点（图10）。

DenHartog S L（1988）报道了热管的水平应用情况。1990年之后，热管也被用来创建或维持冻结壁。（2002）报道了橡树国家实验室HRE池塘冻结壁，使用混合热管技术形成盛放放射性物质污染的土体的容器。研究发现热管对于地下水的阻止很有效。这一项目使用的混合式热管技术对于产生和维持长期的污染物壁是一个有效的冻结系统。Mobley AKF & Barlow B L J（2003）报道了阿拉斯加的普拉德霍湾油田关闭垃圾场附近的一个天然采矿场，旨在将流体里的污染物控制在垃圾体之内，采用了热管技术达到这一目的，研究用计算机建模以评价矿坑出水对于垃圾场污物系统下的多年冻土的影响的热管模型和结论。

在1999年夏天（Anna Forsström，2001），一个名为“亚北极气候中的热管”博士课题在瑞典的Luleå技术大学进行，用来研究在斯堪的那维亚和其它相似的亚北极气候条件下使用的热管技术和气候之间的内在联系。研究详细记录地温变化和气候数据，正如预想的一样，与自然地基相比，热管地基获得了较大的致冷量。

热管在寒区土体改良中也有作用。施行此类改良措施，目的在于将塑性冻土和融土转化为坚硬冻土，从而提高其强度，降低其变形性能，同时给建筑场地创造均匀冻土条件。

在我国青藏公路针对一钢筋混凝土盖板涵也进行了热管试验。该涵洞出口破坏严重，1985年至1989年间八字墙及端墙分别下沉53 cm和38 cm。为防止地基多年冻土上限继续下降，并使基础下融化的多年冻土部分逐渐恢复冻结状态，在试验涵洞进出口各埋设热管4根，热管于1989年9月安装至今，涵洞除原有冻害外再无新的发展，多年冻土人为上限上升0.31～0.50 m，多年冻土3.5 m深处以上年平均地温降低1.26℃左右，从而有效地防止了冻土融化,提高了多年冻土强度。在2002年进行的青藏公路二期改造中，在路基中使用了大量的热管（图11）。

青藏铁路的头二九山垭口北山前缓坡之上由于路堤所在地为－横向斜坡，暖季上游侧的冻结层上水沿冻结面向下游侧迁移。施工初期，地基土含水率过高，土体强度较低，将影响到路堤的整体稳定，寒季，冻 结层上水结冰，引发基底的冻胀，导致路堤被抬起。暖季、冻结的土体、冰融化，在路堤荷载作用下，融化的水被排除，造成基底下沉，导致路堤下沉。为避

免以上问题，在挡水埝上设置热管，以提高挡水埝处的上限，将冻结层上水阻挡在挡水埝外侧并沿埝外排水沟排泄（曹元平，2003）。

图11 青藏公路安装完成的热管

Fig. 11 Thermosyphon installed in Qinghai-Tibet road

青藏铁路沿线多年冻土全段长550 km，其中融区约90 km。实际通过多年冻土地段460 km。其中年平均地温高于－1℃地段约310 km。这种多年冻土属不稳定多年冻土，热稳定差。一旦受到外界热干扰。其温度状况很难恢复，有的地段甚至永远不能恢复。用热管来冷冻这些地段的地基。可以确保地基基础稳定（图12）。

图12 青藏铁路清水河试验段热管路基

Fig. 12 Thermosyphon test section of Qingshuihe in Qinghai-Tibet

railway

2001年在清水河试验段路基工程中填筑了50 m热管试验路堤，用热管冷冻路堤基底下的多年冻土。通过一年多的观测试验研究，收到了一定效果。但由于热管设计和制作方面的原因，还未达理想的效果。现热管生产厂已对热管设计和生产工艺作了改进，2002年在青藏铁路安多段进行热管应用试验研究，2003年在北麓河进行热管应用的试验。目的是在深化2001年开展的清水河试验段热管路基试验研究项目的基础上，进一步取得施工经验、施工参数和设计参数，并研究不同多年冻土类型的热管的适应性，为多年冻土地区铁路路基的病害防治做好技术准备[15]。

此次清水河试验段所采用热管的规格如下：热管直径：83 mm；热管总长度：12 m；其中：热管蒸发段长度为6 m；冷凝段长度为3 m；绝热段为3 m；冷凝段翅片管长度：2.5 m。热管露出路堤面部分长3.0 m

第6期 杨永平，等．热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究

705

图13 青藏铁路清水河热管试验路基DK1024+425断面2002年、2003年最大融化深度曲线

Fig. 13 The maximum thawing depth of thermosyphon test embankment (cross-section DK1024+425 in of 2002 and 2003)

图14 青藏铁路清水河热管试验路基DK1024+425断面路堤累计变形曲线

Fig. 14 The cumulative deformation curve of thermosyphon test embankment (cross-section DK1024+425 of Qingshuihe)

（也就是冷凝段），埋入路堤面下的长度为9.0 m。 到目前为止，青藏铁路清水河热管试验段的以及获得了2个完整的测试周期，除了2002年、2003年冬季有较多的纵向裂缝外，路基的变形基本上表现为沉降变形，且变形量在控制的范围之内，路基最大变形量 不超过70 mm（图14）。通过对实测的地温数据的分析，已经进一步验证了热管技术能提高冻土路基的天然上限（图13），调节路基温度场，从而保证路基整体稳定性，同时根据实测数据的分析，确定出热管的有效致冷半径为1.4～1.6 m之间。为了改进设计，现在的设计中采用动态设计的理念，将以前单纯采用垂直热管改进为采用倾斜角度为25°的倾斜热管，插入位置为路基坡脚部分，同时采用热管技术和保温材料（保温材料铺设位置为路基基底附近），片（碎）石路基组合使用的综合措施，发挥各自在1 a中不同时段具有的优势，使得路基始终处于稳定状态。同时，为了更好地使热管技术应用于青藏铁路的工程实践中，针对青藏铁路特殊的气候与地质条件，制定了一系列的青藏铁路热管技术应用标准。另外，对于青藏铁路热管的使用寿命进行了研究，使其能够在30 a内可以正常发挥功效，真正做到免维修。为了满足青藏铁路的地形要求，还对异型热管、变截面热管进行了初步研究，在北麓河试验段还采用了比较短的冷凝器长度

的热管的试验，如果这一试验成功，将使得热管的施工技术难度大大降低。

4 进一步研究的内容

随着热管技术在多年冻土工程中应用的深入，以下一些问题还需进行深入系统的研究：

(1) 热管的蒸发段是其主要的工作区，因此，蒸发段的埋设深度对于热管的致冷效果影响比较大，这方面的研究文献还没有见到，应该进行相关研究。

(2) 可以通过实体试验或者数值模拟进行热管合理埋设间距的研究，合理间距的确定可以有效地防止热管路基不均匀沉降和纵向裂缝。

(3) 为了减少热管路基中的纵向裂缝，可以在路基阴阳坡采用不同倾斜角度和不同功率的热管，但是还缺乏具体的定量化分析，需要进一步研究。

(4) 可靠性理论在结构设计中已经获得了广泛的应用，但是如何将其应用冻土路基的设计中，尤其是对于热管路基这样一个受到很多因素综合作用的复杂系统，因此，基于可靠性理论的热管路基长期稳定性也是以后深入研究的课题。

(5) 由于热管—土体—大气系统是一个受多种因素作用的复杂系统，单纯通过数值的方法是远远不够的，在有条件的情况下，可以不同高度的热管路基、

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不同倾斜角度的热管路基、复合热管路基等进行现场实体试验，对上面提到的研究项目进行试验验证研究。

(6) 复合热管在一定程度上克服了热管路基暖季将热量传入路基本体及其下地基中的可能，但是其又有需要外加动力的缺点，应该对此类热管进行研究，以适应青藏铁路特定条件下的应用。

(7) 进行变截面、超短型等异型热管的研究，以适应不同的地形和地质条件。 参考文献：

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