强化对流效应的冻土宽幅冷却路基换热功效量化研究

Based on the current problems faced by the Gonghe-Yushu Highway and the proposed Qinghai-Tibet Highway, embankments with current cooling technique cannot satisfy the cooling requirement of highways in permafrost regions because of their remarkable heat absorption. At present, enhancing the air convection intensity of crushed rock layer in the embankment center has been a new approach to release the heat accumulation of highways with large-width and asphalt pavement. Although a preliminary field investigation has been carried out, its heat transfer mechanism has not yet been completely ascertained. In this project, two novel large-width embankments with convection enhancement in embankment centers are selected as objectives. A field experiment is carried out and ground temperatures, convection speed and temperatures in rock layers are collected to investigate their cooling performance and convection characteristics, and thus to confirm their heat transfer mechanisms. Based on the lab experiments and numerical simulations, key factors affecting the cooling effects of the new embankments have been investigated and a numerical model is built to predict the long-term thermal stabilities of the new embankments under a warming climate. The results will be helpful not only for understanding the working mechanism of new embankments with enhanced convection, but also for providing scientific basis and key technical supports in roadbed constructions of the Qinghai-Tibet Highway.

目前针对已建的如共玉高速以及拟建的青藏高速公路面临的问题，考虑到以宽幅沥青路面为特征的高速公路路基的显著吸热效应和更高的技术标准，现有的冷却措施无法满足其消除强烈热影响的需求。通过改善块石路基中部的对流过程，强化内部循环制冷，是解决多年冻土区宽幅高速公路路基“聚热效应”的新途径。尽管前期开展了相关现场试验，但对该种方法的换热机制及功效量化评价尚待深入。本项目拟以所提出的2种基于强化中部对流的新型宽幅路基结构为研究对象，通过野外现场路基地温、块石层对流速度及温度的监测分析，揭示新型结构的换热功效、强迫对流过程及其与温度的耦合关系，进而明确其换热机制；通过室内通风试验结合数值模拟，探究影响新结构换热功效的关键因素，并实现新型结构换热功效的量化评价及热稳定性预测。本研究对进一步认识新型宽幅路基的工作机制具有重要意义，同时为多年冻土区青藏高速公路的建设以及病害防治提供一定的科学依据和技术支撑。

目前针对已建的如共玉高速以及拟建的青藏高速公路面临的问题，以宽幅沥青路面为特征的高速公路相比铁路路基吸热效应显著，其根本在于黑色路面以及路面宽度的增加，导致在青藏铁路运用较为成熟的块石路基这一冷却措施无法在高速公路直接应用。如何充分利用块石材料，探索新型的能够适应宽幅沥青路面对降温效果更高要求的路基结构是当前迫切需要开展的研究。以往的研究多集中于已有冷却措施的进一步组合形成复合路基形式，目的在于冷却降温效果的叠加，而针对于结构较为简单、通过强化路基中部对流效应来达到内部较大范围制冷的路基结构较少。通过改善块石路基中部的对流过程，强化内部循环制冷，是解决多年冻土区宽幅高速公路路基“聚热效应”的新途径。基于上述背景，本项目主要开展了如下研究内容：1）开展了倒T型强化中部制冷新型宽幅路基地温、路基温度、块石层温度以及块石层空气流速的现场监测；2）构建了基于气-固耦合的块石宽幅路基对流换热数值计算模型；3）基于现场监测获得的热、流场边界条件，通过数值模拟研究了倒T型宽幅块石路基的换热效能及影响因素，实现了新型结构换热功效量化评价；4）基于现场监测和数值模拟，揭示了强化中部制冷新型宽幅块石路基的对流换热机制。研究结果显示，在基底块石层的中部布设竖向开放的块石层，整体形成倒T型块石层时，不但有利于改善宽幅路基中部的对流过程，提高对流速度，而且基底块石层整体的对流速度也将增大。相比单纯的基底块石层，倒T型块石层可明显强化整个块石层的对流过程，尤其是中心部位，进而提高整体的对流换热效率。新型宽幅路基结构表现出明显优于单纯的基底块石层宽幅路基的降温效果，尤其是路基中心区域的降温尤为显著，可有效抬升多年冻土上限，消除了因路基宽度增大导致的宽幅冷却路基中心聚热以及大尺度路基地温场不对称的问题，可以保护高速公路路基的热稳定性。研究成果对进一步增深块石层强化对流换热理论，以及多年冻土区大尺度高速公路设计、建设和病害防治具有重要的理论和实际工程意义。