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摘要 青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 卞晓琳 ( 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，兰州7 3 0 0 0 0 ) 摘要 青藏铁路处于高原多年冻土区，由于气候转暖以及工程活动的影响，多年冻 土的融沉问题成为铁路建设的主要工程问题之一。为防止多年冻土融化和路基沉 降变形，碎块石护坡和块石路基被作为保护多年冻土的措施之一广泛应用于青藏 铁路建设中。目前块石的降温效果观测和其自然对流作用分析方面有了较好的研 究成果，而块石的强迫通风能力对路基温度场的影响研究未见实测结果报道。本 文主要针对青藏铁路北麓河机理试验段碎块石护坡路基和块石路基的风速特性 和温度特性展开研究。研究过程中主要采用了室内自然对流试验和路基通风性能 现场试验等方法，对块石护坡路基的通风性能，强迫通风能力对路基温度场的影 响和不同块石粒径的影响效果等方面进行了研究。主要结论如下： 1 、通过室内模拟自然对流试验，得出在室内封闭条件下测得的自然对流效 应跟理论计算值相差不大，自然对流效应最明显的部分位于块石层的中间部位； 实测的对流涡包都是由一开始的无序状态往块石层的中间部位发展；随着块石粒 径的增大，测得的最大风速值也随之增大。 2 、对护坡内外点的风速进行对比分析，得出大气风场对块石护坡和碎石护 坡内的风场有影响，两者呈现出相同的变化趋势，且块石护坡和碎石护坡内的点 距离坡面越远，受大气风场的影响越小。 3 、对护坡内点的风速和温度进行对比分析，得出大气风场与块石护坡和碎 石护坡内的温度场呈现出相反的变化趋势。在护坡内外层点的温度场与该点风场 呈现出相反的变化趋势，内层点的温度场与该点风场呈现出相同的变化趋势。 4 、对路基内外点的风速进行对比分析，得出大气风场对块石路基内的风场 有影响，两者呈现出相同的变化趋势，块石路基有很好的通风能力。 5 、对路基内点的风速与温度进行对比分析，得出大气风场对块石路基内的 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 温度场有影响，两者呈现出相反的变化趋势。 6 、碎块石护坡和路基内的温度场受到自然对流、强迫对流和太阳辐射的影 响，其中最主要的影响因素是强迫对流和太阳辐射。 7 、对块石护坡和碎石护坡相同位置点的风速和温度进行对比分析，得出块 石护坡的通风能力优于碎石护坡。 关键词：冻土，自然对流，块石路基，大气风场，通风能力 l l a b s t r a c t s t u d y o nt h ec o o l e dt h e o r yo fr i p r a ps l o p e i nq i n g h a i t i b e tr a i l w a y b i a nx i a o l i n ( s t a t ek e yl a b o r a t o r yo ff r o z e ns o i le n g i n e e r i n g ，c o l da n da r i dr e g i o n se n v i r o n m e n t a l a n de n g i n e e r i n gr e s e a r c hi n s t i t u t e ，c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s ，l a n z h o u ，7 3 0 0 0 0 ) a b s t r a c t q i n g h a i - t i b e tr a i l w a yi si np e r m a f r o s tr e g i o n so ft h ep l a t e a u d u et ot h ew a r m w e a t h e ra n dt h ee f f e c to fe n g i n e e r i n ga c t i v i t i e s ，t h em e l ts e t t l e m e n to fp e r m a f r o s t b e c o m e so n eo ft h em a i ne n g i n e e r i n gq u e s t i o n si nr a i l w a yc o n s t r u c t i o n i n0 r d e rt o p r e v e n tt h em e l to fp e r m a f r o s ta n dt h es e t t l e m e n to fe m b a n k m e n t ，r i p r a ps l o p ea n d b l o c ks t o n e sw e r eu s e dt op r o t e c tp e r m a f r o s ti nt h ec o n s t r u c t i o no fq i n g h a i t i b e t r a i l w a y a tp r e s e n t ，t h eo b s e r v a t i o no fc o o l i n ge f f e c to fb l o c k s t o n e sa n dt h ea n a l y s i s o fa i rc o n v e c t i o n sh a v eg o tp r e f e r a b l yp r o d u c t i o n ，b u tt h er e p o r ta b o u tt e s tr e s u l to f t h ee f f e c tt oe m b a n k m e n tt e m p e r a t u r eo fb l o c ks t o n e sv e n t i l a t i n gs p e c i a l t yo nt h e r m a l f i e l d ，h a sn o tb e e ns e e n t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r es p e c i a l t y o fr i p r a ps l o p ea n db l o c ks t o n e si nb e i l u h em e c h a n i s mt e s tf i e l do fq i n g h a i t i b e t r a i l w a y t h er e s e a r c hu s e st h el a b e x p e r i m e n ti nn a t u r a lc o n v e c t i o na n df i e l d e x p e r i m e n ti ne m b a n k m e n tv e n t i l a t i n gs p e c i a l t yt os t u d yt h ee f f e c to fe m b a n k m e n t t e m p e r a t u r e ，v e n t i l a t i n gs p e c i a l t yo fb l o c ks t o n e se m b a n k m e n t ，a n dt h ee f f e c to f d i f f e r e n ts i z eo fc r u s h e ds t o n e s 乃er e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w ： 1 t h r o u g ht h e a i rc o n v e c t i o ne x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r y , w ef i n dt h a tt h er e a l m e a s u r e m e n to fn a t u r a lc o n v e c t i o ni nl a b o r a t o r yu n d e ro b t u r a t e dc i r c u m s t a n c e si s a l m o s ts a m e n e s st ot h e o r yc a l c u l a t i o n t h em o s tn o t a b l ep a r to fa i rc o n v e c t i o ni s i nt h em i d d l ep a r to fc r u s h e ds t o n e s t h eb i g g e rt h es i z eo ft h ec r u s h e ds t o n e si s ， t h eb i g g e rt h em e a s u r e d w i n dv a l u ei s 2 t h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ew i n ds p e e di na n do u tt h es l o p e ，w ef i n d t h a tn a t u r a lw i n dh a se f f e c tt ot h ew i n di nr i p r a ps l o p e ，b o t ho fw h i c hh a v e u n i f c i r mc h a n g et r e n d ，a n dw i t ht h ed i s t a n c ef r o mt h ei n s i d eo ft h er i p r a ps l o p e a n db l o c ks t o n et ot h es l o p es u r f a c eg e t t i n gb i g g e r , t h en a t u r a lw i n de f f e c tg e t s l e s s e n i n g 3 t h en a t u r a lw i n dh a so p p o s i t et r e n dt ot h et e m p e r a t u r ei nr i p r a ps l o p e t h e t e m p e r a t u r eo f o u t e rp o i n ti nr i p r a ps l o p eh a su n i f o r mt r e n dw i t ht h ew i n do fi t s e l f ，n l el i n i n gp o i n ti nr i p r a ps l o p eh a so p p o s i t et r e n dw i t ht h ew i n do fi t s e l f 4 t 1 1 en a t u r a lw i n dh a se f f e c tt ot h ew i n di nb l o c ks t o n e se m b a n k m e n t ，a n dt h e y b o t hh a v eu n i f c i r i l lc h a n g et r e n d t h ec r u s h e ds t o n e se m b a n k m e n th a sp r e f e r a b l y v e n t i l a t e dp r o p e r t y 5 t h en a t u r a lw i n dh a se f f e c tt ot h et e m p e r a t u r ei nb l o c ks t o n e se m b a n k m e n t ，a n d t h e yb o t hh a v eo p p o s i t ec h a n g e t r e n d i i i 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 6 n a t u r a lc o n v e c t i o n ，n a t u r a lw i n da n ds u nr a d i a l i z a t i o nb r i n gt h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r e t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ri sn a t u r a lw i n da n ds u nr a d i a l i z a t i o n 7 b yc o n t r a s ta n a l y s i so fw i n da n dt e m p e r a t u r ei nt h es a m ep l a c eo fb l o c ka n d c r u s h e ds t o n e ss l o p e ，w ef i n dt h a tt h ev e n t i l a t i n gc a p a b i l i t yi nb l o c ks t o n e ss l o p e i sb e t t e rt h a nt h a ti nc r u s h e ds t o n e s k e y w o r d s ：f r o z e ns o i l n a t u r a lc o n v e c t i o n b l o c ks t o n e se m b a n k m e n t n a t u r a l w i n dv e n t i l a t e dp r o p e r t y i v 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确 注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 研究生签名：之脞 关于学位论文使用授权的说明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属中国科 学院寒区旱区环境与工程研究所。本人完全了解中国科学院寒区旱区环境与工程 研究所有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构 送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权中国科学院寒区 旱区环境与工程研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离所后发表、使用论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所。 保密论文在解密后应遵守此规定。 研究生签名：j 二啦孟 导师躲q 日期：碑：2 上 日期：土芝曼z ：- 【：2 占 第二章室内对流试验研究 第一章绪论 冻土是指含有冰且温度在o 或o c 以下的岩石和土体。冻土是一种特殊土 类，它的性质与温度密切相关。根据冻土存在时间的长短，可分为多年冻土和季 节冻土，前者两年以上处于冻结状态，只有表层几米的土层处于夏融冬冻的状态， 后者只在地表几米范围内冬季冻结，夏季融化。 从冻土利用和改造的角度，冻土研究主要涉及三个方面，分别为把冻土作为 资源、材料和低温环境来研究。当把冻土作为土地资源来研究时，主要解决土层 防冻和快速解冻，冻土中水分和盐分的控制技术问题，以及由于冻土变异引起的 土壤沙化、荒漠化和次生盐渍化等；当把冻土作为构筑物低级材料、隔水材料或 直接作为构筑物时，主要研究在不同边界条件( 温度、外载等) 下，冻土的物理 力学性质、与构筑物的相互热、力作用以及冻土性质改良问题；当把冻土作为低 温环境来研究时，主要研究冻土与周围环境( 大气和下垫面) 的热质交换及相互 作用，由此引发的地球化学过程、低温及冻结和融化环境下的沙金和天然气水合 物的成矿机理和赋存条件等【l j 。 多年冻土的分布面积约占全球陆地面积的2 3 ，主要分布在俄罗斯、加拿 大、中国和美国的阿拉斯加等地，其中我国的多年冻土面积约占世界多年冻土分 布面积的1 0 ，占我国国土面积的2 1 5 ，是世界第三冻土大国，同时我国的 多年冻土主要分布在中、低纬度，号称第三极的青藏高原上。我国季节冻土分布 面积占国土面积的5 3 5 矧2 。 第一节冻土的工程地质特性 冻土与其他岩土工程最本质的区别就是对温度极为敏感且含有地下冰。温度 的变化会导致冻土一系列的力学行为变化，这种变化常常是复杂的，并会直接影 响到以冻土作为载体的工程结构物的稳定性。具体的讲，温度的正负变化可使得 土体中水分发生相变，这一过程对于土体的强度和变形特性而言，可造成质的变 化，并直接引发工程结构物地基失稳，产生冻胀、融沉等灾难性后果。 工程实践和相关研究表明，在气候变暖的条件下，多年冻土的强度会降低， 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 特别是抗压强度和剪切强度将会降低更多。多年冻土变化导致工程结构物的稳定 性发生变化，这些变化主要表现为：多年冻土地温升高，导致冻土上限发生变化； 地下冰融化，导致融化下沉，引起一些次生冻融灾害；多年冻土地温升高，地温 分区产生变化。 冻土负温值决定了冻土的强度，因此也决定了冻土用作建筑物地基时，承载 力最重要的因素。将土从塑性冻结状态转变为坚硬冻结状态，不仅会保证冻土温 度发生突变时建筑物的安全性，而且也有较大的经济利益。 建筑在多年冻土地区的道路及铁路路基通常会对其下的多年冻土层产生扰 动，对其温度场有很大的影响。在寒冷地区铺设道路及铁路会造成冻土状况的重 大改变，结果破坏了植被，使地表反射率及其透水性发生变化，同时使地表水径 流条件恶化。发生这些现象主要是因为路基改变了事先存在的地表条件和与之相 关联的地表能量平衡。地表能量平衡是季节雪盖、植被、大气辐射、地表含水量 以及空气温度的复杂函数。这些因素产生了平均的年地表温度，它在有些方面不 同于年平均气温，年平均地表温度在一般情况下高于年平均气温。道路路基的施 工导致地表的扰动，经常会增加年平均地表温度和年平均气温之间的差别，造成 了更暖的地表条件，从而导致多年冻土的融化，引起路基的沉降【3 】。 冻土中冰的存在是寒区工程建设独有的特点，由于多年冻土通常是富冰冻土 并且很容易达到它的融化温度，当公路或者铁路路基建于其上时就会打破其原有 的热平衡状态。如果不采取与一般条件不同的特殊措施和方法，就可能使多年冻 土区的工程建筑物遭受冻害威胁，对国民经济造成严重损失。大量的工程实践表 明，在多年冻土区修筑工程构筑物时遇到的主要工程灾害问题是冻胀和融沉，在 季节冻土区主要问题是冻胀，在多年冻土区主要问题是融沉【4 】。 第二节论文研究背景及意义 随着人类活动空间的扩展和对资源需求的增多，越来越多的道路将通过多年 冻土区。由于冻土独特的工程性质，在冻土地区会出现各种各样的工程地质问题， 正确的认识多年冻土地区的工程地质问题以及由此引起的道路病害，采用有效的 防治对策对于加快和发展冻土地区公路建设具有重要意义。在多年冻土区影响道 路稳定的主要因素是由于冻土退化导致的融沉，这主要由于自然营力和人为活动 2 第二章室内对流试验研究 改变了地面的温度状况，破坏了有厚层地下冰分布的多年冻土的热平衡状态，冻 土温度升高或融化而导致路基下沉、路面开裂、凹陷等，造成道路的破坏，影响 交通安全【5 。7 】。因此，如何有效保护多年冻土地区的道路，防止多年冻土的升温 甚至融化成为我们面临的个新的挑战【8 】。青藏铁路碎块石护坡以及块石通风路 基的采用，正是为保护青藏铁路路基下多年冻土稳定而采取的措施。本论文基于 青藏铁路重大工程建设背景，对块石路基以及碎块石护坡保护冻土的机理进行研 究。 第三节国内外研究现状 为了应对高温冻土和全球变暖的严峻挑战，保证道路的畅通，出于保护冻土 的原则，一系列主动冷却路基的工程措施被采 9 1 ，在诸多措施中碎块石类路基 的降温效果已得到公认，且施工方便、成本较低。这种碎块石类路基主要有两种 结构形式：一种是将碎块石层置于路堤两侧的碎块石护坡路基，另一种是将碎块 石层置于路堤中的碎块石路堤路基。早在1 9 7 3 年中科院寒区旱区环境与工程研 究所( 原兰州冰川冻土研究所) 就在青海省祁连山北麓热水地区修筑了块片石通 风试验路堤，观测发现其在保护多年冻土方面具有明显的优越性f l o j ；1 9 9 9 年， 中铁西北科学研究院在风火山修筑了碎石护坡试验工程，研究表明：碎石护坡在 保护多年冻土路基边坡的稳定性方面起到了很好的作用【1 1 1 。黑龙江西北部苔草泥 炭沼泽区用块石修筑了3 2 米高的路堤试验工程，观测结果表明：对路基基底具 有良好的降温效果【1 2 】；在青藏铁路建设中，碎块石类路基在保护冻土方面也取 得了良好的效果【1 3 - 1 4 15 1 。在2 0 世纪3 0 年代，前苏联在铁路路基设计中采用了 块( 片) 石层作为多年冻土地区保温工程措施，这种块( 片) 石路基结构在俄罗 斯西伯利亚贝- - n 铁路路基工程中取得了较好的效果【1 6 j ；美国阿拉斯加公路也 应用了这种措施【17 1 ，另外，加拿大、德国等也在这方面进行了一些试验研究【1 8 1 9 1 ，均发现碎块石类路基对多年冻土具有很好的保护作用。在许多寒区道路工程 中，这种块碎石类路基结构已得到大量应用。 在试验方面：g o e r i n ge ta l 2 0 】进行了块石层热状态分析的室内模型试验及其 数值模拟计算，试验装置采用封闭系统，模型箱尺寸长宽高为1x 1x0 7 5 m ，块 石粒径为2 - 6 3 c m ，试验分项部和底部两种加热方式，顶部加热情况下块石层内 3 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 部温度分布符合热传导方程，底部加热情况下块石层内温度呈非线性分布，说明 换热机制包括自然对流换热，且三维数值模型结果和试验结果相吻合。徐学祖等 叫开展了边界温度周期波动条件下块石体温度变化规律的试验研究，将几种不 同粒径( 6 - 8 ，4 - - 6 和2 - - 4 c m ) 的块石分别装入一定尺寸的有机玻璃简内，筒 壁及底部绝缘，试验分开放和封闭系统两种情况进行，结果表明开放系统块石温 度场有3 个特征：块石体内温度随时间变化的不对称性、随深度变化的迟缓性及 块石体的平均温度低于其表明平均温度，说明其中热传导和对流换热机制并存： 封闭系统块石体内温度场也有三个特征：温度随时间变化的对称性、随深度变化 符合傅立叶第一定律及块石体平均温度高于其表明平均温度，说明其中热传导是 主要换热机制。孙斌祥等 2 2 1 对块石粒径对自然对流降温效应的影响进行了室内 试验研究和理论分析，结果表明降温效果强度随块石粒径的增大而增大。孙志忠 等【1 5 】在分析青藏高原北麓河块石护坡路基试验段观测资料的基础上，发现由于 青藏高原风速作用，暖季碎石层对热有较好的屏蔽作用，而冷季由于风的强迫对 流作用，大块石层有更好的降温效果。汪双杰等【2 3 】对块石自然对流机理进行了 室内模拟试验，结果表明在边界温度周期波动条件下，厚度大的块石层产生的对 流降温效应也较大，采用平均r a y l e i g h 数可以描述块石层自然对流的发生情 况。喻文兵等【2 4 】进行了块石层降温效果的室内模型试验，模型尺寸为2 1x1 6 4 x1 3 m ，顶部为流动空气，四周及底部绝热，环境温度为周期波动正弦函数， 平均温度为0 5 c 。试验周期为8 天，重复进行6 个周期。结果表明一定厚度和 孔隙的块石层都能有效降低其底部的温度，平均粒径约7 c m 的块石层的降温效 果优于平均粒径约2 2 c m 的块石层。赖远明等【2 5 】通过室内试验分析了边界条件对 碎石层降温效果及机理的影响。 在理论方面，近十年来，一些关于块碎石类路基传热的计算模型先后被建立， 使块碎石层的降温与传热理论得到了一定的完善和发展。g o e r i n ge ta l 2 6 采用非 稳态有限元模型，边界条件及地基土特性均采用当地情况，结果表明2 5 年后块 石路基下年平均温度要比普通路基下低5 c 左右，其中路基高度( 即块石层厚度) 2 5 m ，平均粒径5 7 5 c m ，孔隙率为3 5 。赖远明等【27 j 的计算结果表明，在天 然地表温度大于1 的地区，传统道渣路基将产生很大的融沉；而块石路基能抵 消气候变暖的影响外，并能对路基下的冻土制冷，可以保证冻土路基的稳定。米 4 第二章室内对流试验研究 隆等【2 8 】根据有限元公式对普通道渣路基、块石护坡路基和块石路基的温度场进 行了比较分析，计算结果表明，普通路基的修建将会使路基下冻土的温度升高， 使路基出现热不稳定；而块石路基和块石护坡路基均能降低冻土路基的温度，可 保证路基的稳定性。姜凡等1 2 9 】通过对冻土碎石路堤对流传热的数值计算，提出 了块石模型，并与多孔介质模型进行了对比，认为采用块石模型计算的水平块石 路基的温度场与速度场优于多孔介质模型。而后，赖远明等【3 0 】针对野外的实际 条件，在考虑风作用的条件下，建立了开放块碎石类路基的多孔介质传热计算模 型。 第四节本论文的研究思路及内容 从上面的分析可以看出，块石的强迫通风能力对路基温度场的影响研究未见 实测结果报道。为了了解强迫通风能力对路基风场和温度场的影响，本文在青藏 高原北麓河机理试验段块碎石类护坡路基和开放块石路基风速场和温度场观测 试验的基础上，取得了大气风场对路基内风场和温度场的影响资料，并结合室内 自然对流试验，来分析影响路基内风场和温度场的主要因素，以期望对青藏铁路 各类路基的降温效果合理分析提供必要的基础和借鉴资料。本文的研究内容大致 分为三部分： 1 、室内自然对流试验研究。分析在封闭条件下块石层中的温度场和风速场变 化情况，为在路基内对自然对流的分析提供数据依据。 2 、大气风场与碎块石护坡路基和块石路基内风速场和温度场分析。找出大气 风场与路基内风速场和温度场的关系，以及路基内风速场和温度场最主要的影响 因素。 3 、碎石护坡和块石护坡内风速场和温度场的对比分析，明确碎石护坡和块石 护坡降温效果的优劣。 5 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 第二章室内对流试验研究 在流体连续介质中，当某层的密度大于其下层的密度时，就会出现不稳定状 态，因为一个甚小的扰动就可使状态完全改观，这是由对流作用所引起的( 这里 所说的对流来自于密度较小的流体趋向上升) 1 3 5 】。这种对流作用的温度场和速 度场密切相关，本章将通过室内试验来分析块石层中由于流体的温度变化，导致 流体密度产生差异从而形成的对流以及对流所引起的温度分布与速度特性的关 系。 1 , 1 试验装置 第一节试验设计 试验装置由三部分组成：模型试验箱、控温系统和观测系统。 模型试验箱为8 0 e m 8 0 c m 8 0 c m 的保温箱，箱体底部布设了1 0 c m 厚的聚 安酯保温材料( 导热系数小于0 0 2 w m 。1 k - 1 ) ，箱体周边及顶部用1 0 e r a 厚的海 绵包裹，使其四周与周围绝热。 控温系统采用两台e 3 0 0 0 f w 型号的低温恒温循环装置，对其改装后加上了 冷浴板。 观测系统由温度传感器、皮托管、差压变速器、d t 5 0 0 型数据采集仪及计算 机组成。 1 2 试验模型 本试验的碎石为石英云母岩。模型尺寸为6 0c m x 6 0c m 7 0c m ，采用随机 掷抛方式填筑。其粒径分三类，分别为：5 - 8 c m ，8 1 5 e m ，1 5 2 0 c m 。模型尺寸、 测温探头及皮托管分布见图2 一l 。 试验控制温度为上下表面同时控温( 梯状控温，具体数值见表2 - 1 ) ，周围绝 热。数据采集频率为1 次( 5 s ) - 1 。 6 第= 章室内对琉试验研究 图2 - 1 块石层模型横断面豳 表厶l 不屑粒径块石层控温情况 粒径( c m )上表面( )下表面( ) 2 02 0 5 80 之02 0 o o - 2 0- 1 0 8 1 5- 2 00 1 0 - 2 02 0 2 0 l o 1 5 2 02 0 2 0 2 0 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 1 3 碎石孔隙率的测定 将碎石放入一个圆柱形的桶中( 直径8 0 c m ，高1 0 0 c m ) ，以随机掷抛方式填 筑，测量碎石堆置高度，进而计算碎石所占总体积v 。往桶中加水至块石顶表面， 记录注入的水体积v w ，则碎石堆的孔隙率为 刀：丘 矿 孔隙率n 是碎石堆孔隙体积与总体积之比，是反映碎石堆孔隙特征的主要指 标之一。通过测定，本试验中各粒径试样的孔隙率见表2 2 。 表2 - 2 块石层孔隙率 名称粒径范围( c m ) 平均直径( c m )孔隙率( ) 小块石 5 864 2 6 中等块石 8 1 51 04 3 7 大块石 1 5 2 0 1 8 4 4 7 2 1 多孔介质流体基本理论 第二节试验结果 2 1 1 块石试样中的自然对流效应 对流分为强迫对流和自然对流。当没有外加的流动( 例如由于物体平动或风 吹过物体所引起的流动) 时，流体温度的不均匀性将导致密度的不均性，从而引 起流体的运动，这种现象称为自然对流。在本实验中就是由温度梯度引起的自然 对流流动。 在系统中底部( 下层) 温度梯度较顶部( 上层) 温度高，由于流体密度随温 度变化，因此上、下层流体密度有所不同。如果t l t 2 ( 下标l ，2 分别为下、 上层流体) ，那么仍( 互) 岛( 五) 或岛( 正) 一只( 石) = a , o 0 兰密度差p 达到一特 定值后，系统中将产生流体的宏观流动( 即宏观对流现象) ，又称之为不稳定状 态。这种现象早在本世纪初就被发现，人们常常称之为b e n a r d 现象。后来，经 许多学者研究，对这种由温度梯度所导致的大空间流体中的对流现象，用 r a y l e i g h 数( i h ) 到达某一临界值来判断。 8 第二章室内对流试验研究 只口：鱼墨丝堡竺 t o t ( 2 1 ) 式中a t = ( 互一疋) ，p o 为空气的密度( k g m 3 ) ，g 为重力加速度( m s 2 ) ， b 为体积热膨胀系数( 1 k ) ，k p 为碎石层的渗透率( 1 7 1 2 ) ，h 为碎石层厚度( 朋) ， u 为动力粘度( n s m 2 ) ，口为热扩散系数( m 2 s ) 。 有关空气的热力学参数可在热力学手册中查到，而块石、路堤护坡的体积 热膨胀系数= 1 k ，渗透率k p 可用经验公式阴k p = 0 6 1 7 x 1 0 州d 2 估算，式中 k 。的单位是平方厘米，平均粒径d 的单位是微米。公式中各参数具体值见表2 3 和表2 4 。 研究表明：存在一个临界r a y l e i g h 数疋，当r a 如时，在水平和竖直方向上的速度分量不再为零， 块石中将产生自然对流，由于重力的作用，从块石底部的高温区向上部的低温区 的传热效应将大于单纯的热传导。因此，屯成为能否发生自然对流的判据，其 大小依赖于多孔块石的形状和边界条件【4 0 1 。对于有限区域内的多孔介质，需要 考虑除高度h 以外的尺寸对自然对流产生的影响。n i e l d t 4 1 1 总结出了不同边界条 件组合下的临界r a y l e i g h 数。在四周不透水，上、下边界等温，侧面绝热时， 有k = 4 r r 2 = 3 9 4 8 。因此当r a 3 9 4 8 时，块石中传热除了热传导外，还将发生对流， 由于自然对流效应的存在，下部高温区向上传输的热量将大于单纯热传导的作 用，而在上部温度高、下部温度低的情况下，块石试样中只有热传导，所以上面 往下端传输的热量只有热传导决定，这就是块石路堤、护坡中自然对流效应的降 温机理。在本文的各组实验中，发生自然对流的最小温差t 可由式2 1 计算， 其值见表2 4 。 9 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 表2 - 3 块石和空气的参数值 两相材料 密度k g m 一3导热系数2 1 w m k容积热容量j m 。3 k 一 块石 2 4 1 30 3 9 6 1 2 5 0 x1 0 6 空气 1 o o0 0 2 6 21 0 1 0 x1 0 6 表2 4 试样发生自然对流的最小温差值 粒径 重力加速度 碎石层的渗 碎石层厚 动力粘度 热扩散系数 温差 c m g ( m s 一2 ) 透率k ( m 2 )度h ( m )( n s m 2 )a ( m 2 s )t ( k ) 5 89 8 2 2 2 1 0 6o 71 8 6 2 1 0 。53 9 2 1 0 。4 6 o 8 - 1 5 9 86 1 7 x1 0 。60 71 8 6 2 1 0 。53 9 2 x1 0 。41 9 1 5 2 0 9 82 0 0 x1 0 。5o 71 8 6 2 x 1 0 53 9 2 1 矿o 6 2 1 2 物理假设和控制方程 认为路堤块石自然对流属于多孔介质单相可压缩气体非稳态的非等温渗流 问题。设多孔块石被空气所饱和，并且块石是均质和不变形的。块石试样的固相 岩石与气相空气间处于局部的热平衡状态，认为多孔介质的p r a n d t l - - d a r c y 数较大，可略去惯性项使d a r c y 定律能够满足，另外，块石试样中产 生的热弥散足够小，又温度差引起的空气密度梯度也较小，b o u s s i n e s q 近似能成 立f 2 3 1 。设多孔介质的孔隙度为聆，多孔介质的等价热传导系数为疋，块石试样的 渗透率张量为k o ，热容量为e ( 设为常数) ，块石试样空隙中空气的体积热膨 胀系数、动力粘滞系数和容积热容量分别为、和c ，形为块石试样空隙中 空气的速度矢量。设z 轴垂直向上的方向为正向。则多孔块石试样要满足的质量 守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及流体的密度状态方程，可表示为 堑：0( 2 - 2 ) ：= () 挑 形：一叠串+ p i g 昙) ( 2 3 ) 甩“o x ，劣， l o 第二章室内对流试验研究 a 丁 o t n p f c f + q 一呐p ss 瓠础j 乃= p o r 【1 一p ( t 一弓o ) 】 丝生 矿塑 n p f 七堪一确p ssl 瓠t ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中：t 和t 分别为温度和时间；弓。和岛r 分别为块石试样空隙中空气的参 考温度以及在该参考温度下的密度；g 为重力加速度；p 为去除静水压力后的空 气压强。 于是我们总共有4 个因变数：y ，p ，p ，t ，他们可由( 2 2 ) 到( 2 5 ) 四个方程定出。当然，要求解式( 2 2 ) 到( 2 。5 ) 还需要边界条件。严格来说， 试验所采用的块石试样属于三维问题，但针对中心剖面上的自然对流问题，可近 似为二维问题【3 引。因此，对于块石试样，除块石层表面边界外，其他边界均可 近似为绝热、不透气边界，而块石层表面边界的热边界条件为给定温度，由温度 探头实际监测结果可知，在指定时刻其值沿整个块石上表面边界可近似为等温条 件，同时，由于顶面用保温材料密封，块石层表面边界的压力边界条件可简化为 不透气边界条件。 2 1 3 求解方程 运动方程( 2 3 ) 可作为讨论对流现象的出发点。把( 2 5 ) 式代入到运动方 程( 2 3 ) 中，我们得： 形：一互罢一 n , u 蹴7n p 瓠j ( 2 - 6 ) 在本试验中，不存在外力( 即为自然对流) ，因此罢= 一p o 丁g _ o z ，则由( 2 6 ) 麟，a x j 式可得： 矿= 一生墨鱼! 丝二生立鱼 ( 2 7 ) n 2 苏， 在本试验中，我们设为各向同性介质，且属于垂直流动，用k 代替，形= 屹 且昙：1 。即本试验中的流速 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 矿：一k g p o r f l ( t - t z o ) ：一k g p o t p 丁 n gn , u 2 2 试验结果和讨论 ( 2 8 ) 2 2 1 块石层中的自然对流 通过实测温度值，可由式( 2 1 ) 求得三种试样块石层下、上边界间随时间 变化的r a y l e i g h 数见，其中下、上边界的温度分别取2 2 号和5 号点的温度值， 具体变化规律见图2 - 2 ，从图中可以看出，随着块石粒径的增大，r a y l e i g h 数的 变化幅度也跟着增大。这主要是由于随着块石粒径的增大，其渗透率也跟着增大 的缘故。 时问( 分) 粒径5 - 8 c m 的r a y l e i g h 数 时问( 分) 粒径8 - 1 5 c m 的r a y l e i g h 数 时间( 分) 粒径1 5 - 2 0 c m 的r a y l e i g h 数 图2 - 2 块石试样的r a y l e i g h 数随时间变化图 块石层中的自然对流是否发生与块石层的形状尺寸和边界条件有关，主要表 现为存在一个临界r a y l e i g h 数如，只有当试样块石层中的r a y l e i g h 数变化到大 于临界r a y l e i g h 数如时，才会产生自然对涮2 3 1 为研究块石层中的自然对流效应，图2 3 和图2 - 4 分别给出了在r a y l e i g h 数 1 2 第二章室内对流试验研究 最低和最高时测得的温度分布情况。 粒e 5 - 8cm 试样在i i a y l e i g h 数最低时的温度场 粒径8 1 5cm 试样在r a y l e i 曲数晟低时的温度场 粒径1 5 2 0cm 试样在r a y l e i g h 数最低时的温度场 图2 3 三种试样在r a y l e i g h 数最低( 处于稳定阶段，且值都大于如) 时的温度场 1 3 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 粒径5 8cm i i 荆e r a y l e i g h 数最低时的温度场 粒径8 1 5cm 试样在r a y l e i g h 数最低时的温度场 粒径1 5 2 0cm 试样在r a y l e i g h 数最低时的温度场 图2 - 4 三种试样在r a y l e i g h 数最高时的温度场 从图中可以看出在r a y l e i g h 数最低和最高时均有自然对流效应产生。在本试 验中块石层产生自然对流的临界r a y l e i g h 数如= 3 9 4 8 ，对照图2 2 ， r a y l e i s h 数在很多时候均能远大于屯。 2 2 2 块石层中自然对流效应的试验验证 垂直温度梯度是指在垂直方向上，温度变化的距离程度。垂直温度梯度越大， 说明垂直方向上，温度变化越剧烈，反之说明温度变化越缓慢。在本试验中我们 1 4 第二章室内对流试验研究 考虑垂向上的温度变化和速度变化情况。图2 5 至图2 1 0 分别给出了三种试样 在不同时刻的风速测试值与计算值的比较。在实测风速等值线图中，虚线表示该 点周围的压强大于正对该方向的压强，在风速值上的表现就是为负值，由于仪 器的测值范围有限，当测点为负值时，会有一定的偏差。试验值与计算值均显示 出块石层中发生了自然对流。图2 5 至图2 1 0 表明： ( 1 ) 实际测得的自然对流值跟理论计算值相差不大。 ( 2 ) 实测值与计算值中对流涡包的位置和数目不一样，在实测风速等值线中， 形成的对流涡包比较有序，基本上位于块石层的中间位置，说明实测的自然对流 效应最明显的位置在块石层的中间部分。 以上两点中实测值与计算值的差别首先与理论计算中所取的块石、空气的 物理参数有关；也与测量温度的温度探头的定位精确性有关。由于块石的粒径 比较大，温度探头偏离原来初定的位置也会造成很大的影响。另外按照实际情 况，计算这些流动相当困难，为了使计算简化，我们在实际计算过程中，对试 验模型做了一些假设，这也会对实际的计算结果产生一些影响。 ( 3 ) 实测值和计算值都随着块石层粒径的增大，最大风速值也随之增大。这 主要是由于随着块石层粒径的增大，块石层的孔隙增大，空气在孔隙中易于流动， 形成对流。 y c m 实测风速等值线计算风速等值线 图2 - 5 粒径5 - 8 c m 块石层在r a 数最高时的风速等值线 1 5 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 y c m 实测风速等值线 y c m 计算风速等值线 图2 - 6 粒径8 1 5 c m 块石层在r a 数最高时的风速等值线 y c m 实测风速等值线 y c m 计算风速等值线 图2 7 粒径1 5 2 0 c m 块石层在r a 数最高时的风速等值线 1 6 目 o n 7 ，一一一一一一一 一一一一、 ，一、，一、 ， ，一f 一、一，一一一、 、 y e m 实测风速等值线 y e m 计算风速等值线 图2 8 粒径5 - 8 c m 块石层t = 5 0 0 0 m i n 时的风速等值线 目 o n y e my c m 实测风速等值线计算风速等值线 图2 - 9 粒径8 1 5 c m 块石层在t = 1 2 0 0 0 m i n 时的风速等值线 1 7 中国科学院研究生院硕士学位论文：青藏铁路抛石路基对流降温机理试验研究 y c m y c m 实测风速等值线计算风速等值线 图2 - 1 0 粒径1 5 2 0 c m 块石层在t = 9 0 0 0 m i n 时的风速等值线 图2 5 至图2 7 对应时刻的温度等值线见图2 4 。图2 11 给出了三种试样在 与图2 8 至2 1 0 对应时刻的温度等值线图，以供参考。图中显示