The application of auto-temperature-controlled ventilation embankment in Qinghai-Tibei Railway

YU Qihao ,CHENG Guodong amp; NIU Fujun

State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China.

Correspondence should be addressed to Yu Qihao (email:yuqh@ns.lzb.ac.cn)

Abstract:Auto-temperature-controlled ventilation embankment is an effective engineering measure for “cooling roadbed”.Practice proves that this new method can sufficiently make use of natural cold energy.It has the advantages of higher efficiency, better cooling effect and feasibility in engineering practice, and wider application in various environment,etc. And also, it is comparatively cheap in project cost. Through practice in the field for half a year, the testing results show that,with the application of auto-temperature-controlled system, the artificial permafrost table has been raised bt 65 cm.The artificial permafrost table was basically at the embankment bottom, and the action of freeze-thaw circle on engineering stability was effectively avoided. In the month with highers ground temperature, in the scope with 1-4 m in depth, including the majority of the embankment and the upper part in the original seasonal layer, the ground temperature decreased by 0.7℃. Through thermal; flux calculation in the original seasonal layer,in the month with the maximum thermal flux coming into permafrost, it is found that the thermal flux reduces nearly by half. Coming into the cooling period for nearly a mouth, the ground temperature in entire auto-temperature-controlled embankment is close to zero, and the foundation is at negative temperature. But in a large region in the embankment and the foundation the ground temperature was over 0℃ and varied from 0℃ to 0.39℃ in ordinary ventilation embankment.

Keywords: auto-temperature-controlled embankment, application research.

The freeze-thaw action of soil has created the particular cryogenic phenomena and natural sight. Human activities give a hand to this action, and result in a vulnerable ecological environment under these particular, conditions. The particular cold environment can be called permafrost environment. It can be easily influenced by human activities, especially engineering construction. When embankment is built in permafrost regions, the heat exchange conditions between ground surface and atmosphere will be changed, and thermal balance in permafrost will be broken. By reason of the properties of frost heaving and thawing settlement in frozen soil, mant serious disasters widely occur in road embankment. The permafrost engineering, which has been built or will be built in China, will be confronted with the problems of high temperature, high ice content in frozen soil and global warming, To solve these problems and ensure engineering construction, we must change the negative principle of protecting permafrost, with adding heat resistance usually used in engineering in the past, into the positive principle with the mechanism of “cooling roadbed”. Therefore, scientists in the world are working hard to look for new engineering measures, which can effectively protect permafrost, and are convenient for engineering construction and comparatively cheap in engineering cost. In China participating the State Key Project of Qinghai-Tibet Railway, permafrost scientists have done abundant experiments, such as ventilation duct, coarse rock revetment, stone block embankment, heat pipe, shading shed, thermal semiconductor, etc.

Since it is usually in the regions with steep slop and higher ground temperature, the high altitude permafrost is more sensitive to the global change to some degree. Observed data show that the ground temperature of permafrost has risen nearly 0.2℃ in the past 30a in the Ribetan Plateau, and the permafrost boundary was also rising at a rate of 160m/℃. With the background of the global warming, the long-term stability and safety of the railway have become an important research object. It is urgent and important to develop some new engineering measures to protect permafrost. This paper is focused on auto-temperature-controlled embankment, anew permafrost engineering method, which can effectively ensure the stability of permafrost and engineering . We hope that the research result can provide experience and thoughts for scientific decision-making and engineer designing of the construction.

1 The research foundation

The ventilation embankment (VE) is one of positive measures that can protect the permafrost under it. The results from indoor model tests and real tests in the Beiuhe testing section of Qinghai-Tibet Railway,show that the engineering measure is feasible in engineering practice. Based on the results, a new engineering measure was discussed in this paper. The measure, called auto-temperature-controlled ventilation embankment (ATCVE), is to install an automatic temperature control system at one or two ends of the vent-duct, which can automatically open or close the wind door in ventilation duct. The system has air temperature responsive unit and control unit, and it can automatically react when the air temperature reaches a designed value. ATCVE can make good use of nature cold energy to cool the earth around the duct, and to reduce ground temperature in roadbed. The system was installed by the end of April 2003, and ground temperature has been observed since the end of June at the same year. The system worked normally till the end of October under the self-service condition. The control system can be used for about 5-10 years by the design. In general, the door is automatically closed after sunrise 1-2 hours and opened after sunset 2hours.

2 Description of testing site 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英文翻译

题 目 青藏铁路路堤上的温度控制装

置应用

青藏铁路路堤上的温度控制装置应用

余启浩，程国栋，牛福联

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰州730000

摘要：Abst行为自动温度控制通风堤是一个“冷却路基”的有效工程措施。实践证明，该方法可充分利用天然冷能。具有效率高，冷却效果好，工程实践可行，在各种环境中应用广泛等优点。而且，它在项目成本上相对便宜。通过现场实践半年，试验结果表明，随着自动温控系统的应用，人工多年冻土台已经提高了65厘米。人工多年冻土台基本处于路堤底部，有效避免了冻融圈对工程稳定性的作用。在地温较高的月份，在1-4米深的范围内，包括大部分路堤和原始季节层的上部，地温降低0.7℃。通过热;在原始季节层的通量计算中，在最大热通量进入永久冻土的月份，发现热通量减少了近一半。进入近口冷却期，整个自动温控路堤的地温接近于零，地基处于负温度。但在路堤和基础的大面积地区，地面温度超过0℃，普通通风路堤在0℃至0.39℃之间变化。

关键词：自动温控路堤应用研究

1 研究背景

土壤的冻融作用产生了特殊的低温现象和自然景观。人类活动为这一行动提供了帮助，并在这些特殊条件下导致脆弱的生态环境。特定的寒冷环境可称为到人类永久冻土环境。它很容易受活动的影响，特别是工程建设。当在多年冻土地区建造路堤时，地面与大气之间的热交换条件将发生变化，永久冻土层的热平衡将被打破。由于冻土冻融融化的特性，路堤中广泛发生严重灾害。已经建成或将要在中国建造的永久冻土工程将面临高温，冻土含冰量高和全球变暖等问题，要解决这些问题，确保工程建设，必须改变消极原则。通过“冷却路基”机制，将过去常用于工程中的耐热性，保护永久冻土保护为正原则。因此，世界各国科学家都在努力寻找能够有效保护永久冻土的新工程措施，便于工程建设，工程造价相对便宜。在中国参与青藏铁路国家重点工程，多年冻土科学家做了大量的实验，如通风管道，粗岩护坡，石块路堤，热管，遮阳棚，热半导体等。

由于它通常位于陡坡和地温较高的地区，因此高海拔多年冻土在一定程度上对全球变化更为敏感。观测资料表明，Ribetan高原30a以来多年冻土地温已上升近0.2℃，多年冻土界面也以160m /℃的速度上升。在全球变暖的背景下，铁路的长期稳定性和安全性已成为重要的研究对象。开发一些保护永久冻土的新工程措施是当务之急。本文重点研究了自动温控路堤，一种新的多年冻土工程方法，可有效保证多年冻土的稳定性和工程。我们希望研究成果能为科学决策和工程设计提供经验和思路。

2 研究发现

通风路堤（VE）是可以保护其下永久冻土的积极措施之一。青藏铁路北河试验段室内模型试验和实测试验结果表明，工程实施中的工程措施是可行的。在此基础上，本文讨论了一种新的工程措施。该措施称为自动温控通风路堤（ATCVE），是在通风管道的一端或两端安装自动温度控制系统，可自动打开或关闭通风管道中的风门。该系统具有空气温度响应单元和控制单元，当空气温度达到设计值时，它可以自动响应。ATCVE可以充分利用自然冷能来冷却管道周围的地球，并降低路基的地温。该系统于2003年4月底安装完毕，并于同年6月底开始观测地温。在自助条件下，系统正常工作到10月底。控制系统可以通过设计使用大约5 - 10年。一般情况下，门在日出1-2小时后自动关闭，在日落2小时后打开。

3 测试网站的描述

3.1物理条件和地质环境

北河河试验区位于青藏高原的HohXIl和凤凰山之间的Berluhe盆地南部，青海省格尔木市以南约310公里，海拔约4700米，地貌为冲积带。淹水波平原，南部高，北部低，向北开放。有许多沟渠。植被覆盖率一般在10％至5​​0％之间;最高税率可达70％-80％。根据钻井数据，在测试区域，沉积地层主要属于上部10 m的粉砂和粉质粘土。厚度为20-30厘米的Alm分布在地面上。永久冻土层的深度为2米。在永久冻土层附近，有一层4-5米厚的冰土层，其体积冰含量超过80％。其下面的土层主要属于高风化的红棕色泥岩。

4 实验观察系统

在Bluhe测试部分的通风测试区域选择了ATCVE测试区域，介于DK1141 237和DK1141 238之间。路堤填料主要由含水率为8％的砾石土组成，高3.5米。在路堤中铺设直径40厘米，间距2米的混凝土管道，其路堤表面至管道中心深度为2米，两者之间为2米。图1显示了ATCVE结构和地温观测系统的示意图。在现场，在通风管道的一端连续安装了9个自动温度控制系统;沿铁路沿线近10米。在油田的中央，在10米深的管道之间设置温度钻。温度探测距离距路堤表面0.5米，在2米范围内减小到通风管道下方0.25米。在现场外选择地温钻头，具有相同的比较条件，它们之间相距15米。与此同时，在比较横截面，在离铁路中心15米处，在自然地面设置温度钻，可用于了解工程建设对永久冻土的影响。此外，为了分析自动系统对管道内温度的影响，将温度探测线放在管道内的中心位置，位于场的中心，另一条线放在VE的相同位置。现场。通过热敏电阻探测温度，室内精度为plusmn;0.01°C。7月29日，7月10日和19日的数值是人工观察，之后由DT500数据库获得。观察频率为每2小时一次，通过计算得到温度值。

5 实验结果分析

5.1 该区域的气象条件和通风管道内的温度分析

在实验期间，距离测试区约1公里的自动气象站记录的地面以上气温为2米（图2）。日平均气温高于零的时期是5月中旬至10月初，不超过5个月，此期间的平均气温为4.38°C。从6月中旬到9月初，气温略有波动。在此期间，日平均温度高于4°C，昼夜温度约为10°C，甚至15°C。7月底记录的最高日平均温度为10°C。在2小时记录图表中，有许多温度迅速上升和下降，最高温度为17.9°C。夜间气温变化范围小于白天气温，通常小于5°C。观测时平均风速为3.5 m / s。

从图3可以看到自动系统对通风管内温度的影响。观察表明，当风门关闭时，白天通风管内的风速几乎为零。在测试现场，风主要发生在下午，晚上风速很低。据信，通风管内观察到的温度等于管壁上的温度。从图。3我们可以看到ATCVE中心通风管道的中心温度（图中的中心柱）比VE（图中的中心外部）低2°C。10月，差异达到最大值2.48°C。“室外温度^几乎等于空气温度

同时，VE中气温的影响也不容忽视。但两种工程措施之间的差异通常表明ATCVE具有储存自然冷能和冷却路堤的功能。

图1.自动温控通风路堤结构和地温观测系统。

图2.地上2小时的空气温度2米和每日平均温度温度。

图3，中央和边缘ATCVE站点通风管中心内的月平均温度。

图4

6 施工后的地温特征

随着铁路建设的完工和地表边界条件的变化，永久冻土台在一定程度上会发生变化，工程活动产生的新表称为人工多年冻土台。从图。4（d）我们可以看到解冻的深度达到最大值，深度为-4.2米，这是人工永久冻土台。通过比较图中永久冻土台的位置。4(a), wt;还可以看到人造pennafrost工作台上升了1.3米。但是，比较图2中的地面温度。如图4（a）所示，我们可以发现，在-6- -8米深处，在永久冻土层附近，VE的温度比自然地面高0.5°C。我们可以得出结论，在应用自动系统之前，VE与其他工程措施具有相同的问题。问题在于，尽管永久冻土工作台在工程施工后有不同程度的上升，但由于施工的热扰动和冷却效率，在pennafrost工作台附近的地面温度也上升并接近0°C。以往的研究结果表明，冻土温度是影响其抗压强度的重要因素。随着温度的升高，冻土压缩强度会迅速下降，压缩应变也会以指数方式^,w201增加。因此，多年冻土温度的上升肯定会影响工程的稳定性。如果可以提高工程措施的冷却效率，它们将对提高路堤的稳定性和安全性起到更重要的作用，特别是在环境温度较高的地区。

7 变暖期间解冻深度的特征

随着地温变化，0°C垂直方向的移动速率反映了在太阳辐射和工程环境作用下流入路堤和路基的热量强度。比较图1中ATCVE和VE之间0°C轮廓的移动。如图4（a）一（c）所示，尽管它们的地面温度在相同环境的作用下有上升趋势，但ATCVE中的移动速率通常小于VE中的移动速率。这表明在ATCVE中流入路堤和路基的热量比在VE中小，并且两者之间的深度间隙将产生融合。根据外部边界条件的动态变化，间隙是不同的。它分别于6月29日，8月29日和10月29日达到20厘米，70厘米和65厘米。最大间隙80厘米出现在8月9日，略高于最高气温7月底的时间。因此可以说，通过在白天关闭自动系统中的门，ATCVE可以有效地阻止热量通过排气管侵入路堤，并且效率将随着空气温度的升高而增强。从图中可以看出。4（b） - （d）最大解冻深度已于9月底达到ATCVE，并于10月底达到VE。一个简单的计算表明，ATCVE中的人造pennafrost工作台可以比VE上升65厘米，比天然表面多2米。

值得注意的是，最大解冻深度基本上位于ATCVE的天然地面上，但在VE的原始季节性解冻层中深度为0.7米。由于活性层中含水量较高，粉砂粘土较多，在冻融过程中，在强水迁移作用下发生冻胀和冰裂，这对工程稳定性造成了破坏。但是，在ATCVE中可以避免损坏，因为原始活动层的冻结状态持续整个夏天。在路基中填充含水量较低的砾石土壤也是一种有益的措施。

8 通风管周围温度的比较

中心温度孔位于两个通风管道的中间，离管道壁0.4米。实际上，VE的温度状态与季节性活动层一起由路堤表面，通风管道和永久冻土台三个边界条件决定。在VE中，通风管道是路堤与外部气流之间热交换的重要方式。因此，通风管一方面可以起到冷却或加热路堤和地基的重要作用，通风管有助于在冬季冷却路堤和地基。另一方面，它在夏天加速了被路堤吸收的热量。但在ATCVE中，通过控制暖季的热交换，这种路堤可以在很大程度上减少热量的吸收。因此，通气管的冷却效果在一年中大大增强。这就是为什么在ATCVE和VE之间发生本质区别的原因。分析通风管周围的温度有助于理解它们之间的差异。在夏季初，随着气温的升高，地温的上升主要受路堤边界条件的控制。由于路堤中含水量仅为8％，冰相变吸收的热量相对较少，因此路堤吸收的热量主要用于提高路堤的温度。由于ATCVE中的控制功能，两个测量值之间出现差异。在图中如图4（a）所示，在管道上方2m范围内约0.5°C的差异主要发生在通风管道上方的土体中。随着时间的推移和空气温度的升高，热流强度增强，温度差也在水平和垂直方向上都增加。通风管位置的最大间隙为1.08“C，发生在10月19日。

从图。4（c）我们可以看到，地面温度上升近4个月后，温差延长。在1的深度范围内-4 m两个测量的温度曲线几乎平行。它们的差异大约是0.7°C。差值达到最大值，1.15°C，at深2.25米。低于该深度，温差逐渐向下降低。根据气象记录，从10月初开始，日平均气温从0^qC开始。随着寒冷季节的创造，由于控制作用和地下温度的差异，地温特征呈现出两种不同的特征。ATCVE整个路堤中的地面温度被冷却了将近一个月，接近0°C，基础温度为负。VE的温度在0°C至0.39〇C之间变化。

9 计算原始永久冻土台附近的热通量

为了更清楚地了解地温的变化，需要将热传导方程与温度状态分析相结合^[21]。热传导方程为0 =其中lt;Igt;是单位时间内的热通量，A是导热系数;Ais是导通区域，At是温差，S是导电介质厚度。

在修建路堤的过程中，为了减少热扰动并避免在脆弱环境下的工程破坏，路堤直接建在天然地面上。因此，可以将该传导过程简化为三个中间层的热传导模型。从上到下，它们分别是路堤，原始季节变化层和永久冻土。虽然路堤表面的边界条件经常随气温，风速，风向，降雨量，太阳辐射等而变化。在路堤内的一定深度内，热阻可以合成并平均上述因素的影响。因此，在路堤和基础中的不稳定传导过程可以近似简化为稳定传导的过程。在通风管道下方0.5米处，在原始地面上有1米的填土。堤坝宽26米。如果忽略来自两个路堤侧面的热量，则只能从其上方的土体进入路基的热量。根据以上分析，我们可以将热传导方程转换为A ^ =。在恒定热通量的条件下，三层温度曲线变为三条直线，垂直方向上的斜率不同。这可以在没有控制的温度曲线中很好地看出，如图2所示。图4（c）。它证明了上述假设是合理的。但是图中控制的温度曲线仅在最大解冻点处显示转折点，并且在永久冻土表附近几乎是一条直线。这表明，尽管进入路堤的输入热量在一定程度上部分地导致路基温度上升，但其主要用于解冻人工桌上的冰，同时对下部冰土具有一点影响。在图中4（d）冰冷土壤中无控制曲线的转折点向下移动。我们认为有快速输入的热量，导致接触界面中的冰土温度快速上升。为了消除这种影响，冬季的冷却是必要的。我们可以计算出两种路堤厚度和厚度相同的土壤的热通量。在上面提到的基础上，我们可以在其中1和2表示A

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