青藏铁路站区给水系统防冻融工程实验.pdf

第 3 1 卷 ， 第 5 期 2 0 1 0年 9月 中 国 铁 道 科 学 CHI NA RAI LW AY S CI ENCE Vo 1 3 1 No 5 S e p t e mb e r ， 2 0 1 0 文章编号：1 0 0 1 4 6 3 2( 2 0 1 0 )0 5 0 1 4 0 0 5 青藏铁路站 区给水 系统 防冻 融工程实验 王三反 ，徐静 ，吕文博 ，王挺 ( 1 兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 ；2 兰州工业高等专科学校，甘肃 兰州 7 3 O O 5 0 ) 摘要：针对青藏高原冻土区的 自然条件及工程要求，通过实验分析和对比浅埋与架空 2种给水管道的敷 设方式，研究管道保温及加热方式、以及对冻土层的影响范围，确定适宜青藏铁路站区的给水管道敷设方式。 实验结果表明：架空管道由于各桩基处冻土含水率不同，受到的冻拔力也不同，每年 6月表层季节性冻土融化 后，导致架空管道严重变形，且冬季管内水温降温过快 ，故不宜采用；浅埋管道 由于采用柔性管材，配合管基 粗粒化措施，可保证地基稳定，且冬季最冷日的管内水温可维持 9 5 h ，加热仅需 1 5 h ，管道对冻土的影响范 围仅为 0 1 2 m，适用于青藏铁路站区的给水工程建设。 关键词：青藏铁路；站区给水；给水管道；敷设方式；保温；冻土 中图分类号 ：TU9 9 1 5 1 文献标识码 ：A 青藏铁路格拉段横跨世界屋脊的青藏高原 ，平 均海拔 4 2 0 0 1 T I 以上，是世界上海拔最高的长大铁 路。其中穿越多 年冻土 区的线路长 达 5 5 0 k m 以 上 ，冻土层最厚处 1 2 0 m 以上。年平均气温 一5 2 ，极端最低气温一3 9 7，每年 1 0月至翌年 5 月长达 8个月的时间为负温月份 】 。由于高寒 、 冰土等恶劣 自然条件导致常规的给水系统无法在青 藏铁路站区采用，因而必须进行针对高寒冻土特点 的工程实验研究 ，以确定适宜的给排水管道敷设形 式 、保温、加热及防冻融措施 ，并为工程应用提供 依据 。 1 实验基本要求及实验地点 1 1 实验基本要求 对 比浅埋管道及架空管道 ，选择适宜的给水管 道敷设方式；研究管道基础在冻土区的稳定性 ；确 定适宜的管道保温措施及保温材料；保证管道及构 筑物内存水不被冻结及冻结后解冻的加热措施 ；保 证给水系统的建设不对高原冻土及生态环境造成 明 显影响。 1 2 实验地点选择 给排水系统工程实验地点选择在青藏铁路不冻 泉车站进行 。不冻泉车站位于青藏高原的昆仑山南 收稿日 期：2 0 0 9 1 0 2 9 ； 修订 日 期：2 0 1 0 0 6 0 3 基金项 目：铁道部科技研究开发t t- l 项 目 ( 2 0 0 3 G0 4 5 ) 作者简介 ：王三反 ( 1 9 5 2 ) ，男 ，河南尉 氏人 ，教授，博士生导师 。 侧阿青岗欠陇巴谷地的多年冻土区，海拔 4 6 0 8 m。季节冻土下 限为 1 5 2 5 m，多年冻 土下 限 大于 3 0 m，以多冰冻土及饱冰冻土为主。 2 实验内容及方法 2 1 给水管道敷设方式实验 在冻土层 内敷设给水管道通常会遇到 2 个根本 性问题 ：管道的工程稳定性问题 ；管道的冻结 与冻土融化问题。由于青藏高原冻土层厚，不可能 将管道一劳永逸地敷设在冻土层下 ，有可能采用的 只有浅埋管道和架空管道 2 种方式 。实验主要对 比 浅埋管道与架空管道 2 种方式在高原的适应性 ，并 配合 自动测温与控制系统 ，对实验过程进行全 自动 监控。 2 1 1 浅埋 管道敷 设及 实验 由于所选站 区用水量小 ，要 防止管道快速冻 结 ，需增加管道热容量 ，实验管与交付使用管均采 用内径 1 0 0 mm 的半柔性 UP VC管 。实验管长度 为 2 1 6 m，反向坡度为 1 8 ，以利于放空管 内存 水 。管道 外包裹 6 0 mm 厚 的聚 酚醛发泡 保温材 料 3 ，外层用 P E膜保护 ，管道 内穿绝缘伴 热 电 缆，电功率为l 5 W m_ 。 ，埋设深度为 1 2 m，位 于季节性冻土中。管道地基 回填 4 0 0 mm厚、粒径 第 5 期 青藏铁路站区给水系统防冻融工程实验 1 4 1 为 2 5 ml T l 的粗 砂。粗砂有利 于季节冻土融化后 管道地基排水。浅埋管道敷设如图 1 所示 。 实验于 2 0 0 4年 1 0月一2 O 0 5年 4 月和 2 0 0 5年 保护壳 管道 垫皇 换填 中粗砂 J 曩 J ， 换 填 中 粗 砂 i f l ， 图 1 浅埋管道示意图 ( 单位：mm) 4 0 3 0 2 0 * 1 0 ( 】 l O月一2 0 O 6年 4月进行。由给水所 向管道内注水 ， 至水压达到 0 3 MP a后 自动停 泵l 4 。各使用点停 止用水 ，管道 内水温随着时间变化 ，当水温下降至 0 5时 自动加热 至 3停止 ，然后继 续降温实 验。数据测试结果如图 2 所示。 从测试资料可 以看 出，从 3至 0 5第 1 次降 温用的 9 h 1 5 mi n ，加热用时 1 h 1 8 mi n 。第 2次 降温用时 9 h 2 7 rai n ，加热用时 1 h 2 3 rai n 。测试 数据表 明，浅埋管道在冬季最冷月依靠伴热电缆的 自动加热可以保证整个冬季的正常供水。说明地埋 管道的保温与加热措施是稳定、合理 的。 c呈 拿 星 暑 宴 童 置 宴暑 露 暑暮 置 L二 三 譬 0 。 时间 g 耄 昌昌g 星星 g 兽暑耋 耄 寸 曲 卜 。 。 。 ： 三 = 注 ：图中测试 时问为 2 0 0 6年 1 月 1 6口 1 2时至 1 7日 1 2时 ，最高气温一1 9 2 ，最低气温 -3 5 8。相同测试 在每年 l O月 至次年 4月每 月进行 1次，每 次连续 2 4 h 。 图 2 浅埋管道贮水降温与加热过程 为了防止长时间停电后无法加热管道 中的水而 造成管道冻结 ，在实验 管道上设置 了 自动放水装 置。当停 电后水温下降至 0 3时 ，设置在管道最 低处的电磁阀由 自控系统 UP S启 动，自动放空 管 内积水，并排人污水井 。经 2 个冬季的使用后开挖 部分浅埋管道检查 ，由于采用了半柔性管材及换填 粗砂措施 ，地基 的变形不超 过 3 0 mi l l ，未影 响管 道的正常使用。 2 1 2 架空 管道 的敷设 及 实验 效果 架空 管 道 实 验 总 长度 为 1 4 8 m，管 材 采 用 DN1 0 0 mm钢管与半柔性 UP VC管各半段 的组合 形式。钢架采用双排 D N5 0 mm钢管焊接横担固定 架空管 道 ，架 空高 度 0 5 2 5 m，埋深 2 5 m。 管道外部仍采用 6 0 mm厚聚酚醛发泡保温材料， 伴热电缆功率为 1 5 W m。架 空管布置 如图 3 所示 。 在 2 0 0 4年 1 0月一2 O 0 6年 4月间的 2个冬季 ， 同时进行架空管道与浅埋管道 的对 比实验 ，架空管 道的实验方法与浅埋管道相同。测试数据如图 4所 示 。 保护壳 图 3 架空管示意图 ( 单位；mm) 与浅埋 管道相 比，由于架空管 道暴露在空气 中，受气温、风速 、日晒等因素影响较大 ，因而从 3至 0 5第 1 次降温用时 3 h 4 6 rai n ，加热用时 5 h 4 4 rai n ，第 2次 降温用时 3 h 1 2 rai n ，加热用 时 7 h 9 rai n 。实验数据表 明，虽然架 空管道可接 受一定 的太 阳辐射热 引，但是暴露在寒风中的管道 1 4 2 中国铁道科学 第 3 1 卷 散热快 ，1 5 W 12 2 功率伴热电缆几乎要 2 4 h常 开，耗电量远高于浅埋管道 。架空管道 由于管径较 小 ，重量轻，虽然采取了相应 的措施，仍无法有效 抵抗季节变化性冻土的巨大冻拔力 。由于各桩基处 冻土的含水率不同，受到的冻拔力也不同，每年 6 月表层季节性冻土融化后 ，导致架空管道严重变 蛹 形 。最大变形处的桩基上拔了 2 2 6 mm a ，致使 钢材管道接头处断裂、塑料管道的桩基倾斜 ，导致 给水管道无法正常使用。架空管道冻拔高度实验结 果如图 5所示 。实验 中 1 O号2 2号桩基 由于地处 洼地 ，冻土含水率为 4 3 2 5 2 7 ，所 以冻拔 力明显高于其他桩基 。 害 耋 星 耋 耋 耄 星 善 鲁 暑 善 善 j 譬= 譬 薯 【二 宝 氮高 甍。 时闻 苫 星 星 星 星 星 善 害薯 星 g 星 一 卜 三 =篁 注 ：图中测试时间为 2 0 0 6年 1 月 1 6日 1 2时至 1 7日 1 2时，相同测试在每年 1 0月至次年 4月每月进行一次 ，每次连续 2 4 h 。 图 4 架空管道降温与加 热过程 2 5 0 2 0 ( ) 1 5 0 粗 苣 1 0 0 5 0 ( ) 5 1 l l 7 2 3 架空管道编号 图5 架空管道冻拔高度实验 对比实验表明，为防止冻结 ，架空管道冬季耗 电量明显高于浅埋管道 ，同时很难解决多冰冻土层 内架空管道的桩基冻拔问题。而浅埋管道的实验结 果表明，采用粗颗粒砂地基、半柔性管材与保温 、 加热相结合的 自动控制系统，浅埋给水管道可以适 应青藏高原特殊条件下的管道敷设要求 。 2 2 给水管道系统对冻土层的影响实验 在青藏铁路工程建设中，基本的环保要求之一 是保护高原冻土层 ，防止由工程原因造成冻土的退 化 ，影响高原的固有环境状况。给水浅埋管道 中因 为存有一定热容量的贮水 ，以及使用伴热电缆 ，即 使有较好的保温层，但是仍不可避免的会将热量传 递到周边的冻土层内，造成冻土层的融化 。随着浅 埋管道的使用有可能会逐步形成 1个热融圈。为了 考查给水浅埋管道对冻土的影响，在布设实验浅埋 管道时 ，选择了 2 个管道断面对其周边的冻土层测 温 ，浅埋管道测温元件布置如图 6所示 。 2 0 ( ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 图 6 浅埋管道测温元件布置图 ( 单位：mm) 测温元件在一3 0 2 0范围之 内的平均误差 为 0 1 6 4。浅埋管道测 温结 果见表 1 。冬季 1 1 月至次年 3 月的测温数据表明，浅埋给水管道对冻 土层 的影响并不 明显，冬季冻土热融 圈的范 围在 0 O 0 0 1 2 m之 内。夏季管道正下方 的多年冻 土 层仅较其他位置多融化 2 6 mm。结果表明采用保 温的浅埋管道对冻土层不会产生明显的影响。 现场实验的实测结果 与采用 ANAS YS 8 0的 模拟计算结果基本吻合 。实测与计算机模拟误差主 要产生于保温层接缝处。温度误差范围在 0 2 6到 0 8 8之间 ，热融圈误差范围在 0 0 8 0 1 4 m之 差 2 2 2 第 5 期 青藏铁路站 给水系统防冻融工程实验 1 4 3 间 。实测精度与模拟结果均符合工程精度要求 。 架空管道 由于采用冷基础 ，因而对冻土不产生 任何影响。 3 青藏铁路工程应用 经过 2年 的不冻泉给水 系统工 程实验结果 表 明，青藏高原多年冻土地区给水管道的铺设方式采 用浅埋式保温半柔性管材配合伴热电缆加热及 自动 控制系统 ，是合理和可行的。其实验结果 已在青藏 铁路格拉段冻土区建设 中全面应用 。其中包括 5个 车站、4个桥隧守护营地共 9处给水管道系统 。自 2 0 0 6年青藏铁 路投人 运行 至今 的实际运行 证 明， 即使在青藏高原恶劣的 自然环境下 ，采用适宜的工 程措施也可保证给水系统的正常运行 ，同时还可避 免对高原冻土层的破坏。 4 结论 ( 1 )通过计算机仿真模拟 、现场实验及工程应 2 用结果表明，在青藏高原低温冻土环境下，为保证 高原冻土区给水管道系统的正常运行，采用浅埋管 道形式 ，合理、适用 。而架空管道 由于散热快 、耗 电量大以及桩基不稳定等原因，不适宜采用。 ( 2 )由于冻土层含水率不同 ，在整个管道铺设 段无法使地基达到稳定，因而不适宜采用。实验中 采用的半柔性塑料管配合粗粒化基础可以克服冻土 不稳定及冻土季节融化后的积水排放问题。 ( 3 )采用 6 0 mm 厚聚酚醛 保温层及 1 5 W m 的伴热电缆在 自控系统操作下，浅埋管道铺设 在冻土层 中可 以防止 管 内存水冻结 ，保证正 常供 水 。在冬季最冷 日管内水温从 3下降到 0 5， 可维持 9 h以上 ，电加热升温仅需 1 5 h 。 ( 4 )浅埋管道中的存水及 电加热对冻土产生的 影响很小，冬季冻土热 融圈范围在 0 O 0 0 1 2 m 之 内。夏季管道正下方的多年冻土仅较其他位置多 融化 2 6 mm，不会对冻土产生明显影响。 参 考 文 献 姚莉 ，吴庆梅 藏高原气候变化特征 气象科技，2 0 0 2( 3 ) ：1 6 3 1 6 4 ( YA O L i ，wu Qi n g me i Me t e o r o l o g i c a l D i v e r s e C h a r a c t e r i n Qi n g h a b T i b e t P l a t e a u J Me t e o r o l o g i c a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，2 0 0 2( 3 ) ：1 6 3 1 6 4 i n Ch i n e s e ) 李新 ，陈圈栋 ，卢宁青藏高原气温分布的空间插值方法比较 l J 高原气象 ，2 0 0 3 ，2 2( 6 ) ：5 6 5 5 7 3 ( LI Xi n ，CHE N Gu o d o n g，L U Ni n g C o mp a r i s o n S t u d y o f S p a t ia l I n t e r p o l a t i o n Me t h o d s o f Ai r Te mp e r a t u r e o v e r 1 4 4 中国铁道科学 第 3 1 卷 I- 3 - 4 E 5 3 Qi n g h a i X i z a n g P l a t e a u J P l a t e a u Me t e o r o l o g y ，2 0 0 3 ，2 2( 6 ) ：5 6 5 5 7 3 i n C h i n e s e ) 栗健青藏铁路给排水管道保温材料的室内实验研究 J 铁道标准设计，2 0 0 6( 6 ) ：8 6 8 7 ( LI J i a n Th e I n t e r i o r Te s t S t u d y o n t h e Th e r ma l I n s u l a t i o n Ma t e r i a l o f W a t e r S u p p l y a n d Dr a i n a g e Pi p e s i n t h e Qi n g h a i- T i b e t R a i l w a y J R a i l wa y S t a n d a r d D e s i g n ，2 0 0 6( 6 ) ：8 6 8 7 i n C h i n e s e ) 栗健 ，土茂玉，吉华青藏铁路多年冻土区水源设计 I- J 铁道标准设计，2 0 0 2( 3 ) ：3 0 3 3 ( L I J ia n ，WANG Ma o y u ，J I Hu m D e s i g n o f Wa t e r S o u r c e f o r Qi n g h a i T i b e t R a i l w a y i n P e rm a f r o s t Z o n e r Ra i l wa y S t a n d a r d De s i g n， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 3 0 3 3 i n Ch i n e s e ) 胡清华，高盂理，王三反，等青藏高原太阳辐射热的计算与利用 J 兰州交通大学学报，2 0 0 5 ，2 4( 4 ) ： 62 6 7 ( HU Qi n g h u a ，GA O Me n g l i ，WAN G S a n f a n ，e t a 1 C a l c u l a t i n g a n d Us i n g S o l a r R a d i a t i o n i n Qi n g h a i - Ti b e t P 1 a t e a u L J J o u r n a l o f L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，2 0 0 5 ，2 4( 4 ) ：6 2 6 7 i n C h i n e s e ) Th e An t i _ Fr e e z e _ Th a w En g i n e e r i ng Ex p e r i m e nt o n t h e W a t e r S u p p l y S y s t e m a t t h e S t a t i o n A r e a o f Qi n g h a i T i b e t R a i l wa y WANG S a n f a n ，XU J i n g ， L0 We n b o ，WANG Ti n g ( 1 S c h o o l o f En v i r o n me n t a l a n d Mu n i c i p a l En g i n e e r i n g ，L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，L a n z h o u Ga n s u 7 3 0 0 7 0，Ch i n a ： 2 De p a r t me n t o f Bu i l d i n g En g i n e e r i n g， La n z h o u Po l y t e c h n i c a l Co l l e g e ，La n z h o u Ga n s u 7 3 0 0 5 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Ac c o r d i n g t o t h e n a t u r a l c o n d i t i o n s o f t h e Qi n g h a i Ti b e t P l a t e a u p e r ma f r o s t r e g l o n s a n d t h e e n - g i n e e r i n g r e q u i r e me n t s ，t h e e x p e r i me n t a l a n a l y s i s a n d c o mp a r i s o n we r e c a r r i e d o u t o n t wo k i n d s o f l a y i n g mo d e s f o r wa t e r s u p p l y p i p e l i n e ：s h a l l o w b u r i e d a n d o v e r h e a d Th e t y p e s o f p i p e i n s u l a t i o n a n d h e a t i n g a s we l l a s t h e i r i n f l u e n c e s c o p e o f t h e f r o z e n s o i l l a y e r we r e s t u d i e d，a n d t h e s u i t a b l e l a y i n g me t h o d s f o r t h e wa t e r s u p p l y p i p e l i n e a t t h e s t a t i o n a r e a o f Qi n g h a i - Ti b e t Ra i l wa y we r e d e t e r mi n e d Th e e x p e r i me n t a l r e - s u hs i n d i c a t e t h a t t h e p i l e f o u n d a t i o n o f t h e o v e r h e a d p i p e l i n e h a s d i f f e r e n t f r o s t - h e a v i n g f o r c e b e c a u s e o f i t s d i f f e r e n t wa t e r c o n t e n t Th e o v e r h e a d p i p e l i n e d e f o r ms s e r i o u s l y a f t e r t h e s e a s o n a l l y f r o z e n g r o u n d s u r f a c e me l t e d i n J u n e a n n u a l l y Mo r e o v e r ，t h e t e mp e r a t u r e o f t h e wa t e r i n t h e p i p e l i n e d r o p s s o q u i c k l v i n wi n t e r t h a t i t s h o u l d n o t b e a d o p t e d S i n c e t h e s h a l l o w b u r i e d p i p e l i n e u s e s t h e f l e x i b l e t u b i n g a n d c o o r d i n a t e s t h e t u b e b a s e t h i c k g r a n u l a t i o n t o g u a r a n t e e t h e b a s e s t a b i l i z a t i o n Th e t e mp e r a t u r e o f t h e wa t e r i n t h e p i p e l i n e ma y ma i n t a i n 9 5 h o n t h e c o l d e s t d a y i n wi n t e r ，a n d h e a t i n g o n l y n e e d s 1 5 h Th e i n f l u e n c e s c o p e o f t h e p i p e l i n e o n t h e f r o z e n s o i l i s o n l y 0 1 2 m Fi e l d e x p e r i me n t s a n d e n g i n e e r i n g h a v e p r o v e d t h a t t h e s h a l l o w- b u r i e d p i p e l i n e i s mo r e s u i t a b l e f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f wa t e r s u p p l y e n g i n e e r i n g a t t h e s t a t i o n a r e a o f Qi n g h a i Ti b e t Ra i l wa y Ke y w o r d s ：Qi n g h a i Ti b e t Ra i l wa y ；Wa t e r s u p p l y a t t h e s t a t i o n a r e a ；Wa t e r s u p p l y p i p e l i n e ；L a y i n g mo d e ；I n s u l a t i o n；Fr o z e n s o i l ( 责任编辑杨宁清)