嚴(yán)寒地區(qū)凍結(jié)非凍結(jié)物性參數(shù)對(duì)土壤自然溫度場(chǎng)的影響

嚴(yán)寒地區(qū)凍結(jié)非凍結(jié)物性參數(shù)對(duì)土壤自然溫度場(chǎng)的影響

0埋地的凍結(jié)溫度大多數(shù)管道都是埋地安裝的。管道沿線的溫度和濕度不僅隨管道輸入的溫度、流量、油氣水比例和物理關(guān)系而變化，還受土壤溫度場(chǎng)年周期性變化、延遲時(shí)間和土壤含水量的影響。尤其是嚴(yán)寒地區(qū),年最高氣溫平均值在35℃以上,年最低氣溫平均值在-30℃以下,年均溫度為3.2℃,埋地管道所在深度土壤長(zhǎng)期處于凍結(jié)狀態(tài)。有些學(xué)者對(duì)大型建筑物地基的凍害及防凍進(jìn)行了計(jì)算,也有些學(xué)者對(duì)土壤的凍結(jié)深度進(jìn)行了研究,為掌握土壤凍結(jié)與否對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響程度,本文首先測(cè)試了嚴(yán)寒地區(qū)土壤凍結(jié)及非凍結(jié)狀態(tài)的物性參數(shù),通過計(jì)算,分析土壤凍結(jié)及非凍結(jié)物性對(duì)不同深度處土壤自然溫度場(chǎng)的影響程度。1含水率、干密度的測(cè)定為測(cè)試嚴(yán)寒地區(qū)土壤的熱物理性質(zhì),現(xiàn)場(chǎng)取荒地、耕地、洼地、沼澤地等12個(gè)典型地點(diǎn)的粘土、粉質(zhì)粘土土樣,測(cè)量原狀土的含水率、干濕密度,非凍結(jié)及凍結(jié)狀態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù),測(cè)試結(jié)果如上表所示。2大氣溫度及土壤溫度大地變溫帶土壤自然溫度場(chǎng)計(jì)算,可以簡(jiǎn)化為第三類邊界條件下的半無限大物體一維周期性導(dǎo)熱問題。某一深度處任一時(shí)間的溫度計(jì)算公式如下:t0(x,τ)=tam+(tamax?tam)???exp(?πa?τ0???√?x)?cos(2πττ0?πa?τ0???√?x?Ψ)(1)?=(＜1+2λtα2?πa?τ0???√+2(λtα2πa?τ0???√)2)?0.5(2)Ψ=tg?1(11+(α2/λt)aτ0/π√)(3)式中:t0(x,τ)—τ時(shí)間x深度處的土壤溫度,℃;tαm—大氣年平均溫度,℃;tmax—大氣年最高溫度,℃;τ—距離最熱大氣溫度的時(shí)間,s;τ0—年周期時(shí)間,s;x—土壤深度,m;a—土壤的導(dǎo)溫系數(shù),m2/s;λt—管道周圍的土壤導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);α2—地表與大氣的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K)。參照延遲時(shí)間的定義及第一類邊界條件下半無限大問題的延遲時(shí)間求解結(jié)果,推廣得出第三類邊界條件下的延遲時(shí)間ξ為:ξ=πa?τ0√?x+Ψ(2π/τ0)(4)3土壤溫度、凍結(jié)時(shí)間一般集輸管道埋深小于1.5m,對(duì)土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí),土壤深度分別取0.2、0.5、0.8、1.0、1.5m。利用上述模型,依據(jù)表1給出的嚴(yán)寒地區(qū)土壤熱物性測(cè)試結(jié)果,取粉質(zhì)粘土非凍結(jié)及凍結(jié)狀態(tài)的平均導(dǎo)熱系數(shù)及導(dǎo)溫系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,對(duì)比分析土壤溫度場(chǎng)。非凍結(jié)粉質(zhì)粘土的平均導(dǎo)熱系數(shù)λt為1.11W/(m·K),導(dǎo)溫系數(shù)λt為4.15×10-7m2/s;凍結(jié)粉質(zhì)粘土的平均導(dǎo)熱系數(shù)λt為1.44W/(m·K),導(dǎo)溫系數(shù)為5.05×10-7m2/s。各種深度非凍結(jié)及凍結(jié)狀態(tài)計(jì)算的土壤溫度年變化曲線,如圖1所示,延遲時(shí)間、凍結(jié)天數(shù)隨深度的變化,如圖2～圖3所示。由圖1可見,土壤溫度隨時(shí)間做年周期性變化,各深度處土壤溫度受土壤是否凍結(jié)影響非常小。凍結(jié)與非凍結(jié)物性參數(shù)下,平均每天差值最大絕對(duì)值在1.5m處,為0.67℃。由圖2可見,隨著深度的增加,土壤溫度延遲時(shí)間增加;同一深度下,非凍結(jié)比凍結(jié)物性參數(shù)下的延遲時(shí)間長(zhǎng);隨著深度的增加,兩種物性參數(shù)下的延遲時(shí)間差別增大。在集輸管道埋深范圍內(nèi),用粉質(zhì)粘土非凍結(jié)及凍結(jié)物性參數(shù)計(jì)算出的延遲時(shí)間最大差3.79d,占總延遲時(shí)間的8.6%。由圖3可見,隨著深度的增加,土壤溫度凍結(jié)時(shí)間減少,達(dá)到某一深度時(shí),不出現(xiàn)凍結(jié)。同一深度下,非凍結(jié)物性參數(shù)下比凍結(jié)物性參數(shù)下計(jì)算的凍結(jié)時(shí)間短;隨著深度的增加,兩種物性參數(shù)下計(jì)算的凍結(jié)時(shí)間差別增大。在集輸管道埋深范圍內(nèi),用粉質(zhì)粘土平均非凍結(jié)及凍結(jié)物性參數(shù)計(jì)算出的凍結(jié)時(shí)間最大差2天(1.5m處),占總凍結(jié)時(shí)間的1.4%。由上述分析可知,對(duì)同一種土,按非凍結(jié)及凍結(jié)狀態(tài)物性參數(shù)計(jì)算的土壤溫度場(chǎng)、延遲時(shí)間、凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)起始時(shí)間差別很小,因此在集輸管道運(yùn)行管理熱力計(jì)算分析時(shí),可以不考慮凍結(jié)及非凍結(jié)狀態(tài)物性下自然土壤溫度場(chǎng)的差別,土壤按常物性處理。4土壤凍結(jié)對(duì)凍結(jié)的影響(1)給出了凍結(jié)及非凍結(jié)狀態(tài)嚴(yán)寒地區(qū)土壤熱物性測(cè)試結(jié)果;(2)分析了土壤