一种适用于多年冻土区的通风冷却装置及施工方法 |
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| 申请号 | CN202311775627.X | 申请日 | 2023-12-21 | 公开(公告)号 | CN117845676A | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 中交第一公路勘察设计研究院有限公司; | 发明人 | 陈建兵; 袁堃; 杜浩维; 金龙; 樊凯; 李金平; 陈盼; 汪明天; 孙冠临; 陈晓丽; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种适用于 多年冻土 区的通 风 冷却装置及施工方法，装置包括嵌套设置的外管和内管，两者共同形成在下端贯通的第一和第二通道，内管的下方设置有重 力 翻板 阀 ，其能够在重物的重力作用下翻转，并带动重物落入下方空间；本发明所述装置通过设置通道引导冷空气循环 对流 ，在外管周边产生降温效果，进而对冻土进行冷却；通过设置重力翻板阀，不仅能减小内管下方的连通口长度， 加速 空气流动，提高 散热 导冷效率；还能将通道内的积 冰 或异物快速排出，避免通道堵塞；此外，本装置占地面积小，埋设安装方便且能够工后施工，适用于在役公路的补强修复；本发明所述施工方法，能够高效安全地完成上述装置的施工，且对冻土扰动小，适用于高寒地带。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种适用于多年冻土区的通风冷却装置，其特征在于，包括嵌套设置的外管(1)和内管(2)； |
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| 说明书全文 | 一种适用于多年冻土区的通风冷却装置及施工方法技术领域背景技术[0002] 冻土是一种特殊的含有冰的土壤或者岩石，作为气候和地质因素综合作用下的产物，工程性质会随外界气温冷暖波动，表现出冻胀和融沉特性。受全球气候转暖以及人类工程活动的影响，公路路基下方多年冻土层极易发生温度升高、冻结层融化的现象，在反复的冻融循环过程中，冻胀和融沉交替产生，导致修筑于冻土地基之上的公路工程病害频发，严重影响道路的正常服务水平，造成时间的浪费和运输成本的提高。 [0003] 通风路基采用对流换热原理，有效提高了冻土地基稳定性，是一种顺应冻土生存发育的工程措施，近年来调查结果表明，该措施在冻土工程中的应用效果突出，其调控过程表现为强制对流条件下路基内热流阻断、壁面换热以及耗散蒸发的热量转移，进而降低地基温度从而对多年冻土地基产生保护效果。但通风管在使用过程中仍存在一些不足之处，具体表现为：一、散热效率低，仅依靠空气自然对流带走管内热量，难以满足大多数工程需要；二、管内积冰及杂物侵入堆积容易堵塞管道，当温度过低时，会在通道壁上形成冰环，而冰环掉落堆积容易阻塞通道，导致空气流动受阻，装置失效。 发明内容[0005] 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案： [0006] 一种适用于多年冻土区的通风冷却装置，包括嵌套设置的外管和内管；所述外管埋设于冻土且其上端延伸至大气，所述内管的上端伸出所述外管的管口并安装有排风机构，所述外管和所述内管之间形成有第一通道，所述内管的管道内形成有第二通道，所述第一通道和所述第二通道在所述内管的下端贯通；所述外管内设有重力翻板阀，所述重力翻板阀位于所述内管的下方，所述重力翻板阀能够在重物的重力作用下翻转，并带动重物落入所述重力翻板阀的下方空间。 [0007] 本发明所述冷却装置，通过嵌套设置的外管和内管形成供空气向内流动的第一通道和供空气向外流动的第二通道，第一通道与冻土层通过外管的管壁相邻，使得第一通道内的空气能够吸收冻土层中的热量，并通过第二通道将热量带出冻土层，可实现冻土的快速散热导冷，有利于维持冻土地基的稳定； [0008] 同时，通过在内管的上端安装排风机构，能够加速第一通道和第二通道内的空气流动，提高装置的散热效率； [0009] 同时，通过在内管的下方设置重力翻板阀，不仅能够减小第一通道和第二通道连通处的开口长度，加快空气流动，从而提高散热导冷效率；还能够将管内形成并掉落的冰块或风沙侵入的异物从第一通道和第二通道中快速排出，避免堆积造成通道堵塞； [0010] 同时，本冷却装置的水平占地面积小，埋设安装方便且能够工后施工，不仅适用于未建或在建项目，还适用于在役公路的补强修复，适用范围广且路基强度和稳定性的提升效果明显。 [0011] 作为本发明的优选方案，所述重力翻板阀包括转杆和阀板，所述转杆的两端固定于所述外管，所述阀板转动安装于所述转杆，且所述转杆位于所述阀板的中轴线；该结构形式构成简单、安装方便，并且转杆位于阀板的中轴线，可使阀板的转动能够更加顺畅地进行。 [0013] 作为本发明的优选方案，所述重力翻板阀的下方设置有镂空渗流槽；可将冰块融化的冷水渗入冻土。 [0014] 作为本发明的优选方案，所述排风机构包括风叶和驱动装置，所述风叶安装在所述内管的上端。 [0015] 作为本发明的优选方案，所述驱动装置为球形涡轮和/或电机；设置所述球形涡轮能够利用自然风力推动所述风叶转动，且所述球形涡轮为单向转动，不会改变管内空气流向；电机能在自然风力不足时驱动所述风叶转动。 [0016] 作为本发明的优选方案，所述内管的管道内安装有温控式风门；设置所述温控式风门，使得所述冷却装置能够在高温或温热时段自动关闭所述第二通道，避免热量传入而加剧冻土融沉。 [0017] 作为本发明的优选方案，所述外管为导热材质结构件，导热材质能够加快冻土中的热量向所述第一通道内传递，有利于提高冷却效果；所述外管延伸至大气的管壁设有保温层，保温层能够减少外界热量通过所述外管的管壁向冻土传递。 [0018] 作为本发明的优选方案，所述外管/所述内管在冻土内竖直或倾斜设置；竖直设置便于制作和安装；倾斜设置能够增大侧向支撑力，提高抗倾覆能力，还能够增大装置的冷却半径，提高冷却效果。 [0019] 一种通风冷却装置的施工方法，包含上述的一种适用于多年冻土区的通风冷却装置，包括如下步骤： [0020] S1.定位：在道路路基的两侧确定安装点位，所述安装点位沿道路纵向间隔设置并对称分布于道路两侧； [0021] S2.打钻：在所述安装点位干钻并形成钻孔； [0022] S3吊装：抬升所述冷却装置，将所述外管的下端靠近所述钻孔的孔口，并保证所述外管平行于所述钻孔的轴向； [0023] S4.安装：将所述冷却装置放入所述钻孔，并使用固定装置支撑固定； [0024] S5.回填：利用细砂回填所述钻孔与所述外管之间的空隙，待细砂冻结后拆除所述固定装置。 [0025] 本发明所述施工方法，将冷却装置沿道路纵向间隔设置且对称分布于道路两侧，可实现全路段冻土的散热导冷，并能够防止道路路基发生不均匀沉降； [0026] 同时，采用干钻的方法在道路路基两侧打钻成孔，不仅能够保证钻孔质量，减少裂纹和畸形的产生，而且钻孔的开设对水源需求少，适用于高寒高海拔多年冻土区的施工； [0027] 同时，采用细砂回填空隙，并待细砂冻结后拆除固定装置，可利用冻土的冻胀特性实现对冷却装置的快速固定，施工简单方便且对冻土的破坏小。 [0028] 与现有技术相比，本发明的有益效果： [0029] 1.本发明所述冷却装置，通过嵌套设置的外管和内管形成供空气向内流动的第一通道和供空气向外流动的第二通道，第一通道与冻土层通过外管的管壁相邻，使得第一通道内的空气能够吸收冻土层中的热量，并通过第二通道将热量带出冻土层，可实现冻土的快速散热导冷，有利于维持冻土地基的稳定；通过在内管的上端安装排风机构，能够加速第一通道和第二通道内的空气流动，提高装置的散热效率；通过在内管的下方设置重力翻板阀，不仅能够减小第一通道和第二通道连通处的开口长度，加快空气流动，从而提高散热导冷效率；还能够将管内形成并掉落的冰块或风沙侵入的异物从第一通道和第二通道中快速排出，避免堆积造成通道堵塞；本冷却装置的水平占地面积小，埋设安装方便且能够工后施工，不仅适用于未建或在建项目，还适用于在役公路的补强修复，适用范围广且路基强度和稳定性的提升效果明显。 [0030] 2.优选的方案中，通过在重力翻板阀的下方设置镂空渗流槽，可将冰块融化的冷水快速渗入冻土，促进冻土的进一步降温。 [0031] 3.本发明所述施工方法，将冷却装置沿道路纵向间隔设置且对称分布于道路两侧，可实现全路段冻土的散热导冷，并能够防止道路路基发生不均匀沉降；采用干钻的方法在道路路基两侧打钻成孔，不仅能够保证钻孔质量，减少裂纹和畸形的产生，而且钻孔的开设对水源需求少，适用于高寒高海拔多年冻土区的施工；采用细砂回填空隙，并待细砂冻结后拆除固定装置，可利用冻土的冻胀特性实现对冷却装置的快速固定，施工简单方便且对冻土的破坏小。附图说明： [0032] 图1为本发明所述冷却装置的结构示意图一。 [0033] 图2为图1中A部详图。 [0034] 图3为本发明实施例1的安装示意图。 [0035] 图4为本发明所述冷却装置的结构示意图二。 [0036] 图5为本发明实施例2的安装示意图一。 [0037] 图6为本发明实施例2的安装示意图二。 [0038] 图7为本发明所述冷却装置的布置示意图。 [0039] 图8为本发明所述外管和内管的截面形式图。 [0040] 图9为本发明所述球状叶片的结构示意图。 [0041] 图中标记：1‑外管，2‑内管，3‑第一通道，4‑第二通道，5‑球形涡轮，6‑电机，7‑温控式风门，8‑防护挡板，9‑可调颈管，10‑重力翻板阀，11‑镂空渗流槽。 具体实施方式[0042] 下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。 [0043] 实施例1 [0044] 如图1‑3所示，一种适用于多年冻土区的通风冷却装置，包括嵌套设置的外管1和内管2，其中，外管1埋设在冻土层内，且其上端伸出冻土层并延伸至外界大气，内管2位于外管1的管道内，外管1的管壁和内管2的管壁之间形成有第一通道3，内管2的管道内形成有第二通道4，第一通道3和第二通道4在内管2的下端贯通。 [0045] 本领域技术人员可以理解，外管1和内管2均为管状结构件，且外管1的内径大于内管2的外径，使得内管2能够嵌套放置在外管1的管道内，并通过二者的管壁区分出第一通道3和第二通道4；外管1的管身直接埋设在冻土层中，使得第一通道3中的空气能够通过管壁与冻土层进行热量交换，这就要求外管1在冻土内具有一定的埋设长度，以使热量交换能够较为充分地进行。 [0046] 需要说明的是，外管1和内管2位于或靠近冻土层的一端为下端，相应的，伸出或远离冻土层的一端为上端。 [0047] 第一通道3和第二通道4在内管2的下端贯通，即可在内管2的下端设置开口，并将该开口置于外管1的管道内，使得第一通道3和第二通道4能够通过该开口而进行气流交换。 [0048] 具体的，外管1和内管2可以是圆管、方管或其它形状的管状结构件。 [0049] 具体的，内管2可以位于外管1的中部而不与外管1共用管壁，如图8中(a)、图8中(b)；或者，内管2与外管1共用一个或多个管壁，如图8中(c)；只需满足内管2和外管1之间能够形成与冻土层接触的第一通道3，和与第一通道3在下端贯通的第二通道4即可。 [0050] 优选的，本实施例中，内管2位于外管1中部而不与外管1共用管壁，并且，在外管1和内管2之间设置有辅助支撑支架用于维持内管2的位置稳定，如此结构形式能够增大冻土层与第一通道3的接触面积，促进热量传递，提高装置的冷却效率。 [0051] 内管2的上端伸出外管1的管口并安装有排风机构，排风机构可以将内管2中即第二通道4内的空气从内管2的上端开口排出，而第一通道3和第二通道4在内管2的下端贯通，使得第一通道3中的空气流向第二通道4，进而实现空气从外界大气依次流经第一通道3、第二通道4，再从内管2的上端流出的循环过程；同时，为了降低空气流入第一通道3和流出第二通道4两个过程之间相互影响，可将内管2伸出外管1的管口。 [0052] 此外，为了防止外界雨雪及异物通过外管1进入通风管，可在外管1的上端设置防护挡板8，防护挡板8可固定在内管2的管壁。 [0053] 本领域技术人员可以理解，当管道的内外温差过大、制冷过快，容易在外管1和内管2之间形成冰环，在重力作用下冰块会下落堆积在外管1的底部，若外管1的底面距内管2的下端管口过近，则很容易被堆积的冰块堵塞，造成冷却装置失效，而若外管1的底面距内管2的下端管口过远，则会在下方形成空气停滞区，影响空气流动，进而降低装置的散热效率，为此，可在内管2的下方安装重力翻板阀10。 [0054] 重力翻板阀10为能够根据施加在其上重物的重力/压力大小而进行翻转活动的阀门式结构件，通常包括转轴和能够绕转轴转动的板件，将重力翻板阀10安装在管道中，可利用板件对管道进行阻隔，控制其中的空气流向，而当有冰块落至重力翻板阀10，板件能够在冰块重力的作用下翻转，并带动冰块从重力翻板阀10上滑落掉入重力翻板阀10的下方空间，使得冰块不会堆积在第一通道3和第二通道4内而造成堵塞。 [0055] 进一步地，重力翻板阀10可固定安装在外管1的管壁上，并与内管2的下端开口之间留有一段间距，该间距能够满足重力翻板阀10的转动需要，以及第一通道3和第二通道4之间的空气流动需要，并且能够容纳放置一定量的冰块，避免冰块重力尚不足以推动重力翻板阀10转动时，造成通道堵塞。 [0056] 进一步地，重力翻板阀10的下方空间可通过延长外管1获得，可在外管1的下端设置开口，使得冰块从重力翻板阀10上滑落后，能够在下部空间融化并流入冻土层中。 [0057] 具体的，重力翻板阀10可以由转杆和转动安装在转杆上的阀板组成，其中，转杆的两端固定于外管1的管壁，当阀板垂直于外管1轴向时，能够较好地对外管1管道进行阻隔，当冰块落下时，阀板可以绕转杆转动，使得冰块能够掉落。 [0058] 具体的，对于方形管道，重力翻板阀10可以由两个对称阀板组成，阀板的一侧与管道的内壁铰接，当冰块落下时，阀板能够向管道内壁转动，使得冰块能够掉落。 [0059] 因此，本发明所述冷却装置，通过嵌套设置的外管1和内管2形成供空气向内流动的第一通道3和供空气向外流动的第二通道4，第一通道3与冻土层通过外管1的管壁相邻，使得第一通道3内的空气能够吸收冻土层中的热量，并通过第二通道4将热量带出冻土层，可实现冻土的快速散热导冷，有利于维持冻土地基的稳定；通过在内管2的上端安装排风机构，能够加速第一通道3和第二通道4内的空气流动，提高装置的散热效率；通过在内管2的下方设置重力翻板阀10，既能够减小第一通道3和第二通道4连通处的开口长度，加快空气流动，从而提高散热导冷效率；又能够将管内形成并掉落的冰块或风沙侵入的异物从第一通道3和第二通道4中快速排出，避免堆积造成通道堵塞。 [0060] 本发明的冷却装置的水平占地面积小，埋设安装方便且能够工后施工，不仅适用于未建或在建项目，还适用于在役公路的补强修复，适用范围广且路基强度和稳定性的提升效果明显。 [0061] 优选的方案中，重力翻板阀10由阀板和转杆组成，转杆的两端固定于外管1的管壁，并与外管1的轴向垂直，阀板转动安装在转杆上，阀板的形状可契合并略小于外管1的内壁，使得阀板既能够较好地阻挡通道，又能够在通道内顺畅转动，同时，转杆位于阀板的中轴线，可使阀板的转动能够更加容易进行；该结构形式制作简单，在管道内安装方便。 [0062] 进一步地，重力翻板阀10上还设置有复位装置，可将转动后的阀板恢复为垂直于外管1的轴向，使得重力翻板阀10能够重复使用。 [0063] 具体的，复位装置可以是复位弹簧，如套设在转杆上的扭转弹簧或两端分别连接阀板和管壁的拉伸弹簧，当冰块带动阀板转动时，扭转弹簧/拉伸弹簧压缩储能，当冰块滑落时，扭转弹簧/拉伸弹簧的恢复力能够将阀板复位。 [0064] 具体的，复位装置可以是设置在阀板下方的复位配重，通过降低阀板重心的方式，可以使得转动后的阀板能够在自身重力的作用下自动复位。 [0065] 优选的方案中，重力翻板阀10的下方设置有镂空渗流槽11，当冰块从重力翻板阀10滑落后，会在下方堆积并逐渐融化成冷水，为了将冷水快速排出通道，可在重力翻板阀10的下方设置镂空渗流槽11，用于引导冷水流动并快速渗流进入冻土层。 [0067] 优选的方案中，排风机构包括风叶和驱动装置，且风叶安装在内管2的上端开口处，本领域技术人员可以理解，风叶的转动可以带动气流从一侧流向另一侧，设置在内管2的上端开口，则可通过驱动风叶转动将内管2中的空气排出，进而带动空气在第一通道3和第二通道4内流动。 [0068] 进一步地，驱动装置为用于驱动风叶转动的装置，驱动装置可以为球形涡轮5和/或电机6，其中，球形涡轮5为能够在风力推动下转动的结构件，包括球状叶片和传动轴杆，球状叶片由多个叶片环形交叠布置形成一个球状结构，并且相邻两叶片之间留有开口，如图9，当空气流经球状叶片时，能够从一侧进入开口并推动球状叶片转动，进而通过传动轴杆带动风叶转动；由于空气只能从一侧进入开口，故在自然风力的作用下，球形涡轮5只能单向转动，不会改变管内的空气流向，同时，球形涡轮5的结构强度高，不易损坏，适用于高寒高海拔多年冻土区。 [0069] 进一步地，驱动装置还可为电机6，可单独设置电机6并将其与风叶相连，通过电力推动风叶单向转动，实现管内空气的排出；也可将电机6设置在球形涡轮5的传动轴杆上，当风力较大时，由自然风力推动球形涡轮5带动风叶转动，当自然风力不足时，则可启动电机6，由电力推动风叶转动。 [0070] 特别的，可以设置自动控制装置，通过检测通风管的内外温差或自然风力大小，来控制电机6的启闭和档位调节，使得电机6能够在内外温差大且管外温度低于管内温度时，和/或自然风力不足时，自动开启或加大功率，进而提高冷却装置的散热效率，而在内外温差小或自然风力足够时，电机6能够自动关闭，进而节省电力消耗。 [0072] 优选的方案中，内管2的管道内安装有温控式风门7，本领域技术人员可以理解，温控式风门7为能够根据温度状况切换启闭状态或调节开合大小的阀门式装置，通过设置温控式风门7，可以在高温或温热时段自动关闭第二通道4，避免外界热空气在通风管内循环，加剧冻土融沉。 [0075] 优选的方案中，外管1延伸至大气的管壁设有保温层，保温层能够防止外界热量通过外管1的管壁向冻土传递，造成管壁周边的冻土融沉。 [0077] 本冷却装置的工作原理： [0078] 当大气温度较低时，排风机构能够促使大气中的冷空气从外管1的上端开口进入第一通道3，在第一通道3中吸收冻土层中的热量，再经由第二通道4从内管2的上端开口排出，实现冻土层的散热导冷。 [0079] 当内外温差过大，第一通道3中容易形成冰环，当温度升高，冰块掉落到重力翻板阀10上，重力翻板阀10在冰块的重力作用下翻转，并带动冰块落入下方空间，在下方空间中，冰块继续吸热融化成冷水，并通过镂空渗流槽11流入冻土层。 [0080] 实施例2 [0081] 如图4‑6所示，本实施例与实施例1的主要区别在于，本实施例的外管1和内管2在冻土内倾斜设置，倾斜设置不仅能够增大冻土层对外管1的侧向支撑力，提高冷却装置的抗倾覆能力，还能够增大冷却装置的冷却半径，提高散热降温能力。 [0082] 具体的，可将外管1和内管2设置为直线形结构，并倾斜安装在冻土层中，如图6；也可将外管1和内管2设置为折弯形结构，折弯下段倾斜埋设安装在冻土层中，折弯上段则竖直设置在冻土层外，如图5。 [0083] 进一步地，为了使球形涡轮5获得最佳的迎风效果，可在内管2的上部设置可调颈管9，可调颈管9为弯折长度和角度能够调节的连接管件，将之设置在风叶和球形涡轮5的下方，可通过调节可调颈管9的倾斜角度，使球形涡轮5能够获得最佳迎风效果。 [0084] 具体的，可调颈管9可以是波纹管、可折弯软管等。 [0085] 实施例3 [0086] 本实施例提供一种通风冷却装置的施工方法，包括如实施例1和2描述的一种适用于多年冻土区的通风冷却装置，包含如下步骤： [0087] S1.定位：在道路路基的两侧确定安装点位，安装点位沿道路纵向间隔设置并对称分布于道路两侧； [0088] S2.打钻：在所述安装点位干钻并形成钻孔； [0089] S3.吊装：利用吊机抬升冷却装置，将外管1的下端靠近钻孔的孔口，并保证外管1平行于钻孔的轴向； [0090] S4.安装：将冷却装置放入钻孔，并使用固定装置支撑固定； [0091] S5.回填：利用细砂回填钻孔与外管1之间的空隙，待细砂冻结后拆除固定装置。 [0092] 本领域技术人员可以理解，对于冻土区的道路路基工程，冷却装置应沿道路的纵向间隔布置，以实现道路全路段的散热导冷，同时为了防止道路路基发生横向不均匀沉降，可将冷却装置对称设置在道路路基的两侧，如图7；此外，如果冷却装置的安装过于密集，则一个冷却装置排除的热空气容易被另一个冷却装置吸收，影响散热效率，故优选的，安装点位之间的间距大于或等于10米。 [0093] 在确定好安装点位后，可利用潜孔钻机在安装点位循环钻进形成钻孔，钻进方法上采用干钻，有利于提高钻孔质量，并降低对冻土的影响，当然，可视地层情况加入少量冷水；钻孔的深度可比设计的外管1埋深大10～20厘米，而外管1在冻土活动层内的埋深可大于或等于1米，以获得较好的散热效果。 [0094] 钻孔开设好后，可利用吊机将冷却装置缓慢竖向提升，并移动至安装点位，调整外管1的位置，使得外管1的下端对齐钻孔的孔口，且外管1的轴向与钻孔的轴向平行；接着，将冷却装置缓慢自然下放，不得强行安装，以免下放过程中外管1碰撞孔壁造成塌孔，或孔壁冻土脱落降低钻孔深度。 [0095] 待下放至设计深度后，利用固定装置对冷却装置进行支撑固定，并且使用细砂填灌外管1与钻孔之间的空隙，细砂中不得混入木屑、石块等杂物，以免造成出现空隙或回填不实，待细砂冻结后即可拆除固定装置，冷却装置安装完成。 [0096] 本发明所述施工方法，将冷却装置沿道路纵向间隔设置且对称分布于道路两侧，可实现全路段冻土的散热导冷，并能够防止道路路基发生不均匀沉降；采用干钻的方法在道路路基两侧打钻成孔，不仅能够保证钻孔质量，减少裂纹和畸形的产生，而且钻孔的开设对水源需求少，适用于高寒高海拔多年冻土区的施工；采用细砂回填空隙，并待细砂冻结后拆除固定装置，可利用冻土的冻胀特性实现对冷却装置的快速固定，施工简单方便且对冻土的破坏小。 |
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