一种多年冻土区输电塔基制冷结构.pdf

本发明涉及一种多年冻土区输电塔基制冷结构，包括天然地表，塔基，多孔介质层，土工布。在开挖天然地表坑中，浇筑塔基周围铺设多孔介质层，在多孔介质层上部铺设土工布，土工布上方填埋天然地表层。本发明采用多孔介质层降低土体温度，阻隔水分迁移、排泄积水，可防止土体冻胀、塔基融沉与冻拔等病害发生，此外，由于多孔介质层埋设与塔基周围，天然地表以下，能够较快的消除工程扰动所带来的热影响效应。

权利要求书
1.  一种多年冻土区输电塔基制冷结构，包括天然地表（1），塔基（2），多孔介质层（3），土工布（4），其特征是在开挖天然地表（1）坑中，浇筑塔基（2）周围铺设多孔介质层（3），在多孔介质层（3）上部铺设土工布（4），土工布（4）上方填埋天然地表层（1）。

2.  根据权利要求1所述一种多年冻土区输电塔基制冷结构，其特征是多孔介质层（3）至少为炉渣层、碎块石层、木屑层中的一种，其中炉渣，碎块石，木屑孔隙率为0.20~0.40。

3.  根据权利要求1所述一种多年冻土区输电塔基制冷结构，其特征是多孔介质层（3）水平方向宽度为塔基基础底部宽度的1.5~2倍，竖直方向厚度为80cm~160cm。

说明书一种多年冻土区输电塔基制冷结构
技术领域
本发明专利涉及一种利用多孔介质层的隔热降温性能与排水作用的输电塔基基础结构。适合用于维持多年冻土区塔基基础的稳定。

背景技术
随着国家经济发展，在多年冻土区的输电工程逐渐增加。多年冻土区塔基在修建运营过程中，地层温度升高，从而造成冻土的融化，基础下沉，塔基上部构筑物的稳定性能及服役性能受到威胁。现采用制冷措施为热棒技术，其成本较高，施工复杂。因此，研发一种结构简便，成本低廉的输电塔基制冷结构，维持塔基上部构筑物的稳定具有重要意义。
自1998年Harris在野外发现块碎石层具有制冷作用后，这一功能被广泛应用到多年冻土区的路基结构中。目前有关利用块碎石层降温的专利有：“块碎石聚冷路基”（专利号：200520079261.3，块石层厚度0.9m~1.5m，粒径15~30cm）；“一种冻土区高速公路片块石通风路基”（专利号：201120560303.0，块石层厚度1.0m~2.0m，粒径10~30cm）；“一种防止寒区道路翻浆的新型路基结构”（专利号：201010272125，碎石层厚度为50cm-80cm，碎石粒径为5cm-20cm）。
目前，已有专利全是针对路基工程，对粒径、厚度及材料类型进行了限制。已有专利将多孔介质材料限定为块/碎石材料。冻土区输电塔基与路基差异显著，在利用多孔介质层的降温功能时，其铺设要求与路基完全不同。由于水平与竖直方向载荷较小，铺设在塔基周围的多孔介质层强度要求较低，对多孔介质的材料类型没有限制，能满足孔隙率要求即可，同时由于多孔介质层铺设于地表以下，其能够较快的消除工程扰动所带来的热影响效应。
发明内容
基于上述，本发明专利的目的在于提供一种多年冻土区输电塔基制冷结构，利用多孔介质层的热二极管效应和多孔介质隔热性能对塔基执行制冷，配套其它附属结构排水，达到维持塔基稳定的目的。本发明的创新性和新颖性体现在：（a）利用多孔介质的传热特性，而不是限定某一种特定材料；（b）为多年冻土塔基的稳定性控制提供了新技术；（c）给出了保障制冷效果的多孔介质孔隙率参数。
本发明专利的目的是通过以下措施来实现：
一种多年冻土区输电塔基制冷结构，包括天然地表，塔基，多孔介质层，土工布。在天然地表开挖坑中，浇筑塔基周围铺设多孔介质材料，在多孔介质层上部铺设土工布，土工布上方填埋天然地表层。
上述多孔介质至少为炉渣层、碎块石层、木屑层的一种，其中炉渣，碎块石，木屑孔隙率为0.20~0.40。
上述多孔介质层水平方向宽度为塔基基础底部宽度的1.5~2倍，竖直方向厚度为80cm~160cm。
本发明专利的优点和产生的有益效果是：
1、多孔介质层具有热半导体效应，冷季发生自然对流与强迫对流，促使下部土体温度降低；暖季有效导热系数较低，起到热传导隔热的作用。多孔介质层可以有效降低土体温度，从而保证塔基的长期热稳定。其次，多孔介质层还可以隔断水分向上迁移，从而防止土体冻胀、塔基冻拔病害发生。
2、结构简单，材料不受限制，有较好的推广前景。
附图说明
图1 为本发明专利结构横断面图。
图2为本发明专利4月15日（冷季）的模拟多孔介质层内速度分布图。
图3为本发明专利7月15日（暖季）的模拟多孔介质层内速度分布图。
图4是本发明专利模拟第10年10月15日塔基基础的温度等值线图。
图5是本发明专利模拟第10年10月15日多孔介质层+塔基基础的温度等值线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过以下实施例对本发明专利的技术方案予以进一步说明：
本实施例中多孔介质3采用炉渣。炉渣内部孔隙度较大，孔隙度为0.35。空气弥散在其中，各空隙相互连通。冷季炉渣层发生自然对流与强迫对流，促使下部土体温度降低；暖季炉渣层有效导热系数较低，起到热传导隔热的作用。
如图1所示，一种多年冻土区输电塔基制冷结构，包括天然地表1，塔基2，多孔介质层3和土工布4。塔基2为灌注锥柱式基础。在天然地表1开挖输电塔基坑中，浇筑塔基2的周围铺设多孔介质层3，多孔介质层宽度为塔基基础底部宽度的1.5~2倍，并且压实多孔介质层3，厚度为80cm~160cm，用于降低塔基2周围土体温度。在多孔介质层3上部铺设土工布4，土工布4铺设范围为300cm×300cm。土工布4上方填埋天然地表层1。
本发明通过数值模拟仿真的方法对塔基基础、多孔介质层+塔基基础的温度场进行对比分析，图2是01月15日（冷季），图3是7月15日（暖季）的模拟多孔介质层内速度分布图，由图2可知：冷季多孔介质层内部对流较强，在塔基基础附近形成向下的对流漩涡，有利于外部“冷能”的传入，内部热量的传出；由图3可知：暖季多孔介质层内部对流较弱，在塔基基础附近形成向上的对流漩涡，有利于阻止外部热量的传入。图4是模拟第10年10月15日塔基基础，图5是多孔介质层+塔基基础的温度等值线图，对比分析图4、图5可知：塔基运营10年后，多孔介质层有效的提高塔基周围的冻土上限，较未设置多孔介质层的塔基，上限抬高约0.3m，使塔基底部周围的土质始终处于冻结状态。通过图5分析可知：多孔介质层+输电塔基基础结构能有效的降低塔基基础周围土体的温度，对于主要考虑融沉变形的塔基基础而言十分有利，提高了输电塔基热稳定性，有利于输电塔基下部冻土的保护。