Model tests on thermal response of phase-change pile in saturated silt foundation
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摘要: 利用复合相变材料制备了相变混凝土能源桩，并在粉土中开展了相变桩热力响应模型试验，在此基础上建立了能源桩有限元模型，对比分析了相变桩和普通桩的热响应特性。结果表明：在夏季(10℃→40℃→10℃、10℃→25℃→10℃)和冬季(16℃→5℃→16℃)工况下的热响应过程中，相变桩的桩身温度变化幅度均小于普通桩，有利于缓解桩周土体热堆积效应的作用。相变陶粒的掺入减少了能源桩在热交换过程中由桩土热膨胀引起的位移。Abstract: The phase-change concrete energy pile is prepared by using the composite phase-change materials, and the thermal response model tests on the phase-change pile is carried out in silt. On this basis, the finite element model for energy pile is established, and the thermal response characteristics of the phase-change pile and ordinary pile are compared and analyzed. the results show that during the thermal response process in summer (10 ℃→40 ℃→10 ℃, 10 ℃→25 ℃→10 ℃) and winter (16 ℃→5 ℃→16 ℃). The variation range of temperature of the phase-change pile is smaller than that of the ordinary pile, which is helpful to alleviate the thermal accumulation effects of the soil around the pile. The addition of phase-change ceramsite reduces the displacement of the energy pile caused by the pile-soil thermal expansion during the process of heat exchange.
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Keywords:
- saturated silt /
- phase-change material /
- energy pile /
- thermal response /
- model test
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0. 引言
北疆干旱地区某平原水库位于天山北缘山前冲洪积下部细土平原区。水库经四面筑坝围成，主要构筑物包括大坝、放水(兼放空)涵洞、入库建筑物等，总库容2.81亿m3，属大(2)型水库。自工程投入运行以来，有力支撑了北疆地区的工、农业用水。然而，受不良地质和恶劣环境影响，水库运行存在风险隐患。影响因素主要体现在：大坝基础为深覆盖层软基，主要为第四系全新统洪积低液限粉土和低液限黏土，局部夹薄层的透镜体粉细砂层；库区地处新疆内陆干旱地区，蒸发量大，地下水含盐量高，对普通水泥具有结晶类硫酸盐强侵蚀性；地区冬季气温极低，极端最低气温可达-40℃。软基蠕变、反复冻融、盐害等问题长期威胁着水库运行安全。
渗流破坏是水库大坝的主要破坏形式之一，也是最值得关注的破坏类型[1-4]。平原水库一旦发生渗流破坏，后果不堪设想。目前来看，库水位变化、坝体反复冻融等原因对坝体内渗流性状产生影响。鉴于此，有必要根据工程地质勘察、渗流监测、安全检测等资料，结合渗流计算对大坝渗流进行安全评价，进一步掌握坝体渗流规律，指导运管实际工作。
1. 渗流监测与分析
为解决坝体渗流排水问题，本工程在坝后设置了排水系统，包括纵向和横向排水。纵向排水设置成明沟排水，在距下游坝坡脚66~88 m，环绕中坝、东坝、西坝平行坝轴线布置，总长10.5 km。横向排水垂直坝轴线设置，即每70 m设一道，其余坝段每100 m一道，环绕中坝、东坝、西坝垂直坝轴线布置，横向排水首端接下游坝坡脚的排水棱体，末端接纵向排水沟。沟底铺设40 cm反滤料及20 cm砂砾料。
根据前期工作安排，此水库渗流监测项目包括：渗透压力观测(自动化安全监测项目)、坝体渗透水位观测、围坝下游地下水位、坝后排水沟渗流观测。
1.1 渗流观测布设情况
(1) 坝基、坝体观测仪器布设
大坝共布设11个观测断面，共计125只GKD型钢弦式孔隙水压力计，布设情况如图 1所示。其中，东坝设2个观测断面，西坝设一个观测断面，上述3个断面的仪器主要用来观测东、西副坝坝体及坝基软弱夹层处孔隙水压力消散情况；中坝两个圆弧段各设一个观测断面，这两个断面的仪器主要用来观测圆弧坝段坝基坝体的渗流状态；在涵洞两侧各设3个观测断面，主要用来观测涵洞两侧坝基、坝体的渗流情况。上述断面除东坝5只孔隙水压力计外，其他10个断面各布置12只孔隙水压力计。
(2) 涵洞观测仪器布设
涵洞沿线渗透压力观测，是在沿涵洞轴线的重点结构缝布设观测断面，以监测沿涵洞轴线的渗流情况。沿涵洞轴线共设置6个观测断面，每个断面布置6只孔隙水压力计(涵洞上、下、左、右、左上角、右上角各布置一只)。共计36只孔隙水压力计。目前实现自动化监测，每日进行两次监测。
1.2 渗流监测结果分析
(1) 坝体渗流情况
2014年至2021年监测结果如图 2所示。从图 2中可以看出，坝体各断面渗流基本稳定，随着库水位的变化而变化，与库水位呈正相关，变化有一定的滞后时间。靠近上游的渗压计水头滞后时间为5~10 d，而靠近坝轴线的渗压计滞后时间较长，为10~30 d。但都是随着库水位变化，符合坝体渗流规律。埋设在竖向排水棱体下游干燥区的渗压计，水头在一个很小固定范围内上下波动，说明坝体内排水体通畅。此外，靠近上游的测压管水位随库水位变化，并有一定的滞后时间，滞后时间约半个月左右；而坝轴线附近和下游测压管水位基本稳定。
(2) 坝后地下水位监测结果
坝后地下水位情况如图 3所示。水库运行16 a，中坝2+000断面坝后地下水测井水位已经趋于稳定，水位变化主要受水库蓄水影响。整体看离水库最近的地下水测井水位最高，离水库越远，地下水位越低，说明坝后地下渗流已经趋于稳定。
(3) 坝后渗流
坝后渗流监测结果如图 4所示。坝后渗流与库水位关系密切，水库高水位运行时，坝后渗流值相应较大，水库低水位运行时，坝后渗流值相应较小。且库水位稳定时，坝后渗流测值稳定，说明坝后渗流场基本稳定。
2. 渗流计算复核
进一步地，复核坝体浸润线及其下游逸出点的位置，分析坝体渗流稳定、复核坝体与地基渗流量、坝坡出逸点的渗透比降，判断该处的渗透稳定性。
(1) 计算内容
根据《碾压式土石坝设计规范：SL274—2001》关于大坝浸润线、等势线、等压线及坝体、坝基渗透比降及渗流量的计算要求，本次综合水库近年运行表现及最新地勘成果，计算断面的选择应有一定代表性，同时处于较危险位置，遵循上述原则，选取典型断面进行此次渗流计算分析。大坝横断面如图 5所示。
(2) 计算参数
水库大坝筑坝土颗粒级配情况及土料物理力学试验成果见表 1、表 2[5]。采用北京理正软件设计研究院开发的《渗流分析软件》计算。根据试验成果，结合经验类比，工程土层物理力学指标采用地质建议值，坝壳料、坝基渗透系数采用地质试验值，根据《水库竣工验收报告》中排水体相关系数给出建议值，渗透系数及允许渗透比降详见表 3，4。
表 1 筑坝土颗粒级配表Table 1. Grading table of dam soil料场 粒组含量/% 取样深度
/m岩性名称 备注 > 0.075 mm 0.075~0.005 mm < 0.005 mm A
土料场20.5 61.8 17.7 1~5 CL 试验组数N=60 表 2 筑坝土料物理力学试验成果Table 2. Physical and mechanical test results of dam-building soil materials位置 取样
深度/m天然状态下 土粒相对质量密度 液限/% 塑限/% 塑性指数 组数 含水率/% 干密度
/(g·cm-3)A料场 1.0~5.0 9.9 1.45 2.72 24.4 13.9 10.5 156 表 3 工程土层物理力学指标地质建议值Table 3. Recommended geological values of physical and mechanical indexes of engineering soil layers部位 土体 土体厚度/m 渗透系数/(cm·s-1) 允许渗透比降 坝体及截水槽 低液限黏土 — 4.5×10-6 0.9 坝基 低液限黏土及低液限粉土 28 6.7×10-6 0.45 排水体 砂砾石 2.5 2.0×10-3 0.1 表 4 典型断面渗透系数Table 4. Seepage coefficients of typical cross-sections部位 材料 渗透系数 K/(cm·s-1) 东坝 坝体及截水槽 4.5×10-6 排水体 2.0×10-3 坝基 6.7×10-6 中坝 坝体及截水槽 4.5×10-6 排水体 2.0×10-3 坝基 6.7×10-6 西坝 坝体及截水槽 4.5×10-6 排水体 2.0×10-3 坝基 6.7×10-6 (3) 计算结果
坝体断面中坝、东坝和西坝处渗流量和出逸点渗透比降见表 5，坝体的浸润线、水头等势线和水压力分布见图 6。从计算结果看：坝体下游坝坡坡脚排水体最大破坏比降为0.07，小于允许的破坏比降0.1；坝基最大破坏比降为0.11，小于允许的破坏比降0.45；出逸点渗透比降均小于允许渗透比降，即大坝坝体不会发生渗透破坏。坝基渗透比降也均小于坝基允许比降，即坝基不会发生渗透破坏。
表 5 渗流计算结果Table 5. Calculated results of seepage计算内容 中坝 东坝 西坝 单位渗流量/(m3·s-1·m-1) 1.4×10-6 8.22×10-7 7.64×10-7 坝体下游出逸点比降 0.07 0.04 0.05 排水体允许比降 0.1 0.1 0.1 坝基出逸点比降 0.08 0.08 0.11 坝基允许比降 0.45 0.45 0.45 ![]()
图 6 典型断面渗流有限元计算结果Figure 6. Results of finite element calculation of seepage of typical sections根据水库监测资料，2018年水库渗流量为23.90~39.35 m3/h，大坝2018年年渗流量为20.9万m3~34.5万m3。经本次渗流计算，计算结果显示大坝年渗流总量为52.22万m3，占总库容的0.19%，水库渗流量较小，大坝渗流稳定、正常。根据渗流安全计算结果，结合国内外类似工程建设经验，可以初步判断坝体发生渗透破坏的可能性较小。
3. 结论
本文围绕新疆北疆平原水库长期运行安全问题，在渗流监测资料基础上，通过渗流计算复核，论证了该工程的渗流情况，主要得到以下4点结论。
(1) 水库大坝为均质土坝，采用坝体防渗，坝体内设置竖式排水体，底部用水平排水体将渗水引出坝外，坝下游设置纵、横向排水沟。从工程实体的检测结果和实际渗流量来看，水库大坝工程质量良好，防渗系统和反滤排水设施较完善，质量良好。
(2) 根据水库渗流监测资料，所有坝体上游侧的渗压计监测得出，坝体各断面渗流基本稳定，随着库水位的变化而变化，与库水位成正相关，变化有一定的滞后时间，基本符合坝体内部渗流水头逐渐减小的趋势，坝体排水通畅。
(3) 大坝防渗土料以低液限粉土为主，土料具有对水分较敏感特性，运行期间应加强对大坝内部和外部的观测、监视，分析监测数据，为水库大坝正常运行提供可靠依据。
(4) 大坝渗流压力变化规律基本正常，渗流量较小，浸润线出逸点基本与设计相符，坝体防渗土料满足设计和规范要求。
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图 4 各工况下普通桩与相变桩径向温度变化曲线
Figure 4. Comparison of radial temperatures between OCEP and PCEP
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图 5 普通桩与相变桩桩顶位移变化曲线(工况1)
Figure 5. Comparison of displacements at pile head between OCEP and PCEP
表 1 模型桩配合比设计
Table 1 Mix design of model piles
(kg/m3) 编号 水 水泥 砂子 碎石 相变陶粒 石墨 PCEP 195 443 581 944.8 236.2 13.3 
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表 2 相变陶粒热学性能
Table 2 Thermal properties of phase-change ceramsite
编号 相变温度/℃ 相变
潜热/(J⋅g−1)复合相变
材料组合相变材料
质量比M 24.52 150.5 癸酸-月桂酸 5∶5 N 14.57 158.8 十五烷-十六烷 3∶7
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表 3 模型桩工况设计
Table 3 Test plans for model piles
工况 桩顶
荷载/kN循环水温
度/℃循环
次数测试内容 工况1 0.6 10→40→10 3 桩土温度、桩身应变、桩顶位移 工况2 0.6 10→25→10 3 工况3 0.6 16→5→16 3
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表 4 桩土计算参数
Table 4 Model parameters of pile-soil
参数 普通桩P1 相变桩P2 砂土 密度ρ/(kg·m-3) 2500 2500 1890 弹性模量E/MPa 32500 30000 10.0 泊松比ν 0.2 0.2 0.3 线膨胀系数αT/℃-1 1.0×10-5 0.91×10-5 0.53×10-5 导热系数λ/(W·m-1·K-1) 0.78 0.70 1.70 比热容c/(J·kg-1·K-1) 937 1266 1053
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表 5 能源桩有限元传热计算模拟过程
Table 5 Numerical calculation of energy pile in heat-exchange
工况
编号分析步
定义模拟内容 初值
设定工况1 Step-1 加温温度40℃，加热时间12 h Initial Step-2 停止加热，自然降温12 h Step-1 Step-3 加温温度40℃，加热时间12 h Step-2 Step-4 停止加热，自然降温12 h Step-3 Step-5 加温温度40℃，加热时间12 h Step-4 Step-6 停止加热，自然降温12 h Step-5
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表 6 能源桩有限元静力计算模拟过程
Table 6 Numerical calculation process of energy pile in load tests
工况编号 分析步定义 模拟内容 初值
设定工况1 Step-1 地应力平衡 — Step-2 施加桩顶第一级堆载，待沉降稳定 Step-1 Step-3 施加桩顶第二级堆载，待沉降稳定 Step-2 Step-4 施加桩顶第三级堆载，待沉降稳定 Step-3 Step-5 施加桩顶第四级堆载，待沉降稳定 Step-4 Step-6 施加桩顶第五级堆载，待沉降稳定 Step-5 Step-7 施加桩顶第六级堆载，待沉降稳定 Step-6 Step-8 传热分析的桩土温度场(odb文件导入) Step-7
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[1] 朱娜. 地源热泵地埋管换热系统热堆积分析[D]. 华中科技大学, 2009. ZHU Na. Analysis on the Heat Accumulation of GSHP Heat Exchange System[D]. Huazhong University of Science and Technology, 2009. (in Chinese)
[2] 白丽丽, 裴华富, 宋怀博, 等. 相变能量桩段模型传热模拟[J]. 防灾减灾工程学报, 2019, 39(4): 684–690. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZXK201904022.htm BAI Li-li, PEI Hua-fu, SONG Huai-bo, et al. Heat transfer simulation of phase change energy pile[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2019, 39(4): 684–690. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZXK201904022.htm
[3] 崔宏志, 邹金平, 包小华, 等. 制冷工况相变能源桩热交换规律[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2020, 60(9): 715–725. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QHXB202009002.htm CUI Hong-zhi, ZOU Jin-ping, BAO Xiao-hua, et al. Heat exchange behavior of the phase change energy pile under cooling condition[J]. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2020, 60(9): 715–725. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QHXB202009002.htm
[4] 杨卫波, 杨彬彬, 汪峰. 相变混凝土能量桩热-力学特性的数值模拟与试验验证[J]. 农业工程学报, 2021, 37(2): 268–277. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NYGU202102032.htm YANG Wei-bo, YANG Bin-bin, WANG Feng. Numerical simulation and experimental validation of the thermo-mechanical characteristics of phase change concrete energy pile[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2021, 37(2): 268–277. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NYGU202102032.htm
[5] LALOUI L, NUTH M, VULLIET L. Experimental and numerical investigations of the behaviour of a heat exchanger pile[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2010, 30(8): 763–781.
[6] FRANCO A, MOFFAT R, TOLEDO M, et al. Numerical sensitivity analysis of thermal response tests (TRT) in energy piles[J]. Renewable Energy, 2016, 86(FEB): 985–992.
-
期刊类型引用(4)
1. 李勇，李炎隆，温立峰，李维妹. 沥青混凝土心墙堆石坝心墙拱效应研究. 水利水运工程学报. 2024(01): 119-128 . 
百度学术
2. 刘世伟，杨宇，宿辉，孙熇远，赵宇飞，杨涛. 基于混合优化算法的砂砾料面板堆石坝压实质量评价模型及工程应用研究. 水利水电技术(中英文). 2023(07): 141-149 . 百度学术
3. 李瑞平，徐建伟，刘啸宇，毛航宇，王柳江. 凸起地形对面板堆石坝面板应力变形特性的影响. 河海大学学报(自然科学版). 2023(06): 53-60 . 百度学术
4. 徐泽平，陆希，翟迎春，严祖文，姬阳，徐耀. 狭窄河谷中混凝土面板坝的应力变形规律及工程措施研究. 水利学报. 2022(12): 1397-1409 . 百度学术
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