[发明专利]一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备及其施工方法

说明书

本发明公开一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备及其施工方法，包括供电装置、换热装置、中央处理器；供电装置包括温差发电机构、散热机构、供电用重力热管；换热装置包括换热用重力热管、保温管、自补水机构、循环水管；循环水管靠近出水口的一端绕设在自补水机构外，循环水管的进水口与保温管的一端固接，保温管的另一端与自补水机构的出水端连通，自补水机构的出水端与保温管连通；中央处理器与温差发电机构、自补水机构电性连接，供电用重力热管内、换热用重力热管内、路基内均设有若干与中央处理器无线传输的温度传感器。本发明的地基处理可靠性高、能源消耗小、后期维护成本低、环境影响小。

技术领域

本发明涉及能源与环境领域，特别是涉及一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备及其施工方法。

背景技术

为高效开发我国西部资源，需要修建大量的铁路、公路等基础设施。西部地区不同于我国的中东部地区，那边海拔较高，气温较低，因此经常存在永久性冻土与季节性冻土。其中，季节性冻土是一种典型的不良地质条件。在炎热的夏季，冻土融化，土体强度降低，体积变小，将会导致地基沉降；在严寒的冬季，土体中的水分结冰，形成冻土，土体强度提高，但体积也将增大，这将导致地基隆起。冻土季节性的冻涨与融沉，将会对公路、铁路路基造成的巨大影响，甚至可能导致列车脱轨，公路断裂。因此，有必要对西部高寒地区季节性冻土路段的路基进行保护。

目前，西部冻土路基处理方式主要包括两种，一种是防止路基解冻，另一种是防止路基结冰。关于路基解冻，常用的方法是堆石垫高、氨棒散热。堆石垫高的原理是利用堆积的石子减缓地表温度变化对冻土层的影响；氨棒散热的原理是将冻土层中的温度引导至地表进行散热，减少热量堆积。方法一通过防止路基解冻，可以很好的缓解季节性冻土解冻融沉带来的影响，但是这些散热方法都存在一定的极限，即当环境温度较高、或者维持的时间段较长时，方法一不能很好的防止冻土融化，因此适用性较差。方法二是通过给位于冻土层的路基解冻，并始终通过电、热水等方式给与地层热量，使得冻土层不会结冰，从而达到消除季节性冻土的目的。但该方法消耗的能源巨大，同时供热电站需要沿路布置，成本较高。因此，需要提出一种高效的冻土路基施工处理方法。

西部地区地质条件特殊，处在特定的大地构造环境下，地热能资源丰富。因此，可以利用西部丰富的地热资源来解决冻土路基处理问题。地热开采分为开环与闭环两种形式，开环式通过直接抽取地下水来提取地层中的热量，但该方式对地下水系的影响较大，不利于生态保护。闭环式是采用封闭式的管道，利用循环液(通常为水溶液)，与地层进行换热的一种换热器，具有环境污染小，换热可靠性高等优势，但其较高的泵送压力需求限制了地埋管换热器的推广应用。因此，需要一种高效的地热能利用方式。

综合上述分析，西部高寒地区季节性冻土路基存在的问题主要包括：1)处理可靠性低；2)能源消耗大；3)后期维护成本高；4)环境污染大。因此，需要提出一种地基处理可靠性高、能源消耗小、后期维护成本低、环境影响小的西部高寒地区季节性冻土路基。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备及其施工方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于季节性冻土的无源式路基防冻设备，用于对路基防冻，包括供电装置、换热装置、中央处理器；

所述供电装置包括温差发电机构、设置在所述温差发电机构冷端的散热机构、设置在所述温差发电机构热端的供电用重力热管；

所述换热装置包括换热用重力热管、埋设在所述路基内的保温管、自补水机构、循环水管；所述换热用重力热管用于为所述循环水管提供热量，所述循环水管靠近出水口的一端绕设在所述自补水机构外，并且所述循环水管的出水口伸入至所述自补水机构的进水端内，所述循环水管的进水口与所述保温管的一端固接，所述保温管的另一端与所述自补水机构的出水端连通，所述自补水机构的出水端与所述保温管连通，所述自补水机构用于自动补充和输送循环水；所述供电用重力热管和所述换热用重力热管均埋设在地下；