原位监测揭示了高海拔永久冻土地区宽幅沥青公路路堤中双相封闭热虹吸管的能量调节机制

《Energy》：In-situ monitoring reveals the energy regulation mechanism of two-phase closed thermosyphons in wide asphalt highway embankments in high-altitude permafrost regions

　　

刘思琪|尚云虎|林展菊|吴旭阳|刘雷|刘宇航|李文娇

中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程国家重点实验室，中国兰州，730000

摘要

永久冻土工程的承载能力和稳定性从根本上受地温制度的影响。在高海拔地区，强烈的太阳辐射与宽沥青路面的高吸热性相结合，使路堤面临严重的能量输入，加剧了永久冻土的退化。因此，两相封闭热管（TPCTs）被作为一种有效的冷却措施采用。然而，对于宽而高吸热性路堤中TPCT能量调节机制、跨季节冷量传输以及长期累积效应的系统理解仍然不足。为了解决这一差距，本研究基于现场监测分析了TPCT的能量调节和冷量迁移特性。结果表明，TPCTs有效减缓了冻土升温，使冻土层几乎保持在与自然状态相同的状态，仅相差0.1-0.2米。有效的冷却期从10月中旬持续到4月中旬，在4-8米深度形成显著的冷却区，影响半径为2.5米，并使地面温度降低了2-3°C。尽管TPCTs在温暖季节停止运行，但路堤仍保持低温优势，到季节末时3-9米深度的土壤温度比自然地面低0.7°C以上。此外，TPCTs表现出连续的年际累积冷却效应，表现为深层永久冻土温度每年降低0.01-0.02°C，冻土层每年上升0.02米。这些发现证实了TPCTs有效抑制了永久冻土的退化并增强了路堤的热稳定性，为高海拔永久冻土地区宽公路的设计和建设提供了科学依据。

引言

永久冻土是指至少连续两年温度低于0°C的土壤或岩石，其工程承载能力和长期稳定性主要由其内部温度分布和能量预算平衡决定^[1]。为了满足不断增长的交通需求，高海拔永久冻土地区正在建设更多高级别的宽高速公路。然而，这类项目面临严峻的热挑战：高海拔地区强烈的太阳辐射、宽沥青路面较大的吸热面积以及与传统路堤相比强烈的热扰动^[2]，加上气候变暖的趋势^[3]，显著增加了对下层永久冻土的热输入。这导致永久冻土温度上升，活动层加深，冻土层持续向下移动，严重破坏了原有基础的热平衡[4]、[5]、[6]、[7]。在多种不利因素引起的永久冻土退化的基础上，重型交通施加的动态和静态负荷进一步与热退化相结合，加剧了诸如不均匀沉降、路面开裂和长期路堤变形等问题[8]、[9]、[10]。这些问题严重威胁了路面的平整度、交通安全和运行舒适性，同时显著增加了长期道路维护成本^[11]。因此，通过有效的技术手段调节路堤的能量预算并抑制永久冻土的热退化，已成为确保高海拔寒冷地区宽高速公路长期安全运行的核心问题^[12]。

为了解决这些工程风险，两相封闭热管（TPCTs）作为一种有效的冷却措施被引入并广泛应用于永久冻土工程[13]、[14]、[15]，包括在石油管道工程[16]、[17]、铁路工程[18]、[19]和桩基工程[20]、[21]、[22]中，相关研究证明了TPCTs在调节地温制度方面的有效性。TPCTs利用工作流体的相变循环将地热传递到大气中，从而冷却永久冻土。它们仅在空气温度低于地面温度时激活，表现出显著的季节性运行特性^[23]，有效调节了地面温度条件并增强了永久冻土基础的热稳定性^[24]。大量研究证实了这项技术在提高永久冻土地区基础设施耐久性和稳定性方面的显著优势[25]、[26]、[27]。TPCTs可以降低下层土壤的温度并提高基础的承载能力^[28]。在公路路堤中，沿路肩安装TPCTs逐渐成为控制永久冻土热退化的常规工程措施[8]、[29]。现有研究探讨了不同TPCT安装方法（包括垂直和倾斜插入[30]、[31]、[32]）的冷却效果。此外，学者们利用数值模拟分析和预测了TPCT路堤的冷却性能[33]、[34]，研究了不同倾斜角度的影响^[35]以及TPCT路堤在耦合地球-大气模型下的冷却效果^[36]。现场监测主要集中在TPCT冷却作用范围和长期平均地面温度或持续升温情景下的整体响应[3]，但关于TPCT在其运行周期内的定量能量预算和长期累积冷却效率的研究有限。同时，冷却响应的热滞后特性常常被简化，限制了对其性能的准确评估。从工程应用的角度来看，现有的TPCT路堤研究大多基于传统或窄路堤结构[29]、[37]、[38]，或辐射较强的非高海拔地区[32]。这些结论对于高海拔永久冻土地区宽沥青路堤的适用性和长期能源效率仍不确定，突显了对高海拔和强辐射条件下TPCT能量调节机制和长期冷却性能的系统研究的缺乏。

本研究从能量预算的角度探讨了宽沥青路堤中TPCTs的热调节机制，重点揭示了其在季节性和多年尺度上的冷能演变规律。通过量化TPCT冷却范围的时空变化，并比较不同路堤位置的热响应特性，本研究阐明了TPCT在冷季储存冷能、在暖季释放冷能以及在多年尺度上实现冷能累积的能量调节过程。结果为高海拔永久冻土地区宽路堤高效冷却措施的最佳设计和长期性能评估提供了依据。

章节摘录

实验地点

实验地点位于中国交通运输部永久冻土研究与观测基地的核心测试区内（图1），距离青海省玛多县约45公里，海拔约4300米，属于高海拔永久冻土地区。该地区气候寒冷干燥，太阳辐射强烈，季节温差大，这是青藏高原典型的气象特征。

路堤温度场的演变

如图9、图10、图11所示，基于三个连续冻融周期的路堤地面温度场演变，TPCTs的有效调节深度集中在路堤下3至9米之间，最大达到10米。其对冻融界面的调节在空间和时间上都有明确的边界。在一个冻融周期内，0°C等温线表征了当年的冻土层位置及其最大值

冷能的积累与消散

如图19所示，每月15日H02（路肩）和H03（中心）之间的地面温度分布比较揭示了TPCT作用下的路堤温度演变差异。在冷季（1月至4月），TPCTs持续高效地提取土壤热量，导致冷却和冷能的逐渐积累。在3-9米深度内形成了一个连续且稳定的低温区。在此阶段，最大温差

结论

为了分析高海拔永久冻土地区宽路堤上TPCTs的能量调节机制，本研究基于现场地面温度数据，从能量储存和消散的角度定量评估了TPCTs对路堤热稳定性的调节效果。主要结论如下：

• (1)
  TPCTs有效减弱了气候变暖和宽沥青路堤对永久冻土的复合升温效应。在自然条件下，

CRediT作者贡献声明

刘思琪：撰写——原始草案、方法论、正式分析、数据管理。尚云虎：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、概念化。李文娇：可视化、数据管理。林展菊：验证、调查、资金获取。吴旭阳：资源、调查。刘雷：调查、正式分析。刘宇航：可视化、软件

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了青海省科技项目（项目编号：2025-QY-225）、甘肃省自然科学基金（项目编号：25JRRA504）、中国科学院的仪器和方法论开发技术创新计划（项目编号：SJ202502）以及甘肃省知识产权计划（项目编号：25ZSCQG033）的支持。