0 引言

　　随着我国高速公路建设的快速发展，修建在高纬度、高海拔寒冷地区的隧道数量迅速增多^[1]。由于高寒地区特有的气候条件，冬季道路积雪、结冰现象普遍，由此引发的交通事故频繁发生，给人民的生命财产安全带来了严峻挑战。目前广泛采用的化学融雪方法存在诸多负面效应^[2,3,4]，如腐蚀路面以及排水管道、污染土壤以及地下水等，已在世界范围内造成严重危害并带来巨大经济损失。其他融雪化冰技术如地热、太阳能以及导电混凝土等，受热源、高运行成本、电压控制技术等限制，在实际工程应用中受到限制^[5,6,7,8]。因此，研发新型融雪化冰技术具有非常重要的现实意义。发热电缆进行融雪化冰作为一种新型、无污染、稳定性好、控制方便的融雪化冰手段得到了越来越多的关注。虽然国内外已有相关应用报道^{[9,10,11,12,13,14]}，但对于发热电缆系统不同运行环境条件下的优化设计方面，如最优设防长度、埋设深度、铺设功率等问题，研究较少，不同国家或地区有不同设计标准。这在一定程度上限制了发热电缆系统作为一种新型融雪化冰技术的推广应用。本研究依托在建工程，通过试验段系统研究了天然降雪、天然降雪后、预先开启模式以及人工布雪条件下的融雪化冰试验研究，探索了高寒地区(海拔2 000.000～2 500.000m)高速公路隧道进出口发热电缆系统的优化设计问题，为相关工程发热电缆系统的设计提供了科学依据，并为将来类似工程设计进行了展望。

　　1 工程概况

　　1.1 晒经滩隧道概况

　　晒经滩隧道是兰州至郎木寺高速公路G213线上一座分离式双向四车道高速公路长隧道，位于甘南州夏河县曲奥乡境内，右线全长1 094m，左线全长1 114m。隧道所处位置属于寒冷湿润区，海拔2 282.000m，积雪期长达216～332d，沿线气候寒冷，最大冻土深度达142cm，全年没有绝对无霜期。从上可知，晒经滩隧道建成后将面临较为严重的路面冰雪灾害。对临近朗青隧道下雪天的野外观测也证明了这一推断。

　　1.2 试验段概况

　　试验段位于晒经滩隧道兰州端进口处，试验段长7.5m，宽4.5m，共4个工作断面，分别为A,B,C,D，每个断面宽90cm，断面间距约为90cm。试验段结构分3层，其中底基层30cm，中基层24cm，面层10cm，与实际路面结构一致，以保证试验数据可靠真实。发热电缆采用25W/m的规格，铺设采用15mm镀锌钢管网，平行排布，钢管间隔10cm，埋深11～12cm，理论最大发热功率为550W/m²。为了实时监测发热电缆系统工作状态以及各路面结构层升温变化趋势，在底基层、中基层以及面层分别埋设15mm镀锌钢管用于设置温度探头，镀锌钢管位于断面中间部位，温度探头设置间距为1m，每个断面共计15个温度探头，整个试验段总计60个温度探头，温度探头由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所制作并标定，测量精度为0.1℃。温度数据采集通过美国CAMPELL CR3000数据采集仪完成。每个断面均配置KIp1-6J型功率控制器，通过改变输出电压，进而控制输出发热功率。在距离试验段左上角3m处，设一地温观测孔，孔深3.0m，监测地温随时间变化规律。在地温孔附近挂设了高精度空气温度探头2个，以便随时监测气温变化调整试验方案。

　　需要说明的是，本次试验段设计方案有以下3个特点:(1)镀锌钢管网铺设方案克服了已有发热电缆钢筋网捆绑铺设的缺陷，即更换损坏电缆时，无须开挖路面。(2)设置反热毯已有研究表明，发热电缆层下部铺设反热层可有效提高发热电缆系统的效果^[15]。因此，浇筑试验段时，在B,C工作断面发热电缆下部铺设了反热毯。A,D工作断面无反热毯，以作对比。(3)可对比研究满铺方案和车辙方案现有研究表明，车辙铺设方案可大大降低建设成本以及后期运行成本。A,B,C,D断面的设置可对比这2种方案的经济性。

　　1.3 试验方案

　　为了研究发热电缆系统在不同工况下的工作性能，试验方案主要考虑以下4种工况:(1)天然降雪开始时开启发热电缆系统;(2)天然降雪后开启发热电缆系统;(3)根据天气预报预先开启发热电缆系统;(4)人工布雪布冰条件下(不同厚度)。通过上述试验，研究发热电缆系统最佳工作模式，达到经济、合理的目的。需要指出说明的是，上述试验方案均考虑了不同发热功率对融雪化冰效果的影响。由于天然降雪的不确定性，上述试验方案根据具体情况，交替进行。

　　2 试验结果与分析

　　2.1 天然降雪开始时开启发热电缆系统

　　2014年2月11日下午17:12开始降雪，降雪过程持续至2014年2月12日上午08:30结束，降雪厚度5.5～6.4cm。A,B,C,D断面工作功率均为550W/m²。可以看出，发热电缆系统工作良好，各断面表层均无积雪覆盖，发热电缆系统完全可以满足融雪化冰的工程要求。同时，注意到具有反热毯的断面B和C融雪化冰效果要比A和D断面好。尤其是断面之间的隔离区域冰雪亦被融化。D断面融雪化冰效果最差，可能与D断面处在迎风面有一定的关系。

　　发热电缆工作时外界空气温度变化曲线如图1所示。从图1中可以看出，降雪开始后温度有所回升，但随即开始下降，这与1天内气温变化趋势一致。至降雪结束时，气温最低接近-6.5℃。这表明，当气温低于-6.5℃，降雪厚度达5.5cm的条件下，在输出功率为550W/m²时，发热电缆是完全可以正常工作的。

　　图1 外界空气温度变化曲线  

　　图2 断面A和B表层温度变化曲线 

　　图2为试验段A,B断面表层温度变化曲线。从图中可以看出，B断面升温较快，而A断面升温较慢。如果以2℃为目标温度，可以发现，B断面达到该温度所需的时间仅为A断面的50%。这说明使用反热毯是可行的。反热毯的存在会使发热电缆产生的热量最大程度上向上传导，减少了热能向下传导的量，提高了电能(热能)的利用率。但是需要特别强调说明的是:反热毯的存在和使用会人为地在路面结构中形成一个软弱面，在车辆长期振动作用下，极有可能发生破坏，造成路面裂缝，甚至破碎。

　　2.2 天然降雪后开启发热电缆系统

　　2014年1月6日15:21，试验段开始降雪，至2014年1月7日11:45结束，降雪厚度5.5～6.2cm。2014年1月7日12:00发热电缆开始工作，各断面工作功率均为550W/m²。图3为试验进行过程中气温变化曲线，最低气温达-15℃。图4为不同断面表层温度变化曲线。B和C断面达到目标温度2℃需要10h之多，而A和D断面则需要更长。由此可见，外界环境温度场是影响发热电缆系统工作效果的最主要因素。这也从另外一个侧面说明，此前李炎峰等人针对北京地区的研究结论(北京地区铺装功率250～350W/m²)可能并不适用于高寒地区。这也为后期进行功率动态调控试验提供了思路，即根据外界气温、降雪厚度、甚至风速通过功率控制器来动态调节发热电缆的工作功率，以实现更好的工作效果，同时亦可以节省运行成本。

　　图3 外界气温变化   

　　图4 不同断面表层升温趋势 

　　2.3 根据天气预报预先开启发热电缆系统

　　根据精细天气预报，2014年2月15日中午有中到大雪。提前2h开启发热电缆，A,B,C,D断面发热功率均为550W/m²。开启发热电缆之前，尽量清理残留在试验段表面的残雪残冰。降雪在开启发热电缆1h40min后开始，断断续续持续到了2014年2月16日早上8:29，最终累计降雪厚度达8.5cm。

　　根据观察融雪效果，A,B,C,D断面均没有积雪，发热电缆系统工作良好。但是，断面之间隔离区域仍积有雪。同天然降雪试验类似，B,C断面之间的残雪较少，而A,B断面之间，C,D断面之间残雪较多。D断面的融雪化冰效果是4个断面当中最差的，这与D断面处于迎风口有很大关系。

　　2.4 人工布雪条件下融雪化冰试验

　　1)B,C,D断面250W/m²,A断面500W/m²，雪厚4cm

　　此方案通过对比B(C),D断面和A,D断面，研究发热功率和反热毯对融雪化冰的影响规律。由人工布雪工况1的融雪化冰效果可以看出，通电1h后，B,C断面最先发生变化，部分雪已经成为冰雪混合物，而A,D断面变化不大。3h后，发现B,C断面大部分积雪已经融化，A断面积雪有一小半已经融化，但是D断面的情形与通电1h后的B,C断面类似。人工布雪工况1融雪化冰期间外界空气温度变化曲线如图5所示。由图5可知，整个融雪化冰过程中，最低气温达-8.5℃，最高气温也在-2.2℃。各断面表层温度变化曲线如图6所示，由图可知B,C断面的温度最高，A断面次之，D断面温度最低。B,C断面在融雪结束时，最高温度达14.7℃，并且在整个融雪过程中一直升温。A断面的发热功率为D断面的50%,A断面的最高温度亦为D断面的2倍，且A断面达到目标温度(2℃)所需时间也要比D断面短。

　　图5 人工布雪工况-1融雪化冰期间空气温度变化曲线  

　　2)A,B,C,D断面发热功率均为500W/m²,A,B断面雪厚2cm,C,D断面雪厚4cm

　　此方案的试验目的在于评价不同雪厚的融化时间。由工况2融雪化冰效果可知，通电3h后，A,B,C断面积雪全部融化，D断面上有些许残留积雪。融雪化冰期间空气温度变化曲线如图7所示。可以看出，太阳落山后，试验段区域气温下降非常快，3h之内，气温下降达7℃。工况2条件下，各断面表层温度变化如图8所示。不同于工况1,B,C断面表层温度随着时间逐渐上升，A断面表层温度呈近似稳态，而D断面出现了先下降，后逐渐增大的过程。出现这种现象的原因可能是D断面的雪比A断面的雪厚，在短时间内，积雪没有起到保温的作用，而是快速吸收路面结构层传导的热量。另外，一个原因是当天试验期间，风速较大，利用手持测风速仪测量了当时的风速，最大值达12.4m/s，属于7级大风，而D断面正好处于迎风面位置。

　　图6 人工布雪工况-1各断面表层温度变化曲线 

　　图7 人工布雪工况-1融雪化冰期间空气温度变化曲线 

　　图8 人工布雪工况-1各断面表层温度变化曲线  

　　3)C,D断面发热功率均为500W/m²,B断面发热功率均为300W/m²，雪厚2cm,A断面不通电

　　此方案试验目的在于考虑到天气转暖，气温逐渐升高，对比天然融雪过程和发热电缆融雪过程，为将来根据天气状况实时调节发热电缆系统提供一些基础数据。由人工布雪工况3融雪化冰效果可知，通电6h后，B,C断面表层积雪基本融化完毕，D断面有部分残留积雪，而A断面的积雪基本没有变化。由图9可知，C断面表层温度最高，最高达15℃，B断面发热功率为C断面的60%,D断面虽然发热功率比B断面要高，但是表层温度却相对低一些，这与B断面发热电缆底部铺设反热毯有关。A断面由于不通电，其温度变化完全受外界气温变化影响，呈现出随着气温下降而下降，上升而上升的变化趋势。凌晨3:00开始，气温开始上升，A断面对此有滞后相应。本次试验研究结果还表明:如果铺设反热毯，可以适当降低铺设功率。基于本次试验结果，建议取值为没有铺设反热毯发热功率的60%。

　　图9 人工布雪工况-3期间空气和各断面表层温度 

　　4)A,B断面发热功率为350W/m²,C,D断面发热功率均为250W/m²，雪厚2cm

　　2014-02-22下午15.30起通电至2014-02-22晚上22.30断电，试验持续时间为7h。此试验方案的主要目的是评价不同发热功率的融雪化冰效果。工况4试验期间，外界空气温度变化曲线如图10所示。根据观察结果，B断面融雪效果最好，通电后5h左右，基本融化完毕，A,C断面融雪效果基本相当，而D断面融雪效果相对较差，试验结束后，表层仍有部分残雪。原因如前所述，在此不再赘述。

　　图1 0 工况-4试验期间外界空气温度变化曲线 

　　3 结语

　　本文以临夏—合作高速晒经滩隧道进出口路面融雪化冰为研究对象，将发热电缆作为热源铺设于路面结构层中，以其电加热效应达到融雪化冰的目的，围绕该问题系统地开展了一系列大型野外试验，研究了不同工况条件下路面结构层的升温规律，分析了外部环境、有无反热毯、铺设功率等因素对路面结构层温度场的影响。其研究结论可为高寒地区隧道进出口路面发热电缆的优化设计提供了理论基础和参考价值，得到了以下结论。

　　1)通过研究，影响发热电缆系统融雪化冰效果的主要因素有:铺设功率、外界环境(风速、空气温度)、太阳辐射以及路面结构层的热传导特性。铺设功率越大，达到目标温度(2℃)所需的时间越短，融雪化冰效果越好。外界温度越低，风速越大，达到目标温度(2℃)所需的时间越长，融雪化冰效果越差。日照时间越长，有助于缩短融雪化冰所需时间。其中，铺设功率是影响发热电缆系统融雪化冰效果的最重要的因素，铺设功率和路面结构层的热传导特性属于人为可控因素，而外界环境和太阳辐射属于不可控因素。

　　2)建议在2 000～3 000m海拔地区，铺设功率在500～1 000W/m²，并配备功率调节器，通过改变输出电压值，来改变输出功率，虽然初期投资成本会有所上升，但是从长远来看，还是具有很高的经济性。并可考虑在设防范围内，采用梯度铺设方案，即距离洞口越近，铺设功率越大。另外，还需要考虑风吹雪的影响，在隧道进出口设置防雪工程措施，尽量减少进入隧道内部的冰雪。

　　3)试验段的研究结果表明:铺设有反热毯的断面达到目标温度(2℃)所需时间约为无反热毯的断面的50%。同时，发热电缆下部的路面结构层温度也要比无反热毯断面要低将近25%。这说明，一方面，反热毯可以大大提高发热电缆融雪化冰的效果，降低预热时间。另一方面，可以降低对路基温度场的影响。这对于多年冻土区或永久冻土区发热电缆的应用具有重要意义。

　　4)试验段研究结果还表明:车辙埋设方案是可行的，也是经济的。以晒经滩隧道为例，如果采用满铺方案，铺设长度为60m，铺设线功率为60W/m，间距10cm，则共需铺设4 300m发热电缆。而如果采用车辙埋设方案，则仅需2 000m，为满铺方案的47%，可以大大降低建设成本。采用车辙埋设方案时，需要注意路面排水问题，可在车辙之间增设排水设施。

　　5)通过开展不同工况条件下的融雪化冰试验，可以发现:根据精细天气预报预先开启发热电缆系统相比于开始降雪时开启、降雪后开启等工作模式，融雪化冰效果最佳。因此，可考虑建立基于4G通讯技术和远程控制模块的无人自动值守发热电缆系统，既可以节省人力成本，又可快速根据区域天气状况选择性开启部分隧道发热电缆系统。

　　本次试验研究主要针对高寒地区高速公路隧道进出口路面融雪化冰技术初步的设计优化，虽然取得了一些认识和结论，为相关后续研究提供了基础数据。然而，由于高寒地区高速公路隧道进出口路面融雪化冰问题的复杂性，本研究所取得认识结论具有局限性，因此，很有必要开展深入研究，早日制定出适用于高寒地区隧道、桥梁、弯道以及坡道等重点防护地段的发热电缆设计标准和施工规范提供科学依据。