利用可再生冷能实现永久冻土下层的可持续稳定性：基于现场校准数据的二维封闭热虹吸管的三分水力-热力-力学耦合建模

《Regional Studies in Marine Science》：Utilization of renewable cold energy for sustainable stabilization of permafrost subgrades: field-calibrated 3D hydro–thermal–mechanical modeling of two-phase closed thermosyphons

　　李慧洁|于子望|吕岩|王伟|王春曦|王汉|徐瑞阳|方达龙
中国吉林大学建筑工程学院深地勘探与成像国家重点实验室，长春，130026

**摘要**
两相闭合热管（TPCTs）是一种被动且高效的传热装置，利用天然冷能作为可再生能源来稳定永久冻土地基。本研究开发了一个TPCT-永久冻土地基系统的三维水热力（HTM）耦合模型，并通过内蒙古呼伦贝尔地区的长期现场监测数据进行了验证。模型通过将模拟结果与通过双变量（时间-深度）三维温度表面测量的数据进行比较来进行验证。通过对热边界条件进行迭代调整，直到达到接近一致的结果，从而确认了模型的可靠性，并获得了最适合研究区域的边界参数。结果表明，该模型能够再现钻孔地下温度，偏差始终控制在0–2°C范围内，为长期预测提供了坚实的基础。进一步分析显示，TPCTs在冬季有效储存冷能，并在夏季减少热量积累，导致0°C等温线向上移动，改善了热均匀性，并显著缓解了差异沉降。此外，蒸发器中部的冷却效率优于底部，突显了其在冷能利用和设计优化中的关键作用。总体而言，这项工作为评估永久冻土工程的可再生冷能潜力建立了一个可靠的预测框架，并强调了TPCTs在推动可持续、低碳和气候适应性基础设施发展方面的重要性。

**引言**
在全球变暖的背景下，永久冻土的退化显著加快[1]，特别是在连续永久冻土带的边缘，那里的融化现象更为明显[2][3]。这种变化对寒冷地区基础设施的长期稳定性和服务性能构成了严重威胁。为了减轻气候变化和工程活动引起的热扰动，提出了多种热稳定控制措施。其中，两相闭合热管（TPCT）因其被动运行、节能和环保的特点而受到广泛关注，无需外部能量输入[4]。通过利用可再生环境冷能，TPCT已被用于稳定永久冻土[5][6]。此外，TPCT逐渐应用于各种寒冷地区的基础设施项目。例如，在青藏高原的高等级公路地基中，先前的研究评估了不同TPCT部署条件下的永久冻土热稳定性，包括单侧、双侧和无TPCT配置[7]，以及L形TPCT的热控制性能[8]和倾斜TPCT的冷却特性[9]。在青藏铁路地基中，还通过现场观测验证了TPCT的冷却效果[10]。另外，TPCT还被应用于寒冷地区采矿工程中的深冻系统优化[11]、隧道衬砌GHE性能提升[12]、油气管道周围永久冻土的保护[13]以及桩基的热稳定[14]。作为一种被动冷却技术，TPCT还被扩展应用于核研究反应堆乏燃料储存池的冷却系统[15]。总体而言，现有研究初步证实了TPCT在各种工程场景中的适用性，但其在不同区域环境和结构条件下的长期传热性能和冷却效率仍需进一步研究。

**最近的研究表明，两相闭合热管（TPCTs）的热性能主要受结构配置[16]和工作流体选择[17]的控制。Kang等人[18]表明内径显著影响两相流动和传热。Yan等人[19]强调了长度比对倾斜TPCT在零下条件下的冷却能力的作用。Zhang等人[20]报告说，安装角度显著改变了冻结环境中的温差和热阻。Ma等人[21]使用R134a、R507、R245fa、R600a和R1234ze等多种工作流体进行了实验研究，揭示了它们在传热性能上的显著差异。虽然这些发现大大推进了对TPCT热机制的理解，但它们主要关注的是孤立的设计变量。相比之下，很少有研究关注TPCT稳定的永久冻土地基的长期多场响应，其中耦合的热、水和力学过程控制着气候变暖下的稳定性。**

区域气候、风况和土壤条件的差异对TPCT的冷却性能有很大影响，常常导致工作范围、效率和稳定性的差异。这些异质性可能导致地温场不均匀、差异冻胀和地基的热诱导损伤。鉴于现场实验成本高昂且时间跨度长，数值建模已成为评估TPCT在多种环境条件下行为的不可或缺的方法。**对于路堤工程，TPCT的热效应通常使用三种方法表示：线性热流密度法[22]、等效热阻法[23]和空气-TPCT-土壤耦合传输法[24]。其中，空气-TPCT-土壤耦合框架被最广泛采用，因为它明确捕捉了大气、热管和周围地面之间的相互作用[25]。在此基础上，本研究将等效阻力方案整合到耦合模型中，以评估路堤的长期热响应。通过明确考虑气流，这种方法在计算效率和预测精度之间提供了适当的折中，适用于工程规模分析。**

TPCT的建模策略大致可分为三种类型：两相流模型、线热源模型和热阻模型。两相流模型提供了内部气液动力学和传热的详细见解，但在大规模应用中计算上不切实际[26]。线热源模型将TPCT简化为线性发射体，通过忽略对流气流来提高效率，但牺牲了精度[27]。热阻模型支持快速的长期模拟，并考虑了气流动力学对热过程的影响，提供了更稳健的解决方案[28]。本研究采用了热阻模型。通过使用等效阻力框架，它在计算效率和预测精度之间取得了平衡，同时明确考虑了气流效应，特别适合长期工程分析。相关最近的关于TPCT路堤的数值研究及其与本研究的相关性在补充表S1中进行了总结。**尽管取得了显著进展，但TPCT的合理布置对于防止冻胀损伤和纵向开裂仍然至关重要。适当的布局可以有效缓解差异沉降，而冷却能力不足可能会放大切向冻胀力，破坏长期稳定性。例如，在路基应用中，不当部署TPCT时，非均匀的水分迁移与差异冻胀相结合会导致冻胀引起的开裂[29]。因此，合理的设计和布局是确保TPCT性能可靠的前提条件。尽管TPCT在减少冻结沉降方面表现出明显效果，但在季节性冻结地区，土壤膨胀可能会抵消稳定的好处，冻胀风险仍然存在。**

**以往关于永久冻土地基的研究主要关注单独的水热力（HTM）过程，对其耦合相互作用——特别是受TPCT操作影响的地面温度、水分迁移和变形的联合演化——关注较少。此外，大多数研究集中在青藏高原，而内蒙古呼伦贝尔地区由于其独特的气候和岩土条件，研究相对有限。另一个挑战是确保数值预测能够高精度地再现现场的温度和变形测量结果，这是TPCT系统实际部署和设计的先决条件。**现有关于TPCT永久冻土地基系统的研究在模型验证、冷却性能的空间变异分析和区域适用性方面仍面临限制。尽管之前的研究使用超长水平压力驱动的两相闭合热管（PD-TPCT）[30]调查了永久冻土地基的长期稳定性，但其半理论传热模型主要关注单温度场评估。同样，Pei等人[31]通过实验室实验检验了TPCT在不同角度下的温度控制效率，但未在真实工程条件下验证结果，主要依赖于二维平面或单点数据，限制了验证范围。相比之下，本研究基于先前关于K130段最佳TPCT间距的研究，并延长了模拟周期，以研究TPCT地基变形的长期热稳定性。创新之处在于开发了一个用于TPCT-地基系统的耦合三场模型（温度、水分和变形），该模型使用特定场地的地面温度数据进行迭代校准，显著提高了模型对实际工程环境的适应性。通过结合现场监测数据和模型结果，构建了双变量（时间-深度-温度）3D温度分布图，提供了更全面的传热分析。该模型经过了广泛的验证，提高了结果在模拟温度时空演化方面的准确性和适应性。此外，通过比较TPCT蒸发器不同部分的冷却性能，揭示了冷却效率的空间差异，识别出效率较高的关键部分，从而指导TPCT地基布局优化和结构设计。总体而言，本研究在模型验证、冷却性能的空间变异分析、三维分布式耦合建模和区域适用性方面取得了创新，为基于可再生冷能的永久冻土地基的长期稳定性评估和可持续设计提供了新的理论支持。**

**研究地点描述**
本研究聚焦于位于内蒙古呼伦贝尔的一个现场，包括鄂温克族自治旗、牙克石市和根河市（图1）的区域。它位于中国东北部的连续永久冻土区，地形主要为低至中山地，起伏平缓。在该地区，永久冻土层通常出现在约2.9米的深度，局部可能延伸至约3.5米。气候严酷，年平均温度在-5°C左右。

**数值建模框架**
开发了一个耦合水热力（THM）数值模型，用于模拟TPCT调节的永久冻土地基的长期行为。该模型结合了特定场所的气象强迫、校准的边界条件以及从现场调查和实验室测试获得的土壤属性参数。模拟周期设为20年，时间间隔为一个月，以捕捉季节性热强迫下地基的长期演变。

**地面温度分析**
为了评估两相闭合热管（TPCTs）对永久冻土地基温度场的影响，比较了不同TPCT运行期间的横截面温度分布。选择了四个代表性月份：1月（最冷月份）、7月（最热月份）、4月（融化开始期）和10月（最大融化沉降期）。图11展示了第1年、第10年和第20年TPCT嵌入地基的温度场，黄色线条表示...

**结论**
本研究开发了一个用于评估加固有兩相闭合熱管（TPCTs）的永久冻土地基稳定性的三维水热力（HTM）耦合模型，并使用来自内蒙古呼伦贝尔的长期现场监测数据进行了校准。模拟结果与现场观测结果非常吻合，显示出浅层的显著热波动以及更深层次相对稳定的温度条件。最低温度出现在...

**作者贡献声明**
王伟：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、资金获取。
王汉：撰写 – 审稿与编辑、调查。
王春曦：可视化、数据管理。
徐瑞阳：撰写 – 审稿与编辑、可视化。
方达龙：撰写 – 审稿与编辑、可视化。
李慧洁：撰写 – 原稿撰写、方法论、正式分析、数据管理、概念化。
吕岩：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取、正式分析。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**数据可用性声明**
支持本研究发现的数据可在合理请求下从相应作者处获得。

**财务支持**
本研究得到了吉林省自然科学基金（项目编号YDZJ202501ZYTS392）和中国国家自然科学基金（项目编号41502272）的支持。

**致谢**
作者衷心感谢吉林省自然科学基金（项目编号YDZJ202501ZYTS392）和中国国家自然科学基金（项目编号41502272）的财政支持。