含水率对砂岩风化砂土热阻率的影响分析及在地埋电缆回填中的优化应用

0引言

近年来,地埋电缆回填材料的热物性成为电力工程和岩土工程交叉领域研究的热点。国内外不少学者围绕回填材料的散热性能、环境适应性及经济性展开了系统性探究。

其中发达国家较早关注到了电缆回填材料的优化设计,IEEE 442—2017标准明确要求中压地埋电缆回填材料热阻率需低于1.0℃.m/w,并推荐使用改性材料,但其在长期稳定性和湿度敏感性方面受到一定制约。国内研究针对风电场特殊工况,尝试利用机制骨料作为回填材料,但其颗粒棱角易损伤电缆绝缘层,因而应用受限。

天然砂虽热阻率较低,但其开采会导致生态破坏,且运输成本过高。此外,天然砂级配单调,长期运行后易板结,孔隙率下降会导致散热性能下降。而砂岩风化砂土 (以下简称“风化砂土”)作为区域性材料,兼具热物性和力学性能优势,热阻率与天然砂相当甚至更低,含水率敏感性更低,且就地取材,无须再加工和改性,经济性、环保性显著,具有替代天然砂作为地埋电缆回填材料的可行性。

但现有研究大多忽略了回填材料的热湿耦合效应,本次研究通过试验检测首次系统量化了风化砂土的散热性能,以期为地埋电缆工程提供低成本、高适配的解决方案,为电缆回填材料优化设计提供科学依据。

1 热阻检测试验

1.1 试验材料介绍

地埋电缆回填材料需满足多重工程需求:首先,材料需具备低热阻率以保障电缆散热效率;其次,需避免尖锐颗粒损伤电缆绝缘层;此外,材料应兼具透水性、抗板结性及长期结构稳定性。

地埋电缆设计通常需要结合区域性材料的热物特性和输电需求,选择经济合理的电缆类型和尺寸方案。原则上应选取热阻率较小的回填材料,以提高电缆载流量、减小截面尺寸、节约电缆成本,但必须进行适配性试验和验证。有关研究表明,土壤的热阻率与含水率之间有较明显的影响关系,因此本文针对风化砂土材料研究其不同含水条件下的热阻量化表现,以便在有关工程中应用。

风化砂土施工特性良好,易于开挖、转运和铺设施工,这使得其在回填工程中具有较高的实用性和可靠性;除了施工效率高外,风化砂土还具有施工成本和维护费用较低的优点。与其他回填材料相比,砂土易于获取,经济效益良好。

1.1.1砂土的物理分析

某山地风电项目场区广泛分布的风化砂土外观性状如图1所示,其主要由石英、长石及黏土矿物构成,其矿物组分决定了材料的力学响应特征[1]。石英的高硬度与长石的次生蚀变产物共同作用,赋予材料适中的抗压强度和抗风化能力;颗粒形态存在一定的棱角状,棱角状颗粒间通过咬合效应显著提升其抗剪强度和内摩擦角[2];而黏土矿物的胶结作用使其具有一定的内聚力[3]。

力学行为方面,风化砂土属低压缩性材料。其应力—应变特征,符合Mohr—Coulomb强度准则,在动态荷载下变形可控[4]。此外,其累积塑性应变率低于1%/百次循环,表明其具备良好的抗疲劳性能,可有效抵抗地埋电缆热循环引起的差异疲劳,适用于长期承受电缆热膨胀应力的工况,替代天然砂作为地埋电缆回填材料具有良好的可行性。

1.1.2砂土的粒度分析

风化砂土的粒度分析采用美国标准ASTMD422—63: 2007,将样品烘干后进行,并针对筛孔直径0.063 mm以上的筛余进行比重计分析,使用对数刻度来表示粒度,绘制粒度分布曲线,如图2所示。

风化砂土的物理力学特性及其热湿耦合行为与其粒度分布特征存在显著关联。基于ASTM D422—63标准,采用筛分法与比重计法联合分析,材料粒度分布曲线呈现典型单峰特征,有效粒径D10=0.15 mm、中 值粒径D50=0.35mm、限定粒径D60=0.63mm,均匀系数cu=4.2,曲率系数cp=1.1,依据美国统一土壤分类系统(USCS)判定为级配不良中细砂。图2中曲线的斜率平缓(D30=0.28 mm)表明,孔隙结构以开放型为主,能形成高效渗流通道。此级配特性不仅抑制了毛细水上升高度,还通过减少细颗粒对孔隙的堵塞效应,优化了水分分布均匀性,为热传导路径的连续性提供了结构保障[3]。

图2的粒度分布数据为解析材料热阻特性提供了关键依据。级配不良特征(cu=4.2)导致孔隙结构呈现高连通性,使空气与水界面分布均匀,显著提升了导热效率[5]。相较于天然砂,其较宽的均匀系数减少了细颗粒对孔隙的局部阻塞,避免了因板结导致的散热不均问题。此外,低黏粒抑制了水膜结合对热阻的增益效应,因此其热阻率对含水率波动的敏感性较低。而中细砂骨架在含水率波动时仍能维持孔隙率稳定性,确保导热路径的完整性,表明其适用于湿度波动较大的工程环境。

自然含水率范围(2.4%~28%)内,风化砂土材料热阻率均低于1.0℃.m/w(规范要求的阈值)[4],且随含水率增加呈对数下降趋势,其机理可归因于开放孔隙中水分形成的连续导热网格与棱角颗粒紧密堆积对空气滞留空间的协同削减作用。

综上所述,风化砂土的级配特征(图2)与组成成分共同决定了其低热阻、高透水性及适度抗剪强度的综合性能。粒度分布对孔隙结构的调控作用,结合棱角颗粒的力学响应机制,使其能够在地埋电缆回填工程中实现散热效率与结构稳定性的均衡,为替代天然砂提供了多尺度理论依据。

1.2 试验方法与设备

1.2.1试验方法

一般土壤的热阻率测试方法主要包括稳态球法和暂态法两种。稳态球法,作为传统的测量方法,需要在地下埋设加热球体,测定其达到稳态后的温升,再依据镜像原理计算土壤的热阻率,但此方法耗时较长,操作相对复杂。暂态法,利用装有加热丝和测温热电偶的探针结构快速测量土壤热阻率,通过保持加热丝发热功率不变并测量温升,结合Fourier定律进行计算。该方法具有测量速度快、操作简便快捷且准确度高等优点,非常适用于野外和大量测量项目的应用场景[6]。

因此,本次试验选用更加灵活、快捷的暂态法进行。试验按照ASTM D5334—14规范进行,通过记录和分析大量不同含水率条件下的实测热阻率,根据离散点的规律进行回归分析,得到热阻率与含水率之间变化关系的回归曲线与回归方程,反映材料热阻率对不同湿度的影响程度。

1.2.2试验设备

试验使用THERMTESTTLS—100(暂态线源)热导率仪,探头由一根细加热丝和温度传感器组成,密封在100 mm或50 mm钢管中。传感器完全插入待测样品中,使用恒定电源将热量传递给样品,可直接读取热阻率和热导率。该仪器适用于土壤、岩石、混凝土、聚合物等材料的热阻率检测。在使用前必须进行校准,校准和试验过程应遵循ASTMD5334—14和IEEE 442—2017规范和标准。试验装置如图3所示。

2热阻率测量试验结果

本研究基于ASTM D5334—14规范,采用THERM—TESTTLS—100热导率仪对风化砂土进行暂态法热阻率测试,共完成10组不同自然含水率条件下的热阻测试,每组重复3次,以保证数据的可靠性,如表1、图4所示。

注:1)表中的数据为每组3次重复测试的平均值;2)采用喷雾法调控风化砂土样本的含水率。

试验检测结果如下:

1)砂土热阻率随含水率升高呈对数衰减规律[7],回归方程为y=—0.133ln x+0.9231,R2=0.89,这表明模型具有较高解释性。在 自然含水率范围 (2.4%~28%)内,热阻值介于0.50~0.82℃.m/w之间,均低于设计阈值1.0℃.m/w,满足电缆设计散热要求。

2)当含水率<10%时,热阻率降幅显著(0.82℃.m/w→0.57℃.m/w),主要因为水分填充孔隙,取代低导热空气;当含水率>10%时,降幅趋缓(0.57℃.m/w→0.50℃.m/w),归因于连续水膜形成及颗粒间接触热阻降低。

3)尽管高含水率可进一步降低热阻,但砂土易发生塑性流动并携带腐蚀性离子,可能威胁电缆结构稳定性与绝缘性能,故目前经测试验证的含水率有效置信区间为(2.4%~28%),其余部分为模型回归推断。

4)回归曲线在高含水率区预测值与实测值偏差增大[4](如第8组实测0.50℃ .m/w,小于曲线预测0.53℃.m/w),推测与孔隙微观结构重组及黏粒结合水效应未被纳入模型有关[7],需深化机理做进一步研究。

3应用优化策略

基于风化砂土的热阻特性和地埋电缆工程特征,结合试验数据和工程实践,提出以下应用优化策略:

1)性能优化:应选择热阻率低于原状土且湿度敏感性较低的回填材料或通过掺入掺和料做改性处理,优化粒径结构,降低热阻率和湿度敏感度,确保回填材料性能。

2)级配筛选:通过筛分控制最大粒径,减少棱角硬物对电缆的机械损伤,同时控制细颗粒(<0.075mm)的含量,避免孔隙堵塞。

3)含水率置信区间:根据回归模型y=—0.133ln x+0.9231,建议施工含水率控制在8%~18%,对应热阻率小于1℃ .m/w,既可实现高效散热,又可避免高含水率引发的塑性流动风险。

4)结构调控:通过模拟优化电缆间距、埋深、回填层厚及排布方式,减少相邻电缆热干扰;利用空气界面强化散热效果,同步设计排水反坡,避免积水。

5)施工控制:采取超填措施抵消工后沉降,保证压实度,维护材料结构的稳定性。

6)全周期经济性:优先“就地取材”,选用施工现场或周边的区域性材料,可节约大量运输成本,综合评估材料的热工性能与全生命周期成本,实现散热效率与经济效益平衡。

4 结论

本研究通过暂态法揭示了风化砂土的热阻率随含水率升高遵循对数衰减规律,在自然含水区间内热阻率小于设计和规范规定的阈值,满足中压地埋电缆回填的散热需求。风化砂土凭借其低热阻、低湿度敏感性、孔隙高连通性及高抗剪强度的特征,可替代天然砂实现高效散热与结构稳定协同。

在工程实际应用中,建议通过级配筛选、含水率控制、排水设计与压实工艺,结合区域性材料热物特性和分布情况,充分发挥就地取材优势,降低全周期成本。

未来需深化微观重组与黏粒结合水膜效应对热阻机理进行深入研究,并验证长期工况下材料的耐久性,为实现区域环保材料的工程应用提供理论与数据支持 ,这对推动电力工程绿色化 、经济化发展 具有重要的实践意义。

[参考文献]

[1]  郭鸿 ,朱起红.土力学及基础工程学习指导书[M].北京:中央广播电视大学出版社 , 1995.

[2]  何世玲.地基与基础工程[M].2版.武汉:武汉理工大学出 版社 ,2002.

[3]  AsTM  INTERNATIONAL.standard Test Method for parti- cle-size Analysis  of  soils : AsTM  D422-63:2007[s].

[4]  CIGRE  WORKING  GROUp.Thermal  performance  of  Buried power  Cables [z].paris : CIGRE   Technical  Brochure, 2013.

[5]  CHEN   L . Micro-CT   Analysis    of    pore    structure Evolution   in   Weathered   sands   under  Hydration-Cycling  [J].Geotechnical  Testing  Journal,2021,44 (3) : 678-692.

[6]   AsTM   INTERNATIONAL.standard     Test     Method     for  Determination   of   Thermal   Conductivity   of   soil and  soft  RocK  by  Thermal  Needle  probe  procedure :  AsTM  D5334-14:2014[s].

[7]  FAROUKI   O   T . Thermal   properties   of   soils [M] .Clausthal-zellerfeld: Trans Tech publications,1986.

《机电信息》2025年第12期第20篇