我院在岩土体导热系数原位精细测试技术方面取得新突破

发布者:陆昀乔发布时间:2020-09-11浏览次数:10

导热系数是岩土体的关键物理参数,而岩土体异质性和分布的复杂性又为原位精细获取导热系数带来了巨大挑战在。近几年来,如何高效、准确获取岩土体导热系数已成为浅层地温能、地质灾害防治、地质工程、岩土工程、水利工程、水文水资源等领域的研究热点。

常规的岩土体导热系数原位测试技术主要包括热响应试验(thermal response testTRT),但该技术仅能获得一定深度范围内岩土体的平均导热系数,且该技术存在测试时间长、费用较高等问题。顾凯副教授课题组创新性地利用同轴内加热铜网光缆(CMHC),发展了基于主动加热光缆的热响应试验方法(actively heated fiber optics based thermal response testATRT),利用分布式光纤测温技术获取高精度、高空间分辨率温度信息并计算获得导热系数分布,实现了导热系数原位精细化测试(Figure 1)。该技术的主要创新点体现在:(1CMHC实现了热源和温度感测元件的高度集成,更加满足线性热源的假设;(2)大大提高了测试效率,测试时间和能量消耗相比常规TRT减少90%以上,显著降低了测试成本;(3)实现了岩土体导热系数的准确、精细化获取,测试结果与常规手段相比误差不足5%,且能获得复杂地层的导热系数分布(Figure 2)。

该技术在浅层地温能评价、岩土体水分场监测、地下水渗流监测、地质灾害监测与预警、地下空间开发等领域具有广阔应用前景。国际同行给与了高度评价:This innovative method offers a more efficient thermal property evaluation in the field, both technically and economically, meaning that it could greatly increase the efficiency of in-situ thermal property evaluation but consumes much less energy and test time. This article can be of great interest to a wide range of researchers and engineers.

目前,该技术已服务于国家需求,在常州市城市地质调查、金坛市城市地质调查、长江岸堤安全监测与示范等项目中得到了应用,并取得了良好成效。该技术将进一步服务于国家重点研发计划(膨胀土滑坡与工程边坡水力作用失稳特征与安全性评价方法)、陕西省重点研发计划(延安黄土沟壑区新建重大工程场地生态与地质环境监测评估)等多个项目的现场工作。

以上成果以研究性论文“Actively heated fiber optics based thermal response test: A field demonstration”为题,在线发表于能源/燃料领域、绿色可持续科学与技术领域国际顶级期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》(IF12.110)。硕士生张博为论文第一作者,顾凯副教授和施斌教授为共同通讯作者,刘春副教授、德国哈勒-维腾贝格大学Peter Bayer教授、苏州南智传感技术有限公司魏广庆博士和江苏省地质调查研究院龚绪龙高级工程师和杨磊高级工程师为论文的合作作者。本研究获得国家自然科学基金(41427801, 41761134089, 41977217)、南京大学技术创新重点基金(SC-2019-101)、常州城市地质调查项目和德国研究基金(No.2850/3-1)联合资助。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110336



Figure 1  The setup of actively heated fiber optics based thermal response test.


Figure 2  Ground temperature distribution and calculated thermal conductivity distribution obtained by ATRT and DTRT. (a) Initial undisturbed ground temperature, (b)The thermal conductivity and its 95% confidence interval estimated for ATRT, (c) The thermal conductivity and its 95% confidence interval estimated for DTRT.