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邸建雷
（山西省地质调查院，山西太原030006）
摘要：文章通过现场热响应试验，分析处理试验采集的原始数据，并与采取土样的热物性分析结果进行对比，获得更为准确的试验结论，从而了解岩土体的原始地温并获取该区域岩土体热物性参数（包括热导率 和热扩散系数），为浅层地温能资源评价和适宜性分区提供基础数据。
关键词：晋中；浅层地温能；热响应试验；原始地温；热导率；热扩散系数
中图分类号：TK521文献标识码：A
文章编号：1672-7487（2019）03-112-3
1现场热响应试验技术方法
1.1试验原理
现场热响应试验均釆用天津地热勘查设计研究院自主研发的FTPT11型浅层地温能现场热响应测试仪。该测试仪是专门针对全国浅层地温能调查工作，结合多年现场热响应试验的实际经验研制而成，并通过北京现场测试，试验各种参数精度达到或超过原国土资源部对浅层地温能调査评价标准，并通过了原国土资源部组织专家认定。 1.2试验步骤
1.2.1换热孔施工
根据施工要求釆用适合的水文钻机，取心钻孔直径llOmni，在完成钻孔取样和物探测试后，扩孔至直径150mm，结合太原市地层和地下水含水层特点，孔深80-200m不等。
全孔取心钻进，岩石釆取率不低于80%，破碎带采取率不低于65%；粘性土釆取率不低于80%，砂性土不小于60%。岩土层单层厚度大于lm的，每层取代表性原状土样（砂、砾石层除外）。进行钻孔初见水位和静止水位观测。岩心按序及时存放到岩心箱内，标示出钻进开始和终止深度，岩心缺失需标明。
1.2.2安放PE管
钻至设计深度后，试验孔应立即下入DN32的双U型PE管，管材壁厚3mm。下管时在管内注满水，依靠钻杆带动下至孔底。
1.2.3水压试验
Pe管下入孔内前后各打压一次，确保埋管无泄漏后方可进行下一步工作。 1.2.4回填
对埋管确认无泄漏后应立即进行回填。釆用返浆回填的方式，回填材料釆用膨润土和细砂的混合浆（膨润土比例6%-8%）；
1.2.5现场热响应试验
1）现场热响应试验一般在测试埋管安装完毕48h后进行，首先做非加热的循环测试，获取地层初始平均温度。要求入口或出口温度达到稳定为止（持续变化小于0.5*C/d）。 2）在获取初始地层平均温度后，开始对回路中的传热介质进行加热负荷，釆用大功率和小功率2种加热模式。其中大负荷宜釆用6-10kW，小负荷宜釆用3-5kWo测试过程中热负荷和流量要求基本保持恒定（波动范围在±5%以内），逐时记录回路中传热介质的流量和进出口温度。
3）第一次加热负荷结束后，应继续观测回路中的进出口温度，直到恢复地层初始温度为止。
1.2.6现场测试成果分析
分析现场测试成果资料时，应注意试验条件如气温等对试验数据的影响，运用数理统计方法剔除异常数据。
2现场热响应试验及数据分析
本文以东长寿村Jr测孔为例进行热响应试验及数据分析。
2.1测试孔概况
实验孔Jr位于晋中市榆次区修文镇东长寿村修文工业园区。钻孔全孔同径，先小径取样（CllOmm），终孔后扩孔口径至*150nun，然后下入11&4m深度DN32PE双U型地埋管，热响应孔釆用返浆回填的方式回填，回填材料主要用膨润土和细砂的混合浆（膨润土比例6%-8%）。试验工作在钻井回填完成48h后进行。
2.2现场热响应试验过程
Jr测孔热响应测试工作于8月3H至8月10日进行。仪器
作者简介：邸建雷（1982—），男，士西岚县人，工程师，本科，毕业于石家庄经济学院，主要从事水工环地质工作。（邮箱）303403960@qq
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运行正常，数据釆集齐全，项目负责人现场釆集数据，数据釆集完整，符合本次试验的要求。
2.2.1Jr孔的初始平均温度
Jr孔初始平均地温的试验曲线（见图1）。通过试验数据分析，地埋管里的水介质经过一定时间的循环后，Jr孔进出口平均温度（即认为的岩土体初始平均温度）稳定为15.orc.
图1Jr孔平均初始地温曲线图
2.2.2恒热流排热试验
1）小功率恒热流试验过程
Jr孔小功率恒热流测试自8月4日14时至8月6日13时，加热功率为4kW，流量1.39m7h，试验时间约48h。根据仪器所釆集的数据编制地埋管入口温度与地埋管出口温度随时间变化的曲线见图2。由曲线
可以看出，在测试的最初12h，埋管进出口温度的变化比较快，这是因为测试初期，测试孔内岩土体温度较低，在加热条件下热量不断积聚，温度迅速上升，埋管内的水温也就相应上升，在经历一段时间的热量累积后，孔内岩土体温度升高，埋管提供的热量不断向周围扩散，孔内岩土体相对升温慢，所以埋管进出口温度也就相对稳定，缓慢上升。
图2Jr孔小功率加热下的温度——时间曲线图
2）大功率恒热流试验过程
Jr孔大功率恒热流测试自8月8日13时至8月10H15时，加热功率为&OkW，流量1.38m7h，试验时间约50h。根据仪器所釆集的数据编制地埋管入口温度与地埋管出口温度随时间变化的曲线见图3。由曲线可以看出，在测试的最初12h，埋管进出口温度的变化比较快，这是因为测试初期，测试孔内岩土体温度较低，在加热条件下热量不断积聚，温度迅速上升，埋管内的水温也就相应不断上升，在经历一段时间的热量累积后，孔内岩土体温度提高，埋管提供的热量可以不断向周围扩散，孔内岩土体相对升温慢，所以埋管进出口温度也就相对稳定，缓慢上升。
图3Jr孔大功率加热下的温度——时间曲线图
3）换热量计算
Jr孔恒热流排热测试分以下2种：
a.Jr孔小功率恒热流测试
孔深H=ll&4m（取12-46.5h数据计算）
流豊G=l.39m3/h，平均温差：
水的密度：P=103kg/m3，水的比热C=4.18X10〃（kg・C）
换热量：Q=P XCXGXAt=3.57X103W=3.57kW
单位孔深换热量：Q=Q/H=3570W/118.4m=30.15W/m
b.Jr孔大功率恒热流测试
孔深H=ll&4m（取12-49.3h数据计算）
流量：G=l.38m'7h，平均温差：At=^=4.35X!
水的密度：卩=10蚀/|1?，水的比热：C=4.18X10?J/（kg•"O 换热量：Q=pXCXGXAt=6.97Xl03W=6.97kW
单位孔深换热量：Q=Q/H=5&87W/m
4）热物性参数
Jr孔现场测试热物性参数分以下2种：
a.Jr孔小功率测试下计算热物性参数
根据稳定段12-48h试验数据绘制Jrl孔小功率加热的T「随lnt的变化曲线（见图4）,T f-lnt的曲线方程为：
尸1.4573x+3.6078R2=0.
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图4Jr孔小功率T「随lnt变化曲线图图5Jr孔大功率*随lnt变化曲线图
可知K值为1.4573，取12-46.5h计算所得换热量Q=3570W，代入下式：
Q
X=47tKH=】•65W/(m•K)
查得单一岩性热容参数，结合试验孔地层岩性测试结果，求得岩土体的体积热容c=2.76X106J/(m3-K)，代入下式：
a=X/c=O.598X IO-6m2/s
综上所述，Jr试验孔在小功率加热情况下，岩土体的平均热导率为1.65W/(m•K)，热扩散系数a=O.598X10V/s.
b.Jr孔大功率测试下计算热物性参数
根据稳定段12-49.5h试验数据绘制Jrl孔大功率加热的*随lnt的变化曲线(见图5),T r-lnt的曲线方程为：
y=2.6705x+l.4689R2=0.9927
可知K值为2.6705，取12-4&7h段计算所得换热量Q=6970W，代入下式：
Q
岩心箱
A=47tKH=L76%EK)
查得单一岩性热容参数，结合试验孔地层岩性测试结果，求得岩土体的体积热容c=2.76X106J/(m3-K)，代入下式：
a=X/c=0.638X106m2/s
综上所述，Jr试验孔在大功率加热情况下，岩土体的平均热导率为1.76W/(m・K)，热扩散系数a=0.638X10~m7s。
3结论
东长寿村Jr孔测试结果如下：
1)该测孔周围岩土体初始平均温度为15.orc，埋管深度118.4m。
2)根据对该孔测试数据的分析同时参考室内测试样的综合热导率得出该区域岩土体的综合热导率为：
X=1.71W/(m•K)，热扩散率：a=0.467X10V/s.
本次测试只进行了排热试验，如果进行取热试验，从测试结果来看，浅孔的单位深度换热能力较强，综合取热工矿，建议设计、施工地埋管换热孔以100m左右为佳。
参考文献：
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[J].节能,2011(2):36-38.
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[3]卫万顺，郑桂森，等.浅层地温能资源评价[M].北京：中国
大地出版社
,2010:58-59.
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