探讨青藏铁路的热棒工作原理
李慧
摘要：高考题目灵活多变，背景材料更多源自生产生活，2015年高考全国课标卷文科综合地理37小题颇受议论。本文通过分析青藏铁路所处地理环境的特殊性，结合工程、热学原理，以高考试题为背景，从高中地理教学的角度出发，探讨了如何利用地理学科知识认识、理解实际事例的思路、方法。
关键词：青藏铁路；冻土；热棒
一、引言
青藏铁路创造了世界铁路海拔最高之最，工程中也面临、攻克了多年冻土、生态脆弱、高寒缺氧等铁路建设史上的诸多世界性难题，成为世界高原铁路建设工程的技术和经验典范，尤其是“以桥代路”的工程方法和热棒技术的应用，不仅成功解决多年冻土对工程质量与交通安全的影响，更为高原诸多动物留下了安全的迁徙通道。
青藏铁路平均海拔在4500米以上，途经终年气温很低、多年冻土层广布的人类活动禁区，有的地方冻土层厚达20多米。冻土的表层一般在温暖的季节会融化下降，而寒冷的季节，其表层则会再冻结上升，从而对铁路路基的稳定造成巨大的影响，也使得在冻土广泛分布区修建铁路成为世界性的不可能。纵观整个青藏铁路，其冻土地段长达550千米，占到铁路总长的一半！因此工程建设中，如何保持冻土的相对稳定性，最大程度减小冻土随温度变化涨缩对铁路路基的影响是工程技术突破的焦点。
青藏铁路破解多年冻土难题，可以总结为两个因地制宜：一是在相对稳定的冻土地段，因地制宜采用片石通风路基、片石护道、热棒技术、铺设保温板等方法，保障路基通风，加快热量散发，从而达到保持低温和稳定冻土的目的；二是在极不稳定的冻土地段，因地制宜采用“以桥代路”的方法，把桥梁的四根桩基深入地下20米以上（即穿透多年冻土层），依靠桥墩与冻土之间的摩擦力来支撑桥梁路基的稳固性，把冻土的消融和冻胀对路基的影响减小到几乎为零。
二、高考解题思路分析
青藏铁路的成功修建，不仅在交通基础设施建设领域引起巨大反响，同时也成为全社会各个领域讨论关注的焦点，中学地理教育就敏锐地捕捉到了这一信息，并成功转化为地理理论与实践联系的考查热点。2015年高考全国课标卷文科综合地理的37小题，不仅考查了考学生对地理基本理论原理的掌握程度，而且还围绕热棒工作原理，探索性建立了学科交叉的高考考查发展趋势。
2015年高考全国课标卷文科综合地理的37小题：
多年冻土分为上下两层，上层为夏季融化，冬季冻结的活动层，下层为多年冻结层。我国的多年冻土分布主要分布于东北高纬度地区和青藏高原海拔地区。东北高纬地区多年冻土南界的年平均气温在- 1°- 1°，青藏高原多年冻土下界的年平均气温约为- 3.5°- 2°C。
由我国自行设计、建设的青藏铁路格（尔木）拉（萨）段成功穿越了约550千米的连续多年冻土区，是全球目前穿越高原、高寒及多年冻土地区的最长铁路。多年冻土的活动层反复冻融及冬季不完全冻结，会危机铁路路基。青藏铁路建设者创造性地提出了“主动降温、冷却路基、保护冻土”的新思路，采用了热棒新技術等措施。图8a（略去）示意青藏铁路格拉段及沿线年平均气温的分布，其中西的滩至安多为连续多年冻土分布区。图8b（略去）为青藏铁路路基两侧的热棒照片及其散热工作原理示意图。热棒地上部分为冷凝段，地下部分为蒸发段，当冷凝段温度低于蒸发段温度时，蒸发段液态物质汽化上升，在冷凝段冷却成液态，回到蒸发段，循环反复。
考题的第一问和第二问，知识运用主要集中于地理学基本原理中，突出考查了学生对纬度与气温、海拔与气温、气温与冻土消融冻涨之间的关系，但第三问却引发了比较广泛的争议，其中包含了建筑工程的粗浅原理和物理热学的相关知识，使得总体得分率较低。其实只要仔细分析，就可以看出，题干中对热棒的介绍已经基本明确告诉了考生思考答题的方向，不难得出第三问的答题思路应为：冬季气温低于地温，热棒蒸发段通过吸收冻土的热量（物理热学中的汽化吸热原理，即液态物质汽化上升，到达热棒顶部时再液化放热），从而达到传导出冻土内部热量，保持冻土内部稳定性的目的；热棒倾斜设置是为了使棒体能深入铁轨正下方，重点保证铁轨正下方的多年冻土始终保持低温和稳定。
三、热棒的工作原理探析
低温热棒技术由中圣集团研制开发，是一种由碳素无缝钢管制成的高效热导装置，内部空心密闭装有一些液氨，地下5米，地面2米，具有独特的单向传热性能。其具体工作原理为：冬半年时，热棒中的液体工质通过吸收冻土中的热量，汽化为成气体，并在管内压差的驱动下，向上流动至热棒上部遇冷液化为液体，放出热量，并在重力作用下流回吸热段再汽化。反过来讲，通过这一循环反复的过程，就可以把大气中的冷量源源不断地传输到地基冻土中。同时为保障热棒有效放出热量，在热棒上部（放热段）还装配了散热片。同时由于热棒单向传热的特点，夏天大气中的热量是不会通过热棒传到冻土中的。
基于热棒的单向导热（亦可称之为导冷）作用，冬天在地下冻土层中就可以储存大量冷量，在夏季缓慢受热、温度渐升的过程中，不致使冻土内部的温度上升到融化临界点之上，形成稳定坚固的“永冻层”，可有效防止冻土的消融冻结对铁路、公路等路基所带来的融陷危害。这一技术可广泛推广应用于冻土地带的铁路、公路、桥梁、涵洞、隧道、固变电铁塔等工程建设。
结束语：高考侧重于考查理论在实践的应用，其背景材料更多源自生产生活，建议在教授课本基础知识的同时，更要倡导在科普书刊、科普电视节目和实践中开阔视野。读万卷书，行万里路，多从身边的实际事例思考，理论教学会更加有效。
参考文献
[1]程国栋.用冷却路基的方法修建青藏铁路[J].中国铁道科学，2003年03期
[2]徐啸海.青藏铁路环保监理实践的探讨[J].中国铁路，2004年01期
