渗流作用下饱和砂层多排孔冻结温度场发展规律研究

发布时间：2019-11-26 15:00

【摘要】：人工冻结法是目前国内外广泛使用的地层止水和加固方法之一,冻结施工过程中,地下水流速是影响冻结效果甚至是冻结法成败的关键因素。本文结合市政工程中经常采用的多排孔布孔形式,以饱和砂渗流地层的人工冻结过程作为研究对象,采用数值模拟和物理试验两种研究方法对渗流作用下冻结温度场发展规律进行系统研究。首先,开展冻结温度场数值模拟研究,建立Comsol数值计算模型。通过Comsol软件中的自定义偏微分方程,实现了多孔介质温度场和渗流场耦合问题的数值求解。通过典型参数分析,得到了渗流作用下冻结温度场以及渗流场的发展规律;运用单因素试验研究得到了地下水流速、冻结管间距、冻结管排距、冻结管排数、渗流角度等影响因素与渗流温度场冻结壁厚度、平均温度及交圈时间的关系;运用正交试验分析了不同渗流作用时间下各因素对于渗流温度场的影响及显著性。其次,根据相似准则,开展了物理模拟试验研究,得到各特征面测点温度变化情况以及交圈时间大小,据此分析各特征面冻结壁厚度变化规律。最后将物理试验结果与数值模拟中同一流速水平分析结果进行了对比,得出二者所得的温度场分布规律基本一致,但实验测值要略大于数值模拟的数值,对其原因进行阐述。本文的研究内容可以为渗流作用下冻结法的设计和施工提供一定的指导和借鉴意义。
【图文】：

几何模型,布孔形式,冻结孔,冻结管

yT ) (T ) (T )，比热( ) ( ) ( )sx sy sC T C T C T，渗透系数( ) ( ) ( )x yK T K T K T。.2 几何模型在人工地层冻结工程中，冻结管通常采用直径 80～159mm 的无缝钢管，开孔间 0.6～1.3m。不同的工程有不同的布孔形式，井筒冻结一般为多圈孔形式，对于通道等市政工程，则采用直排间隔布孔，工程中多排布孔形式应用较多，因此本立多排孔冻结平面几何模型，冻结管直径取 0.159m，间距取值范围 0.6~1.2m，，范围 0.8~2.4m，根据工程中直排布孔常用的布置形式，本文主要针对多排布孔研究，在此基础上，固定渗流和导热参数，改变布孔形式，研究梅花状布孔下冻的发展规律。综合冻结的影响范围（冻结管外侧冻结壁厚度 E0的 5~8 倍）以及水流方向，模为 20m×25m(长×宽)，冻结孔按试验安排布置，每排布置 4 个冻结孔，由于模结构，当水流方向垂直冻结孔轴面时，可以取一半结构进行计算，从而减少计算时计算效率，当水流方向发生改变，不再与轴面垂直时，则温度场不具有对称性，整结构进行计算。图 2-1 为对齐排列布置下双排孔几何模型。

冻结管,网格划分,边界,边界条件

（2）边界条件温度场边界条件：模型长度方向左右两侧、高度方向上下两侧为绝热边界。渗流场边界条件：模型高度方向上侧（上游）为水流补给边界，下侧（下游）为透水边界，模型长度方向左右两侧边界为不透水边界。当数值模拟中由于模型的对称性取一半结构时，模型长度方向右侧边界（对称轴边界设为软件内置的对称边界。2.4.4 网格划分网格划分是有限元法求解的关键，合理的网格划分可以提高模型的收敛性、计算精度以及减少计算时间。由于本文几何模型为平面模型，收敛性较好，因此在网格划分时应尽量细化，以提高计算精度。冻结管附近和远离冻结管的区域温度梯度不同，故冻结管附近的网格划分较远离冻结管的区域细化。本课题数值模拟采用自由剖分三角形网格划分，冻结管边界选择极端细化划分等级，冻结域选择特别细化划分等级。同时，根据求解变量值的分布，合理的调整网格疏密程度，对局部范围进行网格细化从而提高计算结果的精确性网格划分如图 2-2 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU94;TU46

【参考文献】