土木工程毕业设计（论文）-流水作用下冻结壁温度场发展规律.doc

中国矿业大学2015届本科生毕业论文编号：（ ）字 号本科生毕业论文论文题目：流水作用下冻结壁温度场发展规律姓 名：学 号：班 级：土木工程地下2011-2班二一五年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业论文姓 名：学 号：学 院：力学与建筑工程学院专 业：土木工程专业（城市地下工程方向）论文题目：流水作用下冻结壁温度场发展规律指导教师：职 称：二一五年六月 徐州中国矿业大学毕业论文任务书学院力学与建筑工程 专业年级 土木工程专业地下2011学生姓名 任务下达日期： 2015年1月 19 日毕业论文日期： 2015年1 月 19 日至 2015年 6 月 8 日毕业论文题目：流水作用下冻结壁温度场发展规律毕业论文主要内容和要求：论文要求：在我国东北、华北、华东和长江中下游及黄河河套等地区，由于表土层含有多层流砂，水文地质条件十分恶劣。在这些地方进行煤矿开采、城市轨道交通建设、越江隧道及其他各式各样的地下工程时，人工冻结技术作为一种特殊施工工法被广泛应用于上述工程建设。针对冻结温度场的研究也迅速开展起来，但长期以来研究人工冻土温度场计算主要是以单一连续介质的稳态和非稳态傅立叶导热理论为计算基础的，而对流动水作用下冻结温度场的发展规律未曾有深入的研究。要求围绕此课题，结合南宁市轨道交通1号线07标冻结修复工程具体施工情况，研究流水作用下冻结壁温度场发展规律。绘制图纸：动鲁区间冻结管平面布置图，动鲁区间冻结管剖面布置图，动鲁区间冻结施工平面布置图，动鲁区间冻结加固平面布置图。其它要求：绘制的图纸中，要求手工绘制1张。翻译一篇与设计或专题内容相关的外文参考文献，其中文字数不少于3千字，并且附原文。院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日中国矿业大学2015届本科生毕业论文摘 要论文通过理论分析、数值模拟和现场实测三种方法，对流水作用下冻结壁温度场发展规律及温度场影响因素进行了较为深入的研究。首先，对渗流场与冻结温度场两场耦合作用，土体的热物理指标及影响冻结温度场的主要因素进行了理论分析，并给出了流水作用下冻结温度场的数学模型。并选择冻结壁平均厚度和冻结壁平均温度为指标，通过数值模拟，分析了每个影响因素的变化对冻结壁平均厚度和冻结壁平均温度的影响；找出了影响冻结壁平均厚度和冻结壁平均温度的显著因素, 并通过方差分析检验分析结果的正确性；根据南宁市轨道交通1号线现场实测数据，对不同测温孔所获得的温度进行分析，得出流水的存在对温度场产生了显著影响的重要结论。关键词：渗流场；温度场；两场耦合；数值模拟；现场实测ABSTRACTArticles by theoretical analysis, numerical simulation and field measurement of three methods of water under the effect of freezing wall temperature field and temperature field development law factors for a more in-depth study. First, seepage and freezing temperature field coupling to two thermal physical indicators and the main factors affect soil temperature field of frozen theoretical analysis, and gives the mathematical model of water under the action of freezing temperature field. And select the frozen wall thickness and an average mean temperature of frozen wall indicators, through numerical simulation, we analyzed the changes in each of the freeze wall factors and the impact of the average temperature of frozen wall average thickness; find out the influence of the average thickness of frozen wall and freeze wall a significant factor in the average temperature, and by analysis of variance analysis results are correct; according to Nanning City rail Transit line 1 field data, different temperature hole temperature obtained was analyzed, the presence of water to obtain the temperature field produced the important conclusions significant impact. Keyword: Seepage Field；Temperature Field；Multi-physics coupling；Numerical Simulation；Field measurement 目 录第一部分 流水作用下冻结壁温度场发展规律第1章 前言11.1 问题的提出11.2.1 无流水作用下冻结温度场的研究发展21.2.2 有流水作用下冻结温度场发展的研究71.3 课题研究的意义91.4 课题研究内容和技术路线9第2章 渗流场、冻结温度场基本理论102.1 地层渗流场理论102.2 冻结温度场理论112.3 渗流地层人工冻结渗流场和温度场的耦合分析60162.3.1 渗流微分方程162.3.2 传热能量微分方程162.3.3 定解条件162.3.4 渗流场与温度场的耦合分析172.4 本章小结18第3章 流水作用下冻结壁温度场研究193.1 影响冻结温度场的主要因素193.1.1 岩土体的热物理参数193.1.2 影响冻结温度场的主要因素213.2 流水作用下冻结壁温度场数值模拟223.2.1 有限单元法基本理论概述223.2.2 COMSOL Multiphysics多物理场耦合有限元软件简介70233.3 数值计算模型与计算方案253.3.1 模型基本假定253.3.2 数值计算模型253.3.3 典型参数下的数值计算分析253.3.4 单因素试验安排273.3.5 正交试验安排273.4 数值计算结果分析283.4.1 典型参数下冻结温度场数值计算结果283.4.2 冻结温度场单因素计算结果353.4.3 冻结温度场正交试验结果373.5 本章小结41第4章 流水作用下冻结壁温度场现场实测分析424.1 工程概况424.1.1 工程概述424.1.2 地质条件424.2 开仓期间冻结分析434.2.1 冻结系统盐水循环情况434.2.2 测温孔监测数据分析434.3 第二次开仓前冻结分析464.3.1 冻结系统盐水循环情况464.3.2 测温孔开仓前和监测温度数据对比474.3.3 测温孔修复冻结前后温度曲线对比484.4 本章小结51第5章 主要结论及展望52参考文献53第二部分 外文翻译翻译原文56中文译文67致谢71第一部分流水作用下冻结壁温度场发展规律全套图纸加扣3012250582第1章 前言1.1 问题的提出进入本世纪后，随着我国经济建设的不断发展和社会科技的进步，人民的生活水平也随之提高，特别是近五年来，越来越多的人选择进入城市生活，造成城市人口密度过大，给原本拥挤的城市造成了很大的交通压力，原有的交通系统已经异常饱和。为有效解决此问题，国家正大量建设基础设施，在交通压力严重的大、中城市建设轨道交通系统。在国内基础设施建设正紧锣密鼓进行着的大环境下，施工工地在全国随处可见，由于我国国土面积幅员辽阔，不同的地域其地质条件也大不相同，因而在不同的地段，采取的施工方法往往也各有差异，各种由于地质条件不同的施工方法便应运而生。在我国煤矿开采、城市轨道交通建设、越江隧道及各式各样的地下工程中，往往是在浅在地表附近，深至千米之下进行的施工。这类工程有时候需要穿越或是建在水文地质条件十分恶劣的含水地层中，或是建于高层建筑及水体之下，用普通的工法进行施工十分困难，甚至无法进行。此外，我国东北、华北、华东和长江中下游及黄河河套等地区的表土层含有多层流砂，最大表土层厚约800m。一些地区的基岩涌水量过大，如焦作矿区等等。上海黄埔江流域及天津、浙江、福建等沿海地区的软土也极不稳定，这些都无疑增加了工程施工的难度1。在上述的工程背景下，冻结法作为一种能够有效止水和抵抗部分水土压力作用的特殊工法受到工程建设人员的日益重视。人工冻结法是采用人工制冷技术将地层中的水冻结，使天然土体转变为人工冻土，增加其强度和稳定性，达到隔绝地下水与地下工程联系的目的，以便在冻结壁的保护下进行井筒掘砌作业或地下工程施工的特殊施工技术。冻结法的实质：利用人工制冷技术临时使岩土体的性质发生改变，以此固结地层1。人工冻结技术已广泛用于矿井建设、地基基础、水利工程、地下铁道、河底隧道等工程。通常当地下水含盐量较低，地下水流动的速度较小时，均可采用人工冻结技术1。天然的冻结现象是人工冻结技术源头。19世纪人工冻结技术作为一种特殊施工技术开始应用。1862年在英国的建筑基础施工中首次将人工冻结技术用于加固土壤2。1883年德国工程师P.H.Poetsch提出了人工冻结法原理并申请获得专利，同年将其应用于德国阿尔里德九号井凿井工程2。到上世纪初叶时，冻结法用于矿山施工的次数已多达60次以上3。人工冻结法在城市土木工程中的首次应用是1886年瑞典24m长的人行隧道工程的建设2。随着人工制冷技术在此后一个多世纪的发展以及国内外专家学者对于冻土热力学、物理力学研究的不断深入，冻结法施工的工艺日趋完善。人工地层冻结技术已在国内外诸多地区的矿井建设、隧道工程、地铁和基础工程等领域得到广泛的应用和发展良机。在土木工程建设中，人工地层冻结技术的应用领域和规模也在日益拓展。如1906年冻结法在法国用于下穿塞纳河的地铁工程，1942年在巴西26层大厦不均匀沉降的调整中人工冻结技术也有应用，1973年在美国的湖底取水竖井安装工程中也应用到了冻结法4。在进入到上世纪末期后，人工冻结法在国内外相应的工程建设中的应用已经更加广泛2。由于经济和技术水平的限制，在我国城市地下工程建设中人工冻结技术的应用起步较晚，但随着近年来大规模城市地下工程的开发建设及相关技术的进步发展迅猛。但人工冻结技术在矿井建设中发展较早，并且已经成为井筒建设不可或缺的一种特殊施工工法。1955年我国在开滦林西风井的井筒建设中首次使用冻结法，至今冻结法的应用已有将近60年的历史5。据相关统计资料，截至2000年全国已用冻结法建造440多个井筒，冻结壁总长度超过67km，冻结的最大深度已近435m6。人工冻结技术已普遍应用于我国不稳定地层井筒建设工程中地层的加固，目前人工地层冻结技术同西方国家在上世纪70年代那样在岩土工程的其他领域迅猛发展，例如冻结法被成功应用于上海地铁1号线淤泥中建造旁通道、集水泵难题的解决等，人工冻结技术在上世纪70年代初首次在北京地铁建设工程中使用7。现如今伴随着我国岩土工程的迅猛发展，深基础工程和其它城市地下工程的不断涌现，由于冻结围护结构拥有独特的优越性而越来越受到工程师们的重视。人工地下冻土结构具有强度高、复原性好、适应性强等技术优点，但也有其技术的特殊性和难点，也需要根据工程实际的灵活应用来克服其不利一面8。1） 地层的冻结过程是个能量传递的时间过程，冷源和布置方式的不同，就会有不同的动态发展过程和温度场分布，土的组成和热学状态特性对工期有较大的制约。2） 土体冻融现象的存在会对周围围岩和结构产生不利影响。3） 人工地层冻结加固提供的是低温施工环境，会对钢筋混凝土的结构特性带来不利影响，在施工过程中需对钢筋混凝土采取养护措施；此外，地层温度场的动态变化也会对地下结构施工产生直接影响。4） 人工冻土具有较强的蠕变特性，其强度和蠕变特性与温度密切有关，因此地下结构的承载能力会随温度场的变化而产生变化。1） 冻结壁交圈时间和厚度发展会受到地下流动水的重要影响。目前，在国内外已有大量的工程实例报道，例如2002年3月深圳地铁4A标段闹市区和平路与解放路交叉路口的暗挖隧道，由于曾是古河道的回填，地层结构松散、透水性强，地下水流动速度大，地面上又有广深铁路桥通过，在冻结法施工过程中发现冻结壁局部未能交圈，开挖过程中出现几次突水事故9。2003年7月上海地铁4号线由于中间风井冻结壁透水塌方，导致地表严重塌陷，黄浦江江水涌入，整个区间隧道被破坏10。内蒙古建昌营二号井2003年10月开始冻结施工，但是由于受到元宝山露天矿降水的影响，冻结壁128天仍然不能交圈，后经技术处理于2004年4月才顺利通过。可以看出，地下水流成为影响工程成败和安全的重要因素。一直以来，人工冻土温度场计算主要是以单一连续介质的稳态和非稳态傅立叶导热理论为计算基础。但土体是一个复杂多相体，特别是土层中存在流动水时，流水与冻结壁热交换加剧，冻结壁温度场的发展存在显著不同，冻结壁被弱化，从而厚度减薄，导致工程出现隐患，甚至带来重大的灾难。因此，研究流水作用下冻结壁温度场发展规律是对冻结温度场理论的完善和补充，同时也可以有效解决此类问题，消除安全隐患，确保工程安全。1.2 国内外研究现状1.2.1 无流水作用下冻结温度场的研究发展人工地层冻结温度场理论是研究冻结壁形成的基础核心理论之一，因而人们往往通过第 5 页中国矿业大学2015届本科生毕业论文研究人工冻结温度场的形成和分布规律来研究冻结壁的形成规律。冻结壁的形成是一个不稳定多冷源制冷的极其复杂的热物理过程，期间存在相变、传热传质、移动边界和移动内热源等现象，这使得研究人工冻结温度场的形成变得更加困难。国内外的相关专家及学者对此问题进行了不同方法不同程度的研究。目前，主要采用的方法有解析法、数值法、物理试验和现场实测四种方法对冻结温度场的发展规律开展研究。其中解析法、数值法和物理试验这三种方法是通过求解数值模型，给出问题的解析解或者数值解，或是根据微分方程定解问题得到的相似准则来设计模型试验，给出准则变量之间的函数表达式提供给工程设计使用。现场实测是根据工程现场实测资料的归纳总结，给出相应经验公式或数据，为施工设计提供依据。1.2.1.1 解析法在冻结温度场中的应用研究现状对于人工地层冻结来说，由于必须考虑到热传导、相变、水分迁移和土体冻胀，使得在数值分析中自由度很大，方程也显得十分复杂。在冻结温度场的理论研究方面，自非稳定相变温度场问世至今，解析法有了新的突破和进展。非稳定温度场理论比稳定温度场理论更趋完善，所得到的结果也更符合工程实际。冻结壁从物理、力学性质方面来说是一个非均质、各向异性的非线性体，会随着水、土压力的逐渐增大，由弹性体、粘弹性体向粘弹塑性体过渡。一般来说，由于冻结温度场问题的复杂性，解析法只适用于几何形状简单、均质各向同性的情况，所得结果一般也只能是定性的。在国外，最早于上世纪50年代，前苏联学者特鲁巴克12创立了冻结温度场理论，其著有冻结凿井法一书，俄文版共有31个章节，一共895页，在1958年时才被翻译成中文，有上下两册。这部有关冻结法的经典之作在前九章便系统论述了冻结工法的基本原理，并以单一均质各向同性、不流动含水层为主要研究对象，以单管平面稳定温度场为基础建立了冻结温度场理论。首先，在冻土区他将单管稳态温度场理论作为基础，把温度场划分成了冻土区、降温区、原始温度区3个区域，把单管温度场理论推广到了多孔有叠加形成的冻结壁温度场，提出了把界面、主面、轴面作为重点的三个特征面的温度场分析理论；接着，在降温区，他以一维瞬态导热微分方程为数学模型，建立了温度场理论；最后，把冻土稳态导热和降温区瞬态导热作为基础，建立了多孔单排冻结、多孔多排冻结、多孔圆排冻结等多种复杂结构的冻结形式和解冻近似解析公式的温度场理论。特鲁巴克认为：等温面是一个以冻结管为轴心的同心圆柱面，而在冻结区温度线是一条对数曲线，并在此基础上导出冻结区主面、界面和轴面中的温度分布；且运用了解析法和图解法研究了降温区温度场的分布状况。此外，特鲁巴克在专著中还列举出一些在地下水流动作用下冻结工程成功或是失败的实例，对这类工程中地下水的特征进行了初步分析，并采取了一系列手段取得了冻结成功。在专著中提及某发电站建筑施工中进行了水渗流影响试验，结论是在渗流速度小于30m/day时，不会影响圆柱的形成速度（没有具体说明水流速和渗流速度的区别），但流水作用下的地层冻结理论还未曾有研究成果，特鲁巴克指出处于自然状态下含水层的水力坡度一般不超过0.55，此时冻结过程可以不考虑地下水的影响。在解决地下水流速较大情况下的冻结时，可降低地下水的水力坡度或渗透系数，冻结壁应该在地下水水压梯度最小时形成；当地下水最大流速发生在地下水水面附近时，最好采用两排冻结管或者打一第 7 页中国矿业大学2015届本科生毕业论文些深度稍低于地下水水面的补充冻结孔，采用温度更低的盐水和串级冻结是行之有效的方法。特鲁巴克对地下水流动影响冻结的研究主要是从工程经验方面作出总结概括，并未从理论上进行深入地研究。在特鲁巴克之后，前苏联学者.纳斯诺夫和.苏普利克13运用冻结法理论和物理模型试验对在静水条件下立井岩石的冻结壁形成规律进行了深入系统地研究；他们在总结过去的研究成果和模型试验的基础上，分析了冻结壁温度场的分布规律、比热流变化、热交换过程中的温度梯度以及与冻结有关的参数等，获得了冻结壁的扩展动态。美国学者斯坦德尔和威克托14最早提出了地下流水对冻结的影响，他们依据能量守恒原理，推导了地下流水作用下冻结区和降温区的冻结温度场和渗流场耦合的控制微分方程，但未曾对微分方程进行相关求解和数值模拟分析。1960年代到1970年代，日本冻结专家15高志勤、和田正八郎等，用瞬态温度场理论研究了单孔、平板冻结的解析解，并研究了直排均布冻结孔冻土区稳态温度场公式。西班牙学者F.Muzas16研究了单孔和群孔冻结的第三类边界的瞬态温度场解析解。最早于1957年，以色列学者Khakimov17提出应研究水渗流作用下冻结交圈问题。日本学者高志勤18从理论上研究了土质、地层温度、冻结管半径对冻结壁交圈的影响，并运用近似解析法给出了影响地层冻结的渗流水极限流速公式，认为冻结砂层的极限流速约2m/d，最后提出流水作用下冻结工程应采取的措施。日本学者Kozo Endo5在1969年东京的一个名叫Megruro河的冻结工地进行了实测试验，研究结果认为当水渗流达到超过5m/day时，不适宜冻结工法，需要采取补充的技术措施。这与高志勤、Sanger等人的上述研究成果有了很大差距，也和特鲁巴克教授介绍的情况相差更远，由此可见采用解析理论求解渗流条件下的地层冻结问题有相当的局限性。在国内，李述训（1994）19分析了有关实测资料，并在此基础上应用解析方法求解了二类边界条件下有相变的平面轴对称的热传导方程，给出了人工冻结法凿井设计中用于确定冻结壁交圈时间的两相邻冻结管周围土体轴向相交接的时间、冻结壁形成变化规律、冻结壁平均温度和内外壁厚度关系的近似计算公式。朱林楠（1981）11提出在不考虑天然地温梯度的影响时，将冻结过程视为了平面中心对称问题。在研究过程中按冻结壁的形成发育过程将冻结分为两个阶段：交圈阶段和交圈后的连续扩展阶段。对于在工程设计中当竖井掘进半径及冻结壁总厚度已知时，需要确定使得冻结内壁恰与掘进半径相重合的冻结管布置半径，引入了当量布置半径的近似处理方法，给出了冻结壁内、外壁厚度及冻结圈布置半径的近似解析公式。为简化公式，融化区流向冻结相界面的热流作出近似简化处理。赵建军，韩文峰，徐学组等（1999）20以深基坑开挖时的一侧冻土壁的冻结过程为例，通过分析其不同时期的热学分析，给出了单孔冻结各个时期的温度场数学模型。谢怀阳（2002）21把工程数学作为工具，对冻结法凿井施工中的温度场进行了理论探讨，推导出冻结区和降温区温度场的计算方法，并推导论证了2种计算冻结壁厚度的方法。宗欣欣（2002）22针对冻结壁温度场的不确定性，根据灰色理论建立GM（1.1）模型，并依据实测温度资料预测温度场的发展。丁德文，付连弟，庞荣庆（1981）23将冻结壁变化过程分为了交圈前时期、积极冻结期、维持冻结期、自然恢复期四个阶段，对各时期进行了热学分析，并建立了不同冻结期第 9 页中国矿业大学2015届本科生毕业论文的数学模型，探讨了不同冻结期温度场的计算方法，最后给出了不同冻结期的近似解和数值解。汪仁和，李晓军（2003）24 将冻结区和降温区温度场的计算利用圆管稳定导热模型统一起来，并依据温差导热原理，建立两管及多管情况下的温度场叠加计算公式。杨维好，黄家会（2006）25将冻结温度场方程和参数应用相似理论无量纲化，然后建立无量纲的数值计算模型，研究了在外表面恒温情况下冻结管壁的无量纲热流密度与各无量纲影响参数间的关系。最后进行了回归分析，首次获得了无量纲冻结管壁热流密度与各影响因素间关系的计算公式。毛良根（2007）26完成了冻土温度场计算方法解析解总结研究、冻土温度场数值方法研究、冻土温度场计算程序设计、以及冻土温度场计算程序的实际应用等内容。通过研究进一步加深了冻结法的认识，为冻结法数值分析提供了一种新方法，特别是冻土温度场计算程序解决了任意冻结形式下任意时刻温度场的计算,能为实际工程实时迅速提供需要的温度场数据。胡向东，黄峰，白楠（2008）27为了研究土层冻结温度对冻结壁厚度计算的影响，构建了考虑土层实际冻结温度的人工冻结温度场模型。并对前苏联学者如特鲁巴克单管和单排管解、巴霍尔金单排和双排管解等关于人工冻结温度场的若干经典解析解做出了修正，推导出可以全面反映确定温度场下冻结壁厚度与土层冻结温度之间关系的修正解。蒋斌松，王金鸽，周国庆（2009）28针对单管冻结相变热传导问题，根据冻结峰面分成冻结区和未冻结区，通过变量替换建立了单管冻结相变温度场问题的解析分析方法，并利用指数积分函数及低阶多项式解析表示了冻结区和未冻结区的温度分布。得出冻结峰面半径与冻结时间是平方根关系，通过冻结温度场的解析算式可容易获得其分布规律和分析各热工参数对其影响。此外，通过算例表明单管冻结温度场呈对数型函数分布，且曲线的曲率随冻结时间增加而减小。1.2.1.2 物理模拟试验在冻结温度场中的应用研究现状在物理模拟试验理论研究及实测方面，现代的计算机控制数据采集的模拟试验研究的发展逐步取代了早期的用简陋仪器观测到电力、水利积分仪模拟的研究，对冻结温度场影响因素的研究也从单一因素延伸至多个因素的较高精度的试验研究，试验的也由最初的一维问题转向二维、三维问题的研究，此外试验手段的改进了不仅提高了试验结果的精度，还大大缩短了试验研究的周期。中国矿业大学的张维廉29在1960年至1964年间论述了第一类边界条件下竖井冻结过程的数学模型，建立了准则方程，并依据相似理论的模化原理进行了模型设计和试验。对模型设计、试验及数据处理中有关几何相似比、时间相似比以及热物理参数相似比之间的相互关系等问题进行了研讨，认为模型试验具有能在较短时间，花费较少的经费便能把巨大的冻结凿井工程搬入实验室，模型试验模拟的方法是可行的中国矿业大学的王文顺、王建平等（2004）30利用自行研制的人工冻结冻胀融沉模型试验装置研究了人工冻结过程中温度场的变化规律，对封闭系统和开敞系统下人工冻土中温度场的变化情况分别进行了模拟模拟了。最后的结果显示：在冻结体和受冻结影响的土体中的温度分别与距离分别近似成线性；已冻土体中的温度梯度比受冻结影响土体中的大第 13 页中国矿业大学2015届本科生毕业论文中国矿业大学的王衍森（2004）31在研究“外壁水化热温度场与冻结壁温度场的相互影响”问题时，建立了1:1的物理实验模型。1.2.1.3 数值方法在冻结温度场中的应用研究现状目前，国内外用于模拟温度场的分布规律的数值方法来主要为有限差分法和有限单元法。对于有限单元法，其优点是可适用于复杂的几何形状，且可以考虑各种参数对冻结温度场的影响。有限差分法和有限元单元法出现20年后便已被应用于人工冻结温度场的研究32：1973年，Hashemi和Slipcevich尝试用有限差分FDM研究了渗流和冻土相变导热温度场，计算的单孔冻结的平面问题。之后温度场理论主要集中在相变导热温度场数值计算方面，而考虑渗流场作用的研究就中断了。1982年德国学者Eugen Makowski等在没有考虑水渗流作用情况下研究了井筒冻结的竖向传热和水平传热，截取4个冻结孔的扇面进行计算，研究了考虑多种冻结管偏斜位置情况下的冻结壁温度场。但上述文章只是提供了计算结果，没有详细透露数学理论方法。1985年法国学者A.M.CamesPimtaux，M.NguenLamba等在论著中提供了较详细的相交导热温度场有限元数值方法理论，并对地下液态气体储藏库四周地层相变冻结传热问题进行了数值计算和模型试验的对比研究。郭兰波，庞荣庆，史文国33在变分原理的基础上，对竖井冻结壁温度场进行了有限元分析，导出了有相变单元体的矩阵公式，并考察了不同因素对于冻结壁温度场的影响，用准则方程的形式将温度与各因素之间的关系表现了出来，这些准则方程被用于计算冻结壁厚度和平均温度。在对比现场温度实测结果与推荐方程计算结果后发现，两者相当一致。汪仁和，王伟，陈远坤34以工程实际参数为基础，考虑了水的相态变化以及冻结管盐水温度随时间而变化等因素，利用ANSYS大型有限元计算软件，对冻结孔随机偏斜和无偏斜情况下冻结壁的形成及冻结温度场特性进行了分析，得出了冻结管偏斜下冻结壁交圈时间、冻结壁厚度、冻结壁平均温度等技术参数，并提出了计算冻结壁平均温度的公式。煤炭科学研究院北京建井所的张燕35根据热传导理论，把具有相变的冻结壁形成和温度分布规律问题抽象为一个二维空间上的数学问题，并采用有限元法对其进行了求解，较详细的对冻结壁温度场的数学模型及有限元法进行了讨论，给出了具体的计算方程和方程中的各项系数。通过有限元法预报竖井冻结壁形成过程中水平截面的温度分布从而对冻结壁交圈时间及冻结壁形成与扩展过程和平均温度进行了预报，提出了单元上的平均热容量、平均热传导系数及结冰潜热的释放的简便计算方法和计算公式。徐士良（2005）36结合具体实例介绍了利用ANSYS有限元软件对冻结壁温度场分布进行数值模拟的基本过程，包括了分析过程中几何模型的建立，问题的求解及结果分析，得出的数值模拟结果与实际相吻合，具有一定的参考价值。李栋伟，汪仁和，胡璞37应用大型非线性有限元计算程序ADINA以淮南某煤矿冻结工程为研究背景，模拟冻结管偏斜条件下的冻结壁厚度、平均温度与冻结时间等，所得出的模拟计算结果和现场实测十分接近。最后得出应用有限元方法分析冻结温度场可以很好地预测冻结壁温度场发展，为冻结工程信息化施工提供参考。1.2.1.4 冻结温度场现场实测研究地质条件和施工的多变性会带来各种意想不到的结果，现场实测的数据能够比较真实的反映冻结温度场的情况。但由于试验经费限制，布置的测点不足够多，未能将整个冻结温度场的温度分布规律反映出来。煤炭科学研究院北京建井所的张燕（1979）35对潘集冻结试验小井、潘一东风井、潘二南风井等对冻结壁形成和温度分布规律进行了实测研究。杨平，陈明华，张维敏等（1998）38通过对淮南新集矿风井单排管冻结温度场进行现场实测，对冻结壁内温度分布规律进行了分析，还分别分析了冻结和解冻期内冻结壁厚度、平均温度、冻结壁发展速度、解冻速度及外壁厚度占有效厚度比例与冻结时间的关系分析，冻结壁厚度与平均温度的关系，并获得了相应的回归公式。金川，汪仁和，王伟（2004）39通过对淮南矿业集团公司张集矿北区地层风井的温度变化进行现场实测，在此基础上详细分析了不同地层冻结壁温度场的发展特性以及冻结壁内部外圈冻结管以外、内圈冻结管以内和双圈冻结管之间冻土区的发展规律，得出了冻结壁发展速度等对冻结凿井的设计和施工有着重要指导意义的技术参数。煤炭科学研究院陈文豹、汤志斌40自1973年至1980年近八年间，先后完成了潘集冻结试验井、潘一东风井、潘二南风井的冻结壁温度场试验实测和理论计算工作，获得了大量数据，基本掌握了交圈时间、冻结壁厚度增长、冻结壁平均温度等参数与土性、冻结管直径、冻结管间距、盐水温度等影响因素间的关系。中煤矿山建设集团有限责任公司钻井工程处的刘建国（2011）41通过对淮南某煤矿回风井冻结井筒冻结过程进行的冻结温度场现场实测，获得了冻结过程冻结温度随时间的发展变化规律，可为深井冻结壁的设计与施工提供科学指导。王渭明，吴克新，路林海42开展了冻结深度达460多米（其中多数为膨胀粘土层）的立井井筒施工的监测，通过对不同埋深的冻土井壁和混凝土衬砌的温度场测试数据进行分析，得到了如下研究结果：黏土结冰温度与含水率和埋藏深度的函数关系；不同深度冻结壁形成和降温规律；混凝土衬砌井壁结构温度场的阶段性发展规律等。有效地指导了井筒的施工，并为同类井筒的施工和设计提供了新的科学依据。1.2.2 有流水作用下冻结温度场发展的研究1962年Stender和1969年Victor提出了考虑渗流影响的地层冻结问题的数学微分方程，但直至1980年Alfred R.Jumikis43才应用了此数学微分方程研究了模型试验的相似准则。对冻土区： （1.1）对未冻区： （1.2）式中：、分别为冻土、融土和水的比热，、分别为冻土、融土和水的密度，、分别为冻土、融土的导热系数。1995年，王然芳44在分析了水源井抽水、特殊底层地下水流动、不同压头地下水沿水文管上下串通等流水对冻结工程的影响后，提出了一系列预防的措施，为后续冻结施工提供了工程经验。王朝晖、翁家杰等（1998）45依据相似理论，通过矩阵法推导相似准则建立了模拟大水流条件下土层液氮冻结的试验系统，并按正交试验法进行了试验。得出当流水速度在5m/d以下时，冻土发展与静水条件下相似，制冷能力略有降低；在流水速度大于10m/d时，对液氮冻结影响显著。翁家杰、周希圣等（1998）46通过相似理论建立的流水冻结实验模型和一系列大流水速度的土层冻结模拟实验，得出流水作用下，冻土形状不规则，表现为迎水面影响最大，侧面次之，背水部位影响最小，冻土的扩展速度不同。皮爱如、杨平（1999）47采用多孔介质热运移理论，建立了考虑地下流水条件下的冻结壁发展的数学模型，最后提出对于高流速的地下水地层冻结参数的设计，可通过数值模拟计算得到。2001年，李洪升、刘增利等48将冻土视为空间弹性体，提出了土体在冻结过程中水分场、温度场、应力场三场耦合的一般数学模型，并且给出了相应的离散方程及其解法。杨平、皮爱如（2001）49利用多孔介质热运移理论及达西定律模拟考虑地下流水作用下冻结峰面发展的数学模型，并采用数值模拟计算，通过分析冻结温度场及地下水流场的变化规律，对该数学模型的有效性进行了证明。周晓敏、于兰（2001）50采用ANSYS有限元模拟软件，在对竖井冻结壁交圈过程中的不同发展阶段和各种典型情况进行了数值建模和计算后，得出的结果表明：随着冻结壁的逐渐增大，地下水渗流经过冻结壁时产生绕流现象，并且流速变大；而且在不同交圈过程中，流速增大的程度有所差异。周晓敏、王梦恕等（2005）51通过相似准则建立了水渗流作用下两孔地层冻结模型试验。根据正交试验的设计与试验，研究了常规盐水冻结工艺中的地下水渗流、孔间距等对饱和砂土冻结温度场的影响。研究表明，水流速度影响了冻结交圈时间且对冻结壁厚度也产生了影响，缩短孔间距是抑制流水作用的有效手段。梁洪振、周晓敏（2006）52在相似准则的指导下，设计了地下水渗流作用下两孔地层冻结模型试验，通过正交试验研究了地下水流速、孔间距。盐水流量等因素的影响。最后提出地下水流速与渗流速度是两个概念，两者存在一定的换算关系，渗流速度是一个综合指标，与地下水流速和孔隙率有关，更能体现地下水流动对工程的影响。汪仁和、李栋伟（2007）53基于相似理论原理和人工多圈管冻结模型试验，提出了渗流方程中的导水系数是温度梯度的函数，建立了多圈管正冻土中水热耦合数学模型，并采用有限元方法实现了对多圈管冻结温度场和水分场耦合的数值分析。得到的数值模拟温度场的发展趋势、水分场迁移特征与模型试验吻合良好，表明用提出的水热耦合数学模型计算多圈管冻结温度场和水分场是可行的。沈华军、陆卫华等（2009）54针对东北地区某矿风井冻结工程实际情况，对地下流水位对冻结交圈的影响进行了分析和总结，对此后同类工程的冻结设计及施工有指导意义，提供了很好的参考。严文群、段祥宝等（2013）55对渗流场、温度场耦合模型进行了数值模拟，应用物理模型试验成果进行了对比分析验证，对不同渗透系数下温度场的变化特征了着重分析，求出了渗流区热量传递所占的比重。1.3 课题研究的意义综上所述，目前在国内外有关流水作用下冻结壁温度场的发展规律研究开展的还比较少。必须展开对流水作用下冻结壁温度场的发展规律的深入研究，以确保冻结壁的质量，从而解决冻结法施工作业过程中冻结壁设计和冻结方案的优化问题，在保障安全的情况下尽可能的减少工期、提高经济效益，为地下工程提供可靠的技术保证。本课题的研究是煤矿深井建设和城市地下工程实践的迫切需要，是冻结温度场理论的完善和补充，具有重大的理论意义和现实意义。1.4 课题研究内容和技术路线科学理论、科学试验、科学计算是进行科学研究的三个要素。近年来计算机硬件和数值计算软件的迅速发展推动了多孔介质的多场耦合方面的科学理论研究，在这二者基础上，主要针对工程问题，结合模型试验研究，建立相关数学模型，并进行数值计算，达到工程仿真的研究目的，同时丰富人工地层冻结工法的理论及应用，具体内容是：（1） 研究流水作用下冻结壁温度场的发展规律并对影响冻结壁温度场发展的主要因素进行理论分析；（2） 利用COMSOL Multiphyscis大型有限元软件，建立流水作用下冻结温度场的数值模型。以冻结壁有效厚度E和冻结壁平均温度T为指标，采用典型参数分析法分析典型参数布置下冻结温度场的分布情况。在典型参数布置下，对冻结温度场的三个主要特征面上的温度分布情况进行分析。采用单因素分析法和正交实验法研究不同冻结管布置参数下，维持冻结盐水温度、初始冻结壁周围土体温度、初始冻结壁温度等情况下冻结壁有效厚度E和冻结壁平均温度T的变化情况；并找出影响冻结壁有效厚度E和冻结壁平均温度T的显著因素。（3） 对南宁地铁1号线07标冻结修复工程的盐水温度、冻结管外壁温度、测温孔温度进行现场实测，根据现场实测的值，结合冻结管偏斜图等具体现场资料，对其进行分析。第 25 页中国矿业大学2015届本科生毕业论文第2章 渗流场、冻结温度场基本理论2.1 地层渗流场理论冻结井筒等地下工程经常穿越流砂、砾石等含水地层。地下水流动被看作粘性牛顿流体在多孔介质中流动，称为渗流。实际冻结工程中遇到含水砂层地下水流动特征是极其复杂的，为分析问题做如下假设56：（1）认为砂层是均质多孔介质体，砂颗粒组成固体骨架，颗粒之间的孔隙相互贯通，并充满地下水；（2）渗流水被看作均质不可压缩的牛顿流体，满足牛顿粘滞定律。一般地，渗流水运动服从达西定律： （2.1）式中：、地下水流速分量m/s；温度T下，砂层渗透率m2；地下水的动力粘度系数kg/(ms)；渗流水压力kg/(ms2)；渗流水密度kg/m3；重力加速度N/kg。工程上，采用沿x方向流动表示为：式中：地下水渗流速度m/s；温度T下，砂层渗透率m2；地下水的动力粘度系数kg/(ms)；渗流水压力kg/(ms2)；水力路径m。达西定律的适用条件：（1）流体是牛顿流体；（2）流动处于层流状态，流体流动状态一般要求雷诺数Re=110，对于低速和高速渗流，定律失效。的值小于砂层中孔隙速度(下文称为地下水流速)，二者存在以下关系： （2.2）式中：地下水渗流孔隙速度m/s；砂层孔隙率。在冻结过程中，神流水流动除满足达西定律外，还应满足质量守恒定律和能量守恒定律。渗流质量守恒： （2.3）为算子。式中：地下水渗流速度m/s。渗流过程中水流温度受到冻结影响，能量方程：（2.4）式中：，、渗流水、土颗粒密度kg/m3；、渗流水，土颗粒比热J/（kg.）；、渗流水、土颗粒导热率W/（m2.）。地层冻结中，方程（2.3）满足的边界条