水下冻结工程温度场物理模拟研究.pdf

水下冻结工程温度场物理模拟研究 姚直书 1 陈 钧 2 1 1安徽理工大学 土木工程系 安徽 淮南 232001 21安徽省建设工程勘察设计院 安徽 合肥 230001 摘 要 推导了水下地层冻结温度场物理模拟的相似准则 然后进行了模型设计并进行了模拟试 验 得到了静水和不同水流速度条件下冻结温度场的分布规律 关键词 水下 土层 冻结法 温度场分布 中图分类号 TD26513 文献标志码 A 文章编号 0253 2336 2006 10 0055 04 Physical si mulation study on temperature field of underwater freezing project YAO Zhi2shu 1 CHEN Jun 2 11Department of Civil Engineering Anhui University of Science and Technology Huinan 232001 China 21Anhui Construction Engineering Investigation and Design Institute Hefei 230001 China Abstract Si milarity criterion of physical simulation of underwater soil layer freezing temperature field was deduced then model design and simulation testwere conducted to obtain distribution rule of freezing temperature field in static water and diverse water flow speeds Key words underwater soil layer freezingmethod temperature field distribution 1 概 述 人工冻结法是利用人工冷液在埋入地层中的冻 结管中循环 使土层冻结 在预定要开挖的场地外 围构筑起稳定且不透水的连续冻土墙 直到永久性 构筑物建造完成为止 从而提供一个安全 干燥和 方便的施工环境 并把对临近构筑物的影响减少到 最低程度 目前冻结法施工技术主要用在地面无水情况 下 即冻结地层的表面无深水条件或流动水 但随 着国民经济的快速发展 一些大型建设工程将必须 在河下 江下和湖下的软土中进行施工 如大型桥 墩基础和水底隧道等 与煤矿井筒相比 大型桥墩 基础和水底隧道等水下工程构筑物所穿过的冲积层 厚度要小得多 因而只要解决了水下冻结技术 就 完全可以采用冻结法来施工 采用冻结法施工桥墩 55 第34卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2006年10月 基础和水底隧道不但工期短 造价低 而且可穿过 任何含水 松软 不稳定地层和下部基岩 冻土墙 的形状可根据现场条件灵活布置 在水中钢护筒保 护下 开挖 绑扎钢筋和混凝土浇注都在无水条件 下作业 施工质量能够保证 所有这些优点都是目 前其它施工方法所无法相比的 本文根据江西湖口大桥工程实际 在实验室进 行了大型物理模型试验 对水下地层冻结温度场分 布规律进行了试验研究 2 相似准则与模型设计 本次试验着重于基础性研究 为了分析比较试 验结果 先后进行了无水 静水和不同水流速度条 件下的地层冻结温度场的模型试验 为了研究试验过程中盐水与水 土层之间的热 量交换规律 探索冻结过程中土层的冻结温度场的 变化情况 获得水下地层冻结规律 模型设计主要 考虑水流动带走热量对冻结土层产生的影响 211 冻结温度场相似准则 冻土壁的形成是一个热传导过程 它受热传导 方程 边界条件和初始条件所制约 由数理方程可 得相似准则方程 3 F F0 K0 R 0 1 式中 F0 傅立叶准则 K0 柯索维奇准则 R 几何准则 温度准则 由于试验用土取自现场 则模型材料为原材 料 其比热和导温相似常数皆为1 含水率相同 结冰时放出的潜热相等 可得相似指标为 Cx C 2 l 2 Ct 1即t t 3 式中 Cx 时间相似常数 Cl 几何相似常数 Ct 温度相似常数 即模型中各点温度t 与原型各对应点温度t相等 所以 要使模型与原型冻结温度场相似 在模 型设计中主要应满足冻土壁的几何尺寸 平均温 度 地层性质相似 212 水迁移相似准则 冻结过程发生水分迁移现象 其实质是冻结过 程的湿度场问题 水迁移过程与导热过程在数学上 是相似的 两者均有傅立叶准则 因此在几何相似 的条件下 只要温度场相似 湿度场可以达到 自模拟 而相似 4 213 流体运动基本相似准则 为了保持流体运动相似 两流动体系中物理量 之间的关系必须同时服从 5 f vt1 l v gl vl p v 2 0 4 式中 v 流动速度 t1 流动时间 l 流动距离 g 重力加速度 流体运动黏滞系数 密度 p 压力差 而对定常运动 可写成 f v gl vl p v 2 0 5 在水流运动中 流体运动的特性主要决定于重 力作用 而黏滞力的作用可忽略时 该运动也就是 在阻力平方区的紊流 这时阻力与速度的平方成比 例 而雷诺数已超过一定界限 其变化没有影响 这时 采用近似模拟 模型相似比根据弗洛德判据 给出 即 C 2 v CgCl 1 6 式中 Cv为速度相似常数 Cg为重力加速度相似 常数 Cl为几何相似比 由于重力加速度对各流体体系是相同的 即 Cg 1 因此 C 2 v Cl 1 所以 流速Cv C 1 2 l 流量相似常数CQ C 5 2 l 214 模型设计 根据冻结温度场和水流运动相似准则 结合试 验装置尺寸 取Cl 15 从而可求得Cv 3187 水流模型按河渠恒定流定床变态模型设计 水深 014 m 水面坡降为0115 从而可模拟宽度为36 m 长度为90 m 深度为6 m的水流 模型试验冻 结时间为4 h 相当于原型冻结3715 d 该工程实 际积极冻结期为35 d 模型试验系统包括大型水槽 冻结站 模拟流 水控制系统和温度测试系统 其中冻结站包括盐水 箱 压缩机 冷冻控制柜等设备 试验系统如图1 所示 该次试验分4次进行 分别为无水 静水 水 65 第34卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2006年10月 图1 模拟试验装置示意 速0125 m s 水速0147 m s条件下的模型试验 每次试验持续约4 h 模型设计时 沿水流方向共 布置4个断面 相邻断面相距110 m 位于冻结影 响范围之外 每个断面布置2根冻结管 每次试验 只接2根冻结管进行冻结 这样既可以节省时间 也使得上次冻结不会对下次冻结产生影响 在露出 土体上部 位于水或空气中 的冻结管外套一段 塑料管 下端到水土交界面处 中间浇注发泡塑 料 以隔绝冻结管与水或空气的热量交换 3 试验测试系统 该试验采用铜 康铜丝热电偶串作为温度传感 器 测点布置如图2所示 在竖直方向上每串热电 偶串布置5个测点 分别位于水土交界面下2 cm 5 号 5 cm 4 号 10 cm 3 号 20 cm 2 号 30 cm 1号 上部布置较密 以便能够比 较准确地测得空气及水对冻结土体上部的影响 图2 热电偶串布置示意 测试仪器采用日产TDS 303主机及其外部扫 描箱 可进行多点巡回测量 数据记录采用计算机 采集 冻结初期数据采集频率为每10 min一次 冻结后期015 h记录一次数据 并同时采用数字式 温度计测量水温和水土交界面温度 4 测试结果及其分析 冻结开始后 低温盐水通过冻结管把冷量传递 给周围的土层 产生降温区 形成以冻结管为中心 的冻结圆柱 并逐渐扩大与相邻的冻结圆柱连接成 封闭的冻结圆筒 由于试验中要尽量不影响水的流 速 所布置的热电偶串基本都在平行于水流方向的 直线上 在两冻结管连线中点的垂直面上布点较 少 411 冻结壁交圈时间 由布置在两冻结管中间的热电偶串可以测到冻 结壁交圈时间 见表1 表1 实测冻结壁交圈时间h 项目 测点号 12345 无水015015015015110 静水015015015215不交圈 水速0125 m s015110115不交圈不交圈 水速0147 m s015110115不交圈不交圈 由表1可见 冻结壁交圈时间主要与冻结土体 上部的对流换热情况有关 在无水情况下 如不考 虑冻结土体与空气的对流换热 则各点应该同时交 圈 实际上 由于上部土层受到与空气对流换热的 影响 5号测点所处土层冻结壁的扩展速度慢于下 部其它各点 同样在静水条件下冻结土体受到的影 响较大 5号点已不能交圈 特别是在动水条件 下 由于水的流动带走热量大 使得冻结土体的上 部受到更大的影响 4号 5号点不能交圈 冻结 土体在上部一定的范围内呈圆锥形 412 温度场分布 由冻结温度曲线 图 3 可见 冻结土体的上 部受到的影响比较大 5号测温点所处层位温度抛 物线比较平缓 下部土体受到的影响比较小 冻结 初期温度下降比较快 在冻结后期温度下降缓慢 静水条件下温度曲线较无水情况下的温度曲线 有上移趋势 4号和5号测点所处层位所受静水的 影响比较大 3号测点也受到一些影响 1号 2 号测点距3号测点在10 cm以上 相当于原型115 m以上 所受到的影响很小 基本上温度曲线没有 变化 动水条件下 流水循环带走热量 使得土体和 75 第34卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 2006年10月 1 水速0147 m s测点5层位 2 水速0125 m s测点5层位 3 水速0147 m s测点4层位 4 水速0125 m s测点4层位 图3 动水条件下冻结温度曲线 水之间的对流换热加剧 土体上部的温度进一步升 高 冻结4 h后 距离冻结管60 mm 即原型未冻 的深度超过0175 m 但仍然未达到115 m 同时 冻结壁迎水流一侧的温度比背水流一侧的温度高出 011 014 这一方面是由于水流带走的热量与流 体和土体接触面处的温差有关 另一方面的原因是 冻结管和电偶串在水中的部分阻碍了水的流动 使 水的流速降低 带走的热量减少 水速不同 水带走的热量不同 流速越大 水 带走的热量越多 水速0147 m s时最外侧5号点 的温度比0125 m s时升高了1 左右 3号点处受 到的影响也逐渐明显 1号 2号点由于所处的土 层比较深 所受到的影响仍然比较小 在不考虑水流对土体的冲刷情况下 动水对冻 结土体的影响归根到底还是对流换热的增强 随着 时间的推移 冻结体逐步稳定下来 动水的影响深 度将会不增加 而冻结土体上部的温度也将趋于恒 定 温度曲线的末端将变得平缓 而冻结土体深部 的温度受到的影响很小 可认为仍然是通常情况下 的圆管导热问题 5 结 语 该次试验研究了水下地层冻结温度场的分布规 律 通过对试验结果分析 可得到以下主要结论 1 流水速度对水下地层冻结在一定深度内产 生的影响较大 大流速水下土层冻结时热交换剧 烈 明显高于无水单管冻结情况 随着水流速度的 增加 单位时间内热交换量增大 对上部土层冻结 不利 在实际工程中 采用钢护筒降低水流速度是 非常必要的技术措施 2 静水情况下 即流水速度等于零的情况 的单管冻结与无水单管冻结相比 冻结土体受到的 影响深度加深 3 动水条件下 上部土层的冻土扩展速度 随流水速度的增加而减小 迎水一侧的冻结壁温度 比背水一侧的冻结壁温度普遍高012 015 冻 结区域等温线呈偏圆形分布 但超过一定深度后 下部土层冻结温度场基本上和无水情况下单管冻结 情况一致 为圆管稳定导热 4 各种情况下 冻结土层的区别主要在于上 部土体受到影响 由试验结果可以看出 水下冻结 4 h后 有效冻结壁厚度未达到120 mm 设计厚 度 的冻结深度在3号测点附近 受到影响的上 部冻结土体形状为圆锥形 而下部冻结土体形状仍 为以冻结管为中心的圆柱形 参考文献 1 沈季良 崔云龙 王介峰 等 建井工程手册 第四卷 M 北京 煤炭工业出版社 1984 2 刘自明 1桥梁深水基础 M 北京 人民交