大流速渗透地层三管冻结稳态温度场解析解

采用“分段等效”的方法对水热耦合作用下三管冻结稳态温度场的冻结锋面进行简化,通过定义“调节系数”,利用势函数叠加原理推导了三管冻结温度场解析解。结合三管冻结大型物理模型试验,将解析解计算结果与试验结果进行比较。结果表明,解析解计算结果与试验结果较为吻合。当渗流速度由0增加至6 m/d时,渗流场的存在使得三管冻结温度场进入稳定阶段的时间延长了1000 min,是无渗流速度时的1.57倍;同时,上游区域冻结锋面的扩展范围减小,下游区域的扩展范围增大,两侧区域的扩展范围基本相等。由解析解可以得出,渗流场使得上、两侧、下游轴线上的平均温度由-9.15、-7.76、-9.10℃降低为-9.71、-10.02、-9.10℃,说明渗流场的存在对三管冻结稳态温度场分布规律影响较大,为大流速渗透地层人工冻结设计提供参考。

大流速渗透地层人工冻结壁形成机制室内模型试验研究

为解决在大流速渗透地层人工冻结法施工过程中遇到的一系列工程问题,基于自主构建的大型水热耦合物理模型试验系统,对不同流速条件下的人工冻结温度场的发展规律进行室内模型试验研究。试验结果表明:当v=0和3m/d时,冻结壁在相邻冻结管的中间位置最先交圈,其交圈时间分别为740和840min;当v=6和9m/d时,冻结壁最早交圈位置由中间点向下游偏移50 mm,交圈时间分别增加至1 770和4 250 min;通过对试验数据进行拟合,得出渗流场作用下冻结壁交圈时间的预测公式,并计算预测出冻结壁交圈的极限流速为12.73 m/d。渗流场的存在导致冻结壁的厚度发展不均匀,当v=3,6和9 m/d时,冻结壁向下游扩展的半径与上游扩展半径的比值分别为1.17,1.21和1.81。对冻结过程进行分析后发现,当相邻冻结锋面之间的距离减小至临界值Lc后会产生群管效应,该效应会加快冻结锋面的扩展速度,缩短冻结壁的交圈时间;由于水流的对流传热作用会抵消部分群管效应,因此Lc会随着渗流速度的增加而减小;当流速小于3 m/d时,Lc=400 mm,当流速达到6和9 m/d时,Lc分别减小至154和130mm。本研究成果可为大流速渗透地层人工冻结孔的布置提供参考,也可为水热耦合数值计算模型提供验证依据。