渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第30卷第2期煤 炭 学 报Vol . 30 No. 2 2005年4月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYApr . 2005 文章编号 0253 - 9993 2005 02 - 0196 - 06 渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究 周晓敏 1, 2 ,王梦恕 1 ,张绪忠 2 1 1北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 100044; 21北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013 摘 要根据相似准则,建立了水渗流作用下两孔地层冻结模型试验台.根据两孔冻结正交模型 设计和试验,研究了常规盐水冻结工艺中,地下水渗流、孔间距等对饱和砂冻结交圈时间和上下 游温度场发展的影响.研究表明,渗流速度从水平 2 模型渗流速度017 m /h增至3水平模 型渗流速度110 m /d时,冻结壁交圈时间急速增加,且水流速度是影响冻结壁上游厚度的主要 因素,而缩小冻结孔间距是抑制水流对交圈时间影响的最有效手段. 关键词渗流;人工地层冻结;模型试验 中图分类号TU445 文献标识码 A 收稿日期 2004-08-25 作者简介周晓敏1964 - ,男,江苏金坛人,高级工程师.Tel 010 - 84263077,E - mailzhouxiaomin_cnyahoo1com M odel test research on the ation of freezing wall in seepage ground ZHOU Xiao2min 1, 2 , WANGMeng2shu 1 , ZHANG Xu2zhong 2 11School of Civil Engineering 21Beijing China CoalM ine Engineering Corpora2 tion Lim ited, Beijing 100013, China Abstract W ith the basic similitude laws ofmodel tests,a model test set of artificial seepage ground freezingwith two holes was set up1According to the orthogonal designation and completion of model tests of seepage ground freezing of t wo holes, studied the closure time of two ice poles and the upward and downward temperature develop2 ment influenced by different seepage velocity and holes space under the condition of the nor mal brine freezing tech2 nology1The closure ti me mount up sharply, when seepage velocity increases from second level of 017 m /h to the third level of 110 m /h, and the seepage velocity is the most i mportant factor effected the development of upward freezing wall1The bestway to stand againstwater flow influence is to cut down the holes space1 Key words seepage; artificial ground freezing; model tests 人工地层冻结施工技术是一种针对松软含水流动土层进行预加固的施工方法,广泛应用于矿山深表土 凿井和市政地铁隧道等地下工程中.但地下水流动过快,对冻结壁的形成产生不利影响.长期以来,对于 冻结壁形成规律分析主要以热传导微分方程为基础,没有考虑地下水流动的对流传热.工程经验表明 [1 ] , 在一般的自然条件下,地下水流速一般在5 m /d以下,不会危及冻结施工.但在人工抽水的情况下,地下 水力坡度增加,地下水流动速度就可能超过常规地层冻结工艺所能承受的极限,这一极限长期以来被研究 人员所关注.我国施工规范 [2 ]第 412120条规定水源井应布置在冻结井筒的地下水流上方,与被冻结的 井筒的距离不宜小于抽水影响半径.有关地下水对冻结壁的危害的报道屡见不鲜 [3, 4 ] ,但是由于工程检测 手段的制约,目前对地下水流动危害情况的研究仅仅滞留在现象分析上. 20世纪60年代,前苏联特鲁巴克教授在他的专著 冻结法凿井 [5 ]中指出 “ 有试验和实测证明了小 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期周晓敏等渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究 于30 m /d的地下水流速不会影响冻土圆柱的形成速度 ”,而按日本学者高志勤 [6]用近似解析的理论公式 计算和分析,得出一般井筒冻结地下水极限渗流速度等于1～2倍的布孔圈的半径的倒数 1 / r～2/ r , 若 半径为5 m,孔隙比为0125时,换算成地下水流速为015～110 m /d,和特鲁巴克提供的数值差别之大令 人疑惑.而后来日本的工程实测研究得出结论 [7 ] ,当地下水流速达到5 m /d时,地层冻结就应借助灌浆 来降低水流速,以帮助冻土的扩展.而英国学者 [8]则认为 当流速大于112 m /d时,冻结工法就不经济 了.随着数值计算的发展,有关地下水渗流对冻结壁形成的影响的数值研究也已经开始 [9, 10 ] ,在进行数值 分析时,采用的水流速度为15～45 m /d.由此可见,有关地下水流动对冻结的影响问题的研究存在巨大 差异,研究工作尚需深入和细致. 图1 各种流速之间的概念 Fig11 Different velocity concept of ground water flow 在以往的研究论著中对水渗流速度和水流速这两个概念未作严格区 分,这可能是导致各个学者之间数据差异的一个原因.在水文学或多孔 介质渗流理论中,这两个概念有重要区别 [11, 12 ] ,如图1所示.渗流速度 v或称达西渗流速度是单位时间通过单位地层截面面积的水量;地 下水流速u或称孔隙平均流速是单位时间通过地层截面中单位孔隙 面积的水量.二者之间的关系vu,其中 为空隙比,为单位体积土 体中孔隙体积Vp和骨架体积Vs之比,Vp/Vs.有关多孔介质传热能 量方程为 5T 5τ ρ secse λse 5 2 T 5x 2 5 2 T 5y 2 -ρ wcwvx 5T 5x vy 5T 5y , 式中,ρse,ρ w分别为土体和水的密度; cse,cw分别为土体和水的比热; λse为导热系数;vx,vy为达西渗流速度的坐标分量. 从上面微分方程可以看出,影响传热的主要因素是渗流速度.如果现场测定的是孔隙平均流速,则还 应根据孔隙率来换算渗流速度. 图2 两孔冻结模型和温度场测点布置 Fig12 Two freezing hole model and it’s T- senor arrangement 地下工程的难点就是难以直接观测,这制约着水渗流作用下冻结壁扩展基础理论的研究发展.20世 纪90年代王朝晖 [13, 14 ]等人采用模型试验方法研究了动水条件对深冷冻结 液氮冻结的影响,但国内外 有关地下水流动对常规盐水冻结工艺影响的模型试验研究报道不多,本项目借助模型试验,通过人工控制 饱和砂层的水渗流状态,开展水渗流对常规人工地层冻结工程问题的研究. 1 模型方案设计 人工地层冻结通常在地层中布置 80～152 mm的无缝钢管作为冷冻管,开孔间距一般为016～113 m. 井筒冻结一般以井筒为中心,单圈或多圈在圆周上等间距布孔, 对于市政基坑等地下工程,则采用直排间隔布孔.不同的工程有 不同的布孔形式.如果研究渗流地层的单孔冻结模型,其应用意 义不大,而研究渗流和多孔冻结叠加影响才具有重要意义,因此 本次试验建立两孔冻结叠加这一最简单的工程模型. 111 渗流地层冻结过程模型试验相似准则 [15, 16 ] 图2为双孔冻结模型对于平面x-y中任意一点p x, y 的土体温度为T,或冻土边界R T 0 , 或交圈时间τ jx S /2, y 0, T 0 , 与冻结器直径dt、冻结孔间距S、温度场初值 无穷远处边界值T∞、盐水温度Tb、盐水流量Q、土导温系数 αse、土的比热cse、土的固液相变潜热B、水平均渗透速度v、冻 结时间τ等变量有关.研究的物理量共15个,基本量纲4个, 准则数应为11个,其中非定性准则为2个,通过 π定理量纲分 791 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2005年第30卷 析可得 非定性准则π1R /dt,π2τj/τ; 定性准则π3 T Tb ,π4 T∞ Tb ,π5 y x ,π6 S dt ,π7 dt x ,π8 Q vwS 2, π9α seτ S 2 ,π10 cseT B ,π12 vτ S . 112 模型主要参数设计 1几何缩比 几何缩比主要根据现有冻结管直径、温度场、渗流场影响范围来确定.工程中一般 采用 108 mm6 mm～168 mm8 mm的无缝钢管.由于工艺限制,本次试验的冻结管采用 20 mm 1 mm无缝钢管,可以模拟 152 mm716 mm冻结管,因此C1 716.根据 π5,π6,π7,得到冻结壁厚 度,孔间距、场坐标等的相似比例为716. 工程实测和数值计算表明 [17 ] ,静水冻结的降温区半径一般为冻柱外侧厚度的4～5倍,因此本模型孔 间距80～140 mm,模拟工程01608～11064 m的冻结管间距,静水条件下降温区半径约526 mm,模拟工 程4 m半径的降温区.考虑水流影响,降温区范围缩小,模型冻结管距离上游及两侧几何边界 ≥530 mm, 下游 ≥760 mm.整个模型的含水地层厚度400 mm,平面范围宽1 250 mm,长2 200 mm,模拟厚3104 m 含水层、宽915 m、长16172 m实际工程的地层范围. 2相似材料 直接采用井筒饱和砂层作为研究对象,颗粒密度2164 g/cm3,饱和含水量19162 , 颗粒0125～0150 mm的占51117 , 015～110 mm的占3714 ,属中粗砂,孔隙率01616,孔隙比0138. 冻结管采用和实际工程一样的低碳钢无缝钢管材质,冷媒剂采用工程中直接配比的氯化钙盐水.因 此,所有材料物性相似比等于1,即CαwCKCBCcw1. 3温度场相似 由柯索维奇准则π10得CBeCcpwCT→CT1,即模型和实际地层中对应点的温度值 相等.根据π3,π4准则,模型初始温度和盐水温度采用工程实际温度. 4时间缩比 根据傅立叶准则得π9F0α seτ r 2 → CαseCτ C 2 l 1→CτC 2 l 57176. 模型试验1 d相当实际工程的57176 d. 5冻结器盐水循环系统 根据准则得π8 Q vS 2→ CQ CvC 2 l 1→CQCvC 2 l Cl,即模型每孔1 m 3 /h的盐 水流量相当于实际工程每孔716 m 3 /h的盐水流量. 6渗流场和清水循环系统 根据准则得π12 vwτ r → CvwCτ Cl 1→Cvw Cl Cτ 1 Cl 1 716. 模型中渗流速度716 m /d,相当于实际工程渗流速度1 m /d. 若考虑实际工程中最大渗流速度20 m /d,则模型最大渗流速度为152 m /d,试验台设计的最大清水流 量Gw CvwvpAm 1521125014 76 m 3 /d 3117 m 3 /h.模型中砂渗流系数为152 m /d,根据达西定 律计算地层渗透压力损失,即HmvmΔLm/K′ m152212 /120≈01163 8 MPa. 模型用水泵的扬程H 112Hm012 MPa.清水循环选择流量大于312 m 3 /h,扬程20 m清水泵即可满足要求. 113 测试系统 地层温度场动态监测是模型试验的主要测试内容,测点布置如图2所示,而盐水流量、盐水温度和压 力,地下水流量、温度和压力等是试验工况调控的监测参量. 温度动态监测采用计算机集中采集和自动记录系统.温度传感器采用美国DALLAS SEM I CONDUCTOR 生产的一种高分辨率可编程的数字温度传感器DS18B20,又称为一线总线温度传感器1 - wire Digital Thermometer.数子信号通过国产LT M8000模块、RS232 /845转换器直接和笔记本电脑RS232接口通讯. 2 模型试验与结果分析 模型试验于2004年5～7月在安徽界沟煤矿主、副井冻结工地进行.按L9 3 4 正交法表安排试验, 891 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期周晓敏等渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究 研究的变量因素有地下水渗流速度、孔间距、盐水温度、盐水流量;研究的指标有交圈时间,主、界 面上游冻结壁厚度70 mm时的冻结时间,下游70 mm厚的冻结时间等.试验结果见表1. 表1 水渗流地层二孔冻结过程正交模型试验与结果 Table 1 The orthogonalmodel test results of seepage ground freezing with two holes 试验号 冻结管间距 /m A 清水流量 /m3h- 1 B 盐水流量 /m3h - 1 C 盐水平均温度 /℃ D 交圈时间 /min 界面冻结壁70 mm 形成时间/min 上游下游 主面冻结壁70 mm 形成时间/min 上游下游 A1B1C1D10180012001700- 261024135317431360 A1B2C2D20180013501946- 271919 222454309 A1B3C3D30180015011200- 301416 163523241 A2B1C2D30111012001940- 301264324288346317 A2B2C3D10111013511200- 251177454309504352 A2B3C1D20111015001699- 281099512277596317 A3B1C3D20114012011210- 2812127 379439350 A3B2C1D30114013501700- 3016122419368374332 A3B3C2D10114015001949- 2513778 1 814742 注过水断面积为1125 m0140 m. 211 温度场分布 在水流作用的情况下,冻结壁主、界面温度分布规律发生了重要变化,在静水条件下温度场曲线具有 对称性,在水流的影响下,温度场不再对称,上游温度明显高于下游,界点温度不再是界面温度的最低 点,最低温度将出现在和界点临近的下游方,如图3所示. 图3 模型试验测点温度输出分布 Fig13 Temperature field output ofmodel test a主面测点温度;b界面测点温度 212 统计分析 对冻结壁交圈时间、上下游冻结壁的扩展速度指标进行统计分析,研究孔间距、水渗流速度、盐水流 量、盐水温度4个因素的影响.试验指标均值和方差统计分析结果见表2. 1冻结壁交圈时间及其影响因素 从表2方差分析来看,影响冻结壁交圈时间的第一因素是孔间 距,其次是地下水渗流速度,第3是盐水温度,第4是盐水流量.孔间距对交圈时间的影响呈现指数特 性,和静水条件的理论分析相似.而地下水流速度的影响和孔间距的作用不一样,当水渗流速度由1水平 0 14 m /h递增到2水平 0 17 m /h ,流速增量为013 m /h,而交圈时间的影响才增加0198 min;但由2 水平增加到3水平,流速增量仍然是013 m /h,交圈时间且增加了215 min.说明流速对交圈时间的影响 在后面呈现急剧增长性,即在小的流速情况下,对冻结影响不大,但随着流速的增加,冻结交圈时间增加 991 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2005年第30卷 量超过指数增长幅度,很快趋于无限大,也就是存在不能交圈的极限流速,这方面的研究应更多予以关 注.盐水温度和流量这两个因素对交圈时间的影响缺乏显著性,说明本次试验的这两个因素的水平差别没 拉开,或试验数量还很欠缺,结果受孔间距和水流速度的干扰较大,还需要深入研究. 表2 模型试验统计结果 Table 2 Statistics results of the model tests 项 目水 平 因 素 孔间距水渗流速度盐水流量盐水温度 水平1191787117881178293112 模型试验交圈时间/min水平2801007216728710081167 水平33421332971677313367133 水平101150011750115501113 上游冻结壁发展速度/mmmin- 1水平201153011600113201144 水平301128010970114401174 水平101237012050120901163 下游冻结壁发展速度/mmmin- 1水平201214012120118101216 水平301168012020123001241 交圈时间5188104313910421931043120104 方差统计上游冻土扩展速度317510 - 4 314310 - 3 217610 - 3 118410 - 3 下游冻土扩展速度214410- 3514510- 5112210- 3311910 - 3 2上游冻结壁厚度扩展速度 从表2方差分析可知,水流速度是影响上游冻结壁发展速度的第1因 素,其次是盐水温度,孔间距降到第3,最后是盐水流量.所以当地下水流速度较大时,有可能造成冻结 壁上游的厚度不足而影响到冻结壁的承载能力. 3下游冻结壁扩展速度 从表2方差来看,地下水流速对下游冻结壁发展没有表现出显著影响. 孔间距是首要影响因素,而且表现出很好的线性比例关系,其次是盐水温度、盐水流量. 4上下游冻结壁厚度之比 在渗流场作用下,冻结壁发展速度减慢,厚度减薄,尤其是对上游冻 结壁的影响更大.随着渗流速度的加大,上下游冻结壁厚度之比迅速下降图4 a .对于小间距冻 结,上下游冻结壁厚度相对差异尤其明显图4 b .当模型的渗流速度达014 m /h 相当工程地下渗 流速1126 m /d,按孔隙率0138计算得出水流速3132 m /d时 , 上游的厚度能占到下游厚度的85119; 当模型渗流速度为017 m /h 相当工程地下渗流速2121 m /d,水流速5182 m /d时 , 上游冻结壁厚度只占 到下游的7512;当模型渗流速度为1 m /h 相当工程地下渗流速3116 m /d,水流速8131 m /d时 , 上 游冻结壁厚度只占到下游的4719;这对冻结壁承载能力越来越不利. 图4 渗流速度和孔间距对上下游厚度之比影响分析 Fig14 Analysis on the difference of freezingwall between head - on and dowr ward water flow 002 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期周晓敏等渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究 3 结 论 地下水渗流对冻结壁形成的影响在理论分析上有一定难度,在目前工程实测技术尚不完备的情况下, 开展模型试验研究是一种有效手段.根据地下水动力学和多孔介质传热理论,地下水流速和渗流速度在概 念上有重要区别,对于研究地下水流动的地层冻结问题至关重要.本模型对饱和砂渗流地层进行了二孔冻 结试验,研究得出孔间距是影响冻结壁交圈时间的第1因素,也是抑制水渗流危害的第1措施,渗流速度 是影响冻结壁交圈时间的第2因素,但交圈时间随着渗流速度的增加,在后期时间急剧增长,即存在工程 意义上的难以交圈问题.渗流速度是影响上游冻结壁厚度发展的第1因素,在冻结壁厚度设计方面应考虑 渗流速度的影响. 参考文献 [1] 沈季良,崔云龙.井巷工程施工手册[M ].北京煤炭工业出版社, 1980. 16～22. [2] GBJ 213 - 90.井巷工程施工及验收规范[M ].北京中国计划出版社, 1991. 33. [3] 董志秋.地下动水对地层冻结影响及预防措施[A ].中国地层冻结40周年论文集[C ].北京煤炭工业出版社, 1995.123～128. [4] 王正庭,伍期建.冻结壁长期不交圈的原因和处理[A ].中国地层冻结工程40周年论文集[C ].北京煤炭工业 出版社, 1995. [5] 特鲁巴克 НГТ р у п а к . 冻结法凿井[M ].周文安,译.北京煤炭工业出版社, 1958. [6] 高志勤 1凍結管列 の 凍結结合 に 对 する 地下水流 の 影響 について[R ].精研株式会社, 1969. [7] Kozo Endo1Artificial soil freezing for subway construction [J ]. Civil Engineering in Japan, 1969. [8] 英国冻结凿井、注浆堵水技术考察报告[R ].煤炭工业部科学技术情报研究所, 1979. [9] 赖远明,吴紫汪,朱元林,等.寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析[ J ].岩土工程学报, 1999, 21 5 529～533. [10 ] 杨 平,皮爱如.高流速地下水地层冻结壁形成的研究[J ].岩土工程学报, 2001, 23 2 167～171. [11 ] 孔详言.高等渗流力学[M ].合肥中国科技大学出版社, 1999. [12 ] 李义昌,李宾亭.地下水动力学[M ].徐州中国矿业大学出版社, 1995. [13 ] 王朝晖,朱向荣,曾国熙,等.动水条件下土层液氮冻结模型试验的研究[J ].浙江大学学报自然科学版 , 1998, 32 5 534～540. [14 ] 王朝晖.大流速地下水土层液氮冻结的试验研究[D ].徐州中国矿业大学, 1996. [15 ] 崔广心.相似理论与模型试验[M ].徐州中国矿业大学出版社, 1990. [16 ] 陈景仁.流体力学及传热学[M ].北京国防工业出版社, 1984. [17 ] 陈文豹,汤志斌 1深井冻结壁温度场的探讨[A ].全国煤矿第二次冻结法施工经验交流会论文汇编[C ].北京 煤炭部建井科技情报中心站, 19881130～1361 本刊讯为了缩短出版周期,本刊于2005年由128页增至136页,欢迎广大作者踊跃投稿. 102