渗流作用下竖井冻结壁形成规律的仿真研究.pdf

冻结法施工 ·287· 渗流作用下竖井冻结壁形成规律的仿真研究 周晓敏1 郭永富2赵志福2 (1．北京科技大学土木-9环境学院北京 100083； 2．中煤一公司特凿处 河北邯郸056003) 摘要：根据耦合机理研究，确立了微分方程数学模型。通过微分方程有限元数值计算，实现了温度场 和渗流场耦合技术仿真，研究了在渗流作用下的井筒冻结壁的形成发展过程。 关键词：渗流场；温度场；耦合场；有限元；仿真 1 引言 人工地层冻结广泛应用于解决流砂、淤泥等松软表土地层的地下工程施工。但地下水流 动时，对冻结壁形成产生延缓作用，冻结柱甚至不能交圈，不能预期形成地下结构。传统冻结 壁温度场分析主要以纯相变导热方程为基础的，不能考虑水渗流对冻结壁的影响作用，日本 学者高志勤曾研究了人工冻结的极限渗流速度和一维问题的极限冻结壁厚度计算公式，由 于渗流场和温度场耦合作用的复杂性，解析理论研究进展缓慢。本文根据渗流场和温度场耦 合机理以及人工地层冻结工程的技术特点，对渗流地层中的多个冻结器降温的叠加过程进 行了数值仿真计算，探讨渗流场作用下人工竖井冻结温度场的形成规律。 ．． 2耦合场数学模型 对于均厚水平渗流含水层，其地层冻结过程可简化为二维问题，主要涉及的微分方程 有： 2．1渗流连续控制方程 未卜cT，馨)+引Kc丁，舅)=肛警 ㈤ 式中，H为水头场函数；朋为承压含水层的释水率，其物理意义是：水头变化1个单位时，单 位体积含水层因水体积膨胀和骨架压缩而释放的水的体积。 肛=(口+卵)如 式中，口、卢分别为土颗粒和水的压缩系数。 K(T)是和温度分布相关的地层渗透系数，(见图1)渗透系数是温度的函数，但这种函 数关系能集中体现了应力场和温度场对渗流场的耦合机理作用，这种耦合作用机理可以通 过实验来确定。为确保数值计算的收敛性，渗透系数和温度的关系用指数光滑曲线K(丁)来 拟合： K(丁I：A，B)=—二等一 (2) 1上e：2+口’ 2．2传热能量微分方程 和其他多孑L介质的传热传质过程一样，对于地下水渗流下的二维的传热过程，用以下能 ·288· 矿山建设工程新进展——2006全国矿山建设学术会议文集(上册) O 5 10 15 20 温度／℃ 图1渗透系数随温度变化的回归指数曲线 量方程描述： (3) 等(Be(T))=九(T)(塑a．≯上丝ayz]1一阳巳，(亿瑟+L雾) 式中，T为温度场函数；、巳p分别是水的容重和比热；B、C，(T)、九(丁)分别为饱和土的视容 重、比热和导热系数，它们分别用下列函数逼近： PI … 土视容重： P=(丹+(以一办)·smoothl(T，订)L≤T≤T。j1’ 导热系数： A一{以+(九一知)?smoothl(丁，卯)一≤丁≤丁7≯ ～ r≤q 比热参数： C 。，