地下水流对冻结壁形成的影响规律的模型试验分析.pdf

冻结法施工 ·467· 地下水流对冻结壁形成的影响规律的模型试验分析 梁洪振1 周晓敏2 张绪忠3 (1．中煤一公司特凿处河北邯郸056003； 2．北京科技大学土木与环境学院 北京100083； 3．北京中煤矿山工程有限公司 北京 100053) 摘要：根据相似准则，设计地下水渗流作用下两孔地层冻结模型试验，进行了常规盐水地层冻结的 正交模型试验，研究了地下水流速、孔间距、盐水流量、盐水温度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，孔间距是影响交圈时间的第一因素，而水流速度是影响冻结壁上游厚度的主要因素， 而缩小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 1 引言 冻结法广泛应用于矿山凿井，解决流砂、淤泥等不稳定含水地层松软含水流动土层的地 层加固，但地下水流动过快，对冻结壁的形成产生不利影响，工程中时常出现冻结壁延期交 圈的事故。工程经验表明，在一般的自然条件下，地下水流速一般在5m／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，地下水流速就可能超过正常冻结要 求的限度，延长冻结时间或造成冻结困难。我国施工规范第4．2．20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。 2基本概念 在水文学或多孔介质渗流理论中，地下水渗流速度和水流速这两个概念有重要区别， 如图l所示。 图1各种流速之间关系的概念图 1——质点流速12——地下水流速(孔隙平均流速)；3——地层渗流速度(达西渗流速度) ·468· 矿山建设工程新进程——2006全囡矿山建设学术会议文集(上册) 渗透速度∥，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 速扰，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。 二者之间的关系是：口=9u，P为空隙比，为单位体积土体中孔隙体积和骨架体积之比， 甲=Ⅺp沁|。 有关多孑L介质传热能量方程为： 等c阻艮，=九(器+等)--(pwCp。，(％罢+％雾) 式中，～为水的密度，cW为水的比热，九为水的导热系数，阻和．靠分别为土体的等效密度和 比热容，九等效的土导热系数。 3模型方案设计 人工地层冻结通常在地层中布置≯80一--152mm的无缝钢管作为冷冻管，开孑L间距一般 为0．6～1．3 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。 3．1渗流地层冻结过程模型试验相似准则 图2为双孔冻结模型：对于平面xy中任意一点p(x，y)的土体温度T，或冻土边界R (丁=o)，或交圈时间q=lz一昔，y一0，T0l和冻结器直径么、冻结孑L间距s、温度场初值 (无穷远处边界值)L、盐水温度n、盐水流量Q、土导温系数％、土的比热c|，土的固液相变 主面 l主面 界面i y0 ( )‘P长一 上游 丁： ； 8 12(训开3 () ( 冻结管 2 冻结管 ——、＼，．E J_____-。_。_______一