大流速地下水下多圈冻结孔优化设计：理论与实验研究

"这篇论文研究了在大流速地下水环境下多圈冻结孔的优化布置方法，以解决冻结壁交圈困难或时间延长的问题。通过在水流上游加密冻结管的策略来改进常规设计，并利用表观热容法建立水热耦合数学模型，经过物理模型试验验证其合理性。在淮南潘一矿的案例中，优化设计显著减少了冻结壁的交圈时间，并增加了冻结壁的厚度。" 在复杂的地质环境中，尤其是富含水的软土层中，人工地层冻结法是一种常见的竖井掘砌施工技术。这种方法涉及在井筒周围布置多圈冻结管，通过冷冻介质与土体间的热交换形成坚固且密封的冻结壁，确保施工的安全和效率。然而，当遇到高流速地下水时，传统冻结设计方案可能导致冻结壁形成缓慢，甚至无法有效交圈，这对施工进度和安全性构成了挑战。 论文针对这一问题，提出了一个创新的解决方案，即在冻结管的水流上游区域加密布置冻结管。这样的优化设计旨在增加冷冻区域的密度，以更有效地对抗高速地下水的热扰动，从而缩短冻结壁的交圈时间。为了理论支持这个方法，研究人员运用了表观热容法构建了一个水热耦合的数学模型，该模型能够描述地下水流动和冻结过程之间的相互作用。通过对大型物理模型的试验，验证了数学模型的准确性和实用性。 论文中通过实例分析了淮南潘一矿的冻结设计参数及其优化方案。研究表明，对于双圈冻结管的外圈，如果在上游120°范围内加密布置冻结管，当地下水的流速分别为10、15、20m/d时，优化方案可以分别将冻结壁的交圈时间提前7、13、57天。同时，在相同冻结时间内，优化后的冻结壁厚度有显著增加，增强了冻结壁的稳定性。 关键词如“冻结法凿井”、“水热耦合”、“优化设计”、“数值计算”和“冻结壁”揭示了研究的核心内容。冻结法凿井涉及到冻结技术在井筒开挖中的应用；水热耦合模型是理解地下水流动与冻结过程相互影响的关键；优化设计旨在提高冻结效率；数值计算用于精确预测和模拟冻结过程；而冻结壁是整个冻结过程中形成的关键结构，其性能直接影响到施工质量和安全。 这篇论文通过实证研究和数值模拟，为应对高流速地下水条件下的冻结工程提供了新的设计思路，对于改善冻结法施工效率和安全性具有重要的实践意义。