深井人工冻结壁温度场分析_朱林楠

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1、第卷第期冰川冻土,No.4、,J年月Nov1981深井人工冻结壁温度;场分析’朱林楠(中国科学院兰州冰川冻土研究所)一、冻结壁的温度场在任意深度平面上,取两个冷冻钻孔所构成的扇形区域一1):。,(图岁竖井的掘进半径为::,。,冷冻钻孔的布置半径为钻孔的间距均匀且等于了如果不考虑天然地温梯度的影响则冷。冻过程可视为平面中心对称问题按冻结壁形成发育,过程分为两个阶段即交圈阶。段和连续扩展阶段1.交圈阶段(图1、A),积极冻结初期单个冷冻钻孔周围发。育不对称冻结圈融土区的热流线以扇形`,:r:/对称轴0及布置圈的圆弧为中心线。正交于冻融相界面冻结区的热流线近似

2、。辐射状汇聚到冷冻钻孔的孔壁李2.连续扩展阶段(图1、B)交,圈后冻结壁的厚度D并不是时时。,处处相同的前期一般在孔距L大于或巨二」相当于平均壁厚时,主面or:上的冻结壁厚融化区冻结恤;//。,D是大于分界面0上的壁厚D后期随,’图1冻结壁温度场示意图着冻结壁厚的增大则分界面上的壁厚D,,`。,逐渐趋近主面上的壁厚D特别是冻结壁厚D远大于孔距L时D还可以大于D这时融,。土区内的热流线遵循与冻融相界面正交的原则故相对于竖井轴心O点是中心辐射对称冻结,`r:::z。区内的热流线却相反它以扇形对称轴0及布置圈圆弧为中心线向冷冻钻孔壁汇聚〔1〕;天然16.5℃,

3、试验研究表明交圈阶段的历时与孔距L关系密切地温冷冻温度约一,1.5,。30℃孔距从米变化到4米时交圈时间亦由14天增加到163天二、工程近似解析计算,,。,:2,工程设计中已知竖井掘进半径及冻结壁总厚度D需要确定布置半径并且使得·。本文已在198。年第二届国际上维冻结会议文集上发表4期:朱林楠深井人工冻结壁温度场分析。冻结内壁恰与掘进半径重合_、.,,,,,,.,_.`.,、、,。,.,____~一一L~______,,·,r“r。头政衣明兰扎距L很小一股用兀脚表不的纵度用小寸01时二布置半径与及刀,。:有关L可以忽略它的近似解析公式。:.2=:。+。。

4、6。+(OZD)(1)〔sr。+3D〕__.,,._._,_.二、_`__、._。L__~______··,,:兰可的弧度用大卞01且小士04时扎距L的赘啊必须考虑它的近似解析公式:。++(。。(1,。+十卜势(2)一令可4r。+3D+ZL的。.4,若弧度角大于时,、六由于交圈历时长主面上的内外冻结壁厚度变化虽然仍类似,。于小孔距的情况但是分界面上的内冻结壁远比外冻结壁发育得快而且总壁厚也是主面比,。,::分界面发育得快直到积极冻结历时足够长时才趋于一致唯有这时的近似解析公式才,:有意义即(:。+D)(1+)·2=一++D`-瑟(3)r。。合〔4+3刀+

5、2SL.._1、_、,`.、,_、、,.、,,,_、,,.、___。,,,~、~`_一_,一一,~一。_一~一二__·L比较之下式与式近似程度较好式`”’稍差工程实践中大量的情况属于“`<川川六.,2)。1)3)2)。<04故对式(的近似解析作简要的说明式(及式(的解析与式(相类似,。设计上考虑的是冻结壁的最终状态故按连续扩展阶段的温度分布形式来考虑又因为,因,孔距L较小此把均布的点冷源近似为连续的环形线冷源这样可以仿照圆柱体冻结方程:列出内外冻融相界面上的热量平衡式0f、,=Q、,+c,。,、,一入,20,一入f卫共冬dtr么`(4)r0In——r0=

6、,r=r:,;t=t,r=ro当t0`_1。0f~一一r+r十^`,一r:入了’,Qd万`四fa(R)dtr么dt(5)r3Inr3Inr3当*=0,:=:2“;t=r,:=r3,,,—,“,”式中入为导热系数C为容积热容量Q系单位相变热下角标’j为冻结状态’,t为,,,。。融化状态。f为冷却壁的负温。系天然地温以上参数的数值(除O外)本身均带正负符号,r。,。,t为积极冻结历时为冻结内壁坐标它等于掘进半径八为外壁坐标R为外圆的温度,r:`r:“。影响半径及称当量布置半径,,当量布置半径的引用是一种近似处理的方法上面已指出连续扩展阶段冻结区的热流,。线分

7、布并不像融化区那样呈中心辐射而是向点冷源汇聚为了近似代换为中心辐射的热分_._、,,,_,,、二。,、,,.,,L,。,/。,、、IL一一一~捧~。占*~。,*`、、’L/`二.``、扰柏臼一那仅J万还肥阂曰用形以峨皿比用几仪小明、”工气、”住”曰笙汀”到里叩饥石·、川*-J3卷.外川场-L--一:置半径数值近似为::+:+r(,号.L`-(6)rZ=2r里十-:一4:外壁的当量布置半径则近似为一:2+(八一号,’,L(7)八=一2=八-4一`、、,、/L/。n.,。n随着扇形区域弧度角的加大(0.4久一一

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