人工冻结技术是解决富含水地层中矿井建设的有效加固方法,而冻结温度场的演变规律是冻结加固效果分析的直接依据。在斜井帷幕冻结加固施工中,地下水的渗流会明显影响冻结温度场的演变过程,而冻结壁形成过程也会明显干扰地下渗流场的分布特征,甚至会产生明显的绕流效应。针对斜井帷幕冻结施工过程中的渗流场和温度场的耦合作用,考虑冻结壁形成过程中的绕流影响,通过理论分析、数值模拟、物理试验和现场实测的方法,建立了斜井帷幕冻结过程中的渗流-温度耦合模型,获得了绕流引起的渗流场变化特征和温度场的分布规律。通过与现场实测数据对比,渗流阻力的变化规律和温度场的分布特征与工程实测数据基本一致。首先,考虑绕流对渗流场和温度场影响,对均匀渗流地层中渗流方程进行了修正,建立了描述冻结帷幕形成过程影响的变化截面范围渗流方程。基于渗流方程,分析了渗流雷诺数的特征长度确定方法,讨论了渗流场绕流冻结帷幕时的渗流阻力变化规律及断面分布特征。基于能量守恒定律,考虑渗流场断面变化影响,提出了斜井帷幕冻结的极限流速计算公式,获得了不同冻结参数下双孔冻结时的极限流速的变化规律。其次,基于变化截面范围的渗流方程,自行设计了可精确控制流量变化的变截面渗流冻结模型试验系统,利用试验系统进行了不同粒径介质中冻结渗流模型试验,研究了渗流场中冻结帷幕形成过程对温度场和渗流场的影响,验证了渗流场雷诺数特征尺度的选取方法,分析了变截面条件下渗流阻力随截面尺寸、截面数量的变化规律。通过对渗流条件下冻结温度场的分析,获得了不同流量、不同冻结温度下冻结帷幕的分布规律,建立了不同施工条件下极限冻结厚度和温度分布等冻结关键参数的确定方法。再次,基于达西渗流方程、达西渗流修正方程和Binkman-Forchheimer方程三种渗流方程与冻结温度场的耦合模型,通过与试验数据对比证明达西渗流修正方程更接近实际,并以此模型的数值模拟研究了地下水流速、地温、冻结孔间距、排间距和冻结孔直径五个因素对帷幕冻结渗流场和温度场的影响,获得了渗流地层中冻结帷幕演变特征。通过对斜井箱型冻结布孔方式和冻结设计的模拟分析,在分析形成冻结壁不均匀性和厚度等参数演变规律的基础上,建立了利用渗流地层冻结帷幕发展规律进行冻结设计优化的标准,提出了判断渗流地层冻结帷幕发展过程的新方法。最后,通过对渗流地层中斜井帷幕冻结工程的现场监测,分析了渗流对冻结帷幕演变过程、井帮温度、冻结系统等冻结关键参数演变规律,与获得的结论进行了验证对比。通过冻结孔内纵向温度测试和冻结帷幕内、外地下水位观测等手段进一步分析了渗流条件下冻结渗流温度场的演变规律,验证了模拟试验中提出的渗流地层冻结帷幕判断方法。研究建立的考虑绕流影响的斜井帷幕冻结渗流-温度耦合模型,可以直接用于渗流地层中冻结温度场和渗流场的计算分析并确定冻结温度场和渗流场的分布特征。斜井帷幕冻结的极限流速计算公式、双孔冻结时的极限流速、温度等对冻结壁的影响规律,为渗流地层中冻结设计提供了依据,而冻结过程中的渗流场、温度场演变规律以及冻结孔纵向温度测试和地下水位监测方法,可以在施工中直接用来判断冻结效果,满足冻结设计和施工的要求。该论文有图78幅,表54个,参考文献138篇。