人工冻结法是含水层矿井和隧道开挖中大量使用的止水和加固方法之一,而在含有地下水渗流条件下的冻结法施工中,影响冻结法施工方案的主要因素之一就是地下水渗流速度大小,它对冻结法施工的成败起着关键性的作用。以地下水渗流条件下的饱和多孔介质为研究对象,通过准确控制渗流场的流速以及流向,并充分考虑水、热两场边界条件的影响,构建了一套大型水热耦合物理模型试验系统,应用该系统对大流速渗透地层单排三管冻结温度场的时空演化规律进行了试验研究,同时基于热传导以及对流传热的作用特点对试验结果进行了分析,通过数值模拟方法结合试验结果验证数学模型的合理性,并使用该模型对冻结施工方案进行优化。首先,根据相似准则,以饱和多孔介质为研究对象,设计并建立大型相似模型试验,测出单排三管冻结过程中不同渗流速度下的温度变化数据,进而分析了不同流速下的冻结温度场时空演变规律。在渗流条件下,冻结锋面的发展过程实际是冻结管吸收饱和多孔介质的初始热量、水的相变潜热以及对流传导热量的过程;同时在多管冻结过程中,相邻冻结管的冷量叠加会产生“群管效应”,加快冻结锋面的扩展速度;而渗流速度的大小直接影响对流传热和“群管效应”,进而影响冻结壁交圈时间和不同位置的冻结壁厚度。其中流速小于3m/d时,“群管效应”的冻结锋面扩展半径临界值为400mm;流速为6m/d和9m/d时,“群管效应”的冻结锋面扩展半径临界值为154mm和130mm。然后,基于表观热容法构建了水热耦合数学模型,并建立COMSOL Multiphysics数值计算模型,使用软件中的自定义偏微分方程组功能,实现了饱和多孔介质温度场和渗流场耦合问题的数值求解,结合试验所得数据,验证了水热耦合模型的合理性和参数选择的准确性。最后,使用水热耦合数学模型,并结合渗流条件下冻结温度场的时时间与空间演变规律,对淮南某矿副井冻结法施工方案进行优化,当地下水流速为10m/d、15m/d、20m/d时,优化方案相较于常规方案在三种流速下的冻结壁交圈时间分别提前了 7d、13d和57d,表明优化效果良好且流速越大优化效果越明显。图[48]表[14]参[88]