CN102996132B - 冻结壁形成过程中的参数的动态分析方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种冻结壁形成过程中的参数的动态分析方法，包括：将冻结壁的参数与所述参数的影响因子相关联；根据所关联的影响因子的值确定参数的预期值；获取冻结壁的参数的实际值；基于所述预期值与所述实际值之间的差值调整所述影响因子的值，进而调整所述参数的值。

Description

冻结壁形成过程中的参数的动态分析方法

技术领域

本申请涉及一种在冻结壁形成过程中动态分析冻结壁的参数的方法。

背景技术

冻结凿井法是指在开凿井筒前，将井筒周围含水层用人工制冷方法，冻结成封闭的圆筒形冻结壁，以抵抗地压并隔绝地下水与井筒的联系，在冻结壁的保护下进行掘砌作业的施工方法。

冻结凿井法的施工顺序是在井筒周围钻若干冻结孔，孔内安装由供液管、回液管和底端封闭的冻结管组成的冻结器；地面冷冻站将制出的低温媒剂(一般为-20～-32℃的盐水-氯化钙溶液)循环输送到冻结器内,吸收地层的热量，使含水层形成以冻结管为中心的冻结圆柱，逐渐扩大与相邻的冻结圆柱连成封闭的冻结壁。冻结壁达设计厚度后，即可进行井筒掘砌作业，直到顺利穿过不稳定地层为止。

近年来，随着冲积层厚度和冻结深度的增大，地压和水压增大，地层复杂性和施工难度增加，冻结管断裂和井壁压坏的可能性增大，冻结法凿井技术的难度加大。为解决深厚冲积层及含水基岩段全井深冻结设计，有效解决冻结与掘砌矛盾和实现安全快速施工，需要系统地掌握冻结壁形成过程中其参数的分析方法，动态掌握冻结壁形成特性，以便实现深冻结井的安全快速施工。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本申请提出了一种冻结壁形成过程中的参数的动态分析方法，包括：将冻结壁的参数与所述参数的影响因子相关联；根据所关联的影响因子的值确定参数的预期值；获取冻结壁的参数的实际值；基于所述预期值与所述实际值之间的差值调整所述影响因子的值，进而分析和预测待掘进段所述参数的值；其中，将冻结壁的参数与所述参数的影响因子相关联的步骤包括：将影响因子与冻结壁的单孔冻土扩展速度相关联从而根据以下公式确定出所述单孔冻土扩展速度：Vd＝0.007αβκФVo；其中：Vd表示单孔冻土扩展速度；Vo表示冻结管外径为140mm、冻结孔间距为1.8～2.3m和冻结管内盐水运动状态为层流状态时的粘土层冻土扩展速度；α表示土层性质因子；β表示土层含水率因子；Ф表示冻结管外径；κ表示冻结管盐水运动状态因子。

根据本申请提供的方法，能够动态地分析冻结壁形成过程中其主要参数的值，进而动态掌握冻结壁的状态，有利于实现深冻结井的安全快速施工。

附图说明

图1示出了根据本申请的冻结壁形成过程中的参数的动态分析方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本申请的实施方式。

在本申请中，提出了对冻结壁形成过程中的参数的分析方法。冻结壁形成过程中的参数主要包括冻结壁的单孔冻土扩展速度、单圈孔冻结壁平均扩展速度、相邻冻结孔圈交汇成整体冻结壁的内侧及外侧扩展速度、冻结壁的交圈时间、冻结壁有效厚度的平均温度、多圈孔冻结时冻结孔圈之间的冻土交汇时间及冻土扩至井帮的时间以及内外侧冻结壁有效厚度、井帮温度、冻结壁平均温度、安全掘砌段高。

图1示出了根据本申请的冻结壁形成过程中的参数的分析方法1000的流程图。如图1所示，在步骤1001，将冻结壁的参数与所述参数的影响因子相关联。在步骤1002，基于冻结壁的设计方案确定与所述参数相关的影响因子的值并由此确定参数的预期值。

(1)单孔冻土扩展速度的计算

单孔冻土扩展速度主要与土层性质、冻结孔的间距、盐水温度、

冻结管的直径、冻结孔的布置方式、地下水流速、地层原始温度和冻结器环形空间内盐水运动状态等因素有关。在本申请中，将上述影响单孔冻土扩展速度的因素概括为影响因子，通过确定所述影响因子的值来确定单孔冻土扩展速度。即，所述单孔冻土扩展速度可通过以下公式确定：

V_d＝0.007αβκФV_o    (2-1)

其中：V_d表示单孔冻土扩展速度，单位mm/d；

V_o表示冻结管外径为140mm、冻结孔间距为1.8～2.3m和冻结管内盐水运动状态为层流状态时的粘土层冻土扩展速度，单位mm/d；

α为土层性质因子；

β为土层含水率因子；

Ф为冻结管外径；

κ为冻结管内盐水运动状态因子。

作为示例，V_o可取值16.5mm/d～12.6mm/d；α的取值可以参见表1；β可取值0.9～1.2；κ的取值可以是：当雷诺数Re＜2300时冻结管内盐水运动状态为层流状态，κ可取0.9～1.0；当雷诺数Re＝2300～2500时，冻结管内盐水运动状态由层流状态向紊流状态过渡，κ可取1.15～1.30。在工程应用中冻结管内盐水运动状态由层流状态向紊流状态过渡对应的盐水流量范围可参考表2。

表1

表2 冻结管内盐水由层流向紊流状态过渡的基本条件

冻结管直径/mm	Ф127	Ф133	Ф140	Ф159
					盐水流量/m3/h	＞10.0	＞10.7	＞11.2	≥13

(2)单圈孔冻结壁平均扩展速度的计算

基于所计算出的单孔冻土扩展速度V_d可计算出单圈孔冻结壁平均扩展速度V_b，即

V_b＝a_Tb_Lc_hf_ФV_d    (2-2)

其中：V_b表示单圈冻结孔冻结壁平均扩展速度，单位mm/d；

V_d表示单孔冻土扩展速度；

a_T为冻结时间因子；

b_L为冻结孔间距因子；

c_h为邻层冻土因子；

作为示例，a_T可取值1.00～1.06，b_L可取值1.3～2.0，c_h可取值0.9～1.2，f_Ф可取值0.4～0.6。

由于冻结孔圈内、外侧厚度相等处的面积不相等并且冻结壁外侧受外来热源的影响，从能量原理分析，内、外侧冷量扩展不等速，因而冻结壁内侧、外侧的冻土扩展速度不相等，分别可用下列公式表示：

V_bn＝m_nV_b    (2-3)

V_bw＝m_wV_b    (2-4)其中：V_bn表示冻结壁内侧扩展速度(mm/d)；

V_bw表示冻结壁外侧扩展速度(mm/d)；

V_b表示单圈孔冻结壁平均扩展速度(mm/d)；

m_n为内侧扩展因子，其与冻结时间成正比，与圈径成反比，例如可取1.10～1.18；

m_w为外侧扩展因子，与冻结时间和圈径成反比，例如可取0.86～0.90。

(3)相邻冻结孔圈交汇成整体冻结壁的内侧及外侧扩展速度可通过以下公式确定：

V_bn’＝V_1bn+n₁₁V_1bw+n₂₁V_2bn    (2-5)

V_bw’＝V_2bw+n₁₂V_1bw+n₂₂V_2bn    (2-6)

其中：V_bn’表示交汇后冻结壁内侧扩展速度(mm/d)；

V_bw’表示交汇后冻结壁外侧扩展速度(mm/d)；

V_1bn表示原内圈冻结壁内侧扩展速度(mm/d)；

V_1bw表示原内圈冻结壁外侧扩展速度(mm/d)；

V_2bn表示原外圈冻结壁内侧扩展速度(mm/d)；

V_2bw表示原外圈冻结壁外侧扩展速度(mm/d)；

n₁₁为原内圈向内侧扩展因子，可以取0～0.8；

n₂₁为原外圈向内侧扩展因子，可以取0～0.5；

n₁₂为原内圈向外侧扩展因子，可以取0～0.4；

n₂₂为原外圈向外侧扩展因子，可以取0～0.7；

n₁₁、n₂₁、n₁₂、n₂₂均为交汇时间因子，交汇时为0，随交汇时间延长而增大。

(4)冻结壁的交圈时间

冻结壁的交圈时间是指从地层冻结开始至主要冻结孔布置圈上所有相邻的冻结孔所形成的冻土圆柱按设计要求形成封闭的冻结壁所需的时间。利用冻结孔的最大成孔间距除以由公式(2-1)确定的冻结壁的单孔冻土扩展速度即可得到冻结壁的交圈时间预测值。

应当理解，交圈时间的实际值可以由预先设计的水位观测孔在施工过程中表现进行分析得到。

(5)冻结壁有效厚度的平均温度

A.单圈孔冻结壁有效厚度的平均温度等于按冻结壁0℃边界计算的平均温度值与井帮温度对平均温度的影响值之和，即：

t_c＝t_0c+t_e    (3-1)

$t_{0c}=t_b(1.135-0.352\sqrt{L}-0.785\frac{1}{\sqrt[3]{E}}+0.266\sqrt{\frac{L}{E}})-0.466---(3-2)$

t_e＝Δt_n    (3-3)

B.主冻结孔内侧增设辅助孔(含防片孔)的冻结壁有效厚度的平均温度，是在单圈孔冻结壁有效厚度的平均温度的基础上，增加主冻结孔与辅助冻结孔之间部位对平均温度的影响值，即：

t_cf＝t_c+t_fn    (3-4)

或 $t_{\mathrm{cf}}=\frac{t_c(E_1+E_2)+t_{s}S}{E_1+E_2+S}$

(3-5)

式中：

t_c表示按冻结壁有效厚度计算的平均温度(℃)；

t_0c表示按冻结壁0℃边界计算的平均温度(℃)；

t_e表示井帮冻土温度对冻结壁有效厚度的平均温度影响值(℃)；

t_b表示冻结盐水温度(℃)；

L表示计算水平的冻结孔最大间距(m)；

E表示冻结壁有效厚度(m)；

t_n表示计算水平的井帮冻土温度(℃)；

Δ表示井帮冻土温度每升高或降低1℃对冻结壁有效厚度的平均温度影响系数，可以取0.25～0.3；

t_cf表示主冻结孔内侧增设辅助冻结孔(含防片冻结孔)的冻结壁有效厚度平均温度(℃)；

t_fn表示主冻结孔与内侧辅助孔之间部位对冻结壁有效厚度平均温度的影响值(℃)；

t_s表示主冻结孔内侧与辅助孔(含防片孔)之间部位冻结壁平均温度(℃)；

S表示辅助孔圈(含防片冻结孔)与主孔圈之间的距离(m)；

E₁表示辅助孔(含防片孔)内侧冻结壁有效厚度(m)；

E₂表示主冻结孔(外圈孔)外侧冻结壁有效厚度(m)。

(4)多圈孔冻结时冻结孔圈之间的冻土交汇时间及冻土扩至井帮的时间

利用相邻冻结孔圈之间的距离除以(V_1bw+V_2bn)得到冻结孔圈之间的冻土交汇时间，利用内圈孔至井帮的距离除以公式(2-5)得到的冻结壁内侧扩展速度得出冻土扩至井帮的时间。

(5)内外侧冻结壁的有效厚度、井帮温度、冻结壁平均温度及安全掘砌段高

相邻冻结孔圈交汇成整体冻结壁后、冻土扩至井帮前冻结壁的有效厚度由冻结壁内侧至0℃边界厚度加上冻结孔圈距和外侧冻结壁厚度得到，内、外侧冻结壁厚度由公式(2-5)和(2-6)得到的相邻冻结孔圈交汇成整体冻结壁的内侧及外侧扩展速度乘以冻结时间得出。

相邻冻结孔圈交汇成整体冻结壁后、冻土扩至井帮后冻结壁的有效厚度由冻结壁内侧至井帮距离加上冻结孔圈距和外侧冻结壁厚度得到，外侧冻结壁厚度由公式(2-6)得到外侧扩展速度乘以冻结时间得出。由公式(2-5)得到的内侧扩展速度乘以冻结时间计算出内侧冻结壁厚度，当内侧冻结壁厚度大于内圈孔至井帮的距离，冻土扩入井帮内，每扩至井帮内100mm，井帮温度降低1.2℃～0.5℃，初期高后期低，由此分析得到冻土扩入井帮的范围、井帮温度值。

有上述得出内外侧冻结壁的有效厚度，分析得出冻土扩入井帮的范围、井帮温度，利用公式(3-1)～(3-5)可分析计算出冻结壁有效平均温度，利用维亚洛夫-扎列茨基公式h＝Eσ/(ηP)可分析计算出安全掘砌段高。

再次参照图1，在步骤1003，获取冻结壁的参数的实际值。在施工过程中，根据具体的施工条件，施工方案可能会与预先设计的方案有所不同，因而导致冻结壁的参数的实际值与其预期值不同。例如，实际施工过程中，冻结孔的数量和冻结孔的间距可能会偏离预定值，从而使得通过公式(2-2)确定的单圈孔冻结壁平均扩展速度的实际值与其预期值不同。因而在步骤1004中，通过将冻结壁的参数的预期值与其实际值相比较，并基于二者之间的差值调整所述影响因子的值，从而修正冻结壁的参数的值，进而修正和优化设计方案。

本申请不限于上面的描述和实施方式。本领域技术人员根据本申请的公开内容在不偏离本申请精神的情况下获得的其它实施方式应该落在本申请的范围内。

Claims (9)

1.冻结壁形成过程中的参数的动态分析方法，包括：

将冻结壁的参数与所述参数的影响因子相关联；

根据所关联的影响因子的值确定参数的预期值；

获取冻结壁的参数的实际值；

基于所述预期值与所述实际值之间的差值调整所述影响因子的值，进而分析和预测所述参数的值；

其中，将冻结壁的参数与所述参数的影响因子相关联的步骤包括：

将影响因子与冻结壁的单孔冻土扩展速度相关联从而根据以下公式确定出所述单孔冻土扩展速度：

Vd＝0.007αβκФVo

其中：Vd表示单孔冻土扩展速度；

Vo表示冻结管外径为140mm、冻结孔间距为1.8～2.3m和冻结管内盐水运动状态为层流状态时的粘土层冻土扩展速度；

α表示土层性质因子；

β表示土层含水率因子；

Ф表示冻结管外径；

κ表示冻结管盐水运动状态因子。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，V_o的取值为12.6～16.5mm/d；β的取值为0.9～1.2；κ的取值为：当雷诺数Re＜2300时取0.9～1.0，雷诺数Re＝2300～2500时取1.15～1.30；α的取值为：

。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将冻结壁的参数与所述参数的影响因子相关联的步骤包括将影响因子与单圈孔冻结壁平均扩展速度相关联，从而通过以下公式确定出所述单圈孔冻结壁平均扩 展速度：

V_b＝a_Tb_Lc_hf_ФV_d

其中：V_b表示单圈冻结孔冻结壁平均扩展速度；

V_d表示单孔冻土扩展速度；

a_T表示冻结时间因子；

b_L表示冻结孔间距因子；

c_h表示邻层冻土因子；

f_Ф表示冻结孔圈径因子。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，a_T的取值为1.00～1.06，b_L的取值为1.3～2.0，c_h的取值为0.9～1.2，f_Ф的取值为0.4～0.6。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述单圈孔冻结壁平均扩展速度包括冻结壁内侧的冻土扩展速度和冻结壁外侧的冻土扩展速度，其分别通过以下公式确定：

V_bn＝m_nV_b

V_bw＝m_wV_b

其中：V_bn表示冻结壁内侧的冻土扩展速度；

V_bw表示冻结壁外侧的冻土扩展速度；

V_b表示单圈孔冻结壁平均扩展速度；

m_n为内侧扩展因子，其与冻结时间成正比，而与冻结孔的圈径成反比；

m_w为外侧扩展因子，其与冻结时间和冻结孔的圈径成反比。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述内侧扩展因子的取值为1.10～1.18，所述外侧扩展因子的取值为0.86～0.90。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，将冻结壁的参数与所述参数的影响因子相关联的步骤包括将影响因子与相邻冻结孔圈交汇成整体冻结壁的内侧扩展速度和外侧扩展速度相关联，从而分别通过 以下公式确定所述相邻冻结孔圈交汇成整体冻结壁的内侧扩展速度和外侧扩展速度：

V_bn’＝V_1bn+n₁₁V_1bw+n₂₁V_2bn

V_bw’＝V_2bw+n₁₂V_1bw+n₂₂V_2bn

其中：V_bn’表示交汇后冻结壁的内侧扩展速度；

V_bw’表示交汇后冻结壁的外侧扩展速度；

V_1bn表示原内圈冻结壁内侧扩展速度；

V_1bw表示原内圈冻结壁外侧扩展速度；

V_2bn表示原外圈冻结壁内侧扩展速度；

V_2bw表示原外圈冻结壁外侧扩展速度；

n₁₁为原内圈向内侧扩展因子；

n₂₁为原外圈向内侧扩展因子；

n₁₂为原内圈向外侧扩展因子；

n₂₂为原外圈向外侧扩展因子。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，原内圈向内侧扩展因子n₁₁的取值为0～0.8，原外圈向内侧扩展因子n₂₁的取值为0～0.5，原内圈向外侧扩展因子n₁₂的取值为0～0.4，原外圈向外侧扩展因子n₂₂的取值为0～0.7。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，当相邻冻结孔圈交汇成整体冻结壁时，n₁₁、n₂₁、n₁₂、n₂₂的值为0，并且随交汇时间的延长而增大。