水下人工凍結板溫度場發展規律研究

胡 俊，衛 宏，劉 勇，李玉萍，趙聯楨

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海口 570228；2.新加坡國立大學 土木與環境工程系，新加坡 肯特崗 117576；3.河海大學 土木與交通工程學院，南京 210098)

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水下人工凍結板溫度場發展規律研究

胡 俊1，2，衛 宏1*，劉 勇2，李玉萍3，趙聯楨1

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海口 570228；2.新加坡國立大學 土木與環境工程系，新加坡 肯特崗 117576；3.河海大學 土木與交通工程學院，南京 210098)

水下人工凍結板是一種新型的水下清淤、取樣和打撈裝置。本文運用有限元軟件，對水下人工凍結板的溫度場發展與分布規律進行數值分析。主要得出：水下人工凍結板所形成的凍土帷幕成板塊狀，隨著凍結時間的增加，板塊狀凍土帷幕的厚度也在增加；海底1 m范圍內的土體受凍結板的降溫影響較大，海底以下1 m到2 m的空間里，溫度上升很快，海底2 m以下的土體溫度幾乎不受水下人工凍結板的影響；在現有的降溫計劃下，不同凍結板長度最終形成的凍土帷幕厚度都約為1 m，路徑1上降溫過程基本一致。所得結果可為今后類似工程設計提供技術參考依據。

水下人工凍結板；凍結法；溫度場；數值模擬

0 引 言

水下人工凍結板是一種新型的水下清淤、取樣和打撈裝置。低溫介質從進液口流入鋼板外殼中，從出液口流出，不斷地循環低溫冷媒介質，從而將靠近人工凍結板底板的物質凍結起來，形成凍土帷幕；當凍土帷幕厚度達到要求時，通過人工凍結板頂板上的4個起吊點，將人工凍結板連同其底板下方的凍土帷幕一起吊出水面，從而完成清淤、取樣或打撈工作[1]。本文運用有限元軟件，對水下人工凍結板的溫度場發展與分布規律進行數值分析，對凍土帷幕的發展與厚度變化等展開研究，為今后類似工程設計提供技術參考依據。

1 水下人工凍結板簡介

1.1 概 況

一種水下人工凍結板，包括鋼板外殼，在鋼板外殼內底部設置有凍結管，凍結管上部至鋼板外殼內頂部填充有保溫絕熱材料，所述凍結管在鋼板外殼內呈對稱的迂回曲折狀，其一端為進液口，進液口伸出鋼板外殼與外部進液管連通，另一端為出液口，出液口伸出鋼板外殼與外部出液管連通，如圖1所示。

1.鋼板外殼；2.凍結管；3.保溫絕熱材料； 4.起吊點；5.進液口；6.出液口圖1 水下人工凍結板示意圖Fig.1 Illustration of an underwater artificial freezing plate

1.2 優 點

水下人工凍結板對于水下清淤工作而言，可做到不停航、不停排、不停灌、不影響養殖、不影響交通、不影響旅游、不影響正常供水；對水下取樣工作而言，可很好地對水下沉積物進行物質和水質取樣；對于水下打撈工作而言，可以很有效的將具有污染物或有放射性的物體打撈上來而不會影響環境。

1.3 施工工藝

運用水下人工凍結板施工工藝流程為：施工準備→清淤、取樣或打撈定位→吊放水下人工凍結板→積極凍結→凍土帷幕厚度達到要求→潛水安裝起吊設備→起吊水下人工凍結板→清淤、取樣或打撈完畢。如圖2所示。

圖2 水下人工凍結板施工工藝流程圖Fig.2 Construction process flow of underground artificial freezing plate

2 溫度場數值模型的建立

2.1 計算基本假定

假定土層具有均勻的初始溫度場，初始溫度取18℃；土層為一層，視為均質、熱各向同性體；直接將溫度荷載施加到人工凍結板底面上；忽略水分遷移的影響；假定海底土層的凍結溫度為-1℃[2-12]。

2.2 模型幾何尺寸

本文建立二維溫度場數值模型，其幾何尺寸為：海底土體縱向長度(Y軸)取30 m，垂直深度(Z軸)取12 m，水下人工凍結板為方形，邊長取6 m，布設在縱向長度中心位置，如圖3所示。

圖3 數值模型幾何尺寸及網格劃分示意圖Fig.3 Schematic of geometric size and meshing diagram of numerical model

2.3 計算模型參數選取

本數值模型選取了九節點網格劃分格式，每個網格邊長0.5 m，網格劃分后的計算模型如圖3所示。依據相關報告及試驗[13-20]，模型土體材料采用熱傳導單元，參數見表1。

表1 土體材料參數Tab.1 Parameters of soils material

凍結前地層初始溫度取18℃，人工凍結板底板為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載，鹽水降溫計劃見表2。根據降溫計劃，取凍結時間步為40 d，每步時間長為24 h。采用帶相變的瞬態導熱模型。

表2 鹽水溫度降溫計劃Tab.2 Cooling plan for brine temperature

2.4 研究路徑

為了更好地研究水下人工凍結板凍土帷幕溫度場發展與分布規律，分別設置了5條研究路徑，如圖3所示。路徑1(每隔0.5 m設置一分析點)設置在凍結板6 m邊長的中間，長度為3 m；路徑2、路徑3、路徑4和路徑5(每隔1 m設置一分析點)平行設置，長度為5 m，從海底地面的路徑2開始，垂直深度每增加1 m，設置一研究路徑，到海底地表以下3 m的路徑5為止。

3 溫度場計算結果與分析

3.1 凍土帷幕基本情況

圖4為不同時間溫度場計算-1℃和-10℃等值線圖，圖中網格劃分后每一小格邊長為0.5 m。可以看出：水下人工凍結板所形成的凍土帷幕成板塊狀，隨著凍結時間的增加，板塊狀凍土帷幕的厚度也在增加；凍結10 d時，凍土帷幕厚度發展到海底地表以下約0.5 m，凍結20 d時約為0.8 m，凍結30 d時約為1 m，到了凍結40 d時，凍土帷幕最終厚度達到1 m，溫度在-10℃以下的凍土帷幕厚度也達到了0.5 m。

(a)凍結10 d

(b)凍結20 d

(c)凍結30 d

(d)凍結40 d圖4 不同時間溫度場計算等值線Fig.4 Calculated contours of temperature field at various freezing times

3.2 路徑分析

3.2.1 路徑1

路徑1(每隔0.5 m設置一分析點)設置在凍結板6 m邊長的中間，長度為3 m。圖5為路徑1上不同時間的溫度空間分布曲線，可以看出：凍結速率由快變慢，由鹽水降溫計劃決定；從凍結30 d到40 d的凍土帷幕厚度增加很小，最終0℃以下凍土帷幕的厚度為1 m；海底以下1m到2m的空間里，溫度上升很快，海底2 m以下的土體溫度幾乎不受水下人工凍結板的影響。

圖5 路徑1上各點不同時間溫度空間分布圖Fig.5 Temperature changes with spatial location of various points on the Path 1

3.2.2 路徑2～路徑5

路徑2～路徑5(每隔1 m設置一分析點)平行設置，長度為5 m，從海底地面的路徑2開始，垂直深度每增加1 m，設置一研究路徑，到海底地表以下3 m的路徑5為止。圖6為路徑2～路徑5各點不同時間的溫度空間分布曲線，可以看出：①路徑2上，海底地表距凍結板中心3 m的范圍內溫度一致，降溫過程反應了鹽水降溫計劃；凍結板兩邊的凍結影響范圍最終達到約0.6 m；距凍結板中心3.6～4 m的空間范圍內，溫度上升很快；距凍結板中心5 m以外，土體溫度幾乎不受凍結板降溫的影響。②路徑3上，凍結前期路徑上各點降溫過程幾乎一致，從凍結15d開始，在距凍結板中心2 m范圍內降溫一致，2 m以外越遠降溫越慢；6 m長的人工凍結板最終形成了厚1 m的凍土帷幕，這個凍土帷幕的頂部長約7.2 m，底部長約4 m。③路徑4上，土體溫度變化很小，最終溫度最大降4℃。④路徑5上土體幾乎不受凍結板降溫的影響。

(a)路徑2(海底地表)

(b)路徑3(海底1 m)

(c)路徑4(海底2 m)

(d)路徑5(海底3 m)圖6 路徑2-5上各點不同時間溫度空間分布圖Fig.6 Temperature changes with spatial location of various points on the Paths 2-5

圖7為路徑2～路徑5凍結40 d時的溫度空間對比曲線，可以看出：海底1 m范圍內的土體受凍結板的降溫影響較大；路徑4～路徑5所受影響較小；在凍結板兩端，凍土帷幕頂部長度比底部長度長約1.6 m。

圖7 路徑2～路徑5凍結40d時的溫度空間對比圖Fig.7 Temperature changes on Paths 2-5 with 40-day freezing

3.3 不同凍結板長度的對比分析

本小節選取凍結板長度分別為2、4、6、8、10、12 m這6種情況，重點對比各種情況下凍土帷幕厚度的發展規律。圖8為不同凍結板長度下凍結40 d時溫度場計算-1℃和-10℃等值線，可以看出：在現有的降溫計劃下，不同凍結板長度最終形成的凍土帷幕厚度都約為1 m。

圖9為不同凍結板長度下路徑1上各點不同時間溫度空間分布對比圖，可以看出：不同凍結板長度路徑1上降溫過程基本一致。

(a)凍結板長度2 m

(c)凍結板長度8 m

(d)凍結板長度10 m

(e)凍結板長度12 m圖8 不同凍結板長度下凍結40d時溫度場計算等值線Fig.8 Contours of temperature field of various lengths of freezing plate with the 40-day freezing

(a)凍結20 d

(b)凍結30 d

(c)凍結40 d圖9 不同凍結板長度下路徑1上各點 不同時間溫度空間分布對比圖Fig.9 Comparison of temperature changes with spatial location of various points on the Path 1

4 結束語

本文運用有限元軟件，對水下人工凍結板的溫度場發展與分布規律進行數值分析，對凍土帷幕的發展與厚度變化等展開研究，主要得出：

(1)水下人工凍結板所形成的凍土帷幕成板塊狀，隨著凍結時間的增加，板塊狀凍土帷幕的厚度也在增加；凍結10 d時，凍土帷幕厚度發展到海底地表以下約0.5 m，凍結20 d時約為0.8 m，凍結30 d時約為1 m，到了凍結40 d時，凍土帷幕最終厚度達到1 m，溫度在-10℃以下的凍土帷幕厚度也達到了0.5 m。

(2)從凍結30 d到40 d的凍土帷幕厚度增加很小，最終0℃以下凍土帷幕的厚度為1 m；海底以下1 m到2 m的空間里，溫度上升很快，海底2 m以下的土體溫度幾乎不受水下人工凍結板的影響。

(3)6 m長的人工凍結板最終形成了厚1m的凍土帷幕；海底1 m范圍內的土體受凍結板的降溫影響較大；路徑4和路徑5所受影響較小；在凍結板兩端，凍土帷幕頂部長度比底部長度長約1.6 m。

(4)在現有的降溫計劃下，不同凍結板長度最終形成的凍土帷幕厚度都約為1 m；不同凍結板長度路徑1上降溫過程基本一致。

[1]胡 俊.水下人工凍結板：中國，201521125662.8[P].2015-12-30.

[2]胡 俊，劉 勇，梁乾乾.設置1-2根圓形凍結管時凍結水泥土攪拌樁溫度場數值對比分析[J].森林工程，2016，32(1)：77-82.

[3]胡 俊，劉 勇，曾 暉.新型管幕凍結法不同管幕填充形式的溫度場數值對比分析[J].森林工程，2015，31(6)：135-141.

[4]胡 俊，劉 勇，李玉萍.凍結水泥土攪拌樁溫度場數值分析[J].森林工程，2015，31(5)：118-123.

[5]胡 俊，劉 勇，李玉萍.方形與圓形凍結管單管凍結溫度場數值對比分析[J].森林工程，2015，31(4)：152-157.

[6]Hu J ，Wang X ，Jiang B.Numerical Analysis of Temperature Field of Vertical Frozen Soil Wall Reinforcement at Shield Shaft[C].2014 3rd International Conference on Micro Nano Devices，Structure and Computing Systems(MNDSCS 2014)，Singapore，2014，3：4-10.

[7]Hu J，Zeng H，Wang X.Numerical Analysis of Temperature Field of Cup-shaped Frozen Soil Wall Reinforcement at Shield Shaft[C].2013 International Conference on Energy Research and Power Engineering (ERPE 2013)，Zhengzhou，Henan，China，2013，5：1467-1471.

[8]Hu J，Zeng H，Wang X.Experimental Research on the Physi-mechanical Performances of Geosynthetics [C].2013 International Conference on Energy Research and Power Engineering(ERPE 2013)，Zhengzhou，Henan，China，2013，5：33-37.

[9]Hu J ，Zeng H，Wang X.Study on Construction Risk Analysis and Risk Counter-measures of River-crossing Tunnel of Large-diameter Metro[C].2012 2nd International Conference on Civil Engineering，Architecture and Building Materials(CEABM 2012)，Yantai，China，2012，5：2680-2683.

[10]Hu J，Yang P，Dong C，et al.Study on Numerical Simulation of Cup-shaped Horizontal Freezing Reinforcement Project near Shield Launching[C].2011 International Conference on Electric Technology and Civil Engineering (ICETCE 2011)Lushan，China：IEEE，2011，4：5522-5525.

[11]Zeng H，Hu J，Yang P.A Numerical Simulation Study on the Chemical Reinforcement Area at Shield Start Shaft[C].2011 International Conference on Electric Technology and Civil Engineering (ICETCE 2011)，Lushan，China：IEEE，2011，4：29-34.

[12]Hu J，Zeng H，Wang X，et al.Study on the New Reinforcement Methods at Shield Shaft[J].Civil Engineering and Technology，2014，3(4)：58-61.

[13]董 慧，胡 俊，劉 勇.凍融水泥土力學特性試驗研究[J].森林工程，2015，31(5)：114-117.

[14]胡 俊.高水壓砂性土層地鐵大直徑盾構始發端頭加固方式研究[D].南京：南京林業大學，2012.

[15]胡 俊.水泥改良前后土體凍結溫度及力學特性試驗研究[J].鐵道建筑，2013，52(4)：156-159.

[16]胡 俊，楊 平.大直徑杯型凍土壁溫度場數值分析[J].巖土力學，2015，36(2)：523-531.

[17]胡 俊，衛 宏，曾 暉，等.新型管幕凍結法溫度場數值分析[J].鐵道科學與工程學報，2016，13(6)：1165-1172.

[18]張玉富，于天來.季凍區路基凍脹置換深度的計算方法[J].公路工程，2014，39(2)：111-114+138.

[19]孫全勝，常繼峰.基于支持向量機的多年凍土路基融沉變形預測[J].公路工程，2014，39(5)：136-140+148.

[20]何鈺龍，韓春鵬，王紹全，等.凍融作用下聚丙烯纖維土力學性能試驗研究[J].公路工程，2015，40(6)：84-87+95.

Study on the development of temperature fieldof an underwater artificial freezing plate

Hu Jun1，2，Wei Hong1*，Liu Yong2，Li Yuping3，Zhao Lianzhen1

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou，Hainan 570228，China；2.Department of Civil & Environmental Engineering，National University of Singapore，Singapore 117576，Singapore；3.College of Civil and Transporation Engineering,Hehai University,Nanjing 210098,China)

Underwater artificial freezing plate is a new type of underwater dredging，salvage and sampling device.This study used finite element software to conduct numerical analysis on the development and distribution of temperature field of underwater artificial freezing plates.The results showed that the frozen soil wall of underwater artificial freezing plate formed into a plate-shape.The thickness of the plate-shape frozen soil wall increased with the freezing time.The effect of cooling on the freezing plate was significant within the 1 m range under seabed of under seabed.The soil temperature went up fast in the range from 1 m to 2 m under seabed and was almost independent of underwater artificial freezing plate below 2 m under seabed.The thickness of frozen soil wall that the freezing plates of different lengths finally formed was all about 1m at the existing cooling rate.The cooling processes was basically consistent on the Path 1.The results of this study can provide technical reference for future similar projects.

Underwater artificial freezing plate；freezing method；temperature field；numerical simulation

2016-03-16

國家自然科學基金項目(51368017)；海南省重點研發計劃科技合作方向項目(ZDYF2016226)；海南省科技項目(ZDXM2015117)；中國博士后科學基金資助項目(2015M580559)

胡 俊，博士，副教授。研究方向：隧道及地下工程。

胡 俊，衛 宏，劉 勇，等.水下人工凍結板溫度場發展規律研究[J].森林工程，2016，32(6)：93-98.

U 455

A

1001-005X(2016)06-0093-06

*通信作者：衛 宏，博士，教授。研究方向：巖土工程。

E-mail：wennhong@163.com