地下水含盐量对人工冻结效果影响分析

　　摘要:目前对于人工冻结法的研究主要集中在地下水渗流对冻结效果的影响，未考虑地下水含盐量的影响，对地下水含盐量对冻结效果的影响机制认识不深入。含盐量将会影响地下水的热力学性质，在近海地层和海底进行临时地层冻结加固时，高含盐量地下水将会影响地层冻结效果。基于热流耦合模型，采用COMSOL多场耦合分析软件对双管冻结条件下高含盐量地下水冻结机理展开研究，重点分析冻结温度场、冻结交圈、冻结管间距对冻结效果的影响。研究表明：当地下水含盐量高于4%时，下游的冻结范围受地下水含盐量增加的影响较大。随着地下水含盐量的增加，冻结前期用时较长，积极冻结阶段用时逐渐缩短;当冻结壁完全交圈并冻结完全时，冻结壁中心位置处温度随地下水含盐量的提高而有所升高;冻结管间距的增加将会放大地下水含盐量对冻结的影响。

　　关　键　词：含盐量;人工冻结;耦合分析;温度场;冻结壁

　　随着我国经济发展及海洋发展倡议的提出，近海地区地下空间及海底开发也进入一个新的阶段，在进行跨海隧道和海底隧道施工时，常会遇到海水侵入、涌砂等现象，针对施工环境极其复杂的情况，为提供稳定可靠的开挖工作面和保证正常施工，可采用人工冻结法[1-2]进行处理。人工冻结法是通过人工冷源冻结地层中的水，使之形成具有一定强度的冻结壁以抵御地层水土压力的临时加固方法。诸多学者对地下水渗流作用对冻结温度场的影响进行了探索[3-8]。冻结壁能有效地阻隔地下水和维持地层平衡，因此在城市地下空间建设中得到了大量的应用[9-12]。随着跨海隧道工程的兴起，人工冻结法也被逐渐应用至跨海隧道工程中。

　　环境论文投稿刊物：《冰川冻土》(双月刊)创刊于1979年，由中国地理学会、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所主办。本刊的学科定位：研究主要包括：冰、雪、冻土(含人工冻土)的性质、过程及其控制;冰冻圈的资源与环境;冰冻圈各组分的动态变化及相互作用;冰冻圈与大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和人类活动之间的相互作用。

　　日本东京湾横断道路横穿东京湾海底隧道、东京湾燃气中央干线隧道、伊势湾横穿燃气隧道和川崎人工河北段隧道等近十几项工程均采用了人工冻结法对地层进行加固处理[13-15]。我国港珠澳大桥拱北隧道段利用人工冻结技术进行管幕间止水[16]。某海底盾构隧道在进行穿越时通过采用人工冻结技术形成高强度冻土墙，顺利解决涌水流沙等问题，保证了盾构顺利推进[17]。与城市冻结施工不同，在海洋环境或近海岸环境冻结施工将会面临较高海水含盐量问题。苏文德[18]在总结我国首条海底地铁隧道人工冻结法施工中指出，在海底环境中实施人工冻结法应考虑地下水含盐量对冻结效果的影响。我国东南沿海部分地区地下水含盐量为1%~5%，海水平均含盐量为3.5%~5.0%，会对施工产生较大影响[19-21]。

　　较高含盐量的地下水及海水热力学性质与淡水的明显差异，这无疑会影响冻结效果。而目前已有研究主要集中于分析地下水渗流速度对人工冻结的影响，忽视了地下水含盐量差异对冻结效果的影响。因此，开展高含盐量地下水冻结法冻结机理研究，探明其对冻结效果的影响具有重要的现实意义。为了探究含盐量工况下人工冻结的冻结规律，采用COMSOL多场耦合软件对双管冻结进行研究，重点分析冻结壁厚度、冻结交圈时间及冻结温度场分布规律。相关研究可为高含盐量地层冻结施工提供理论和技术支持。

　　1人工冻结过程热-流耦合计算模型

　　在人工冻结过程中，热-流耦合是冻结实施的关键。当地层土体温度下降到冰点以下时，孔隙中的自由水开始冻结，由此产生的冰晶堵塞了地下水流动的原始孔隙通道。同时，由于对流的存在，地下水流场的变化也会反过来影响土体的传热。特别是水-冰相变将导致土体物理性质的微小变化。基于上述耦合机理，分别建立了地下水流场和冻结温度场的控制方程，从而确立了该问题的数学模型。通过COMSOL多场耦合软件建模可对该热流耦合问题进行数值求解。基本假设如下：(1)假定含水层完全饱和，总孔隙率保持不变;(2)假定溶质含量引起的凝固点降低可以忽略不计;(3)假定土体的性质不随温度的改变而发生变化。

　　2数值模型

　　基于以上控制方程，利用COMSOL多场耦合软件计算考虑不同地下水含盐量对双管冻结效果的影响。几何尺寸为20m×20m的土层区域，冻结管半径为0.073m，管距l=0.5m。考虑初始地层温度为5℃，地下水渗流从一侧流入，另一侧流出，渗流速度为5m/d。假定土层为砂层。在考虑地下水含盐量时，选取含盐量(即地下水中盐的质量分数，下文中提到的含盐量均指盐的质量分数)分别为0、1%、2%、3%、4%、5%和6%的梯度，通过查阅氯碱工业理化常数手册[22]得到不同含盐量的热力学参数。

　　3计算结果分析

　　为准确分析地下水含盐量对双管冻结温度场发展的影响规律，选取经过冻结管连线中点的路径Z进行分析。

　　3.1　冻结壁发展规律冻结壁是指在相邻的两个冻结管之间，每个冻结管产生的冻结体由中心向外扩散直至相交形成的冻结整体。冻结壁是人工冻结法施工中关注的重点。图3为冻结144h时的温度场分布，图中横轴和纵轴均为距离模型边界的位置。由图3可见，冻结形成的冻结壁呈非对称性，上游冻结壁较薄，下游冻结壁较厚，这主要是由于渗流的影响，与前人的研究结果基本一致[23]。随着含盐量的逐渐增加，上下游的冻结壁厚度都有所减小，冻结壁中心的温度也逐渐升高。上游冻结壁厚度受含盐量的影响较小，主要受渗流速度的影响。这是因为当地层水流经过冻结壁后，流速有所减小，此时地层水的凝固点成为影响冻结效果的主要因素。

　　4结　语

　　采用COMSOL多场耦合软件对双管冻结下的温度场进行分析，研究不同含盐量对冻结规律和冻结效果的影响，得出以下主要结论：(1)当地下水含盐量低于4%时，下游的冻结范围受地下水含盐量增加的影响较小，当地下水含盐量高于4%时，下游冻结范围受地下水含盐量增加的影响较大。相较于下游冻结壁厚度，上游冻结壁厚度明显较小。(2)随着地层水含盐量的增加，冻结前期的时间逐渐增大，冻结壁温度也逐渐升高。积极冻结阶段用时逐渐减小，在冻结壁完成交圈后，会在一定的时间内冻结完全。

　　(3)当冻结壁完全交圈并冻结完全时，中点处的温度也存在一定差异，随着地层水含盐量的提高，最终冻结温度逐渐升高。(4)冻结管间距的增大会放大地层水含盐量对冻结范围的影响，在较高含盐量地层可能造成冻结壁无法交圈的现象。

　　参　考　文　献：

　　余占奎,黄宏伟,王如路,等.人工冻结技术在上海地铁施工中的应用[J].冰川冻土，2005，27(4)：550-556.(YUZhankui,HUANGHongwei,WANGRulu,etal.ApplicationoftheartificiallygroundfreezingmethodtoShanghaimetroengineering[J].JournalofGlaciologyandGeocryology,2005,27(4):550-556.(inChinese))

　　[1]陈维健,周晓敏,乔卫国.大水流地层条件下井筒冻结壁动态监控理论和技术[J].煤炭学报，2008，33(9)：1006-1010.(CHENWeijian,ZHOUXiaomin,QIAOWeiguo.Monitoringtheoryandtechnologyoffreezewallinshaftsinkingofheavyseepageground[J].JournalofChinaCoalSociety,2008,33(9):1006-1010.(inChinese))[2]杨平,皮爱如.高流速地下水流地层冻结壁形成的研究[J].岩土工程学报，2001，23(2)

　　作者：叶超1，李忠超1,2,3，梁荣柱1，肖铭钊2，蔡兵华2，吴文兵1