專利名稱：凍結(jié)壁形成過(guò)程中的參數(shù)的動(dòng)態(tài)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及一種在凍結(jié)壁形成過(guò)程中動(dòng)態(tài)分析凍結(jié)壁的參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
凍結(jié)鑿井法是指在開(kāi)鑿井筒前，將井筒周圍含水層用人工制冷方法，凍結(jié)成封閉的圓筒形凍結(jié)壁，以抵抗地壓并隔絕地下水與井筒的聯(lián)系，在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行掘砌作業(yè)的施工方法。凍結(jié)鑿井法的施工順序是在井筒周圍鉆若干凍結(jié)孔，孔內(nèi)安裝由供液管、回液管和底端封閉的凍結(jié)管組成的凍結(jié)器；地面冷凍站將制出的低溫媒劑(一般為-20 -32°C的鹽水-氯化鈣溶液)循環(huán)輸送到凍結(jié)器內(nèi)，吸收地層的熱量，使含水層形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱，逐漸擴(kuò)大與相鄰的凍結(jié)圓柱連成封閉的凍結(jié)壁。凍結(jié)壁達(dá)設(shè)計(jì)厚度后，即可進(jìn)行井筒掘砌作業(yè)，直到順利穿過(guò)不穩(wěn)定地層為止。近年來(lái)，隨著沖積層厚度和凍結(jié)深度的增大，地壓和水壓增大，地層復(fù)雜性和施工難度增加，凍結(jié)管斷裂和井壁壓壞的可能性增大，凍結(jié)法鑿井技術(shù)的難度加大。為解決深厚沖積層及含水基巖段全井深凍結(jié)設(shè)計(jì)，有效解決凍結(jié)與掘砌矛盾和實(shí)現(xiàn)安全快速施工，需要系統(tǒng)地掌握凍結(jié)壁形成過(guò)程中其參數(shù)的分析方法，動(dòng)態(tài)掌握凍結(jié)壁形成特性，以便實(shí)現(xiàn)深凍結(jié)井的安全快速施工。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N凍結(jié)壁形成過(guò)程中的參數(shù)的動(dòng)態(tài)分析方法，包括將凍結(jié)壁的參數(shù)與所述參數(shù)的影響因子相關(guān)聯(lián)；根據(jù)所關(guān)聯(lián)的影響因子的值確定參數(shù)的預(yù)期值；獲取凍結(jié)壁的參數(shù)的實(shí)際值；基于所述預(yù)期值與所述實(shí)際值之間的差值調(diào)整所述影響因子的值，進(jìn)而分析和預(yù)測(cè)待掘進(jìn)段所述參數(shù)的值。根據(jù)本申請(qǐng)?zhí)峁┑姆椒?，能夠?dòng)態(tài)地分析凍結(jié)壁形成過(guò)程中其主要參數(shù)的值，進(jìn)而動(dòng)態(tài)掌握凍結(jié)壁的狀態(tài)，有利于實(shí)現(xiàn)深凍結(jié)井的安全快速施工。


圖1示出了根據(jù)本申請(qǐng)的凍結(jié)壁形成過(guò)程中的參數(shù)的動(dòng)態(tài)分析方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖詳細(xì)描述本申請(qǐng)的實(shí)施方式。在本申請(qǐng)中，提出了對(duì)凍結(jié)壁形成過(guò)程中的參數(shù)的分析方法。凍結(jié)壁形成過(guò)程中的參數(shù)主要包括凍結(jié)壁的單孔凍土擴(kuò)展速度、單圈孔凍結(jié)壁平均擴(kuò)展速度、相鄰凍結(jié)孔圈交匯成整體凍結(jié)壁的內(nèi)側(cè)及外側(cè)擴(kuò)展速度、凍結(jié)壁的交圈時(shí)間、凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度、多圈孔凍結(jié)時(shí)凍結(jié)孔圈之間的凍土交匯時(shí)間及凍土擴(kuò)至井幫的時(shí)間以及內(nèi)外側(cè)凍結(jié)壁有效厚度、井幫溫度、凍結(jié)壁平均溫度、安全掘砌段高。
圖1示出了根據(jù)本申請(qǐng)的凍結(jié)壁形成過(guò)程中的參數(shù)的分析方法1000的流程圖。如圖1所示，在步驟1001，將凍結(jié)壁的參數(shù)與所述參數(shù)的影響因子相關(guān)聯(lián)。在步驟1002，基于凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)方案確定與所述參數(shù)相關(guān)的影響因子的值并由此確定參數(shù)的預(yù)期值。(I)單孔凍土擴(kuò)展速度的計(jì)算單孔凍土擴(kuò)展速度主要與土層性質(zhì)、凍結(jié)孔的間距、鹽水溫度、凍結(jié)管的直徑、凍結(jié)孔的布置方式、地下水流速、地層原始溫度和凍結(jié)器環(huán)形空間內(nèi)鹽水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān)。在本申請(qǐng)中，將上述影響單孔凍土擴(kuò)展速度的因素概括為影響因子，通過(guò)確定所述影響因子的值來(lái)確定單孔凍土擴(kuò)展速度。即，所述單孔凍土擴(kuò)展速度可通過(guò)以下公式確定Vd = O. 007 α β κ OV0 (2-1)其中Vd表示單孔凍土擴(kuò)展速度,單位mm/d ;V。表示凍結(jié)管外徑為140mm、凍結(jié)孔間距為1. 8 2. 3m和凍結(jié)管內(nèi)鹽水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為層流狀態(tài)時(shí)的粘土層凍土擴(kuò)展速度，單位mm/d ；α為土層性質(zhì)因子；β為土層含水率因子；Φ為凍結(jié)管外徑；K為凍結(jié)管內(nèi)鹽水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)因子。作為示例，V0可取值16. 5mm/d 12. 6mm/d ； α的取值可以參見(jiàn)表I ; β可取值O. 9 1. 2 ; κ的取值可以是當(dāng)雷諾數(shù)Re < 2300時(shí)凍結(jié)管內(nèi)鹽水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為層流狀態(tài)，κ可取O. 9 1. O;當(dāng)雷諾數(shù)Re = 2300 2500時(shí)，凍結(jié)管內(nèi)鹽水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由層流狀態(tài)向紊流狀態(tài)過(guò)渡，κ可取1. 15 1. 30。在工程應(yīng)用中凍結(jié)管內(nèi)鹽水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由層流狀態(tài)向紊流狀態(tài)過(guò)渡對(duì)應(yīng)的鹽水流量范圍可參考表2。表I
權(quán)利要求
1.凍結(jié)壁形成過(guò)程中的參數(shù)的動(dòng)態(tài)分析方法，包括將凍結(jié)壁的參數(shù)與所述參數(shù)的影響因子相關(guān)聯(lián)；根據(jù)所關(guān)聯(lián)的影響因子的值確定參數(shù)的預(yù)期值；獲取凍結(jié)壁的參數(shù)的實(shí)際值；基于所述預(yù)期值與所述實(shí)際值之間的差值調(diào)整所述影響因子的值，進(jìn)而分析和預(yù)測(cè)所述參數(shù)的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將凍結(jié)壁的參數(shù)與所述參數(shù)的影響因子相關(guān)聯(lián)的步驟包括將影響因子與凍結(jié)壁的單孔凍土擴(kuò)展速度相關(guān)聯(lián)從而根據(jù)以下公式確定出所述單孔凍土擴(kuò)展速度Vd = O. 007α β K Φν0其中1表示單孔凍土擴(kuò)展速度；V0表示凍結(jié)管外徑為140mm、凍結(jié)孔間距為1. 8 2. 3m和凍結(jié)管內(nèi)鹽水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為層流狀態(tài)時(shí)的粘土層凍土擴(kuò)展速度； α表示土層性質(zhì)因子； β表示土層含水率因子； φ表凍結(jié)管外徑；K表示凍結(jié)管鹽水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，V。的取值為16.5 12. 6mm/d;i3的取值為O. 9 1. 2 ； K的取值為當(dāng)雷諾數(shù)Re < 2300時(shí)取O. 9 1.
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，將凍結(jié)壁的參數(shù)與所述參數(shù)的影響因子相關(guān)聯(lián)的步驟包括將影響因子與單圈孔凍結(jié)壁平均擴(kuò)展速度相關(guān)聯(lián)，從而通過(guò)以下公式確定出所述單圈孔凍結(jié)壁平均擴(kuò)展速度Vb — aTbLchf 0Vd其中Vb表示單圈凍結(jié)孔凍結(jié)壁平均擴(kuò)展速度；Vd表示單孔凍土擴(kuò)展速度； aT表不凍結(jié)時(shí)間因子； bL表示凍結(jié)孔間距因子；Ch表示鄰層凍土因子； fo表示凍結(jié)孔圈徑因子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，&:的取值為1.00 1.06，K的取值為1. 3 2.0，Ch的取值為O. 9 1. 2， φ的取值為O. 4 O. 6。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述單圈孔凍結(jié)壁平均擴(kuò)展速度包括凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)的凍土擴(kuò)展速度和凍結(jié)壁外側(cè)的凍土擴(kuò)展速度，其分別通過(guò)以下公式確定Vbn = mnVb^bw = mW^b其中=Vbn表示凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)的凍土擴(kuò)展速度；Vbw表示凍結(jié)壁外側(cè)的凍土擴(kuò)展速度；Vb表示單圈孔凍結(jié)壁平均擴(kuò)展速度；mnS內(nèi)側(cè)擴(kuò)展因子，其與凍結(jié)時(shí)間成正比，而與凍結(jié)孔的圈徑成反比； mwS外側(cè)擴(kuò)展因子，其與凍結(jié)時(shí)間和凍結(jié)孔的圈徑成反比。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述內(nèi)側(cè)擴(kuò)展因子的取值為1.10 1. 18，所述外側(cè)擴(kuò)展因子的取值為O. 86 O. 90。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，將凍結(jié)壁的參數(shù)與所述參數(shù)的影響因子相關(guān)聯(lián)的步驟包括將影響因子與相鄰凍結(jié)孔圈交匯成整體凍結(jié)壁的內(nèi)側(cè)擴(kuò)展速度和外側(cè)擴(kuò)展速度相關(guān)聯(lián)，從而分別通過(guò)以下公式確定所述相鄰凍結(jié)孔圈交匯成整體凍結(jié)壁的內(nèi)側(cè)擴(kuò)展速度和外側(cè)擴(kuò)展速度Vbn’ = Vlbn+nuVlbw+n21V2bnVbw — ^2bw+ni2^1bw+n22^2bn其中=Vbn’表示交匯后凍結(jié)壁的內(nèi)側(cè)擴(kuò)展速度；Vb/表示交匯后凍結(jié)壁的外側(cè)擴(kuò)展速度；Vlbri表不原內(nèi)圈凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)擴(kuò)展速度；Vlbw表不原內(nèi)圈凍結(jié)壁外側(cè)擴(kuò)展速度；V2to表不原外圈凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)擴(kuò)展速度；V2bw表示原外圈凍結(jié)壁外側(cè)擴(kuò)展速度； nn為原內(nèi)圈向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展因子； n21為原外圈向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展因子； n12為原內(nèi)圈向外側(cè)擴(kuò)展因子； n22為原外圈向外側(cè)擴(kuò)展因子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，原內(nèi)圈向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展因子nn的取值為O O.8，原外圈向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展因子n21的取值為O O. 5,原內(nèi)圈向外側(cè)擴(kuò)展因子n12的取值為O O. 4, 原外圈向外側(cè)擴(kuò)展因子n22的取值為O O. 7。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，當(dāng)相鄰凍結(jié)孔圈交匯成整體凍結(jié)壁時(shí)，nn、η21、 η12、η22的值為0，并且隨交匯時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。
全文摘要
本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N凍結(jié)壁形成過(guò)程中的參數(shù)的動(dòng)態(tài)分析方法，包括將凍結(jié)壁的參數(shù)與所述參數(shù)的影響因子相關(guān)聯(lián)；根據(jù)所關(guān)聯(lián)的影響因子的值確定參數(shù)的預(yù)期值；獲取凍結(jié)壁的參數(shù)的實(shí)際值；基于所述預(yù)期值與所述實(shí)際值之間的差值調(diào)整所述影響因子的值，進(jìn)而調(diào)整所述參數(shù)的值。
文檔編號(hào)E21D1/12GK102996132SQ20111027326
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者李功洲, 陳章慶, 陳道翀 申請(qǐng)人:李功洲, 陳章慶, 陳道翀