渗流下砂-黏复合地层人工冻结多场耦合研究

摘要

对滨海地层进行人工冻结时，高盐度地下水渗流的存在将严重影响冻结范围和冻结效果．利用NavierStokes方程来描述滨海地层中液相在渗流过程中的动量守恒，考虑渗流过程中土颗粒表面对盐的吸附和解吸作用以及人工冻结时液相的非对流通量对水、盐相变的影响，建立了渗流对砂-黏复合地层人工冻结过程影响的水-盐-热-力学理论模型．基于COMSOLMultiphysics软件对渗流条件下砂-黏地层的水-盐-热-力学多场耦合理论模型进行求解，理论模型的计算结果与试验结果吻合效果较好．通过参数分析，研究了不同渗流速度对水、盐、温度和位移等各组分空间分布的影响．研究结果表明：随着渗流速度从0 m/d增加到15 m/d，在砂-黏复合地层上游土体的冻结难度加大，导致上游的冻结区域向下游缩减，下游的冻结区域沿着渗流向下游扩大，砂层和黏土层中冰的前缘位置分别向下游移动了60.3%和26.2%；砂层和黏土层中盐结晶前缘位置分别向下游移动了50.4%和26.2%；在水、盐相变的作用下，土体内部应力的增加导致土体位移的增加，在砂-黏复合地层的下游，人工冻结后黏土层的位移峰值增大了107%；冻结管在垂直于渗流方向上的影响范围被缩减，在冻结管两侧0.3 m位置处黏土层和砂层的温度分别降低了1.1℃和2.8℃，黏土层和砂层的总含盐量分别增加了8.5%和7.4%，黏土层和砂层中冰的产生范围分别缩小了10.2%和54.9%．本文研究成果为渗流条件下的滨海地层的人工冻结施工提供了理论依据和数据支撑．

关键词

人工冻结 / 冻结管 / 渗流 / 砂-黏复合地层 / 多场耦合理论

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52171273,52108335,52078336); 天津市科技计划资助项目(20JCJQJC00220); 天津大学自主创新基金资助项目(2024XSU-0019)