水下人工冻结板温度场发展规律研究

胡 俊，卫 宏，刘 勇，李玉萍，赵联桢

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228；2.新加坡国立大学 土木与环境工程系，新加坡 肯特岗 117576；3.河海大学 土木与交通工程学院，南京 210098)



水下人工冻结板温度场发展规律研究

胡 俊1，2，卫 宏1*，刘 勇2，李玉萍3，赵联桢1

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228；2.新加坡国立大学 土木与环境工程系，新加坡 肯特岗 117576；3.河海大学 土木与交通工程学院，南京 210098)

水下人工冻结板是一种新型的水下清淤、取样和打捞装置。本文运用有限元软件，对水下人工冻结板的温度场发展与分布规律进行数值分析。主要得出：水下人工冻结板所形成的冻土帷幕成板块状，随着冻结时间的增加，板块状冻土帷幕的厚度也在增加；海底1 m范围内的土体受冻结板的降温影响较大，海底以下1 m到2 m的空间里，温度上升很快，海底2 m以下的土体温度几乎不受水下人工冻结板的影响；在现有的降温计划下，不同冻结板长度最终形成的冻土帷幕厚度都约为1 m，路径1上降温过程基本一致。所得结果可为今后类似工程设计提供技术参考依据。

水下人工冻结板；冻结法；温度场；数值模拟

0 引 言

水下人工冻结板是一种新型的水下清淤、取样和打捞装置。低温介质从进液口流入钢板外壳中，从出液口流出，不断地循环低温冷媒介质，从而将靠近人工冻结板底板的物质冻结起来，形成冻土帷幕；当冻土帷幕厚度达到要求时，通过人工冻结板顶板上的4个起吊点，将人工冻结板连同其底板下方的冻土帷幕一起吊出水面，从而完成清淤、取样或打捞工作[1]。本文运用有限元软件，对水下人工冻结板的温度场发展与分布规律进行数值分析，对冻土帷幕的发展与厚度变化等展开研究，为今后类似工程设计提供技术参考依据。

1 水下人工冻结板简介

1.1 概 况

一种水下人工冻结板，包括钢板外壳，在钢板外壳内底部设置有冻结管，冻结管上部至钢板外壳内顶部填充有保温绝热材料，所述冻结管在钢板外壳内呈对称的迂回曲折状，其一端为进液口，进液口伸出钢板外壳与外部进液管连通，另一端为出液口，出液口伸出钢板外壳与外部出液管连通，如图1所示。

1.钢板外壳；2.冻结管；3.保温绝热材料； 4.起吊点；5.进液口；6.出液口图1 水下人工冻结板示意图Fig.1 Illustration of an underwater artificial freezing plate

1.2 优 点

水下人工冻结板对于水下清淤工作而言，可做到不停航、不停排、不停灌、不影响养殖、不影响交通、不影响旅游、不影响正常供水；对水下取样工作而言，可很好地对水下沉积物进行物质和水质取样；对于水下打捞工作而言，可以很有效的将具有污染物或有放射性的物体打捞上来而不会影响环境。

1.3 施工工艺

运用水下人工冻结板施工工艺流程为：施工准备→清淤、取样或打捞定位→吊放水下人工冻结板→积极冻结→冻土帷幕厚度达到要求→潜水安装起吊设备→起吊水下人工冻结板→清淤、取样或打捞完毕。如图2所示。

图2 水下人工冻结板施工工艺流程图Fig.2 Construction process flow of underground artificial freezing plate

2 温度场数值模型的建立

2.1 计算基本假定

假定土层具有均匀的初始温度场，初始温度取18℃；土层为一层，视为均质、热各向同性体；直接将温度荷载施加到人工冻结板底面上；忽略水分迁移的影响；假定海底土层的冻结温度为-1℃[2-12]。

2.2 模型几何尺寸

本文建立二维温度场数值模型，其几何尺寸为：海底土体纵向长度(Y轴)取30 m，垂直深度(Z轴)取12 m，水下人工冻结板为方形，边长取6 m，布设在纵向长度中心位置，如图3所示。

图3 数值模型几何尺寸及网格划分示意图Fig.3 Schematic of geometric size and meshing diagram of numerical model

2.3 计算模型参数选取

本数值模型选取了九节点网格划分格式，每个网格边长0.5 m，网格划分后的计算模型如图3所示。依据相关报告及试验[13-20]，模型土体材料采用热传导单元，参数见表1。

表1 土体材料参数Tab.1 Parameters of soils material

冻结前地层初始温度取18℃，人工冻结板底板为热荷载边界，以盐水温度作为边界荷载，盐水降温计划见表2。根据降温计划，取冻结时间步为40 d，每步时间长为24 h。采用带相变的瞬态导热模型。

表2 盐水温度降温计划Tab.2 Cooling plan for brine temperature

2.4 研究路径

为了更好地研究水下人工冻结板冻土帷幕温度场发展与分布规律，分别设置了5条研究路径，如图3所示。路径1(每隔0.5 m设置一分析点)设置在冻结板6 m边长的中间，长度为3 m；路径2、路径3、路径4和路径5(每隔1 m设置一分析点)平行设置，长度为5 m，从海底地面的路径2开始，垂直深度每增加1 m，设置一研究路径，到海底地表以下3 m的路径5为止。

3 温度场计算结果与分析

3.1 冻土帷幕基本情况

图4为不同时间温度场计算-1℃和-10℃等值线图，图中网格划分后每一小格边长为0.5 m。可以看出：水下人工冻结板所形成的冻土帷幕成板块状，随着冻结时间的增加，板块状冻土帷幕的厚度也在增加；冻结10 d时，冻土帷幕厚度发展到海底地表以下约0.5 m，冻结20 d时约为0.8 m，冻结30 d时约为1 m，到了冻结40 d时，冻土帷幕最终厚度达到1 m，温度在-10℃以下的冻土帷幕厚度也达到了0.5 m。

(a)冻结10 d

(b)冻结20 d

(c)冻结30 d

(d)冻结40 d图4 不同时间温度场计算等值线Fig.4 Calculated contours of temperature field at various freezing times

3.2 路径分析

3.2.1 路径1

路径1(每隔0.5 m设置一分析点)设置在冻结板6 m边长的中间，长度为3 m。图5为路径1上不同时间的温度空间分布曲线，可以看出：冻结速率由快变慢，由盐水降温计划决定；从冻结30 d到40 d的冻土帷幕厚度增加很小，最终0℃以下冻土帷幕的厚度为1 m；海底以下1m到2m的空间里，温度上升很快，海底2 m以下的土体温度几乎不受水下人工冻结板的影响。

图5 路径1上各点不同时间温度空间分布图Fig.5 Temperature changes with spatial location of various points on the Path 1

3.2.2 路径2～路径5

路径2～路径5(每隔1 m设置一分析点)平行设置，长度为5 m，从海底地面的路径2开始，垂直深度每增加1 m，设置一研究路径，到海底地表以下3 m的路径5为止。图6为路径2～路径5各点不同时间的温度空间分布曲线，可以看出：①路径2上，海底地表距冻结板中心3 m的范围内温度一致，降温过程反应了盐水降温计划；冻结板两边的冻结影响范围最终达到约0.6 m；距冻结板中心3.6～4 m的空间范围内，温度上升很快；距冻结板中心5 m以外，土体温度几乎不受冻结板降温的影响。②路径3上，冻结前期路径上各点降温过程几乎一致，从冻结15d开始，在距冻结板中心2 m范围内降温一致，2 m以外越远降温越慢；6 m长的人工冻结板最终形成了厚1 m的冻土帷幕，这个冻土帷幕的顶部长约7.2 m，底部长约4 m。③路径4上，土体温度变化很小，最终温度最大降4℃。④路径5上土体几乎不受冻结板降温的影响。

(a)路径2(海底地表)

(b)路径3(海底1 m)

(c)路径4(海底2 m)

(d)路径5(海底3 m)图6 路径2-5上各点不同时间温度空间分布图Fig.6 Temperature changes with spatial location of various points on the Paths 2-5

图7为路径2～路径5冻结40 d时的温度空间对比曲线，可以看出：海底1 m范围内的土体受冻结板的降温影响较大；路径4～路径5所受影响较小；在冻结板两端，冻土帷幕顶部长度比底部长度长约1.6 m。

图7 路径2～路径5冻结40d时的温度空间对比图Fig.7 Temperature changes on Paths 2-5 with 40-day freezing

3.3 不同冻结板长度的对比分析

本小节选取冻结板长度分别为2、4、6、8、10、12 m这6种情况，重点对比各种情况下冻土帷幕厚度的发展规律。图8为不同冻结板长度下冻结40 d时温度场计算-1℃和-10℃等值线，可以看出：在现有的降温计划下，不同冻结板长度最终形成的冻土帷幕厚度都约为1 m。

图9为不同冻结板长度下路径1上各点不同时间温度空间分布对比图，可以看出：不同冻结板长度路径1上降温过程基本一致。

(a)冻结板长度2 m

(c)冻结板长度8 m

(d)冻结板长度10 m

(e)冻结板长度12 m图8 不同冻结板长度下冻结40d时温度场计算等值线Fig.8 Contours of temperature field of various lengths of freezing plate with the 40-day freezing

(a)冻结20 d

(b)冻结30 d

(c)冻结40 d图9 不同冻结板长度下路径1上各点 不同时间温度空间分布对比图Fig.9 Comparison of temperature changes with spatial location of various points on the Path 1

4 结束语

本文运用有限元软件，对水下人工冻结板的温度场发展与分布规律进行数值分析，对冻土帷幕的发展与厚度变化等展开研究，主要得出：

(1)水下人工冻结板所形成的冻土帷幕成板块状，随着冻结时间的增加，板块状冻土帷幕的厚度也在增加；冻结10 d时，冻土帷幕厚度发展到海底地表以下约0.5 m，冻结20 d时约为0.8 m，冻结30 d时约为1 m，到了冻结40 d时，冻土帷幕最终厚度达到1 m，温度在-10℃以下的冻土帷幕厚度也达到了0.5 m。

(2)从冻结30 d到40 d的冻土帷幕厚度增加很小，最终0℃以下冻土帷幕的厚度为1 m；海底以下1 m到2 m的空间里，温度上升很快，海底2 m以下的土体温度几乎不受水下人工冻结板的影响。

(3)6 m长的人工冻结板最终形成了厚1m的冻土帷幕；海底1 m范围内的土体受冻结板的降温影响较大；路径4和路径5所受影响较小；在冻结板两端，冻土帷幕顶部长度比底部长度长约1.6 m。

(4)在现有的降温计划下，不同冻结板长度最终形成的冻土帷幕厚度都约为1 m；不同冻结板长度路径1上降温过程基本一致。

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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

国家自然科学基金项目(51368017)；海南省重点研发计划科技合作方向项目(ZDYF2016226)；海南省科技项目(ZDXM2015117)；中国博士后科学基金资助项目(2015M580559)

胡 俊，博士，副教授。研究方向：隧道及地下工程。

胡 俊，卫 宏，刘 勇，等.水下人工冻结板温度场发展规律研究[J].森林工程，2016，32(6)：93-98.

U 455

A

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

*通信作者：卫 宏，博士，教授。研究方向：岩土工程。

E-mail：wennhong@163.com