一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法技术

本发明专利技术公开一种基于热‑声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，冻结施工准备阶段，建立富水砂层两孔冻结的室内物理试验模型，并绘制波速‑温度关系曲线；利用波速‑温度关系曲线建立波速‑温度的非线性关系表达式；得到考虑相变的人工冻土热‑声耦合算法；利用热声耦合算法求解设计冻结壁发育的平均波速；计算不同冻结锋面、未交圈距离与计算的平均波速之间定量关系；通过对比实际测量与计算的冻结锋面、未交圈距离判断及预警冻结壁发育状况。利用该标准判断及预警任意两孔间冻结壁发育异常情况，并及时处理。可做到对冻结壁交圈状况的“早期预报、过程监测、效果评价”。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法
本专利技术涉及冻结壁发育状况检测
具体地说是一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法。
技术介绍
人工冻结法是利用人工制冷技术，将待建结构周围地层冻结为连续封闭冻土体的特殊地层加固方法。该工法具有隔绝地下水、增加土体强度、提高稳定性、无污染等优势，已经被广泛应用于矿井建设、地铁建设、基坑及综合管廊建设中。但是人工冻结法在流速较大的富水砂层中应用时，往往会出现冻结壁不交圈、冻结壁发展过慢等现象，容易造成重大安全事故。因此掌握冻结壁发育状况对人工冻结法安全性施工具有重要意义。目前，国内外广泛应用的冻结壁发育状况检测包括：图乘法、经验公式法、数值模拟法等，均能够准确的获得局部冻结壁发育状况。然而，以上三种方法均基于测温孔内实时温度监测结果，在距测温孔较远位置冻结壁发育状况判断中往往会忽略局部冻结壁开窗、强度不足等关键信息，在一定程度上增加了该工法在在地下水流速大于5m/d时富水砂层中应用风险。不能实现对冻结壁交圈状况的“早期预报、过程监测、效果评价”。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种可以在地下水流速大于5m/d时，能准确判断和预警的基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断方法及预警方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，包括如下步骤：步骤1、冻结施工准备阶段，建立富水砂层两孔冻结的室内物理试验模型，并绘制波速-温度关系曲线；步骤2、利用步骤1中波速-温度关系曲线建立波速-温度的非线性关系表达式；步骤3、得到考虑相变的人工冻土热-声耦合算法；步骤4、利用热声耦合算法求解设计冻结壁发育的平均波速；步骤5、计算不同冻结锋面、未交圈距离与计算的平均波速之间定量关系；步骤6、通过对比实际测量与计算的冻结锋面、未交圈距离判断及预警冻结壁发育状况。上述一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，在步骤1中(1-1)选取与现场检测土性热力学参数相同的土样，在室内进行两孔冻物理结模型实验，实验箱周围用聚乙烯材料进行保温；(1-2)其中两冻结孔分别为冻结孔A和冻结孔B，冻结孔A和冻结孔B的盐水流量、盐水温度下降梯度、制冷系统、清水循环系统、土体冻结系统条件与现场情况保持一致；冻结锋面距离冻结孔A或冻结孔B的厚度为h1，冻结孔A和冻结孔B之间的未交圈距离为h2；(1-3)在平行于冻结孔A和冻结孔B的位置分别布置的检测孔C和检测孔D，用于超声波检测；(1-4)在检测孔C和检测孔D、冻结孔A和冻结孔B内注入盐水，开机试循环，当冻结管A和冻结管B内盐水温度为-25～-28℃后，打开检测孔C和检测孔D的封头帽，将探头至于检测孔C和检测孔D，下放至检测位置，同步提升发射与接收探头，保证发射与接收探头在同一水平上，检测不同冻结时期的超声波波速，每隔1-2小时测一次，然后绘制波速-温度关系曲线。上述一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，检测孔C和检测孔D的间距小于1.5m，上、下相邻两测点的间距为250～600mm。上述一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，在步骤(2)中：(2-1)利用线性函数分段拟合波速-温度变化曲线，获得波速-温度的非线性关系表达式，如式(1)所示：式(1)中，c为波速，km/s；t为时间，h；a1、a2、b1、b2、d1、d2为待定系数；T1、T2、T3、T4为温度曲线中温度拐点，℃；(2-2)将波速c(T,t)代入式(1)中获得不同冻结时刻声阻抗场，如式(2)所示：式中：为不同冻结时刻声阻抗场。上述一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，在步骤(3)中：将含水人工冻土视为由土骨架，冰晶体和未冻水共同组成的多孔介质土体，具有多个声阻抗区域；均质各向同性体含水人工冻土遵循导热方程可由下式表示：式中：ρ为密度；Cp是等效体积热容，kJ/(kg·K)；T为表面温度，℃；u是节点平移运动的速度矢量，m/s；q是热传导的热通量，W/m-2；qr是热辐射的热通量，W/m-2；Q是热源，W/m-3；k是等效导热系数，W/(m·K)；冻结过程中不考虑辐射换热，故qr项取为0；将超声波检测层位的温度场问题简化为平面二维模型，dz取1mm；模型等效体积分为水至冰的相变体积分数与土体骨架体积分数两部分，则式(3)中Cp与相变材料的密度ρx、热容Cx、导热系数kx分别为式(4)、式(5)、式(6)和式(7)：Cp＝θgρgCg+θxρxCx(4)；ρx＝θwρw+θiρi(5)；其中：kx＝θwkw+θiki；(7)式中：θg、θw、θi分别为土体骨架、水、冰的体积分数；ρg、ρw、ρi、ρx分别为土体骨架、水、冰、相变材料的密度，kg·m-3；Cg、Cx、Cw、Ci分别为土体骨架、相变材料、水、冰的热容，kJ/(kg·K)；kw、ki、kx分别为水、冰、相变材料的导热系数，W/(m·K)；其中相变温度为0℃，水到冰的转变间隔为10K，相变潜热为333kJ/kg；则考虑相变因素的人工冻土热力学分析公式为式(8)所示：利用式(8)进行人工冻结热力学分析，获得冻结壁正常发育状况下不同冻结阶段的温度场，即式(1)中将式(8)求解得出的温度场导入式(1)，求解c(T,t)，再代入式(2)，求解作为声场分析的初始声阻抗条件；设置声学边界条件，声源激励源选用柱面波辐射，选取单频雷克子波作为声源函数，其函数表达式为：式中，t为声时，μs；f0为声源中心频率，kHz；T0为周期，μs；将以上所述声阻抗与声源边界条件波动方程可由下式表示：式中：p为自变量声压,Pa；t为时间,μs；Qm为单极子声源1/s2；利用式(10)可以求解出不同冻结时期声压场分布，即上述一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，在步骤4中：提取冻结前与冻结后某时刻的声压信号传播曲线，对比两者发射信号x(t)、接收信号y(t)峰值位置所对应的时间位移τ，代入到式(11)中，求解出信号在冻结壁中的传递时间Rxy(τ)；之后，将两检测孔距离S,传递时间Rxy(τ)代入到式(12)求解出正常冻结壁发育状况下不同冻结时期的平均波速Vp；上述一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，在步骤5中：利用热-声耦合算法获得正常冻结壁发育状况下冻结区域任意位置与时间的冻结锋面h1、未交圈距离h2与平均波速Vp之间定量关系；冻结壁正常发育条件下不同冻结锋面h1、未交圈距离h2与计算平均波速Vp之间定量关系符合二次函数关系式(13)、(14)：式中，h1为冻结锋面距离冻结孔厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、冻结施工准备阶段，建立富水砂层两孔冻结的室内物理试验模型，并绘制波速-温度关系曲线；/n步骤2、利用步骤1中波速-温度关系曲线建立波速-温度的非线性关系表达式；/n步骤3、得到考虑相变的人工冻土热-声耦合算法；/n步骤4、利用热声耦合算法求解设计冻结壁发育的平均波速；/n步骤5、计算不同冻结锋面、未交圈距离与计算的平均波速之间定量关系；/n步骤6、通过对比实际测量与计算的冻结锋面、未交圈距离判断及预警冻结壁发育状况。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、冻结施工准备阶段，建立富水砂层两孔冻结的室内物理试验模型，并绘制波速-温度关系曲线；
步骤2、利用步骤1中波速-温度关系曲线建立波速-温度的非线性关系表达式；
步骤3、得到考虑相变的人工冻土热-声耦合算法；
步骤4、利用热声耦合算法求解设计冻结壁发育的平均波速；
步骤5、计算不同冻结锋面、未交圈距离与计算的平均波速之间定量关系；
步骤6、通过对比实际测量与计算的冻结锋面、未交圈距离判断及预警冻结壁发育状况。


2.根据权利要求1所述的一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，其特征在于，在步骤1中
(1-1)选取与现场检测土性热力学参数相同的土样，在室内进行两孔冻结物理模型实验，实验箱周围用聚乙烯材料进行保温；
(1-2)其中两冻结孔分别为冻结孔A和冻结孔B，冻结孔A和冻结孔B的盐水流量、盐水温度下降梯度、制冷系统、清水循环系统、土体冻结系统条件与现场情况保持一致；
冻结锋面距离冻结孔A或冻结孔B的厚度为h1，冻结孔A和冻结孔B之间的未交圈距离为h2；
(1-3)在平行于冻结孔A和冻结孔B的位置分别布置的检测孔C和检测孔D，用于超声波检测；
(1-4)在检测孔C和检测孔D、冻结孔A和冻结孔B内注入盐水，开机试循环，当冻结管A和冻结管B内盐水温度为-25～-28℃后，打开检测孔C和检测孔D的封头帽，将探头至于检测孔C和检测孔D，下放至检测位置，同步提升发射与接收探头，保证发射与接收探头在同一水平上，检测不同冻结时期的超声波波速，每隔1-2小时测一次，然后绘制波速-温度关系曲线。


3.根据权利要求2所述的一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，其特征在于，检测孔C和检测孔D的间距小于1.5m，上、下相邻两测点的间距为250～600mm。


4.根据权利要求3所述的一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，其特征在于，在步骤(2)中：
(2-1)利用线性函数分段拟合波速-温度变化曲线，获得波速-温度的非线性关系表达式，如式(1)所示：



式(1)中，c为波速，km/s；t为时间，h；a1、a2、b1、b2、d1、d2为待定系数；T1、T2、T3、T4为温度曲线中温度拐点，℃；
(2-2)将波速c(T,t)代入式(1)中获得不同冻结时刻声阻抗场，如式(2)所示：



式中：为不同冻结时刻声阻抗场。


5.根据权利要求4所述的一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法，其特征在于，在步骤(3)中：
将含水人工冻土视为由土骨架，冰晶体和未冻水共同组成的多孔介质土体，具有多个声阻抗区域；
均质各向同性体含水人工冻土遵循导热方程可由下式表示：



式中：ρ为密度；Cp是等效体积热容，kJ/(kg·K)；T为表面温度，℃；u是节点平移运动的速度矢量，m/s；q是热传导的热通量，W/m-2；qr是热辐射的热通量，W/m-2；Q是热源，W/m-3；k是等效导热系数，W/(m·K)；冻结过程中不考虑辐射换热，故qr项取为0；将超声波检测层位的温度场问题简化为平面二维模型，dz取1mm；
模型等效体积分为水至冰的相变体积分数与土体骨架体积分数两部分，则式(3)中Cp与相变材料的密度ρx、热容Cx、导热系数kx分别为式(4)、式(5)、式(6)和式(7)：
Cp＝θgρgCg+θxρxCx(4)；
ρx＝θwρw+θiρi(5)；



其中：
kx＝θwkw+θiki；(7)
式中：θg、θw、θi分别为土体骨架、水、冰的体积分数；ρg、ρw、ρi、ρx分别为土体骨架、水、冰、相变材料的密度，kg·m-3；Cg、Cx、Cw、Ci分别为土体骨架、相变材料、水、冰的热容，kJ/(kg·K)；kw、ki、kx分别为水、冰、相变材料的导热系数，W/(m·K)；其中相变温度为0℃，水到冰的转变间隔为10K，相变潜热为333kJ/kg；
则考虑相变因素的人工冻土热力学分析公式为式(8)所示：



利用式(8)进行人工冻结热力学分析，获得冻结壁正常发育状况下不同冻结阶段的温度场，即式(1)中
将式(8)求解得出的温度场导入式(1)，求解c(T,t)，再代入式(2)，求解作为声场分析的初始声阻抗条件；
设置声学边界条件，声源激励源选用柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：张基伟，李方政，韩玉福，张松，高伟，许舒荣，崔兵兵，王磊，孔令辉，郑新赟，孙佳，
申请(专利权)人：北京中煤矿山工程有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11