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原文传递寒区隧道排水沟冻结影响因素研究

论文题名：	寒区隧道排水沟冻结影响因素研究
关键词：	隧道工程;排水沟;抗冻设防长度;温度场;寒冷地区
摘要：	随着“一带一路”倡议的持续推进和川藏铁路全线获批，在我国寒冷地区将会修建大量隧道，隧道冻害问题是当前隧道工程界亟需解决的难题，寒区隧道冻害问题大多是由排水沟冻结引起的，因此开展寒区隧道排水沟冻结影响因素研究具有重要意义。本文采用了文献调研、室内试验和数值模拟相结合的研究手段，设计了一套排水沟水流循环试验装置开展排水沟冻结试验，运用 COMSOL Multiphysics软件研究了外界温度、围岩地温、风速等影响因素对排水沟温度场和冻结深度的变化规律，开展了寒区隧道侧式排水沟抗冻设防长度的研究，拟合了隧道侧式排水沟抗冻设防长度公式，为寒区隧道工程冻害防治设计提供参考，本文的主要研究结论如下：　　（1）排水沟出口最容易发生冻结，温度和水的运动状态会影响结冰过程，流动的水在0℃不会立刻结冰；环境温度和水流量会影响冻结时间，环境温度越低、水流量越小，水沟冻结时间所需时间越短，水沟出口冰层厚度主要与水流量有关。　　（2）考虑排水沟水流相变，建立寒区隧道水热耦合模型，探究了不同因素对寒区隧道侧式排水沟温度场的影响规律，结果表明：侧式排水沟温度随着外界温度、围岩地温、围岩导热系数的增大而升高，随风速、衬砌导热系数的增大而降低；侧式排水沟所处位置的围岩冻结深度随着外界温度、围岩地温、围岩导热系数的增大而降低，随风速和衬砌导热系数的增大而增大。依据敏感度分析结果，各个影响因素对于侧式排水沟冻结深度的敏感性从高到低依次为：围岩地温、外界温度、衬砌导热系数、围岩导热系数和风速。　　（3）采用控制变量法，外界温度每升高5℃，围岩初始地温每升高5℃，围岩导热系数每上升0.5W/(m·K)，相同位置处侧式排水沟沟底温度分别平均升高：2.72℃、2.61℃、0.15℃，侧式排水沟所处位置的围岩冻结深度分别平均降低：0.3m、0.12m、0.03m；风速每增大1m/s，衬砌导热系数每上升0.5W/(m·K)，相同位置处侧式排水沟沟底温度分别平均降低：0.2℃、0.81℃，侧式排水沟所处位置的围岩冻结深度分别平均增大：0.02m、0.25m。　　（4）排水沟的温度场变化极为复杂，水沟顶部温度最低，底部温度最高，左右沟壁温度不同。排水沟从顶部到底部逐渐发生冻结，水冰相变释放的潜热会影响附近水流的温度场，水结成冰释放出的潜热延缓了水沟的降温过程，此时水沟温度变化呈现一段近似水平的波动状态，综合考虑把侧式排水沟冻结的判定条件设定为水沟底部温度为0℃。　　（5）建立风流-水流-围岩瞬态耦合传热模型，研究了不同外界温度、不同围岩地温、不同风速对寒区隧道侧式排水沟纵向温度场的影响，通过计算发现，外界温度、围岩地温、风速对排水沟冻结长度存在显著影响，拟合了侧式排水沟冻结长度公式，可为寒区隧道工程冻害防治设计提供参考。
作者：	程牵集
专业：	土木工程
导师：	张学富
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023