本發(fā)明屬于人工地層凍結法施工領域，特別涉及一種監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗裝置及方法。

背景技術：

在煤礦立井凍結法施工過程中，滲流場會引起凍結溫度場在各個方位發(fā)展不均衡，導致形成的凍結壁厚度在各個方向存在差異，這使得傳統(tǒng)的凍結壁平均溫度、凍結壁厚度、井幫溫度等計算方法出現(xiàn)了較大偏差，目前關于滲流場對凍結溫度場的影響一直是采用傳統(tǒng)的施工經(jīng)驗來進行評價的，該方法存在較大的主觀性，因此將滲流對凍結溫度場的影響進行準確量化的研究是非常有必要的。

目前關于滲流對凍結溫度場的影響的試驗方法還缺少系統(tǒng)的理論，因此探究一種監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的方法及裝置是具有重要意義的。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗裝置及方法，可以達到將滲流對凍結溫度場的影響進行準確量化的研究的目的。

本發(fā)明提供了一種監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗裝置，所述裝置包括：

滲流系統(tǒng)，所述滲流系統(tǒng)包括箱體，變頻泵和恒溫水箱；所述箱體用于提供滲流對凍結溫度場影響的試驗場所，所述變頻泵用于將所述恒溫水箱中的清水輸送至所述箱體；

凍結系統(tǒng)，所述凍結系統(tǒng)包括冷凍機和凍結管，所述冷凍機用于制取冷凍劑并將冷凍劑通過管道輸送至所述凍結管，所述凍結管位于所述箱體內(nèi)部；

溫度監(jiān)測系統(tǒng)，包括溫度數(shù)據(jù)采集儀和熱電偶串，所述溫度數(shù)據(jù)采集儀和所述熱電偶串通過測線連接，所述熱電偶串位于所述箱體內(nèi)部，用于測量所述箱體內(nèi)部的溫度。

優(yōu)選地，所述箱體由兩個濾網(wǎng)分割成左、中、右三部分，兩端的左、右部分的形狀相同，均用來容納石子，中間的部分用于容納砂；

優(yōu)選地，所述箱體為長方體形狀，其頂部開口；

優(yōu)選地，所述箱體的中間的部分的體積是兩端的部分中的任意一個的5-7倍，優(yōu)選為6倍。

優(yōu)選地，所述箱體的頂部的開口處具有蓋板，用以將所述箱體密封；所述蓋板為三個，包括一個用于密封所述箱體中間段的第一蓋板和用于密封所述箱體兩端的部分的兩個第二蓋板；

優(yōu)選地，所述第一蓋板上設有縱向排列的兩排共三個通孔，用于引出所述凍結管，一個引線孔，用以引出測線，和一個壓力表接孔，用以引出外接的箱體壓力表；

進一步優(yōu)選地，其中兩個所述通孔的連線為豎直方向。

優(yōu)選地，所述濾網(wǎng)包括一個大孔網(wǎng)和一個小孔網(wǎng)；所述大孔網(wǎng)用于承受來自砂和石子的側壓力，所述小孔網(wǎng)用來阻擋砂的流失；

所述大孔網(wǎng)的孔徑大于石子的粒徑，為10-40mm，優(yōu)選為20mm；所述小孔網(wǎng)的孔徑為大于砂的粒徑，為100-400目，優(yōu)選100目；

優(yōu)選地，所述大孔網(wǎng)和小孔網(wǎng)均為鋼絲網(wǎng)；

優(yōu)選地，所述大孔網(wǎng)和小孔網(wǎng)夾在角鋼邊框中間，并通過螺栓將角鋼邊框與大孔網(wǎng)和小孔網(wǎng)固定，兩個所述濾網(wǎng)的角鋼邊框均被焊接在所述箱體的底面及側面上。

優(yōu)選地，所述箱體的兩端均具有進/出水管；

優(yōu)選地，所述箱體的兩端均具有均勻分布且相對設置的規(guī)格相同的進/出水管，所述箱體兩端的進/出水管兩兩相對設置。

進一步優(yōu)選地，所述箱體的兩端均具有兩排、每排四根進/出水管。

優(yōu)選地，所述變頻泵包括泵體、變頻器和壓力表；

所述泵體的一端通過管道與所述恒溫水箱相連；另一端經(jīng)過所述壓力表后通過管道與清水分流器相連，在該管道上還設置有進水控制閥和流量計；

所述清水分流器與所述箱體一端的進/出水管相連，并將清水均勻的分配給所述進/出水管；

所述箱體另一端的所述進/出水管通過清水集流器聚集到一根管道上，在該管道上設置出水流量計和出水控制閥；在該管道的末端設置有出水龍頭；

所述變頻器用于控制所述泵體，以提供穩(wěn)定的流量并且同時監(jiān)測壓力，并結合所述流量計及所述進水控制閥實現(xiàn)對清水流量的實時顯示及控制；

優(yōu)選地，所述流量計和所述出水流量計均為電磁流量計；

優(yōu)選地，所述變頻泵還包括穩(wěn)壓罐，所述穩(wěn)壓罐與所述泵體的出水端相連，起平衡水量及壓力的作用。

優(yōu)選地，所述凍結系統(tǒng)包括冷凍機、進液干管、進液分流器、凍結管、出液分流器和出液干管；

所述凍結管由內(nèi)管和套于所述內(nèi)管外部的外管組成，且所述內(nèi)管和所述外管在所述凍結管的底部連通；

所述冷凍機通過所述進液干管和所述進液分流器與所述內(nèi)管連接；所述外管通過所述出液分流器和所述出液干管再與冷凍機連接；從而使得冷凍劑從所述冷凍機內(nèi)，經(jīng)由所述進液干管、所述進液分流器、所述凍結管、所述出液分流器和所述出液干管，再流回到所述冷凍機內(nèi)，形成一個循環(huán)；

所述出液分流器用于連接所述凍結管和所述出液干管，從而將所述凍結管中的冷凍劑聚集起來送回所述冷凍機；

優(yōu)選地，所述凍結管共設置三根，分別通過位于所述第一蓋板上設置的縱向排列的兩排共三個通孔進入所述箱體內(nèi)；所述進液分流器用于連接所述進液干管和所述凍結管，以保證流入每根所述凍結管的冷凍劑是相等的；

優(yōu)選地，三根所述凍結管位于所述箱體外部的部分均設置有閥門，以控制所述凍結管的開啟和關閉，從而控制冷凍劑進入或流出所述凍結管；

優(yōu)選地，位于所述箱體外部部分的所述凍結管以及所述進液干管和所述出液干管均用保溫材料緊密纏繞；

優(yōu)選地，所述冷凍劑為cacl2溶液和/或酒精，優(yōu)選為酒精。

優(yōu)選地，所述熱電偶串為康銅-銅熱電偶串；

優(yōu)選地，所述熱電偶串為多個，均位于所述箱體的內(nèi)部，用于測量所述箱體內(nèi)部的相應位置處的溫度，并將溫度轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過所述測線傳輸?shù)剿鰷囟葦?shù)據(jù)采集儀；

優(yōu)選地，所述熱電偶串形成三個溫度測試面，包括一個主測試面和兩個輔助測試面；其中，所述主測試面位于所述箱體的填有砂的中間部分，兩個所述輔助測試面分別位于主測試面的上面和下面，且與主測試面的距離相同；

進一步優(yōu)選地，兩個所述輔助測試面與所述主測試面的距離均為50mm；

進一步優(yōu)選地，所述主測試面包括第一至第四共四條熱電偶串；其中，分布在前排單根凍結管位置的第一熱電偶串有4個測點，第二熱電偶串有9個測點；第一熱電偶串和第二熱電偶串的一共13個測點沿著所述凍結管圍成內(nèi)圈、中圈和外圈三圈測點，所述內(nèi)圈測點有5個，所述中圈測點有4個，所述外圈測點有4個；分布在后排兩根凍結管位置的第三熱電偶串有8個測點，第四熱電偶串有21個測點；所述第三熱電偶串和所述第四熱電偶串的一共29個測點沿著兩個所述凍結管分別圍成內(nèi)圈、中圈和外圈三圈測點以及4個位于兩個所述凍結管的連線的垂線上的測點，圍繞上面的所述凍結管的所述內(nèi)圈測點有5個，所述中圈測點有4個測點，所述外圈測點有4個，圍繞下面的所述凍結管的所述內(nèi)圈測點有5個，所述中圈測點有4個，所述外圈測點有4個；由此，所述主測試平面共42個測點；優(yōu)選地，每個所述輔助測試平面均有一條第五熱電偶串，每條所述第五熱電偶串均有5個測點，5個所述測點中的4個以所述前排單根凍結管為圓心成一圈排布，另一個測點位于所述后排兩根凍結管的連線的中點處，由此兩個所述輔助平面共10個測點。

本發(fā)明還提供了一種監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗方法，所述方法包括使用上述任意一個所述的監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗裝置進行包括如下步驟的操作：

(1)通過所述變頻泵將所述箱體內(nèi)的砂中滲流水速度達到并維持第一設計值，然后通過所述凍結系統(tǒng)，使用凍結系統(tǒng)中的一根凍結管將所述箱體內(nèi)的砂中的水凍結，形成凍結壁，記錄凍結所需時間和所述溫度檢測系統(tǒng)中的溫度測點測得的溫度數(shù)據(jù)；

(2)解凍步驟(1)中形成的所述凍結壁，然后通過所述變頻泵將所述箱體內(nèi)的砂中滲流水速度達到并維持第二設計值，然后通過所述凍結系統(tǒng)，使用凍結系統(tǒng)中的兩根凍結管將所述箱體內(nèi)的砂中的水凍結，形成凍結壁，記錄凍結所需時間和所述溫度檢測系統(tǒng)中的溫度測點測得的溫度數(shù)據(jù)；

(3)解凍步驟(2)中形成的所述凍結壁，然后通過所述變頻泵將所述箱體內(nèi)的砂中滲流水速度達到并維持第三設計值，然后通過所述凍結系統(tǒng)，使用凍結系統(tǒng)中的三根凍結管將所述箱體內(nèi)的砂中的水凍結，形成凍結壁，記錄凍結所需時間和所述溫度檢測系統(tǒng)中的溫度測點測得的溫度數(shù)據(jù)；

(4)解凍步驟(3)中形成的所述凍結壁，然后通過所述變頻泵將所述箱體內(nèi)的砂中滲流水速度調(diào)整為零，然后通過所述凍結系統(tǒng)，按照步驟(1)至步驟(3)中的操作方式依次分別使用凍結系統(tǒng)中的一根、兩根和三根凍結管將所述箱體內(nèi)的砂中的水凍結，形成凍結壁，分別記錄凍結所需時間和所述溫度檢測系統(tǒng)中的溫度測點測得的溫度數(shù)據(jù)；

(5)解凍步驟(4)中形成的所述凍結壁，然后改變所述箱體內(nèi)的砂中滲流水的方向，再按照上述操作方式通過所述變頻泵依次分別將所述箱體內(nèi)的砂中滲流水速度調(diào)整為第一設計值、第二設計值和第三設計值，然后通過所述凍結系統(tǒng)，按照步驟(3)中的操作方式使用凍結系統(tǒng)中的三根凍結管將所述箱體內(nèi)的砂中的水凍結，形成凍結壁，分別記錄凍結所需時間和所述溫度檢測系統(tǒng)中的溫度測點測得的溫度數(shù)據(jù)；

根據(jù)上述記錄的凍結所需時間和所述溫度檢測系統(tǒng)中的溫度測點測得的溫度數(shù)據(jù)，監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響，為凍結法施工提供重要的參考數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述第一設計值為25m/d，所述第二設計值為50m/d，第三設計值為100m/d；

優(yōu)選地，根據(jù)幾何相似準則公式制作凍結管，并確定凍結管的間距，考慮邊界條件及幾何相似準則制作箱體，并制作與箱體配套的濾網(wǎng)及進液分流器和出液分流器；所述幾何相似準則公式為，其中，lm為模型對應的尺寸，lp為實際設計與施工中對應的尺寸，cl為幾何相似準則；進一步優(yōu)選地，所述幾何相似準則為cl＝1-22，優(yōu)選為5；

優(yōu)選地，將所述箱體內(nèi)的砂中的水凍結，形成凍結壁的操作方式包括：開啟冷凍機，將冷凍機內(nèi)的冷凍劑冷卻至設計溫度；然后使達到設計溫度的酒精通過進液干管和進液分流器進入位于所述箱體內(nèi)的凍結管，再經(jīng)過出液分流器和出液干管流回冷凍機，形成凍結循環(huán)，直至所述箱體內(nèi)的砂中的水凍結，形成凍結壁；優(yōu)選地，所述酒精的設計溫度為-20～-35℃，優(yōu)選為-30℃；

優(yōu)選地，解凍所述凍結壁的操作方式包括：將酒精的溫度提高至-20～-30℃，優(yōu)選-25℃，然后將酒精輸入所述凍結管中，使酒精循環(huán)從而對所述箱體內(nèi)的冰進行快速解凍，同時通過溫度監(jiān)測系統(tǒng)判斷解凍情況，解凍完成后，停止酒精循環(huán)；當測得的所有的溫度測點的溫度都超過室溫時，關閉酒精循環(huán)，將恒溫水箱內(nèi)水的溫度設置成7℃，開啟清水循環(huán)，通過水的流動，箱體中不同位置的砂的溫度逐漸趨于相等，直到所有溫度測點的溫度都接近室溫時，解凍完成；

優(yōu)選地，改變所述箱體內(nèi)的砂中滲流水的方向的操作方式包括：卸下出水龍頭與變頻泵，將變頻泵的泵體的出水口與箱體的另一端的清水集流器相連接，以此來改變清水的滲流方向。

本發(fā)明提供的監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗裝置及方法可以達到將滲流對凍結溫度場的影響進行準確量化的研究目的，降低了操作難度，對滲流方向和流速的更換時間和工作強度都大大減小，同時節(jié)約了成本。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在如下的具體實施方式部分詳細描述。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。

圖1示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗裝置的結構。

圖2示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的箱體的俯視透視圖(示出了第一蓋板和第二蓋板以及進/出水管的結構和位置)。

圖3示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的濾網(wǎng)的結構。

圖4示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的箱體的側視透視圖(示出進/出水管和凍結管的結構和位置)。

圖5示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的主測試面的溫度測點的布置位置。

圖6示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的輔助測試面的溫度測點的布置位置。

圖7示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的試驗方法中，前排單根凍結管周圍的內(nèi)圈上的測點(第6測點)與外圈上的測點(第1測點)的溫度隨時間的變化的曲線圖。

圖8和圖9示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的試驗方法中，水的滲流速度不為零的情況下，前排單根凍結管周圍的中圈上的測點(第7和第11測點)以及外圈上的測點(第6、8和12測點)的溫度隨時間變化的曲線圖。

圖10示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的試驗方法中，界面測點位置(即：沿水流方向的位置)和溫度之間的關系曲線。

圖11示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的試驗方法中，軸面測點位置(即：沿著垂直于水流方向的位置)和溫度之間的關系曲線。

圖12示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的試驗方法中，三種滲流速度狀態(tài)下，位于后排的兩管中心測點的溫度隨時間的變化情況。

圖13示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的試驗方法中，三種滲流速度狀態(tài)下，使用三根凍結管進行凍結試驗時，位于后排的兩根凍結管中心測點的溫度隨時間的變化情況。

其中，圖中的附圖標記說明如下：

11箱體12濾網(wǎng)13第一蓋板14第二蓋板

15進/出水管16砂17石子18箱體壓力表

20冷凍機21進液干管22進液分流器23凍結管

24出液分流器25出液干管30溫度數(shù)據(jù)采集儀

31測線32熱電偶串40恒溫水箱41泵體

42變頻器43壓力表44穩(wěn)壓罐45進水控制閥

46流量計47清水分流器48清水集流器

49出水流量計50出水控制閥51出水龍頭

121大孔網(wǎng)122小孔網(wǎng)123角鋼邊框124螺栓

131通孔132引線孔133壓力表接孔

321第一熱電偶串322第二熱電偶串323第三熱電偶串

324第四熱電偶串325第五熱電偶串

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步地詳細描述。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

在本發(fā)明的描述中，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。本發(fā)明中使用的術語“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接；可以是直接相連，也可以通過中間部件間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術語的具體含義。

根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，如圖1所示，本發(fā)明提供了一種監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗裝置，該裝置包括滲流系統(tǒng)、凍結系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系統(tǒng)。

滲流系統(tǒng)包括箱體11(試驗箱體)、變頻泵和恒溫水箱40。

箱體11可以為長方體形狀，其頂部開口，并由兩個濾網(wǎng)12分割成左、中、右三部分。優(yōu)選地，被左側的濾網(wǎng)12分割開來的左側的一部分與被右側的濾網(wǎng)12分割開來的右側的一部分的形狀相同；更優(yōu)選地，箱體11中間的一部分的橫截面的長度(或體積)是左、右兩部分(兩端的部分)之中任意一個的5-7倍，優(yōu)選6倍。這樣的空間分配可以保證箱體11的中間部分容納足量的砂，水流入后可以形成較均勻的層流，從而達到更好的試驗效果。箱體11中間的一部分用來容納砂16，左、右兩部分(兩端的部分)均用來容納石子17，以形成緩沖室，從而對進入箱體11內(nèi)的水流進行緩沖，在箱體11的中間部分形成穩(wěn)定的滲流。其中，砂16選用中粗砂，平均粒徑可以為0.40-0.60mm，例如0.40mm、0.45mm、0.50mm、0.55mm和0.60mm中的任意一個數(shù)值或者任意兩個數(shù)值之間的范圍。石子17的平均粒徑可以為40-60mm，例如40mm、45mm、50mm、55mm和60mm中的任意一個數(shù)值或者任意兩個數(shù)值之間的范圍。

箱體11的頂部開口處可以具有蓋板，用以將箱體11密封。由于箱體11由兩個濾網(wǎng)12分割成三段，所述蓋板可以為三個，包括一個用于密封箱體11中間段的第一蓋板13(或稱為大蓋板)和用于密封箱體11左、右兩部分(兩端的部分)的兩個第二蓋板14(或稱為小蓋板)。

如圖2所示，第一蓋板13上設有縱向排列的兩排共三個通孔131、一個引線孔132和一個壓力表接孔133。三個通孔131用于引出凍結管23。三個通孔131優(yōu)選呈梅花形(即：等腰三角形或等邊三角形)布置。優(yōu)選地，其中兩個通孔131的連線為豎直方向。一個引線孔132用以引出測線31。一個壓力表接孔133用以引出外接的箱體壓力表18。箱體壓力表18用以監(jiān)測箱體11內(nèi)部液體的壓力變化情況。

箱體11的兩端均具有進/出水管15。優(yōu)選地，如圖2所示，箱體11的兩端均具有均勻分布且相對設置的進/出水管15。優(yōu)選地，規(guī)格相同的進/出水管15在每個端部設置為兩排、每排四根(一個端部共設置八根。由于視角關系，兩端均只示出了一排四根)。如圖4所示，即進/出水管15在箱體11的兩端共設置有十六根。箱體11兩端的進/出水管15兩兩相對設置(即，在一個水平線上，箱體11左端和右端均具有一根進/出水管15)。在箱體11的兩端分別均勻分布的八根進/出水管15可以使水流比較均勻的進入箱體11，經(jīng)過填充的砂16和石子17后可以保證水流形成均勻的層流狀態(tài)，進而保證流入箱體11中間填有砂16部分的液體較好的模擬自然界的滲流狀態(tài)；而箱體11兩端相同的設置可以實現(xiàn)改變滲流的流向，進行雙向滲流對凍結溫度場的影響的對比試驗。本發(fā)明對箱體11的兩端的進/出水管15的數(shù)量不做具體限定，可以根據(jù)實際需要選擇。例如，在其他的具體實施方式中，根據(jù)箱體11的大小，進/出水管15在箱體11的每個端部均勻設置為兩排、每排三根(一個端部共設置六根)或者兩排、每排五根(一個端部共設置十根)等等。

如圖3所示，濾網(wǎng)12可以包括一個大孔網(wǎng)121和一個小孔網(wǎng)122。大孔網(wǎng)121的孔徑大于石子17的粒徑，可以為10-40mm，例如10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm和40mm中的任意一個數(shù)值或者任意兩個數(shù)值之間的范圍，優(yōu)選為20mm。小孔網(wǎng)122的孔徑大于砂16的粒徑，可以為100-400目，例如，100目、150目、200目、250目、300目、350目和400目中的任意一個數(shù)值或者任意兩個數(shù)值之間的范圍，優(yōu)選100目。大孔網(wǎng)121和小孔網(wǎng)122均可以為鋼絲網(wǎng)。大孔網(wǎng)121用于承受來自砂16和石子17的側壓力，小孔網(wǎng)122用來阻擋砂16的流失。大孔網(wǎng)121和小孔網(wǎng)122夾在角鋼邊框123中間，并通過螺栓124將角鋼邊框123與大孔網(wǎng)121和小孔網(wǎng)122固定。兩個濾網(wǎng)12的角鋼邊框123均被緊密焊接在箱體11的底面及側面上。

如圖1所示，變頻泵包括泵體41、變頻器42、壓力表43和穩(wěn)壓罐44。泵體41的一端通過管道與恒溫水箱40相連；另一端經(jīng)過壓力表43后通過管道與清水分流器47相連，在該管道上還設置有進水控制閥45和流量計46(優(yōu)選為電磁流量計)。穩(wěn)壓罐44與泵體41的出水端相連，起平衡水量及壓力的作用。進水控制閥45用以控制清水的流動。流量計46用以統(tǒng)計流過的清水的量。清水分流器47與箱體11一端的進/出水管15相連，并將清水均勻的分配給八根進/出水管15。箱體11另一端的八根進/出水管可以通過清水集流器48聚集到一根管道上，在該管道上可以設置出水流量計49(優(yōu)選為電磁流量計，即出水電磁流量計)和出水控制閥50；在該管道的末端可以設置出水龍頭51。變頻器42用于控制泵體41，以提供穩(wěn)定的流量，并結合流量計46及進水控制閥45實現(xiàn)對清水流量的實時顯示及控制。壓力表43用以監(jiān)測穩(wěn)壓罐44內(nèi)的壓力變化。

凍結系統(tǒng)包括冷凍機20、進液干管21、進液分流器22、凍結管23、出液分流器24和出液干管25，用以制取并向箱體11內(nèi)輸入冷凍劑。

凍結管23由內(nèi)管和套于所述內(nèi)管外部的外管組成，且內(nèi)管和外管在凍結管23的底部連通。如圖1所示，冷凍機20通過進液干管21和進液分流器22與凍結管23連接(即與凍結管23的內(nèi)管連接)；凍結管23(即與凍結管23的外管)通過出液分流器24和出液干管25再與冷凍機20連接；從而使得冷凍劑從冷凍機20內(nèi)，經(jīng)由進液干管21、進液分流器22、凍結管23、出液分流器24和出液干管25，再流回到冷凍機20內(nèi)，形成一個循環(huán)。

如圖2和4所示，凍結管23共設置三根，分別通過位于第一蓋板13上設置的縱向排列的兩排共三個通孔131進入箱體11內(nèi)。進液分流器22用于連接進液干管21和凍結管23，以保證流入每根凍結管23的冷凍劑是相等的，從而保證凍結效果。出液分流器24用于連接凍結管23和出液干管25，從而將凍結管23中的冷凍劑聚集起來送回冷凍機20。凍結管23的三根管位于箱體11外部的部分可以設置閥門，以控制凍結管23的開啟和關閉，從而控制冷凍劑進入或流出凍結管23。位于箱體11外部部分的凍結管23以及進液干管21和出液干管25均用保溫材料緊密纏繞。

溫度監(jiān)測系統(tǒng)，包括溫度數(shù)據(jù)采集儀30、測線31和熱電偶串32，用以檢測箱體11內(nèi)的溫度。

如圖1所示，溫度數(shù)據(jù)采集儀30通過測線31與熱電偶串32相連。其中，溫度數(shù)據(jù)采集儀30可以為tds溫度數(shù)據(jù)采集儀，例如可以為購自日本東京測器研究所生產(chǎn)的tds-602靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。熱電偶串32可以為康銅-銅熱電偶串。熱電偶串32可以為多個，均位于箱體11的內(nèi)部，用于測量箱體11內(nèi)部的相應位置處的溫度，并將溫度轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過測線31傳輸?shù)綔囟葦?shù)據(jù)采集儀30。

參考圖5和圖6，優(yōu)選地，熱電偶串32形成三個溫度測試面，包括一個主測試面和兩個輔助測試面(主測試面如圖5所示，輔助測試面如圖6所示)。優(yōu)選將三個溫度測試面水平設置，有利于測點的埋設。其中，主測試面位于箱體11的填有砂16的中間部分，兩個輔助測試面分別位于主測試面的上面和下面，兩個輔助測試面均與主測試面平行設置，且與主測試面的距離相同，例如，與主測試面的距離均為50mm。優(yōu)選地，如圖5所示，主測試面包括第一至第四共四條熱電偶串321、322、323和324。其中，分布在前排單根凍結管位置的第一熱電偶串321有4個測點，第二熱電偶串322有9個測點；第一熱電偶串321和第二熱電偶串322的一共13個測點沿著凍結管圍成內(nèi)圈、中圈和外圈三圈測點，如圖5所示，內(nèi)圈測點有5個(如圖5中的第6、8、9、10和12測點)，中圈測點有4個(如圖5中的第5、7、11和13測點)，外圈測點有4個(如圖5中的第1、2、3和4測點)。分布在后排兩根凍結管位置的第三熱電偶串323有8個測點，第四熱電偶串324有21個測點；第三熱電偶串323和第四熱電偶串324的一共29個測點沿著兩個凍結管分別圍成內(nèi)圈、中圈和外圈三圈測點以及4個位于兩個凍結管的連線的垂線上的測點(圖5中的第15、25、39和19測點，其中，第15測點位于第14和第16測點的連線上，第25測點位于第24和第26測點的連線上，第39測點位于第38和第40測點的連線上，第19測點位于第18和第20測點的連線上)，如圖5所示，圍繞上面的凍結管的內(nèi)圈測點有5個(如圖5中的第27、29、30、31和41測點)，中圈測點有4個(如圖5中的第26、28、40和42測點)，外圈測點有4個(如圖5中的第16、17、18和32測點)，圍繞下面的凍結管的內(nèi)圈測點有5個(如圖5中的第23、33、34、35、和37測點)，中圈測點有4個(如圖5中的第22、24、36和38測點)，外圈測點有4個(如圖5中的第14、20、21和32測點)。由此，主測試平面共42個測點。優(yōu)選地，如圖6所示，每個輔助測試平面均有一條第五熱電偶串325，每條第五熱電偶串325均有5個測點，5個測點中的4個以前排單根凍結管為圓心成一圈排布(如圖6中的第43、44、45和46測點)，另一個測點位于后排兩根凍結管的連線的中點處(如圖6中的第47測點)，由此兩個輔助平面共10個測點。

下面參考圖1-13，具體說明根據(jù)本發(fā)明的第二個方面的監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗方法。

根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，本發(fā)明提供了一種監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗方法，該方法包括使用根據(jù)本發(fā)明的第一個方面的監(jiān)測滲流對凍結溫度場影響的試驗裝置，按照包括如下步驟的方法進行：

(1)根據(jù)幾何相似準則公式制作凍結管23，并確定凍結管23的間距，考慮邊界條件及幾何相似準則制作箱體11(試驗箱體)，并制作與箱體11配套的濾網(wǎng)12及進液分流器22和出液分流器24；

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地，在煤礦立井凍結法施工過程中，凍結管的直徑一般為100mm，凍結管的管間距一般為1200mm，凍結管的排距一般為2000mm；因此，根據(jù)幾何相似準則公式lm＝lp/cl(其中，lm為模型對應的尺寸，lp為實際設計與施工中對應的尺寸)，當cl為5時，得出凍結管23的直徑為20mm，凍結管的管間距可以為240mm，凍結管的排距可以為400mm。

根據(jù)本發(fā)明，所述幾何相似準則可以為cl＝1-22，例如，可以為1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21和22中的任意一個數(shù)值或者任意兩個數(shù)值之間的范圍，優(yōu)選為5。

所述冷凍劑可以為cacl2溶液和/或酒精。由于cacl2溶液的腐蝕性較強，長期使用會對試驗設備造成較大的損害，因此優(yōu)選為酒精。

(2)向箱體11的中間部分填砂16，并按照溫度測點布置方案埋設熱電偶串32，向箱體11的兩端部分填入石子17，形成兩端的緩沖室。

根據(jù)本發(fā)明，所述溫度測點布置方案可以為如圖5和6所示的一個主測試平面共42個測點和兩個輔助測試平面共10個測點的布置方式，具體描述參見上述，在此不再贅述。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(2)還包括對砂16進行飽和砂的滲透系數(shù)試驗，確定試驗所用砂的滲透系數(shù)的步驟。所述飽和砂的滲透系數(shù)試驗的方法可以按照《土工試驗方法標準gb/t50123-1999》中的方法進行。

(3)將箱體11的中間部分用第一蓋板13密封，兩端部分分別用一塊第二蓋板14密封，并通過第一蓋板13上的三個通孔131引出凍結管23，通過引線孔132引出測線31，通過壓力表接孔133引出外接的箱體壓力表18。

(4)待試驗裝置組裝完成后進行調(diào)試，保證各個系統(tǒng)能正常工作和相互協(xié)調(diào)工作。調(diào)節(jié)恒溫水箱40中的水溫在7-10℃，優(yōu)選7℃，開啟變頻泵，調(diào)節(jié)進水控制閥45以及出水控制閥50以改變箱體11內(nèi)的水壓力，控制通過砂16的清水流量，使砂16中滲流水速度達到第一設計值，并形成穩(wěn)定的地層滲流，并保持該滲流狀態(tài)。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(4)中，所述第一設計值可以為25m/d(米/天)，按照相似比v＝v1/cl(其中，v為本實施方式中水的滲流速度的設計值、v1為實際工況中地下水的滲流速度，c1為幾何相似準則值)，取c1為5換算后對應實際工況中的地下水滲流速度為5m/d。其中，實際工況指的是豎井凍結施工過程中實際遇到地下水的滲流速度。

(5)開啟冷凍機20，將冷凍劑(例如酒精)冷卻至設計溫度；然后使達到設計溫度的酒精通過進液干管21和進液分流器22進入位于箱體11內(nèi)的凍結管23中靠近箱體壓力表18方向的一根凍結管131，再經(jīng)過出液分流器24和出液干管25流回冷凍機20，形成凍結循環(huán)。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(5)中，酒精的設計溫度是指酒精作為冷凍液時的溫度，可以為-20～-35℃，優(yōu)選為-30℃。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(5)中，通過開啟冷凍機20，形成凍結循環(huán)模擬系統(tǒng)，并記錄打開冷凍機20的時間。

(6)通過溫度監(jiān)測系統(tǒng)進行溫度數(shù)據(jù)的采集，并以溫度數(shù)據(jù)為依據(jù)判斷凍結壁的形成情況。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(6)中，當溫度測點的溫度達到-2℃時，即認為該處已經(jīng)形成凍結壁。

(7)關閉冷凍機20，停止供應冷凍劑，關閉凍結管23，中止試驗，并記錄時間。根據(jù)打開冷凍機20的時間和關閉冷凍機20的時間，獲得凍結所需時間。

(8)將酒精的溫度提高至20～30℃，優(yōu)選25℃，然后將酒精輸入凍結管23中，使酒精循環(huán)從而對箱體11內(nèi)的冰進行快速解凍，同時通過溫度監(jiān)測系統(tǒng)判斷解凍情況，解凍完成后，停止酒精循環(huán)。

當測得的所有的溫度測點的溫度都超過室溫時，關閉酒精循環(huán)，將恒溫水箱40內(nèi)水的溫度設置成7℃，開啟清水循環(huán)，通過水的流動，箱體中不同位置的砂16的溫度逐漸趨于相等，直到所有溫度測點的溫度都接近室溫(7℃左右)時，解凍完成。

由于試驗過程中，室溫(7～8℃)變化不大，因此在每次試驗之前，統(tǒng)一將箱體11內(nèi)的溫度控制在室溫左右，從而便于試驗的操作以及試驗結果的對比。

(9)按照步驟(5)中的操作方式，將達到設計溫度的酒精送入位于箱體11內(nèi)的凍結管23中的遠離箱體壓力表18方向的兩根凍結管131，并按照步驟(5)-(8)中的操所方式進行操作。

(10)按照步驟(5)中的操作方式，將達到設計溫度的酒精送入位于箱體11內(nèi)的凍結管23中的全部三個，并按照步驟(5)-(8)中的操作方式進行操作。

(11)按照步驟(4)中的操作方式操作，使砂16中滲流水速度達到第二設計值；然后按照步驟(5)-(10)中的操作方式進行操作。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(11)中，所述第二設計值可以為50m/d，按照相似比v＝v1/cl，取c1為5換算后對應實際工況中地下水滲流速度為10m/d。

(12)按照步驟(4)中的操作方式操作，使砂16中滲流水速度達到第三設計值；然后按照步驟(5)-(10)中的操作方式進行操作。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(12)中，所述第三設計值可以為100m/d，按照相似比v＝v1/cl，取c1為5換算后對應實際工況中地下水滲流速度為20m/d。

(13)關閉變頻泵，使砂16中滲流水速度為0，即砂16處于無滲流狀態(tài)，然后按照步驟(5)-(10)中的操作方式進行操作。

(14)改變水的滲流方向，然后按照步驟(4)中的操作方式操作，使砂16中滲流水速度達到第一設計值；然后按照步驟(10)中的操作方式進行操作。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(14)中，改變水的滲流方向的操作可以為：卸下出水龍頭51與變頻泵，將變頻泵的泵體41的出水口與箱體11的另一端的清水集流器48相連接，以此來改變清水的滲流方向。

(15)按照步驟(4)中的操作方式操作，使砂16中滲流水速度達到第二設計值；然后按照步驟(10)中的操作方式進行操作。

(16)按照步驟(4)中的操作方式操作，使砂16中滲流水速度達到第三設計值；然后按照步驟(10)中的操作方式進行操作。

(17)數(shù)據(jù)整理與處理。

以下通過試驗數(shù)據(jù)說明本發(fā)明的效果：

以下敘述中，涉及的水的滲流速度均為實際工況中的地下水滲流速度。

一、單管數(shù)據(jù)分析

(1)相同的滲流速度下不同測點溫度隨時間變化分析

參考圖5，將前排單根凍結管周圍的內(nèi)圈上的測點(第6測點)與外圈上的測點(第1測點)的溫度隨時間的變化繪制成曲線圖(如圖7所示，其中，曲線701為第1測點的溫度隨時間變化的曲線，曲線702為第6測點的溫度隨時間變化的曲線)。

由圖7可見，由于內(nèi)圈上的測點距離凍結管更近，所以內(nèi)圈上的測點(第6測點)的降溫速度更快，最終溫度也越低；初始溫度相同情況下，內(nèi)圈上的測點與外圈上的測點(第1測點)的溫差隨凍結時間越變越大，最終溫差達到4℃，內(nèi)圈降低了16℃，外圈降低了12℃，內(nèi)圈溫度比外圈多降低了33％。

將在水的滲流速度不為零的情況下，前排單根凍結管周圍的中圈上的測點(第7和第11測點)以及外圈上的測點(第6、8和12測點)的溫度隨時間變化繪制成曲線圖(圖8中示出了水的滲流速度為5m/d時的曲線，圖9中示出了水的滲流速度為10m/d時的曲線；其中，曲線801和901為第7測點的溫度隨時間變化的曲線，曲線802和902為第6測點的溫度隨時間變化的曲線，曲線803和903為第12測點的溫度隨時間變化的曲線，曲線804和904為第8測點的溫度隨時間變化的曲線，曲線805和905為第11測點的溫度隨時間變化的曲線)。

由圖8和圖9可見，在水的滲流速度不為零的情況下，上游測點溫度比下游的測點溫度要高(其中，“上游”和“下游”是根據(jù)水流的方向定義的，“上游”是指水流先流過的位置，“下游”是指水流后流過的位置)：當水的滲流速度為5m/d時，上游內(nèi)圈的第6測點上的溫度降低了12.5℃，下游中圈上的第11測點的溫度降低了15.6℃，下游測點溫度比上游多降低了24.8％，上游中圈上的第7測點的溫度降低了10.2℃，下游內(nèi)圈上的第12測點溫度降低了11.8℃，下游中圈上的測點溫度比上游多降低了15.7％。當水的滲流速度為10m/d時，上游內(nèi)圈上的第6測點的溫度降低了11.6℃，下游中圈上的第11測點的溫度降低了14.3℃，下游測點溫度比上游多降低了23.3％，上游中圈上的第7測點的溫度降低了10.6℃，下游內(nèi)圈上的第12測點的溫度降低了11.3℃，下游中圈上的測點溫度比上游多降低了6％?？梢?，總體呈現(xiàn)為上游溫度高于中游溫度，中游溫度高于下游溫度。

(2)溫度隨位置變化分析

將相同時刻不同位置的測點溫度繪制成曲線圖。

圖10示出了界面測點位置(即：沿垂直于水流方向的位置)和溫度之間的關系曲線，其中，曲線1001示出了水的滲流速度為0m/d時，凍結15小時后的曲線；1002示出了水的滲流速度為5m/d時，凍結15小時后的曲線；1003示出了水的滲流速度為10m/d時，凍結15小時后的曲線；圖10中，橫坐標“界面測點位置”是指垂直于水流方向的位置，橫坐標的單位是厘米，橫坐標的“0”指代的是凍結管所在的位置。

由圖10可見，從沿水流方向位置與溫度關系圖可以看出距離中心點越近的測點溫度越低，且中心點左右不對稱，上游的距離中心點越近的位置，溫度梯度越密集，下游的溫度梯度比較平緩一些，距離中心點同樣遠的位置，下游的溫度明顯要低于上游，說明上游的冷量被水帶到了下游。在不同滲流速度下也對溫度位置有著不同程度的影響：15天時在下游距離中心點6厘米的測點，無滲流速度時所測的溫度要比有滲流速度時低(比5m/d低1℃，比10m/d低3.5℃)；上游距離中心點6厘米的無滲流速度時測點溫度要比5m/d低0.6℃，比10m/d低2.2℃。

圖11示出了軸面測點位置(即：沿著水流方向的位置)和溫度之間的關系曲線，其中，曲線1101示出了水的滲流速度為0m/d時，凍結15小時后的曲線；1102示出了水的滲流速度為5m/d時，凍結15小時后的曲線；1103示出了水的滲流速度為10m/d時，凍結15小時后的曲線；圖10中，橫坐標“軸面測點位置”是指沿著水流方向的位置，橫坐標的單位是厘米，橫坐標的“0”指代的是凍結管所在的位置。

由圖11可見，從垂直于水流方向位置與溫度關系圖可以看出距離中心點越近的測點溫度越低，且中心點左右位置溫度差不多是對稱的關系，有點不對稱可能是由于沙土的密度對測點的位置有一點點的偏差所造成的。滲流速度越大，帶走的冷量就越多，造成測點的溫度就越高，所以無滲流速度時的溫度小于滲流速度為5m/d時的溫度，滲流速度為5m/d時的溫度小于滲流速度為10m/d時的溫度。

二、雙管交圈時間研究

位于后排的兩根凍結管中心位置的測點的溫度分布情況是判斷兩根凍結管形成凍結壁是否交圈的重要依據(jù)。

圖12示出了三種滲流速度狀態(tài)下，位于后排的兩管中心測點的溫度隨時間的變化情況；其中，曲線1201示出了水的滲流速度為0m/d時的曲線，曲線1202示出了水的滲流速度為5m/d時的曲線，曲線1203示出了水的滲流速度為10m/d時的曲線。

由圖12可見，從該測點溫度分布圖可以看出，對應相同的地下水滲流速度，溫度分布曲線分為三個階段：在積極凍結前期未凍土降溫階段，溫度急劇下降；隨后進入相變階段，此時隨著兩根凍結管形成的凍結壁之間的距離減小，實際通過兩管中間的水的滲流速度遠遠大于初始的設計值，水流帶走大量熱量，導致溫度下降至0℃左右時保持一段時間的相對穩(wěn)定；隨著凍結程度的進一步加深，兩根凍結管的凍結范圍逐漸增大，在兩根凍結管形成的凍結壁成功交圈后，水流無法從兩管中間流過，在兩根凍結管的影響下，測點的溫度再次急劇下降；在凍結后期曲線趨于平緩，降溫速度緩慢。

對比不同地下水滲流速度下的溫度分布曲線可以發(fā)現(xiàn)，由于水流帶走了部分熱量，導致無滲流速度狀態(tài)下的凍結曲線要低于有滲流速度的情況。三種狀態(tài)下，進入相變階段的時間點大致相同，但是無滲流速度狀態(tài)下首先進入第二次急劇下降的階段，即表明兩根凍結管形成的凍結壁首先交圈，而有滲流速度的交圈時間明顯晚于無滲流速度的狀態(tài)，其中滲流速度為5m/d的交圈時間遲于無滲流速度狀態(tài)約24.5％，而滲流速度10m/d的交圈時間遲于無滲流速度狀態(tài)約34.3％。

三、三管優(yōu)化結果分析

通過在水流上游增設一根凍結管來對原有的凍結方案進行優(yōu)化(即：使用圖1中所示的三根凍結管進行凍結試驗)，通過對比相同測點的溫度分布曲線來判斷優(yōu)化結果。

圖13示出了三種滲流速度狀態(tài)下，使用三根凍結管進行凍結試驗時，位于后排的兩根凍結管中心測點的溫度隨時間的變化情況；其中，曲線1301示出了水的滲流速度為0m/d時的曲線，曲線1302示出了水的滲流速度為5m/d時的曲線，曲線1303示出了水的滲流速度為10m/d時的曲線。

通過比較圖13和圖12可見，采取在上游增設凍結管的方法可以縮短有滲流速度與無滲流速度的交圈時間的差別，從而說明選用的優(yōu)化方法更加有效。

由技術常識可知，本發(fā)明可以通過其它的不脫離其精神實質(zhì)或必要特征的實施方案來實現(xiàn)。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所有在本發(fā)明范圍內(nèi)或在等同于本發(fā)明的范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。