寒区地下输水管道合理埋置深度的研究

摘要

冻土也称作含冰土,是由冰晶体、多孔介质土骨架和未冻水共同组成的一类复合型土体。按照冻结时间的长短可分为短时冻土、季节冻土和多年冻土。温度的变化很容易引起冻土性质的改变,冻土对温度很敏感,它的长期强度要比瞬时强度小的多,冻土地区的工程要面临冻胀和融沉两大主要的危害问题。冻害破坏是对于经过季节性冻土和多年冻土区的管道中最普遍的隐患问题。因为水量和温度的改变极易导致冻土环境的变化,且管道的散热需要一定时间,所以对下伏冻土的破坏不会直接的显现出来,而是要过一段时间才慢慢地表现出,所以说破坏具有一定的滞后性。因此,一定对诱发冻土工程安全隐患的冻胀融沉问题进行深入细致研究以确保管道安全稳定运行,分析冻土温度场,了解土壤的冻胀过程、融沉过程,未雨绸缪,采取积极有效的预防冻融危害措施,对应用科学有效的防害方法具有重要的作用。
　　土壤是一种天然的多孔介质,论文应用渗流力学和传热学的理论,建立冻土区管道的物理数学模型,进行冻土区埋地管道周围土壤温度场的数值模拟分析。
　　本文的主要工作:
　　(1)详细分析了影响管道埋深的各种因素,进行了冻土环境中埋地管道的热工理论分析与计算,得出如下结论:离地面越近,外部大气温度对土壤温度的影响就会越明显;土的温度变化相对于气温变化存在滞后现象。
　　(2)寒冷地区埋地管道埋深的数值计算及模拟分析
　　根据管道的初始输水温度、大气温度变化、土壤周期性变化的初始温度、地表的不同日平均温度情况、土壤有没有冻结等因素对管道周围温度的不同影响,确立了管道模型的初始条件和边界条件。利用有限元软件对寒冷地区某小区输水管道周围一定范围内的土壤温度场发展情况进行了数值计算模拟,分析了在埋设深度不同的管道周围土壤温度场的变化情况,从而确定输水管道比较合理的埋置深度。
　　(3)对埋管技术进行了探讨。
　　经验证实:给水管道能在土壤温度为-4~-5℃的季节性冻土层中安全稳定的运行,但还是要需要土壤的冻胀性等因素的影响,确定管道的埋深时要注意。
　　埋设在季节性冻土中的给水管道,只要管道内的水保持流动,就算水的温度为0.5℃,管道也不会发生冻胀破坏,但还需要考虑其它影响给水管道温降的因素。
　　应根据当地的地温分布曲线确定给水管道的合理埋设深度。
　　管道的埋深与冰冻线之间的关系是合理的确定冻土地区给水管道的埋置深度的重要因素,当然还要考虑管道在管道系统中的作用、自身的性质以及外界其它因素等。

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第一章 引言

1.1课题背景

1.2 国内外相关研究进展

1.3冻区埋地管道工程的研究

1.4 问题的提出及本文研究的目的和意义

1.5本文的思路及其主要研究内容

第二章 管道热工理论分析及温度场有限元法模拟

2.1管道传热过程

2.2 管道传热方式

2.3稳定温度场的有限元计算分析

2.4 瞬态温度场有限元计算分析

2.5 有限元法的计算步骤

第三章 基于温度场方程的寒区管道埋深的数值模拟计算

3.1影响输水管道埋置深度的主要因素

3.2管道埋深的热力计算

3.3寒区埋地管道周围的土壤温度场

3.4 土壤温度场模型的建立与求解

3.5 数值模拟及结果分析

3.6本章小结

第四章 热扰动对冻土环境的影响

4.1 冻土对管道的影响分析

4.2本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

作 者 简 介

攻读硕士期间发表的论文