浅层地温场温度监测设备综述

温度监测设备是浅层地温场监测系统中与地温场唯一直接接触的设备,是地温场监测系统中最基础也是最重要的设备。温度监测设备的选型以及施工情况,决定着浅层地温场监测系统能否正常运行。本文对目前主流的3种温度监测设备从探头材质、测量范围、测量进度以及造价等方面,进行详细的分析对比,结合3种监测设备的优缺点及项目施工情况,对3种设备的适用范围进行了阐述:当监测孔较少的情况下(一般少于10眼监测孔)宜采用单线单探头的测温设备;当监测孔数量较多的情况下(一般多于10眼监测孔)宜采用单总线式数字测温设备;分布式光纤测温设备,比较适合浅层地温能实验应用。     

浅层地温场连续监测和高精度模拟时空误差研究

为探究浅层地温场的时空演化规律,综合使用多种温度传感器,获得了南京市3个钻孔0~100 m的连续高精度温度数据。采用不同精度的地层模型和上边界温度条件,开展了3个月时间尺度的地温数值模拟,分析了地温在模拟时间内时空变化规律和模拟精度。相对于平均热扩散系数,采用分层热扩散系数时提高了浅部0~4 m模拟温度的精度,降低误差为2%~4%;与高精度边界模拟结果相比,边界为日均温度时的模拟结果相差不大,而月均温度降低了0~5 m模拟温度的精度,增大误差为2%~3%,但对于均质地层影响深度较小。对于浅地表变温层处的地温模拟,在浅部0~5 m处使用分层热扩散系数,以日均温度作为边界条件能够在保证结果准确的前提下减少监测成本。文章也为南京市浅层地温长期预测和评价提供了参考。     

基于浅层地温及原位热物性参数地温场预测

近年,地热资源作为一种新颖的清洁能源已经引起广泛的关注。中国浅层地热能资源丰富,但探测手段限制其大规模发展。热物性参数是地热能赋存载体的关键参数之一,决定了热能在岩土体中的传播速度和岩土体温度场的分布。因此,采用基于热物性参数研发的浅层测温和原位热物性参数测试仪开展现场试验,获取地温、热物性参数等数据。采用一维稳态热传导理论建立地温场预测模型,利用不同岩性实测、概化热物性参数进行恒温层地温场分布预测。结果表明,浅层地温场受江水流动影响较大。采用岩性概化与实测热物性参数对恒温层地温场预测几乎一致,因此,利用研发的仪器及模型进行恒温层地温场分布预测是十分有效的。另外,该方法方便快捷,可利用其对浅层地热能开发利用提供合理的建议,并在实际工程中推广应用。     

井田地温场的数值模拟

针对我国华北煤田构造地质、水文地质、地温地质特征及地温资料来源、地温研究现状,提出了先建立煤井田地温场的数学物理模型并求出其数值解,再用其结果预测井田未知区地温分布的新方案。使地温预测工作程序得以简化、预测结果更为可靠。文中详细叙述了模型建立和边界条件选定方案,并以导水断层上盘为例,展示了数值模拟的效果。     

河北沽源、饶阳地区浅层地温场特征

通过在河北沽源和饶阳地区建立的40m深试验孔,进行了长期(＞1年)定时(1次/天)的浅层地温观测,分析研究了浅层地温场的特征,并确定了恒温层参数,沽源地区的恒温层深度约为24 m,温度约为5.6℃;饶阳地区的恒温层深度约为18 m,温度约为14.7℃.     

南京市浅层地温场监测方案和地温分布特点研究

浅层地温能作为可再生能源,已经引起广泛关注。为了有效地监测南京市浅层地温场的时空演化,针对4种温度传感器：DTS、FBG、Pt100和iButton,通过野外和室内试验进行分析对比,从测温精度、适用范围、工作特性等方面展开研究。结合试验结果和目前的实际应用情况,总结出四种传感器在浅层地温场监测方面的优缺点和特性,并制定出一套较为完善的监测方案,为浅层地温场的长期时空监测提供参考：在所有钻孔中埋设分布式测温光纤,并根据地温钻孔的土层分布和所获取的地温分布数据,选取两个较为典型的地温钻孔布设FBG测温串;在所有钻孔点距地表5 cm处布设iButton,并使用Pt100监测地表以下25 m内的精确地温。根据已获得的监测数据,可总结出南京地区浅层地温在垂向上的大体分布规律,发现其分布在空间上具有差异性,浅地表地温与地表覆盖层、大气及太阳辐射有关,深部地温受地质构造和水文地质条件等因素控制。     

深埋隧洞地温场的数值模拟研究

本文结合某水电站勘探平硐的地质及地温实测资料，在考虑地形，岩性，构造及地下水活动等因素的基础上，用有限元反演的方法，对山体的地温场进行了数值模拟，并对进一步掘进隧洞的地温场变化作了预测。     

近30年南京市浅层地温场变化规律研究

在收集南京市单一观测站点近50年气温资料和近30年浅层地温数据的基础上,对南京市地温变化趋势及其与气温变化的相关性进行了分析,对不同深度定时地温变化、日均地温伞年变化、地温日较差变化等进行了比较,同时也对地温变化对城市浅层土工程性质可能带来的影响进行了分析.结果表明:地温场与气温场变化规律基本一致,但存在一定的滞后现象;南京市月均地温变化规律基本相同,最高值出现在7,8月份,最低值出现在1,2月份;近30年来浅层地温场总体呈现上升趋势,其中地表上升最大值达2.8℃,0～20 cm土层温度变化幅度比较接近,上升最大值达2.0℃,40 cm处最大值达1.75℃;30年来地表最大温差高达84.5℃,40 cm深度最大地温差也超过27.5℃,因此多年地温变化对城市浅层土工程性质的影响不容忽视.     

河南省城市浅层地温场特征及影响因素分析

本文在大量钻孔测温资料的基础上,系统分析了河南省城市浅层地温场分布特征,分析了不同地貌类型城市恒温带特征。全区地下水恒温带深度平均深度24.8m,温度一般15.5℃~17.5℃;冲积平原区松散层恒温带深度最浅、温度最高,内陆河谷盆地区松散层恒温带深度最深、温度最低。近山前地带基岩浅埋区,地温梯度低;沿深大断裂带和构造隆(凸)起区,地温梯度高;济源—商丘断裂的新乡—延津段、内黄凸起和通许凸起地温梯度高。通过分析地温增温率特征和地温恢复能力,得出颗粒越粗地温恢复能力K值较大,富水性越强、水力坡度越大K值越大。对影响浅层地温场的多种因素的系统研究表明,该区浅层地温场受城市、人类活动、地下水流场、地下水埋深、构造、地下水补给、排泄等因素影响明显。     

西安市浅层地温场特征及其影响因素分析

基于可靠的浅层地温测量数据,系统分析西安市浅层地温场的分布特征及其影响因素。分析得出:受区域构造的影响,位于断裂带附近的监测井地温梯度值均大于6℃/100m,其他区域监测井地温梯度值在1.5～2.0℃/100m之间,全区平均地表热流值为78.8 mw/m2,高于全球大地热流平均值(61.1mw/m2);区域地下水、岩土体岩性及结构也是浅层地温场分布的重要影响因素。     

地应力场下岩体爆体的数值模拟

建立了地应力作用下岩体在爆炸荷载作用下的运动微分方程,并对岩体中的地应力采用隐式分析方法,对爆炸的高速动载作用采用显式分析方法,通过隐式－显式连续求解完成地应力作用下岩体爆炸的数值模拟。数值算例结果表明,近爆腔处,较低的静应力场与较高的动应力场作用时爆炸动态应力波占主导地位,初始应力对爆破应力波影响较小。在远离爆腔处,高地应力存在改变了爆破应力波的传播规律,对爆炸岩体有很大影响。     

复杂环境下浅埋暗挖隧道穿越薄富含水层冻结温度场研究

提出了南京地铁2号线新街口－上海路隧道穿越薄富含水层冻结法止水加固方案,利用ADINA有限元软件对该浅埋暗挖隧道涌水段建立冻结温度场数值模型,分析了冻结管间距、冻结盐水温度、冻结管直径对冻结壁发展速率、冻结壁厚度、平均温度的影响,以此为基础对冻结参数开展优化设计,并获得成功应用。研究结果表明：利用人工冻结技术能够有效解决这一特殊岩土工程难题。为了在支护段获得有效地止水冻土帷幕,冻结管间距应小于等于1 m;冻结工程中采取-30℃的盐水温度既能满足需冷量,又能符合经济性要求;采取大直径的冻结管对增加冻土墙厚度与降低冻土壁平均温度的影响并不显著。     

多年冻土地基正温输气管道地温场实测及分析

我国有多条油气管道位于多年冻土地区,工程问题层出不穷。因输送介质处于正温状态,其所释放热量对管道周围冻土冻融过程有极大影响。为阐明正温管道对多年冻土温度场及冻融特征的影响,基于西部某多年冻土区正温输气管道现场实验,对管道地基温度场进行了为期1年的现场实测。数据分析表明,多年冻土天然上限为1.5~2.0 m;土体融化期及冻结期分别为6-10月、11-次年5月;监测段多年冻土热量收支基本平衡,属于不稳定冻土,在外界热扰动下极易退化;正温输气管道的存在引起了多年冻土的退化且对其温度场有很大影响,水平方向影响范围约1.5 m,管下最大融深可达7.0 m。同时指出了针对处于临界状态的多年冻土,在基于对其全面、深入了解的基础上,越早考虑相关工程建设带来的热扰动对多年冻土的不利影响,则处置难度越低且损失越小。     

Estimating apparent thermal diffusivity of soil using field temperature time series

Reliable estimates of soil thermal properties such as heat capacity, thermal conductivity, and diffusivity are important in analysis of heat transmission through soils in applications such as shallow geothermal applications, buried electrical conduits, and in general heat/fluid flow analyses. A number of analytical, numerical and experimental methods are available to determine the soil thermal properties. In this paper, the analytical and numerical methods developed on the basis of one-dimensional heat conduction equation are used to estimate the apparent thermal diffusivity of soil. Three of the four analytical methods, Amplitude, Phase, and Arctangent provide explicit equations for the apparent thermal diffusivity. Two methods, Harmonic and Numerical, make use of large number of temperature measurements to implicitly solve for the apparent thermal diffusivity. The temperature time series data monitored at different depths in two field sites in Melbourne, Australia for more than 2 year period were used to estimate the apparent thermal diffusivity of soil down to 2 m depth. The apparent thermal diffusivity was calculated using all five methods and compared with laboratory experimental results. The effectiveness of each method in predicting the thermal diffusivity was compared and observed discrepancies were discussed. Finally, the observed soil temperature data for a 12 month period are used to model the temperature variation in the ground analytically using Harmonic method and the model prediction for the following 12 month was compared independently with the field measurements. The analytical model prediction is found to be in good agreement with the field monitored data.     

潍坊市浅层地热能利用的岩土原位热传导试验

鉴于地下岩土的复杂性和多样性,在确定地下岩土热物性参数时宜尽量采用现场测试的方法.现场原位热传导试验是实施地源热泵工程的关键环节,是合理开发浅层地热能的基础.本文介绍了现场原位热传导试验的原理和方法,并以潍坊城区的实际工程为例,获得了当地土壤原始温度、导热系数及地下换热量参考值,可为设计人员结合建筑结构、空调负荷特点等优化她源热泵工程提供基础数据.     

下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响

在气候变暖背景下,北半球多年冻土呈现不同程度的退化趋势,冻土升温、活动层增厚、地下冰消融改变了区域工程地质条件、地形地貌,不仅对寒区环境和工程稳定性造成潜在的威胁,还影响着这些地区的气候、水文和生态过程.因此,准确评估和预估多年冻土热状况的变化具有重要科学和实践意义.现有用于模拟多年冻土热状况的各类模式重点考虑了近地表...     

地层渐进成拱对浅埋隧道上覆土压力影响研究

砂土及完整性较差、黏聚强度较小的破碎岩体中,浅埋隧道地层拱作用机制随地层变形发展而变化,受此影响隧道松动土压力也相应变化。常规方法忽略了地层拱不同阶段力学机制的不同,同时未考虑剪切面转动与大主应力旋转之间的相互关系,因此,不能解决浅埋隧道地层能否成拱、地层拱何时贯通至地表以及地层拱发展对隧道松动土压力影响等问题。针对这一情况,提出渐进地层拱力学模型以反映不同阶段地层拱的力学机制;其次,同时考虑主应力旋转、剪切面转动及二者相互关系,确定拱内土体应力分布;随后,优化了传统主应力偏转与地层差异沉降间的数学模型。在此基础上确定了渐进地层拱对隧道松动土压力的影响。改进方法结果与传统方法结果及试验结果的对比验证了改进方法的有效性与适用性。通过参数分析研究了隧道初始松动压力、随地层变形发展的松动压力以及地层拱贯通至地表时的极限变形等关键参数。最后,对下北山超大跨浅埋隧道的研究说明了改进方法的实用性。结论显示：（1）初始松动压力为初始松动区内土体重力,初始松动区范围不受覆跨比影响,而受地层强度影响,随内摩擦角增加而减小;（2）最大拱效应阶段以后,松动土压力随地层变形发展而增加,深埋、小跨度隧道（ ）增长速率较慢,反之较快;（3）极限变形随覆跨比、内摩擦角增加而增加,深埋、小跨度隧道地层拱效应更明显;（4）对于下北山隧道,初始地层拱存在,初始松动土压力为0.37 ,极限松动土压力为0.41 ,最终松动土压力为0.54 ,隧道变形应控制在5.7%以下避免地层拱贯通至地表。     

松软地层浅埋暗挖公路隧道现场监测分析研究

针对浅埋暗挖公路隧道的特点,对厦门高崎互通下穿嘉禾路隧道进行地表下沉、拱顶下沉、洞内收敛、支撑应力等项目的监测工作。基于监测结果,分析了该隧道围岩和支护系统的变形及受力特点,指出了松软地层中浅埋暗挖隧道开挖影响的时空范围和隧道施工中有效控制围岩变形的措施,并为支护体系的优化提供依据。研究结论丰富了浅埋暗挖思想,并为国内浅埋暗挖公路隧道的设计、施工和监测提供借鉴。     

激光辐照煤岩的热效应数值模拟分析

探究激光辐照煤岩的热效应,有助于理解激光作用于煤岩的成孔机制,从而为激光应用于煤层气水平钻进提供理论支持。基于传热学理论,建立了激光辐照煤岩的数学模型,通过多物理场仿真分析软件COMSOL Multiphysics对激光破岩过程中温度场分布情况进行数值计算,探讨了激光光束辐照在煤岩表面时激光功率、光斑半径及辐照时间等因素对激光作用于岩石的热效应影响。再考虑到煤岩在极高的升温速度下将发生相变,建立了其发生气体相变的数值仿真模型,对其气化后形成的烧灼孔进行模拟仿真。仿真结果分析表明,影响钻孔深度的主要因素是激光功率和辐照时间,影响孔口直径大小的主要因素是光斑直径,激光辐照煤岩的成孔机理主要是激光高温烧蚀成孔,如果用于实际钻进过程中将大幅减少固体岩屑,有助于降低排屑工艺的难度。     

考虑滑脱效应和温度场的煤层气渗流数值模拟

由于煤层气的解吸热效应,煤层气的运移过程是一个非等温过程。因此,温度场对煤层气渗流有着重要的影响。前人在研究煤层气渗流规律的研究中并没有同时考虑滑脱效应和温度场因素的影响,而在实际的深部开采中综合考虑滑脱效应和温度场的影响对研究深部煤层气运移规律有着重要的意义。因此本文建立了考虑滑脱效应及温度场的煤层气渗流数学模型,利用有限元数值方法研究了考虑滑脱效应和温度场耦合的煤层气运移规律;研究了考虑滑脱效应和温度场对压力场分布的影响;对考虑滑脱效应及温度场因素的煤层气产量进行了预测。得出了随着温度的升高煤储层的压力在降低,温度的升高对煤层气的产量有着负面的影响这一重要结论。