地热能提取对能源地下连续墙结构及地质环境影响研究

论文摘要

浅层地热能作为一种可持续发展能源,它的开发利用形式多种多样,既包括传统的土壤源热泵和水源热泵系统,也包括将地源侧换热管直接埋设在地下混凝土结构内部的能源地下结构热泵系统。在使用过程中,外界的热量会以直接或者间接的方式与地下结构、岩土体或者水体进行热量交换,因而在开发利用的过程中将不可避免地对地下结构和地质环境产生影响。对于能源地下结构,虽然这种埋管形式有着突出的优势,但是由于其作为浅层地热能开发利用形式(尤其是能源地下连续墙)出现得较晚,有限的能源桩试验数据证实了其在换热过程中会诱发桩周侧摩阻力、桩的垂向位移以及桩内轴向应力的变化,进而引发了人们对这种换热结构安全性能的担忧。虽然大部分学者认为,这些力学特性的变化不会对建筑造成不利的后果,但是在设计阶段必须将这些因素考虑进去。相比于能源桩,能源地下连续墙的研究成果则十分匮乏,尤其是关于换热条件下墙体力学特性的试验研究,国内外尚未见相关报道。同时目前国内的浅层地热能开发项目存在一哄而上的现象,完全不顾及系统的质量,结果造成了工程质量较差,且存在对地质环境造成影响的情况。由此可见开展地热能提取对能源地下结构和地质环境影响的研究十分迫切,具有很强的现实意义。基于此,本文开展了以下研究:1)大尺度能源地下连续墙模型试验研究。该模型试验考虑了不同换热工况以及不同约束条件,对整个模型温度场、墙体内应变以及墙土接触面法向应力进行了观测分析;2)通过数值模拟方法,对模型试验中墙体力学特性变化的机理进行分析。然后,改变模型边界条件和初始条件,对不同温升条件和约束条件下墙体的力学行为变化规律进行分析;3)对单侧临空能源地下连续墙在换热条件下的力学行为开展数值模拟分析。分析过程中主要考虑墙深变化、换热温差变化、不同换热工况、不同埋管形式以及不同岩土体热膨胀系数;4)通过试验研究、数值模拟和现场监测分析,对浅层地热能开发对地质环境的影响进行研究,以期获得的成果能够为《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》提供相应的技术参考。得到的主要成果如下:1)通过能源地下连续墙模型试验,得到了换热条件下模型温度场、墙内应力/应变状态以及墙土接触面法向应力的变化规律。结果发现,温升变化会导致能源地下连续墙墙体内产生较大的温度应力。但是与能源桩不同的是,这种温度应力一方面是由于温升导致的侧摩阻力增加,另一方面是由于墙体内温度的不均匀分布导致的差异性变形。2)利用数值模拟方法对模型试验结果的机理进行分析。结果表明,由于墙内换热管的不对称分布,产生的热膨胀使墙体发生弯曲,导致墙体两侧产生不同的应力/应变响应。同时这种温度差异性分布导致的墙体弯曲变形,也解释了室内试验中墙体左右两侧不同的墙土接触面应力变化规律以及开始的几个小时内墙体内显著的应力/应变变化。3)基于试验模型条件下的数值模拟预测结果表明,墙体内的应力应变性状主要取决于墙体顶部的约束条件;而温升增加虽然能够增加墙土接触面法向应力值,但是相对于初始法向应力值,这一变化值可忽略。4)单侧临空条件下的数值模拟结果表明,换热温差是导致墙体力学特性变化的重要因素,主要体现在其对墙体水平向位移,墙体内垂向应力以及墙体弯矩的影响;双侧热源分布能够减小换热对能源地下连续墙的影响;不同的岩土体热膨胀系数对墙体的力学特性的影响主要体现在墙体的水平向位移和墙土接触面法向应力,而对于墙体内垂向应力和墙体弯矩的影响较小。5)通过试验测试、数值模拟以及现场长期监测,发现浅层地热能开发利用系统在长期运行情况可能会产生热堆积现象,这种热堆积会对地质环境以及系统本身的运行产生不利影响。研究过程及相关成果为南京市地方技术标准《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》提供了技术参考。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 董盛时

导师: 李晓昭

关键词: 能源地下连续墙,模型试验,数值模拟,热力学行为,地质环境,现场监测

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 南京大学

分类号: P314

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000140

总页数: 137

文件大小: 13427k

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