冻结法目前是富水软土层竖井掘砌施工的主要工法,但由于地下水流的存在,影响工程的成败,本文以饱和多孔介质为研究对象,通过准确控制渗流场的流速以及流向,并充分考虑水、热两场边界条件的影响,构建了一套大型水热耦合物理模型试验系统,应用该系统对大流速渗透地层单管冻结温度场的时空演化规律进行了试验研究,同时基于热传导以及对流传热的作用特点对试验结果进行了分析,结果表明:当渗流速度v=3m/d时,冻结温度场的温降速率减小,但在进入稳定冻结阶段之后,冻结锋面最终的形状以及扩展的范围与无流速状态时的差距较小;当渗流速度v=6m/d以及9m/d时,被冻区域的温降速率进一步减小,并且上游区域的温度明显高于下游区域,在持续冻结24h后,冻结锋面向上游/两侧/下游扩展的范围较无流速时分别减小了72.27%/52.83%/27.73%以及 76.89%/55.89%/39.07%。将相似模型试验和数值模拟相结合,对数学模型的合理性进行了验证。并在该数学模型的基础上,结合淮南某矿区的冻结方案的设计参数,运用数值计算对7种优化方案的优化效果进行了分析。结果表明:在地下水流速较大的作用下,冻结管布置圈的上游位置的冻结效果是影响整个冻结壁交圈时间以及厚度的决定性因素,对上游位置的冻结管进行加密处理后,缩小了相邻冻结管之间的间距,增加了上流区域的冷量供应,从而缩短了上游区域的冻结壁的交圈时间,进而提高了整个冻结壁的冻结效率。当加密的角度为105。,冻结管的间距缩小至1m时,冻结交圈的最大流速达到13m/d,较优化前(8m/d)提高了 62.5%,并且对应相同的冻结时间,优化后的冻结方案形成的冻结壁的厚度明显大于优化前。本研究将为数值计算以及理论分析的发展提供可靠的依据,并且为大流速渗透地层冻结管布置间距提供重要参考。图65表格11参考文献84