工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1366-1374   (5095 KB)    
海岛环境下地下水封油库海水入侵数值模拟研究
张彬①②, 李玉涛①②, 石磊①②, 彭振华, 李俊彦    
① 中国地质大学(北京)工程技术学院 北京 100083;
② 国土资源部深部地质钻探技术重点实验室 北京 100083;
③ 中海油石化工程有限公司 青岛 266101
摘要:海水入侵是影响海岛地下水封油库施工及运营安全的重要因素。海岛环境下建设地下水封油库,大规模的地下开挖将显著改变海岛天然地下水渗流场,海水入侵地下洞室一方面引发突水风险,另一方面海水中的氯离子将会对地下洞库结构设施造成侵蚀,影响地下油库的使用寿命。因此在海岛环境下建造地下水封油库,除了需要考虑水封可靠性与岩体稳定性外,还需要关注海水入侵等现象。科学设置水幕系统可以有效地减弱海水入侵风险,论文基于污染质运移相关理论,采用有限元数值模拟方法,以拟建浙江省舟山市某海岛大型地下水封油库为例,模拟了地下油库建造及运营期的海水入侵现象,研究表明:若不设置淡水水幕系统,开挖地下洞室会直接导致海水入侵;设置水平水幕后在确保水封可靠性的前提下,能在一定程度上减弱海水入侵;而设置垂直水幕系统则能较为明显地抑制海水入侵的发生。该成果为海岛环境下建造地下水封油库可能遇到的海水入侵问题研究提供了理论依据。
关键词海岛环境    地下水封油库    海水入侵    数值模拟    水幕系统    
NUMERICAL SIMULATION OF SEAWATER INTRUSION IN UNDERGROUND OIL STORAGE CAVERN IN ISLAND ENVIRONMENT
ZHANG Bin①②, LI Yutao①②, SHI Lei①②, PENG Zhenhua, LI Junyan    
① School of Engineering and Technology, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083;
② Key Laboratory of Deep Geodrilling Technology, Ministry of Land and Resources, Beijing 100083;
③ Petrochemical Engineering Co., Ltd., CNOOC, Qingdao 266101
Abstract: Seawater intrusion is an important factor affecting the safety of construction and operation of underground water-sealed oil caverns. In the island environment, massive excavation of underground caverns can significantly change the natural groundwater seepage field of the island, causing seawater intrusion. On the one hand, seawater intrusion can increase the risk of water inrush. On the other hand, the chloride ion in the seawater can cause erosion of the structure and facilities of underground caverns, which can affect the service life of the underground oil storage cavern. Therefore, consideration is necessary about the water-sealed reliability and the stability of rock masses in the construction of groundwater oil storage cavern in island environment. Attention must be paid on seawater intrusion. Scientifically deployed water curtain systems can effectively reduce the risk of seawater intrusion. The study is based on the related theory of pollution transport, and uses finite element numerical simulation method. A simulation of seawater intrusion is carried out about the proposed large scale underground oil storage cavern of an island in Zhejiang province. Research results show the follows. Without fresh water curtain system, excavation of underground caverns can cause seawater intrusion. Horizontal water curtain system can weaken seawater intrusion to a certain extent on the basis of satisfying the reliability of water-sealed. Vertical water curtain system can obviously inhibit the occurrence of seawater intrusion. The research results provide a theoretical basis for the study of seawater intrusion in underground oil storage cavern in island environment.
Key words: Island environment    Underground water-sealed oil storage    Seawater intrusion    Numerical simulation    Water curtain system    

0 引言

传统的地下水封油库多建立在地下淡水资源丰富的沿海地区,但离海水都有一定的距离,通常不会遭遇海水入侵问题。在海岛上建造地下水封油库,因海岛四周被海水包围,地下洞室的开挖及运营阶段存在海水侵入洞室的风险。海水中含有浓度较大的氯离子等会对地下洞库的结构设施产生腐蚀作用(曹权等,2016),影响地下水封油库的长期稳定性及使用寿命。

对海水入侵的研究始于19世纪,海水入侵模型分为实验室模型和理论模型两类,理论模型又可分为解析模型(Gupta et al., 1982Moor et al., 1992)和数值模型(Pinder et al., 1970Lee et al., 1974;Huyakorn et al., 2010)。我国对海水入侵的研究始于20世纪80年代,薛禹群(1986)提出的海水入侵模型为:在理想的条件下,海水与淡水之间存在着一个平衡,如果淡水的抽水量超过了其补给量,海岸带附近的地下水水头就会下降,当淡水体水头低于附近海水楔体的水头时,咸淡水界面就会向陆地推进,直至形成新的平衡。早期对莱州湾地区海水入侵现象的研究最多,成建梅等(2001)通过建立三维特征值有限元模型,模拟了海水入侵过程,采用氯离子浓度来衡量海水入侵程度,并得出:海水与淡水之间存在着广阔的过渡带,过渡带的宽度取决于含水层的渗透系数、弥散度系数、含水层补给和潮汐等,提出了修建地下截水墙对抑制海水入侵的作用;赵战坤等(2012)通过现场试验对海水入侵的过渡带进行了分析研究,采用高密度电阻率探针监测海水入侵中的淡水-海水过渡带的演化。国内外学者通过对海水入侵现象的分析与研究(陈祺模,1991),提出了控制沿海地区地下水开采、沿海岸带布置人工回灌补给井、沿海岸线注入某种物质形成隔水帷幕等针对海水入侵较为有效的防治对策。

海岛环境下海水入侵现象的研究开始得相对较晚,Voss et al. (1987)模拟了美国夏威夷岛南部地区玄武岩的海水入侵问题;Buxton et al. (1992)采用有限差分软件模拟了纽约州长岛的地下水补给区;Lee et al. (2008)对海岸带的地下水渗流、海水入侵驱动力和影响因素等进行了大量的研究,提出了量化海岸带地下水渗流的多种方法,进行了潮汐作为海水入侵的驱动力的相关研究。在海岛环境下建造地下水封油库同样面临海水入侵问题,海水中存在的氯离子等会对地下洞库的结构设施造成一定程度的腐蚀,从而能影响地下水封洞库的长期稳定性和使用寿命。Kim et al. (2003)Lee et al. (2007)Jo et al. (2010)Park et al. (2012)通过对韩国沿海地区地下水封油库的研究得出,在地下水封洞库的建造与运营过程中会产生不同程度的海水入侵现象,且可以采用氯离子浓度表征海水入侵程度;Lee et al. (2015)通过研究得出,沿海岸线设置“屏障井”有助于减弱海水入侵程度。

在地下水渗流方面为实现地下油库的水封可靠性,李术才等(2012)张彬等(2012, 2016)、杨荣等(2018)通过数值模拟研究表明:在不施加水幕系统时,水封性不能得到保证,在设置了水幕系统后便可以满足水封条件;Park et al. (2012)通过对韩国平泽LPG储库的研究,提出了同时采用水平和垂直水幕系统相结合的方法来确保地下储库的水封可靠性;Shi et al. (2018)通过对地下水封油库施工期涌水量、水幕注水压力及地下水位三者间的自相关和互相关分析得出,水幕系统的效率会受到库区降雨量及围岩质量的影响。因此,水幕系统在为地下水提供补给以满足水封条件的基础上,对海水入侵的影响作用值得研究。

本文以浙江省舟山市某海岛地下水封油库为依托,开展了海岛环境下涵盖整个洞库尺度的海水入侵数值模拟,模拟了地下洞库开挖后海水入侵的过程,通过对比设置水平水幕系统模型和设置垂直水幕系统模型的渗流场及氯离子运移情况,对水幕系统在海水入侵模型中发挥的作用做出评价,为我国在海岛环境下建造地下水封油库面临的海水入侵问题的研究提供了参考依据。

1 工程背景
1.1 工程概况

拟建地下水封油库位于浙江省舟山市岱山县衢山镇某海岛,南与衢山岛相距约5.6 km,西北距上海芦潮港63 km,距上海国际航运中心洋山港21.9 km,西南距宁波镇海81.5 km(图 1)。本项目的研究区面积为1.767 km2。舟山市某海岛石化中转基地项目的地下洞库的规模约为7.5×106 km3。地下储油洞库共有16条互相平行布置的主洞室,洞室截面均为大小相等的马蹄形,洞室宽为20 m,洞高30 m,洞顶标高为-45 m,洞身长度可分为4组,分别为4条465 m的洞室,两条620 m的主洞室,7条930 m的主洞室和3条1000 m的主洞室。主洞室轴线走向均为北偏东80°,主洞室间距可分为30 m、50 m、70 m和95 m 4种情况。

图 1 舟山某海岛地理位置图 Fig. 1 Geographic location of one island in Zhoushan

1.2 工程地质条件

根据《沥港、舟山市等五幅区域地质调查报告》(1990年9月),洞库区内主要分布中元古代陈蔡群捣臼湾组(Ptd(AnDch3))的变质岩、白垩系下统茶湾组(K1c)的火山岩及燕山晚期第二次侵入花岗岩(γ53(2))及第四系地层(图 2)。

图 2 工程地质平面图 Fig. 2 Plane map of engineering geology

1.3 水文地质条件

根据研究区内岩石性质、地下水赋存条件、水理性质及水力特征,将本区地下水划分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类。由于岩体裂隙不发育,地下水连通性较差,研究区岩体的渗透性数量级为10-10~10-8m·s-1,岩体渗透性为极微透水-微透水层。但是区内发育8条断裂,其中5条断裂地表构造控水作用明显,断裂带内构造裂隙发育,岩体破碎,在局部地段可能成为弱透水层-强透水层。

研究区各钻孔基岩裂隙水地下水位埋藏深度在3.10~31.00 m之间,地下水位标高在3.46~125.09 m之间,平均水位标高38.28 m(图 3)。研究区地形起伏变化较大,表现在各钻孔地面标高差别较大;受地形切割程度影响,各钻孔基岩裂隙水地下水位埋藏深度变化较大,不具统一的地下水位标高。不同钻孔所处位置的地面标高与地下水位标高的统计结果(图 3),由图 3可知,虽地下水位线标高的波动较大,但变化趋势与地面的起伏一致,且可求得地下水位的平均埋深为-13.3 m。

图 3 地下水水位标高统计图 Fig. 3 Groundwater level

根据地质调查及钻探揭示,总结洞库区花岗岩裂隙发育程度及洞库上方地下水渗流规律。现场试验数据表明,不同钻孔的岩体渗透系数差异较大,其中,KZ7钻孔揭示的围岩渗透性相对较弱,其渗透系数的平均值仅为1.06×10-10 m·s-1,而KZ14钻孔处围岩的渗透性则相对较强,渗透系数平均值可达1.08×10-8 m·s-1

2 海水入侵数值模拟
2.1 数值模型构建

本文采用具有多物理场耦合功能的软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟,COMSOL Multiphysics以有限元法为基础,通过求解偏微分方程(单场)或偏微分方程组(多场)来实现真实物理现象的仿真(程学磊等,2014)。以浙江某海岛地下水封油库为依托,建立三维数值模型,选择其中典型剖面进行二维分析。模型顶面为海岛地面,最高点标高156 m,底边长1400 m,底部标高-200 m,模型涵盖了1#~14#主洞室(图 4)。

图 4 几何模型 Fig. 4 Geometric model

2.2 控制方程

关于海岛环境下水封油库海水入侵现象的研究基于对流-弥散模型,海水和淡水是可混溶的流体,海水在运移过程中发生水动力弥散,不存在突变界面,而是有一个过渡带,因此,海水入侵的对流-弥散模型由两个方程组成,一个是地下水的流动方程,一个是盐分运移方程。

在有限元软件中通过多物理场耦合实现渗流场和溶质运移场的耦合,渗流场满足均匀介质模型,渗流满足Darcy定律,即以孔隙水压力表示的Darcy公式:

$ {v_i} = - \frac{1}{{{\gamma _w}}}k\frac{{\partial (p + {\gamma _w}z)}}{{\partial {x_i}}} $ (1)

式中,k为岩石的渗透系数(m·s-1);vi为地下水渗流速度(m·s-1);γw为水的重度(N·m-3);p为孔隙水压力(Pa);z为垂直坐标(m);xi为沿x方向的距离(m)。

溶质运移场是溶质分子扩散和弥散作用叠加,在二维情况下盐分运移方程为:

$ \begin{array}{l} \frac{{\partial C}}{{\partial t}} = \frac{\partial }{{\partial x}}\left({{D_{11}}\frac{{\partial C}}{{\partial x}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial x}}\left({{D_{12}}\frac{{\partial C}}{{\partial y}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}{D_{21}}\left({\frac{{\partial C}}{{\partial x}}} \right)\\ \;\;\;\;\; + \frac{\partial }{{\partial y}}\left({{D_{22}}\frac{{\partial C}}{{\partial y}}} \right) - \frac{\partial }{{\partial x}}({u_1}C) - \frac{\partial }{{\partial y}}({u_2}C) \end{array} $ (2)

其中,

$ {D_{11}} = {D^*} + \frac{{{\alpha _L}u_1^2}}{u} + \frac{{{\alpha _T}u_2^2}}{u}, \sqrt {u = u_1^2 + u_2^2} $ (3)

$ {D_{12}} = {D_{21}} = \frac{{({\alpha _L} - {\alpha _T}){u_1}{u_2}}}{u} $ (4)

$ {D_{22}} = {D^*} + \frac{{{\alpha _L}u_2^2}}{u} + \frac{{{\alpha _T}u_1^2}}{u} $ (5)

式中,C为溶质分子浓度(mol·m-3);D*为溶质在水中的分子扩散系数(m2·s-1);αL为纵向弥散度(m);αT为横向弥散度(m);u1u2为速度u的两个分量(m·s-1)。

2.3 初始条件及边界条件

海水入侵模型分Darcy渗流场和盐分运移场两个物理场,初始及边界条件也有两套。对于地下水稳态渗流的边界条件主要有以下几种类型:

(1) 初始条件:

$ {H^*}\left({x, y, 0} \right) = {H^*}_0\left({x, y} \right) $ (6)

(2) 第一类边界条件为:

$ {H^*}\left({x, y, t} \right) = H_1^*, \left({x, y} \right) \in {\mathit{\Gamma }_1} $ (7)

式中,H1*为已知水头。

(3) 第二类边界条件为:

$ \frac{{{q_b}}}{T} = {q^*}\left({x, y, t} \right), \left({x, y} \right) \in {\mathit{\Gamma }_2} $ (8)

模型的两侧为海水,在海水表面可设置为第一类边界条件,定水头边界;模型顶面的海岛部分设置为初始地下水位,水头值大小根据该地区的初始地下水位取H1=(y-13.3)m;模型底部设置为第二类边界条件,隔水(0流量)边界;主洞室按未储油工况计算,设置为零压力边界。

盐分运移场的边界条件主要分以下几种:

(1) 第一类边界条件,也称Dirichlet边界条件,边界上溶质浓度已知,即:

$ {C_\mathit{\Gamma }} = {C_0}\left({x, y, t} \right), \mathit{\Gamma }记为边界 $ (9)

(2) 第二类边界条件:也称Neumann边界条件,规定边界上溶质浓度在法线方向上的变化率,即:

$ {D_{11}}\frac{{\partial C}}{{\partial x}}{n_1} + {D_{22}}\frac{{\partial C}}{{\partial y}}{n_2} = q\left({x, y, t} \right) $ (10)

n1n2为边界法向余弦,q为已知函数。

(3) 输入边界条件:在对流和水动力弥散作用下,通过边界Γ的溶质通量q是已知的,即:

$ \begin{array}{l} {D_{11}}\frac{{\partial C}}{{\partial x}}{n_1} + {D_{22}}\frac{{\partial C}}{{\partial y}}{n_2} - {u_1}C{n_1} - {u_2}C{n_2}\\ \;\;\;\;\;\;\; = q\left({x, y, t} \right) \end{array} $ (11)

式中,左边前两项为弥散通量,后两项为对流效应。

该模型左右边界为海水边界,氯离子浓度为该地区海水中的浓度值,即为第一类边界条件,浓度值大小为317 mol·m-3;主洞室开挖后为流出边界,即氯离子可以随地下水渗流入洞内;地表设置为开边界,即地表外部的氯离子浓度为0;模型底部因渗流条件设置为无流动边界条件,故在此处设置为无通量边界。

2.4 参数选取

库址区岩体以花岗岩为主,模型计算参数选取如表 1所示。

表 1 计算参数取值表 Table 1 The values of model parameters

2.5 结果与分析
2.5.1 渗流场分析

地下洞室开挖会改变库址区的渗流场,在研究水封可靠性与海水入侵过程中,主要关注储油洞库区域的孔隙水压力分布情况及地下水渗流速度场。

2.5.1.1 孔隙水压力及流线

地下洞室开挖后(图 5),地下水流沿流线方向由四周向洞库渗流,地下水位大幅降低,形成了明显的降落漏斗,且降落漏斗与主洞室顶弧相交,即形成了一定范围的疏干区,无法达到水封可靠性,孔隙水压力最大值出现在模型左右两侧底角,最大值为1.96×106 Pa。

图 5 孔隙水压力及流线图 Fig. 5 Pore water pressure and flown-line

2.5.1.2 地下水流速度场

海水入侵过程中,海水中的氯离子扩散形式满足对流-弥散模型,即氯离子的运移由其扩散、弥散作用和地下水流的流动特性决定。根据地下水渗流速度场云图(图 6)可以看出:库址区地下水流渗流速度较小,渗流速度最大值出现在主洞室的边界上,主洞室上方地层中孔隙水的渗流速度整体大于洞室下方岩体中的地下水渗流速度,且在主洞室下方地层中,渗流速度整体上呈现出两侧大、中间小的趋势,由洞室下方一定标高上布置的水平测线测得,孔隙水渗流速度从两侧向海岛内部初始减小较快,在海岛内一定范围内,渗流速度上下波动稳定在较小的水平。

图 6 地下水渗流速度 Fig. 6 Groundwater seepage velocity

2.5.2 氯离子浓度场

在数值模型中,氯离子运移通过地下水渗流场和氯离子运移场的多物理场耦合模拟来实现,通过对不同时间海水入侵程度的分析得出(图 7):右侧氯离子入侵速度比左侧更快,导致这一现象的原因是与左侧相比,右侧洞室距边界更近,地下水渗流速度更大,氯离子随地下水流入侵速度更快。对模型右侧氯离子水平方向入侵距离进行对比分析,0~20 a,水平方向上的入侵距离约为146 m;20~40 a,水平方向上的最大入侵距离约为53 m;40~60 a,水平方向上的最大入侵距离约为36 m;60~80 a,水平方向最大入侵距离约为28 m;100 a时,水平方向最大入侵距离约为19 m,即在100 a内,氯离子沿水平方向上的入侵速度逐渐变慢。氯离子入侵速度逐渐减小的原因主要是因为地下水渗流速度沿水平方向上往岛内逐渐减小(图 6)。由于氯离子运移时的对流-弥散作用,在海水与淡水交界面位置处存在一个宽度为40 m左右的过渡带,即氯离子浓度呈现渐变特点。

图 7 不同时间海水入侵浓度场 Fig. 7 Seawater intrusion concentration field at different times

3 水幕系统对海水入侵的影响分析
3.1 水幕系统模型

为研究水幕系统对海水入侵过程的影响,分别建立水平水幕系统模型和垂直水幕系统模型(图 8)。水平水幕孔布置在地下洞室上方标高-15 m位置处,距主洞室顶部垂直距离30 m,水幕孔按实际尺寸设置为宽0.1 m的矩形,水幕孔边界设置为压力边界条件,压力大小为0.3 MPa;垂直水幕孔布置在两洞室中央位置处,水幕孔孔顶标高为0,水幕孔也设置为宽0.1 m的矩形,水幕孔边界同样设置为压力边界,压力大小取值为水的自重压力,即P=-ρgy,其中,ρ为水的密度,取值1000 kg·m-3g为重力加速度,取值9.8 m·s-2y为标高,模型中为负值。

图 8 设置水幕系统模型 Fig. 8 Water curtain system model

3.2 渗流场对比分析

地下水封石洞油库在无水幕系统情况下,无法满足水封可靠性要求,故需要布置水幕系统,水幕系统会对地下渗流场产生影响,水平水幕系统和垂直水幕系统对渗流场的影响也有所不同。

3.2.1 孔隙水压力及地下水位线

水平水幕系统(图 9a)对岩体孔隙水压力的影响主要作用在洞室上方,水幕孔周围的孔隙水压力有小幅度的增加,模型底部的孔隙水压力没有明显的变化;垂直水幕系统(图 9b)对岩体孔隙水压力的影响相较于水平水幕系统更加明显,垂直水幕孔布置在相邻的主洞室之间,水幕孔下部因水压力较大,孔隙水压力产生了明显的增大,且主洞室下方的孔隙水压力也有较大幅度的增加。

图 9 孔隙水压力对比图 Fig. 9 Pore water pressure comparison

设置水幕系统模型(图 9)的地下水位线均未形成降落漏斗,且水平水幕系统模型和垂直水幕系统模型均在主洞室上方形成了较大厚度的地下水覆盖层。地下水位线距主洞室拱顶的垂直距离应满足(中华人民共和国国家标准编写组,2009):

$ \left\{ \begin{array}{l} {H_{\rm{w}}} = 100p + 15\\ {H_{\rm{w}}} \ge 20 \end{array} \right. $ (12)

式中,Hw为地下水位线至主洞室拱顶的垂直距离(m);p为主洞室内的气体压力(MPa)。

根据该模型中主洞室气体压力为0可知,地下水位线距主洞室拱顶的垂直距离Hw=20 m。由图 9可知,水平水幕模型和垂直水幕模型的稳定地下水覆盖厚度大于45 m,约为规范要求的2.25倍,即可以满足水封可靠性要求。

3.2.2 地下水流速度场

水平水幕系统模型地下水渗流速度(图 10a)在水幕孔和主洞室之间显著增大,且渗流速度最大值出现在主洞室顶部,即水幕孔的补给作用对地下水渗流产生了较大的影响;根据测线上的地下水渗流速度分布曲线可知(图 11),地下水渗流速度在两侧较大,左侧最大值约为3.15×10-9 m·s-1,右侧最大值约为5.63×10-9 m·s-1,从两侧往海岛内部,初始阶段渗流速度减小较快,在到达某一位置后,渗流速度趋于稳定,在较小的范围内波动,测线上的最小渗流速度约为0.19×10-9 m·s-1;由地下水渗流流线及流线方向图(图 12a)可知,地下水渗流方向及流线未发生明显变化,仍由四周流向洞库。

图 10 地下水渗流速度云图 Fig. 10 Groundwater seepage velocity

图 11 测线上的地下水渗流速度曲线图 Fig. 11 Groundwater seepage velocity curve on the line

图 12 地下水渗流方向及流线 Fig. 12 Groundwater flow direction and flow-line a.水平水幕;b.垂直水幕

垂直水幕系统模型地下水渗流速度(图 10b)在主洞室范围内较大,主洞室四周的地下水渗流速度均大于其他位置,即垂直水幕孔对主洞室区域地下水渗流的影响大于水平水幕孔;根据测线上的地下水渗流速度分布曲线可知(图 11),垂直水幕作用下,测线位置处的地下水渗流速度整体波动幅度较小,渗流速度最大值出现在左侧,大小约为2.64×10-9 m·s-1,小于水平水幕的最大渗流速度,渗流速度最小值约为0.35×10-9 m·s-1,大于水平水幕的最小渗流速度;由地下水渗流流线及流线方向图(图 12b)可知,洞库上部地层中的地下水渗流方向未发生明显变化,地下洞库及其以下区域岩体中的地下水渗流方向发生了较大的改变,因垂直水幕布置在洞库左右两侧,地下洞库两侧的地下水渗流方向变成了近水平向流向洞库,地下洞库下方的地下水渗流方向相比于水平水幕错综复杂,不同方向的地下水流互相抵消,导致了这一区域整体渗流速度的减小。

3.3 浓度场对比分析

设置水平水幕系统模型(图 13a)在100 a时,右侧的氯离子沿水平方向入侵距离约为277 m,略小于不设置水幕系统模型的282 m,即在整个模拟过程中对海水入侵的影响较小,通过对水平水幕系统作用下模型渗流场的分析可知,水平水幕对渗流速度的影响主要表现在水幕孔与主洞室之间的区域,在其他范围内影响较小,故传统的水平水幕对海水入侵抑制作用不明显。

图 13 氯离子浓度场 Fig. 13 Chloride ion concentration field a.水平水幕;b.垂直水幕

设置垂直水幕系统模型(图 13b)在100 a时,右侧的氯离子水平入侵距离约为158 m,即在模拟过程中对海水入侵的抑制作用较大,尤其是在地下洞库离海岸线较远的左侧,左侧在100 a时,海水入侵的最大水平距离仅有74 m,在模拟结束时氯离子并未入侵到左侧洞室内部。根据对设置垂直水幕系统模型的地下水渗流场分析可知,垂直水幕可以有效的改变地下洞库区域的地下水渗流,地下洞库下方渗流向洞库的地下水一部分被垂直水幕中的补给所抵消,导致洞库下方的地下水渗流速度减小,海水入侵也相应地减弱。

4 结论

本文以处于海岛环境的浙江省舟山市某海岛地下水封油库为依托,研究了地下洞室开挖后的海水入侵过程的规律,通过对比设置水平水幕和设置垂直水幕对抑制海水入侵的影响规律分析,得出如下结论:

(1) 地下洞室开挖后,海岛周边的海水及库址区的地下水向主洞室渗流,渗流速度从两侧往海岛内部逐渐减小;海水入侵速度初期较快,后期逐渐减小;花岗岩体的淡水-海水过渡带宽度较小。

(2) 在设置水平水幕孔和垂直水幕孔时,均可以在主洞室上方形成足够厚(Hw>20 m)的稳定地下水盖层,即可以实现水封效果;水幕系统对地下水渗流的流速和流向会产生一定的影响。

(3) 垂直水幕系统相比于水平水幕系统能更好地抑制海水入侵,因此在海岛环境下采用垂直水幕系统更具优势。

参考文献
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