本發(fā)明涉及滲流模擬，具體而言，特別涉及一種升高度micp型截滲墻防治海水入侵的滲流模擬裝置及其工作方法。

背景技術(shù)：

1、海水入侵是指濱海地區(qū)超量開采地下水導(dǎo)致地下水位下降，海水與淡水間平衡遭到破壞后咸淡水界面向陸地移動(dòng)。海水入侵會(huì)造成地下水咸化，土壤鹽漬化等后果，繼而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、城市供水、城市建筑物、人類健康等各方面產(chǎn)生影響。濱海地區(qū)為了抵御海水入侵，一般在含水層的下游靠海地區(qū)開挖建設(shè)一道混凝土防滲墻，稱為地下截滲墻。建造能徹底抵御海水入侵的地下截滲墻只能將截滲墻修建貫穿潛水含水層，但這又導(dǎo)致濱海地下水無法向海洋排泄，造成一系列環(huán)境問題。濱海區(qū)域海岸線較長(zhǎng)，且潛水含水層較厚，地下截滲墻一般需要開挖至隔水層巖層，因此所耗費(fèi)的混凝土量較大。這使得該種工程投資費(fèi)用偏高，施工周期較長(zhǎng)。由于建設(shè)截滲墻前需要開挖出滿足高度的基坑，在基坑開挖過程中由于坑壁的不穩(wěn)定性易造成坑壁的坍塌，影響后期混凝土的澆筑。

2、微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積（micp）是通過特定的微生物（如脲酶菌）提供相應(yīng)鈣離子及結(jié)晶所需要的營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)快速析出膠結(jié)性較好的碳酸鈣結(jié)晶充填巖土孔隙，該技術(shù)具有自然過程屬性，對(duì)處理巖土體擾動(dòng)較小，同時(shí)具有耗能少，環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于改良地基土或其他工程方面的巖土體。防治海水入侵過程中，如果使用micp技術(shù)替代傳統(tǒng)的混凝土截滲墻不僅極大地減小了時(shí)間、金錢、能耗成本的投入，同時(shí)可以減少對(duì)濱海區(qū)域含水層的開挖擾動(dòng)，減少對(duì)濱海含水層的污染。因此，micp型截滲墻防治海水入侵技術(shù)具有廣闊前景。

3、基于相似原理室內(nèi)構(gòu)建滲流砂槽，模擬含水層中地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移過程，是截滲墻防治海水入侵技術(shù)開發(fā)的重要手段。但目前針對(duì)micp型截滲墻防治海水入侵的研究較少，尚缺少能實(shí)現(xiàn)微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積形成截滲墻的實(shí)驗(yàn)裝置及其海水入侵防治效果的測(cè)定方法。這也成為阻礙micp型截滲墻防治海水入侵技術(shù)迭代升級(jí)的關(guān)鍵瓶頸。因此，有必要專門設(shè)計(jì)一套可以模擬micp型截滲墻防治海水入侵的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)定方法，解決上述問題。

4、濱海地區(qū)為保護(hù)地下淡水資源，一般在含水層下游靠海處建設(shè)從地表貫穿至隔水層的不透水截滲墻，用于防治海水入侵。這種建造截滲墻方式能夠長(zhǎng)久、高效的阻擋入侵海水，但截滲墻的存在又會(huì)導(dǎo)致地下水無法向海洋排泄，造成殘余咸水滯留以及陸源污染物富集問題，污染地下淡水。截滲墻保護(hù)地下淡水資源的初衷未能實(shí)現(xiàn)。

5、地下截滲墻所使用的材料一般為混凝土，混凝土的造價(jià)在該施工領(lǐng)域中屬于高成本材料，同時(shí)工程施工時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)修建地下水截滲墻還需要通過較深的挖掘才能達(dá)到目標(biāo)深度，在開挖的過程中容易出現(xiàn)坑壁坍塌給施工帶來許多障礙。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種升高度micp型截滲墻防治海水入侵的滲流模擬裝置及其工作方法。本發(fā)明創(chuàng)新一種不同于傳統(tǒng)用于抵御海水入侵的截滲墻的形成實(shí)驗(yàn)裝置與方法。該種形成截滲墻方法可以創(chuàng)新截滲墻形成材料，大大地節(jié)約了工程成本、避開傳統(tǒng)截滲墻施工工藝所遇到種種開挖難題及對(duì)濱海含水層巖土體擾動(dòng)、去除傳統(tǒng)截滲墻建設(shè)所帶來的殘余咸水污染問題、應(yīng)對(duì)未來氣候和地下水位變化導(dǎo)致海水入侵程度變化實(shí)現(xiàn)截滲墻升高度調(diào)節(jié)。該發(fā)明裝置及方法為場(chǎng)地抵御海水入侵使用該技術(shù)施工提供參考。

2、本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種升高度micp型截滲墻防治海水入侵的滲流模擬裝置，包括滲流槽，滲流槽內(nèi)部裝有兩塊可拆卸的第一透水隔板和第二透水隔板，將滲流槽在水平方向分為三部分自左至右依次為海水室、反應(yīng)室、淡水室，海水室內(nèi)部設(shè)置有潮汐發(fā)生器，海水室底部與咸水桶相連并設(shè)置有第一蠕動(dòng)泵和第一流量計(jì)，海水室上部設(shè)置有第一溢流管，第一溢流管上設(shè)置有第二流量計(jì)，淡水室底部與淡水桶相連并設(shè)置有第二蠕動(dòng)泵和第三流量計(jì)，淡水室上部設(shè)置有第二溢流管，第二溢流管上設(shè)置有第四流量計(jì)，反應(yīng)室內(nèi)靠近海水室側(cè)處垂直放置有三列抽水井管或注水井管；

3、所述注水井管內(nèi)置有第一活塞、氣壓管和注水管，第一活塞的上下部分別固定安裝有第一活塞下部和第一活塞上部，第一活塞下部和第一活塞上部材質(zhì)為密封塑膠包實(shí)心不銹鋼圓盤，第一活塞外壁套裝有第一密封氣墊，第一密封氣墊材質(zhì)為密封塑膠，第一密封氣墊上部與第一活塞上部相連接，下部與第一活塞下部相連接，第一活塞的內(nèi)部固定安裝有第一活塞中部連接器，第一活塞中部連接器為空心不銹鋼管且其每間隔1cm打上1mm孔形成篩管，第一活塞內(nèi)置有第一活塞內(nèi)氣壓管和壓力傳感器，氣壓管貫穿第一活塞設(shè)置，注水管的末端位置可在第一活塞下方移動(dòng)，第一活塞上部的上表面左右兩部分別焊接有第一左提手和第一右提手；

4、抽水井管內(nèi)置有第二活塞和抽水管，第二活塞的上下部分別固定安裝有第二活塞下部和第二活塞上部，第二活塞下部和第二活塞上部材質(zhì)為密封塑膠包實(shí)心不銹鋼圓盤，第二活塞外壁套裝有第二密封氣墊，第二密封氣墊上部與第二活塞上部相連接，第二下部與活塞下部相連接，第二活塞的內(nèi)部固定安裝有第二活塞中部連接器，第二活塞中部連接器為空心不銹鋼管且其每間隔1cm打上1mm孔形成篩管，第二活塞內(nèi)置有第二活塞內(nèi)氣壓管，抽水管的末端位置可在第二活塞下方移動(dòng)，第二活塞上部的上表面左右兩部分別焊接有第二左提手和第二右提手；

5、所述滲流槽的背面設(shè)置有取樣與水頭測(cè)量系統(tǒng)，取樣與水頭測(cè)量系統(tǒng)包括40個(gè)均勻開設(shè)分布在滲流槽的背面的取樣口，取樣口處鑲嵌在滲流槽上有取樣管，取樣管的另一端連接有可拆卸橡膠管，可拆卸橡膠管的另一側(cè)連接有測(cè)壓管；

6、滲流槽的正前方放置有相機(jī)。

7、作為優(yōu)選方案，滲流槽由厚度為10mm硬質(zhì)亞克力板構(gòu)成，長(zhǎng)度為220cm，寬60cm，高60cm，亞克力板使用玻璃膠進(jìn)行粘連。

8、作為優(yōu)選方案，抽水井管或注水井管的管身材質(zhì)為亞克力管，其長(zhǎng)度為80cm，管直徑為20mm。

9、作為優(yōu)選方案，第一密封氣墊和第二密封氣墊材質(zhì)為密封塑膠。

10、作為優(yōu)選方案，氣壓管的材質(zhì)為硬質(zhì)塑料管，注水管和抽水管的材質(zhì)為透明塑料管。

11、作為優(yōu)選方案，取樣管為直徑6mm、長(zhǎng)度3cm的l型硬質(zhì)玻璃管，測(cè)壓管為直徑6mm長(zhǎng)度不一的硬質(zhì)玻璃管。

12、一種升高度micp型截滲墻防治海水入侵的滲流模擬裝置的工作方法,具體包括以下步驟：

13、步驟s1、實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備：

14、反應(yīng)室室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所用含水介質(zhì)為白色的石英砂顆粒，石英砂顆粒使用一套孔徑為4.75、2.36、1.18的標(biāo)準(zhǔn)篩過篩，篩分后使用自來水漂洗若干次，烘干后混合均勻；淡水使用去離子水，密度為1×103g/l；海水使用去離子水與食鹽混合配置，濃度為35g/l，密度為1025g/l，為區(qū)分咸淡水，使用食品級(jí)紅色色素進(jìn)行染色，注入溶液分別為1.22×108cfu/ml巴氏芽孢桿菌溶液和1.5?mol/l尿素和氯化鈣混合的膠結(jié)液；

15、步驟s2、砂樣的裝填：

16、采用非飽和式填充模式，水位低于填砂位置10cm，填充高度為50cm；

17、步驟s3、海水入侵咸水楔的形成：

18、砂樣填充完畢后打開咸水端的第一蠕動(dòng)泵供應(yīng)咸水至海水室，海水室的第一溢流管保持海水水頭高度37cm；打開淡水端第二蠕動(dòng)泵供應(yīng)淡水至淡水室，淡水室的第二溢流管保持淡水水頭高度40cm；打開潮汐發(fā)生器模擬潮汐的形成，潮汐信號(hào)使用正弦波作為信號(hào)值，周期為1s，振幅為2cm；試驗(yàn)持續(xù)運(yùn)行直至海水入侵形成穩(wěn)定咸水楔，形成咸水楔長(zhǎng)約70cm；

19、步驟s4、鉆井形成過程：

20、根據(jù)咸水楔形成的狀態(tài)，確定截滲墻目標(biāo)區(qū)域?yàn)殡x海水室的第一透水隔板30cm~50cm處，高度為15cm；鉆井的過程使用直徑2.2cm螺旋鉆鉆至砂槽底部50cm深形成井，成井結(jié)束后向井孔中放入亞克力井管；

21、經(jīng)數(shù)值模擬優(yōu)化后的方式:橫向上在距離海水室的第一透水隔板30cm處開始布設(shè)鉆井，隔10cm布設(shè)一列鉆井，布設(shè)三列鉆井；縱向上依次距離10cm布設(shè)鉆井，共布設(shè)5行鉆孔；

22、抽注水井的分布：第一列全部為注水井，每根亞克力井管從底端到20cm處靠近淡水室側(cè)每間隔1cm打上1mm孔形成篩管，注水井管內(nèi)活塞塞入離底部5cm處；使用抽打兩用氣泵向活塞內(nèi)氣壓管打氣直至氣壓達(dá)到0.5mpa，使活塞周圍密封氣墊完全貼合注水井管管壁達(dá)到活塞上下密封隔絕作用；

23、第二列全部為抽水井，每根亞克力井管從底端50cm處每間隔1cm打上1mm孔形成篩管，活塞下部塞入抽水井管離底部5cm處。使用抽打兩用氣泵向活塞內(nèi)氣壓管打氣直至氣壓達(dá)到0.5mpa，使活塞周圍密封氣墊完全貼合注水井管管壁達(dá)到活塞上下密封隔絕作用；

24、第三列全部為注水井，操作步驟同第一列注水井；

25、步驟s5、micp型截滲墻形成過程：

26、第一次注漿：從第一列和第三列注水井注入巴氏芽孢桿菌溶液；以10ml/min速度向注水井中注入菌液，注入過程中保持活塞下部區(qū)域內(nèi)壓力在0.1~0.15mpa，壓力由壓力傳感器監(jiān)測(cè)；壓力的調(diào)節(jié)使用氣壓管連接抽打兩用氣泵進(jìn)行調(diào)節(jié)；注入溶液量相當(dāng)于目標(biāo)區(qū)域（三分之一）孔隙體積2倍；注入溶液量的1/5后，抽水井以7ml/min速度抽液。菌液注入完成后，注水井與抽水井同時(shí)暫停工作；注漿完成后靜置2h，在2h后每隔20min從背面40個(gè)取樣口中取樣測(cè)定孔隙液中游離菌生物量。菌液注入完成靜止22h后，向注水井中持續(xù)注入1.5?mol/l尿素和氯化鈣混合的膠結(jié)液，注入膠結(jié)液的速度與用量與注入菌液相同；注入膠結(jié)液量的1/5后，抽水井以7ml/min速度抽液，膠結(jié)液注入完成后，注水井與抽水井同時(shí)暫停工作；

27、第二次注漿：注漿完成22h后，將注水井活塞釋壓，將活塞底部提升離注水井底部10cm處，使用抽打兩用氣泵向活塞內(nèi)氣壓管打氣直至氣壓達(dá)到0.5mpa，使活塞周圍密封氣墊完全貼合注水井管管壁達(dá)到活塞上下密封隔絕作用；抽水井同樣將活塞釋壓，將活塞底部提升離抽水井底部10cm處，使用抽打兩用氣泵向活塞內(nèi)氣壓管打氣直至氣壓達(dá)到0.5mpa，使活塞周圍密封氣墊完全貼合注水井管管壁達(dá)到活塞上下密封隔絕作用。注漿環(huán)節(jié)同第一次注漿；

28、第三次注漿：抽注井中活塞操作同第二次注漿中的操作，將活塞下部提升至離井管底部15cm處；注漿環(huán)節(jié)工作同第二次注漿環(huán)節(jié)的操作；

29、步驟s6、micp型截滲墻形成效果評(píng)估：

30、注漿完成48h后，觀察咸水楔形態(tài)變化；在該過程中使用高清相機(jī)18每隔1min拍攝中央反應(yīng)室咸水楔形態(tài)變化；每隔20min從背面取樣口取樣進(jìn)行鹽濃度測(cè)定；注漿完成70h后在截滲墻區(qū)右側(cè)，離淡水室透水隔板約50cm處，用螺旋鉆鉆至砂槽底部50cm深形成井，成井結(jié)束后向井孔中放入亞克力抽水井管。抽水井管設(shè)置為從底端到40cm處每間隔1cm打上1mm孔形成篩管。使用蠕動(dòng)泵以20ml/min速度抽取殘余咸水直至目標(biāo)區(qū)域右側(cè)未出現(xiàn)經(jīng)食品染色劑上色的咸水，停止抽水。觀測(cè)左側(cè)紅色咸水是否會(huì)穿過目標(biāo)區(qū)域重新進(jìn)入右側(cè)淡水區(qū)，從而驗(yàn)證micp型截滲墻防治海水人侵效果。

31、步驟s7、micp型截滲墻升高度過程：

32、抬升海水高度3cm同時(shí)降低淡水高度4cm，使截滲墻失效，咸水從目標(biāo)區(qū)頂部繼續(xù)侵入；此時(shí)截滲墻目標(biāo)區(qū)域變成了離海水室的第一透水隔板（8）30cm~50cm處，高度為20cm；抽注井中活塞操作同上述步驟s5中第二次注漿前活塞調(diào)節(jié)的操作，將活塞下部提升至離井管底部20cm處。注漿環(huán)節(jié)工作同上述步驟s5中第二次注漿環(huán)節(jié)的操作。截滲墻形成效果評(píng)估同上述步驟s6；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，停止海水與淡水的供應(yīng)，使用水泵排空海水室與淡水室的咸淡水；打開滲流槽背部全部取樣口，排出滲流槽多孔介質(zhì)中的咸淡水；待滲流槽中石英砂表面肉眼可見無水分，使用ct掃描儀對(duì)滲流槽內(nèi)部多孔介質(zhì)進(jìn)行孔隙掃描，統(tǒng)計(jì)目標(biāo)區(qū)域孔隙度，評(píng)估注漿堵塞孔隙效果。

33、本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比使其具有以下有益效果：（1）該裝置可以應(yīng)對(duì)不同海水入侵程度、咸水楔的長(zhǎng)短與高低在不同位置建立尺寸、形狀不一的微生物反應(yīng)截滲墻。

34、（2）截滲墻建立后，面對(duì)氣候變化及地下水位變化使得先前建設(shè)的截滲墻失效，該裝置與方法可以通過改變抽注井的篩管位置改變微生物液的注入含水層位置從而加高截滲墻達(dá)到抵御海水入侵效果。

35、（3）該裝置與方法相較于傳統(tǒng)的混凝土截滲墻，對(duì)含水層介質(zhì)無需進(jìn)行開挖擾動(dòng)，通過鉆孔成井的方式?jīng)]有坑壁坍塌導(dǎo)致施工困難問題。

36、（4）該裝置與方法使用鉆孔成井的方式對(duì)含水層介質(zhì)擾動(dòng)性小，對(duì)實(shí)驗(yàn)干擾更小，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

37、（5）該裝置可以從實(shí)驗(yàn)室尺度模擬向?yàn)I海含水層注入微生物膠結(jié)液，使其堵塞含水層介質(zhì)孔隙，達(dá)到防治海水入侵效果。該裝置中的注水井可以實(shí)現(xiàn)加壓與負(fù)壓，抽水井可實(shí)現(xiàn)定向位置抽水，可以定向使微生物膠結(jié)液沉積碳酸鈣堵塞目標(biāo)區(qū)域孔隙形成截滲墻。創(chuàng)新了抵御海水入侵截滲墻的新型形成方法，相較于傳統(tǒng)的建立混凝土截滲墻或者填充黏土，micp技術(shù)形成截滲墻抵御海水入侵技術(shù)工程成本投入更低，工期也可以更短。

38、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述部分中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。