，， ，

(1．海工英派爾工程有限公司， 山東 青島 266061；2．黃島國(guó)家石油儲(chǔ)備基地有限責(zé)任公司， 山東 青島 266510； 3．武警水電第七支隊(duì)， 武漢 430223)

1 地下水封洞庫(kù)水幕系統(tǒng)特點(diǎn)

近幾十年來(lái),隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,能源問(wèn)題的日益突出,建立必要的石油儲(chǔ)備體系不僅是保障國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)安全、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的必要手段,更是平抑油價(jià)、穩(wěn)定供求關(guān)系的有效手段。中國(guó)作為一個(gè)石油消費(fèi)大國(guó),目前凈進(jìn)口量超過(guò)了我國(guó)石油消費(fèi)量的30%,預(yù)計(jì)2020年達(dá)到50%以上,建立必要的國(guó)家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備是非常必要的[1-4]。

石油儲(chǔ)備從儲(chǔ)存設(shè)施和形式上可分為陸上儲(chǔ)罐、地下儲(chǔ)罐、地下洞庫(kù)等。由于地下水封洞庫(kù)存儲(chǔ)相對(duì)于其他存儲(chǔ)方式具有占地少、投資少、損耗少、污染小、運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用低、安全性能高、裝卸速度快等優(yōu)點(diǎn),這種儲(chǔ)油方式已被越來(lái)越多的國(guó)家采用,美國(guó)、日本、德國(guó)、芬蘭、瑞典、法國(guó)等國(guó)都已建成并投入運(yùn)營(yíng)。水幕系統(tǒng)設(shè)置與否直接影響地下水封洞庫(kù)的水封效果，但水幕系統(tǒng)洞室截面相對(duì)較小，大型施工機(jī)械無(wú)法進(jìn)入施工，因而水幕系統(tǒng)的施工具有施工工序復(fù)雜、工期長(zhǎng)、成本高的特點(diǎn)。因此，設(shè)置水幕系統(tǒng)的必要性也就成為地下水封洞庫(kù)的研究課題之一[5-7]。

2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)案例

2.1 國(guó)外案例

目前,在世界范圍內(nèi)已建造了200多座地下水封石洞儲(chǔ)油庫(kù),主要分布在斯堪的納維亞半島、韓國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)和沙特等。上世紀(jì)50—60年代在國(guó)際上建造的地下洞庫(kù)由于規(guī)模較小，所選庫(kù)址都是在海邊，石油庫(kù)一般按常壓庫(kù)設(shè)計(jì)，即使操作過(guò)程中有少量油氣泄漏，但未引起足夠重視，所以當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)一般都沒(méi)有設(shè)水幕系統(tǒng)。

瑞典斯德哥爾摩市附近一煉油廠的260萬(wàn)m3的地下洞庫(kù)，距海邊約2 km，該庫(kù)始建于上世紀(jì)70年代，采用的操作巷道模式，即操作豎井設(shè)在操作巷道內(nèi)。洞室設(shè)在海平面下30 m，操作巷道底距洞室頂30 m，當(dāng)時(shí)沒(méi)設(shè)水幕系統(tǒng)。于1999年發(fā)現(xiàn)該庫(kù)有氣體泄漏現(xiàn)象，現(xiàn)已停用，正準(zhǔn)備增設(shè)水幕。具體方案是利用原操作巷道做水幕巷道，打水平水幕孔，操作系統(tǒng)另外做。

韓國(guó)在濟(jì)州島建造地下水封石洞油庫(kù)的試驗(yàn)庫(kù)，洞室的埋深在海平面30 m以下，洞室分3個(gè)獨(dú)立的洞罐，1號(hào)洞罐未設(shè)水幕系統(tǒng)，2，3號(hào)洞罐設(shè)有水幕系統(tǒng)，區(qū)域的巖性為花崗巖。建設(shè)方對(duì)1，2，3號(hào)洞罐的監(jiān)測(cè)井進(jìn)行了為期2 a的水位和水質(zhì)測(cè)量，結(jié)果表明1號(hào)洞罐未設(shè)水幕系統(tǒng)區(qū)域的苯系化合物和多環(huán)芳烴的濃度比2,3號(hào)洞罐要高很多，其地下水位線比其他2個(gè)洞罐低。

2.2 國(guó)內(nèi)案例

象山地下油庫(kù)位于浙江省象山市石浦鎮(zhèn)，該地下油庫(kù)于1973年設(shè)計(jì)施工，1976年裝油投產(chǎn)，現(xiàn)隸屬中石化銷售公司浙江分公司，為中轉(zhuǎn)型經(jīng)營(yíng)油庫(kù)?？?cè)萘繛?萬(wàn)m3，建有2組2萬(wàn)m3地下水封巖洞油罐，儲(chǔ)存柴油。洞罐采用“圓趾斜墻拱頂”罐型，長(zhǎng)75 m，底寬16 m，高20 m，頂拱矢高4 m，趾部倒圓角，倒角半徑2 m。側(cè)墻自下而上向內(nèi)傾斜，坡度5%，罐頂標(biāo)高-5 m，兩洞罐間距30 m，未設(shè)置水幕系統(tǒng)。運(yùn)營(yíng)初期有油氣泄漏和洞室間串油現(xiàn)象，但由于當(dāng)?shù)亟邓S沛，地表水資源也較豐富，水封作用得以維持，未造成嚴(yán)重的油品泄漏事故。

由以上幾個(gè)國(guó)內(nèi)外案例可以看出，對(duì)于地下水封洞庫(kù)特別是大型地下水封洞庫(kù)，設(shè)置水幕系統(tǒng)是保證水封效果的一個(gè)最有效的措施。在我國(guó)現(xiàn)行的《地下水封石洞油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中，對(duì)于水幕系統(tǒng)的設(shè)置也做出了明確的規(guī)定。

3 理論計(jì)算研究

3.1 工程概況

以在建某大型地下水封洞庫(kù)為例，改洞庫(kù)總庫(kù)容量為300萬(wàn)m3, 共分為3個(gè)洞罐組，每組洞罐由3個(gè)主洞室組成，主洞室設(shè)計(jì)底板面標(biāo)高為-50 m，長(zhǎng)度為484～717 m不等，設(shè)計(jì)洞跨20 m，洞高30 m，截面形狀為直墻圓拱形。主洞室壁與相鄰施工巷道壁之間設(shè)計(jì)間距為25 m，2個(gè)主洞室之間設(shè)計(jì)間距為30 m。主洞室頂面以上25 m設(shè)置5條水幕巷道，垂直主洞室方向布置，設(shè)計(jì)洞跨為5 m，洞高為4.5 m。

3.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本工程的工程地質(zhì)勘察資料，按巖性并考慮對(duì)洞庫(kù)的影響程度，各層圍巖的分類及各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock mass

3.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)該地下水封洞庫(kù)工程水資源報(bào)告，該區(qū)山丘1980—2000年期間降水入滲補(bǔ)給量的多年平均值即為該山丘多年平均地下水資源量，得出該區(qū)多年平均降水入滲補(bǔ)給量為53.8 mm，該區(qū)多年年平均降水量為736.2 mm，降水入滲系數(shù)為0.073。由此可見，該區(qū)降水入滲補(bǔ)給地下水的量是相當(dāng)少的，主要降水都通過(guò)地表徑流排泄至水塘或水庫(kù)。該區(qū)巖體滲透系數(shù)在1×10-3～1×10-5m/d。多數(shù)區(qū)域滲透系數(shù)量級(jí)在1×10-4m/d 左右。

3.4 建模分析計(jì)算

洞室開挖引起地應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致徑向應(yīng)力的減小和切向應(yīng)力的增大。當(dāng)洞室開挖在水位以下進(jìn)行時(shí)，地下水與洞室圍巖將發(fā)生相互作用：應(yīng)力狀態(tài)改變引起的圍巖體積變化導(dǎo)致孔隙水壓力的變化，而孔隙水壓力的變化反過(guò)來(lái)又將影響圍巖的應(yīng)力狀態(tài)?？紫端畨毫εc圍巖應(yīng)力狀態(tài)的相互作用符合有效應(yīng)力原理。在這里流動(dòng)方程可取為

(1)

式中：Kx，Ky，Kz分別為x，y，z方向的滲透系數(shù)；H為總水頭；Q為流量；mw為阻流系數(shù)；γw為水的重度；z為標(biāo)高；t為時(shí)間。

考慮洞庫(kù)開挖引起的應(yīng)力和地下水的耦合作用，采用ABAQUS軟件進(jìn)行建模分析。洞室圍巖被視為各向同性的等效連續(xù)孔隙介質(zhì)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，描述介質(zhì)連通性的滲透系數(shù)取值為1×10-3～1×10-5m/d，力求可以涵蓋洞庫(kù)圍巖的連通性。其中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果滲透系數(shù)為1×10-4m/d的工況為代表性工況。由于洞庫(kù)洞室長(zhǎng)度(500～600 m)遠(yuǎn)大于洞室截面尺寸(20～30 m)，視為平面應(yīng)變問(wèn)題求解。洞庫(kù)截面網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 洞庫(kù)截面網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Meshes of the section of the storage cavern

按照地表起伏情況，指定初始地應(yīng)力場(chǎng)和孔隙水壓力場(chǎng)。圖2為考慮地表起伏情況下獲得的初始豎向應(yīng)力分布情況，圖3為初始孔隙水壓力分布情況。從圖2、圖3中可以看出，初始豎向應(yīng)力和孔隙水壓力分布與地表起伏情況相關(guān)：在同一高程埋深較大部位，初始豎向應(yīng)力和孔隙水壓力比其他部位高。

圖2 洞庫(kù)初始豎向應(yīng)力分布Fig.2 Distribution of initial vertical stress in the cavern

圖3 洞庫(kù)初始孔隙水壓力分布Fig.3 Distribution of initial pore waterpressure in the cavern

由水文地質(zhì)條件可知，本研究中滲透系數(shù)選取1×10-4m/d，用以最大限度地反映地下水位的變化情況。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，洞庫(kù)圍巖的飽水密度取為2.78×103kg/m3，孔隙比取為0.6%。洞庫(kù)開挖后3，10，50 a地下水壓力的分布圖見圖4。

圖4 洞庫(kù)開挖3，10，50 a后地下水壓力分布Fig.4 Distribution of groundwater pressure after the excavation for 3, 10, and 50 years

從圖中可以看出，洞庫(kù)的開挖引起了洞庫(kù)上方山丘地下水壓力的下降，地下水壓力下降表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

(1) 由于排水路徑較短，洞庫(kù)左側(cè)地下水壓力下降較快；

(2) 隨著時(shí)間增長(zhǎng)，各工況地下水壓力下降均較為明顯；

(3) 開挖50 a后，主洞室拱頂部分地下水壓力為0，這說(shuō)明地下水位線基本上降到了主洞室的拱頂以下，水封作用效果降低，發(fā)生泄露事故的可能性將增大。

4 結(jié) 語(yǔ)

在地下水封石洞油庫(kù)建設(shè)中，一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題是地下水位要滿足地下水封石洞油庫(kù)密封性要求，這樣才能產(chǎn)生較好的水封效果。本研究運(yùn)用孔隙介質(zhì)流固耦合理論，開展了無(wú)水幕巷道條件下地下水封石洞油庫(kù)工程地下水流場(chǎng)變化特點(diǎn)研究，重點(diǎn)分析了無(wú)水幕條件下地下水位變化情況，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外已建成的洞庫(kù)工程案例，得到如下結(jié)論：

(1) 在不設(shè)置水幕系統(tǒng)的條件下，洞庫(kù)地下水位隨時(shí)間增加而降低，若地下水水位線降到主洞室頂板以下，水封作用將大大降低，發(fā)生泄露事故的可能性將增大。一旦發(fā)生滲漏事故將會(huì)污染地下水，使洞庫(kù)區(qū)甚至更大區(qū)域的生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。

(2) 近些年發(fā)生極端氣候的幾率不斷增加，在洞庫(kù)運(yùn)營(yíng)期不排除發(fā)生重大旱災(zāi)的可能性，在不設(shè)置水幕系統(tǒng)的情況下，若地下水源得不到有效的供給，將會(huì)嚴(yán)重地影響水封效果，對(duì)洞庫(kù)的運(yùn)營(yíng)造成不利影響。

(3) 從國(guó)內(nèi)外地下水封洞庫(kù)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)以及我國(guó)現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可知，地下水封洞庫(kù)特別是大型的地下水封洞庫(kù)設(shè)置水幕系統(tǒng)是十分必要的。

(4) 由于洞室爆破開挖使圍巖節(jié)理、裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，使得洞室群周圍的圍巖滲透系數(shù)增大，因此在主洞室開挖時(shí)，可運(yùn)用超前注漿等工程手段對(duì)主洞室圍巖中存在的節(jié)理、裂隙進(jìn)行封堵，這樣能有效地減小運(yùn)營(yíng)期主洞室的涌水量，減小地上循環(huán)水場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)壓力，降低運(yùn)營(yíng)成本。

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