摘要：

為研究地下油氣儲(chǔ)存洞庫(kù)水幕孔滲控處理方法及效果，結(jié)合實(shí)際工程案例，通過(guò)滲流計(jì)算分析，預(yù)測(cè)工程巷道充水情況及不同水位條件下的滲水量，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展水幕孔示蹤和滲控處理試驗(yàn)，分析灌漿前后圍巖滲透特性。采用三維滲流數(shù)值分析方法，研究了施工期地下水封石油洞庫(kù)的滲流場(chǎng)及涌水量受水位初始高程和水幕供水壓力的影響，結(jié)果表明：主洞室洞壁（含頂板和底板）揭露的裂隙與結(jié)構(gòu)面越多，涌水量越大，地下水位和水幕孔補(bǔ)水壓力降低和水幕孔的滲控處理可以大幅減少洞庫(kù)的涌水量；現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展水幕孔示蹤試驗(yàn)可為下一步洞室注漿及滲控方案提供依據(jù)；結(jié)構(gòu)面灌漿對(duì)圍巖滲透性的密封效果得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：

地下水封洞庫(kù)； 滲控處理； 水幕孔； 滲透性； 數(shù)值計(jì)算

中圖法分類號(hào)：TE972

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.013

文章編號(hào)：1006-0081（2023）04-0076-06

0 引 言

石油的儲(chǔ)存方式主要分為地上鋼罐、土中罐、覆土罐和地下洞庫(kù)等［1］。其中，地下油氣儲(chǔ)存洞庫(kù)因安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，成為油氣儲(chǔ)備的首選方式［2］，但基礎(chǔ)應(yīng)用理論和工程實(shí)用經(jīng)驗(yàn)方面還較薄弱。如山東黃島庫(kù)、遼寧錦州庫(kù)、廣東惠州庫(kù)等第一批國(guó)內(nèi)大型石油洞庫(kù)建設(shè)，都是在必要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善的情況下，直接進(jìn)入工程實(shí)踐階段［3-5］。尤其對(duì)于滲控處理，在規(guī)范、文獻(xiàn)和技術(shù)認(rèn)識(shí)方面非常有限。結(jié)合實(shí)際工程建設(shè)案例總結(jié)有利于地下水封洞庫(kù)滲控的系列措施，可為今后類似工程提供理論及實(shí)踐參考。

地下油封洞庫(kù)施工過(guò)程中常遇透水裂隙，裂隙突然透水可能導(dǎo)致整個(gè)洞庫(kù)滲水量急劇增加，相關(guān)工程處理措施很難達(dá)到理想效果，易出現(xiàn)堵好后滲水偏移現(xiàn)象，還可能導(dǎo)致地下水位大幅下降的不利局面，洞庫(kù)滲水量預(yù)測(cè)成為水封效果評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容［6］。對(duì)于大型石油洞庫(kù)，庫(kù)區(qū)面積范圍超過(guò)1 km2，現(xiàn)有的勘測(cè)和檢測(cè)手段不具備提前查明主要滲水裂隙能力。GB 50455-2008《地下水封石油洞庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出“滲水水量每 100萬(wàn)m3庫(kù)容不宜大于100 m3/d”。目前對(duì)巖體滲流的分析手段仍基于等效連續(xù)介質(zhì)思路，而針對(duì)巖體中的結(jié)構(gòu)面裂隙網(wǎng)絡(luò)的概化和滲透性問(wèn)題還缺乏有效測(cè)試手段，導(dǎo)致所采用的模型、參數(shù)和分析方法與洞庫(kù)巖體滲流的實(shí)際情況間存在差異［7-10］，不能滿足實(shí)際工程需要。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，通過(guò)滲流計(jì)算與分析，得出本工程巷道充水情況及不同水位條件下的滲水量，為后續(xù)滲水處理工作和污水處理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概述

本地下水封洞庫(kù)位于廣東省廉江市良垌鎮(zhèn)西南8 km處，洞庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容500萬(wàn)m3。地下工程主要包含3條施工巷道、10個(gè)主洞室、16個(gè)豎井及8條水幕巷道。洞庫(kù)場(chǎng)區(qū)屬波狀平原及濱海地帶，剝蝕殘丘地形，庫(kù)區(qū)自然高程為-0.49～35.23 m。庫(kù)區(qū)內(nèi)的地層巖性主要以燕山中晚期煌斑巖脈、花崗偉晶巖脈、長(zhǎng)英質(zhì)細(xì)脈等各種巖脈為主。庫(kù)址周邊發(fā)育3條水系（圖1），庫(kù)址南側(cè)發(fā)育的西河自西向東徑流入海，河面寬約200 m，水面高程0～1 m，水深3.0～5.0 m，水位受潮汐影響較大，離洞庫(kù)最近距離約0.59 km；庫(kù)址東側(cè)發(fā)育的東河呈北東向展布，河面寬約180～540 m，水面高程0～1 m，離洞庫(kù)最近距離約1.95 km；東河與西河交匯口位于庫(kù)址西南側(cè)，水面高程0～1 m，離洞庫(kù)最近距離約1.3 km；庫(kù)址西側(cè)發(fā)育的排干河，呈南北向展布，水面寬度10～20 m，水面高程不詳，離洞庫(kù)最近距離約1.34 km。庫(kù)址區(qū)處于南方富水沿海平原地區(qū)，主洞室埋深在海平面以下80～110 m，地表水豐富。庫(kù)址區(qū)裂隙多為張性裂隙，導(dǎo)水性強(qiáng)，連通性好，洞室底板滲水多為脈狀承壓地下水。

對(duì)各主洞室頂拱與邊墻所有滲水部位的滲水進(jìn)行實(shí)測(cè)，繪制施工期洞室涌水量歷史變化曲線。由圖2可知，2017年初前，施工巷道開(kāi)挖過(guò)程中洞室的總涌水量約6 000～6 500 m3/d；2018年初主洞室頂層開(kāi)挖基本完成，中、下層開(kāi)挖過(guò)程中，洞室的總涌水量達(dá)到峰值，約8 000～9 000 m3/d；2018年10月至2022年，隨著對(duì)主洞室與巷道的滲水處理，洞室總涌水量降至約2 600～3 000 m3/d，施工期洞室總涌水量遠(yuǎn)超前期測(cè)算。

2 滲控處理難點(diǎn)及要求

根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件調(diào)查，實(shí)際揭露的滲水結(jié)構(gòu)面數(shù)量多、分布范圍廣、延伸長(zhǎng)，局部洞段發(fā)育密集，多為張性裂隙，其導(dǎo)水性強(qiáng)、連通性好、滲水量大，需進(jìn)行注漿處理，處理工程量及難度大；Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與其他滲水結(jié)構(gòu)面相互交錯(cuò)連通，優(yōu)勢(shì)方向不明顯，裂隙寬度不一，滲水不規(guī)律，滲控處理難度大；洞室底板滲水多為脈狀承壓地下水，相當(dāng)于在壓力水條件下進(jìn)行滲控處理，是滲控工程的難點(diǎn)；受洞室開(kāi)挖疏水影響，靠近洞室的觀測(cè)孔水位持續(xù)較低；因水文地質(zhì)條件復(fù)雜，按現(xiàn)有滲控處理工藝與技術(shù)水平處理后，滲控工程處理量與處理時(shí)間增加。

根據(jù)詳勘成果和國(guó)內(nèi)外同類工程圍巖裂隙滲水處理的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，確定了裂隙滲水處理的原則、措施與標(biāo)準(zhǔn)。其中，滲水處理以涌水量控制為原則，處理后的洞灌表面允許有滲水點(diǎn)，但不應(yīng)有線流和漏泥砂，平均滲水量應(yīng)不大于2 L/（m2·d），任意100 m2的平均滲水量應(yīng)不大于4 L/（m2·d）。以具有水流或連續(xù)滴水的斷層為重點(diǎn)進(jìn)行注漿封堵，盡可能減少地下水位降落值。為減少毛細(xì)裂隙水的釋放量，對(duì)洞室表層采用噴混凝土處理，對(duì)面狀或斑狀濕潤(rùn)狀況出流的裂隙不進(jìn)行注漿封堵。為控制洞底有壓流并有效減少洞庫(kù)滲漏水量，在主洞室底板鋪設(shè)一層厚0.1 m的C15素混凝土。為預(yù)防西河與庫(kù)區(qū)存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系通道而造成涌水、突水事件，開(kāi)挖過(guò)程中根據(jù)實(shí)際揭露的地質(zhì)條件適時(shí)進(jìn)行防滲帷幕施工。

3 洞室涌水量數(shù)值分析與預(yù)測(cè)

3.1 數(shù)值模型

為研究地下水封石油洞庫(kù)的滲流場(chǎng)及涌水量，采用三維有限差分法對(duì)整個(gè)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行建模分析，同時(shí)考慮水幕巷道和主洞開(kāi)挖后地下水非恒定滲流過(guò)程對(duì)地下水位的影響。三維數(shù)值模型的原點(diǎn)為主洞室一西南角，Y軸正方向?yàn)楸逼珫|10°，高程與實(shí)際高程一致；三維數(shù)值模型的大小為1 900 m×2 000 m，庫(kù)區(qū)位于數(shù)值模型中間，東西南北模型邊緣4個(gè)方向距離庫(kù)區(qū)約500 m左右；模型最低高程為-270 m，洞庫(kù)頂部最大高程-80.0 m，洞庫(kù)底板高程-110.0 m；洞庫(kù)區(qū)存在3條較大規(guī)模的斷層，分別為F1，F(xiàn)2和F3，考慮到F1穿過(guò)洞庫(kù)區(qū)外北邊，且F1處水位穩(wěn)定，三維數(shù)值計(jì)算模型只考慮F2和F3對(duì)滲流場(chǎng)影響，同時(shí)考慮洞室周圍對(duì)滲流影響較大的105條裂隙，見(jiàn)圖3。數(shù)值模型共有416 812個(gè)節(jié)點(diǎn)，剖分了1 374 147個(gè)單元，見(jiàn)圖4。

3.2 水力學(xué)參數(shù)及計(jì)算工況

當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至微風(fēng)化層3 m時(shí)進(jìn)行提水試驗(yàn)，試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)值維持在10-2～10-3 m/d，該值為中風(fēng)化及以上巖土體滲透系數(shù)，前期該層地下水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算時(shí)采用值1.728×10-2 m/d。施工期水幕孔注水-回落試驗(yàn)成果匯總得到水幕孔的平均滲透系數(shù)約為1.728×10-2 m/d，與前期勘察成果基本一致。因此本次計(jì)算選取的中風(fēng)化及以上巖土體滲透系數(shù)為1.728×10-2 m/d。從鉆孔的壓水試驗(yàn)成果來(lái)看，微風(fēng)化巖體的滲透系數(shù)大多集中在10-3～10-2 m/d，極少量達(dá)10-4～10-6 m/d，且大多數(shù)的鉆孔在-70～-80 m標(biāo)高處，滲透系數(shù)達(dá)到最大值10-1 m/d，說(shuō)明洞庫(kù)區(qū)-120 m標(biāo)高以上導(dǎo)水構(gòu)造較發(fā)育，尤其是-70～-80 m標(biāo)高部位。勘測(cè)期洞庫(kù)涌水量分析預(yù)測(cè)時(shí)，滲透系數(shù)取值9×10-4 m/d，本次計(jì)算微風(fēng)化巖體滲透系數(shù)也取為9×10-4 m/d。為計(jì)算地下水位供水壓力對(duì)滲水量的影響，具體計(jì)算工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

施工期對(duì)注漿孔進(jìn)行了簡(jiǎn)易壓水實(shí)驗(yàn)，根據(jù)對(duì)試驗(yàn)成果的匯總分析，得出不同等級(jí)結(jié)構(gòu)面灌漿前、后的綜合透水率。計(jì)算模擬時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)面透水率進(jìn)行概化處理，即對(duì)不同等級(jí)結(jié)構(gòu)面的透水率按表2取值。

3.3 涌水量及地下水位形態(tài)分析

3.3.1 水幕孔高壓補(bǔ)水條件

計(jì)算分析水幕孔高壓補(bǔ)水條件下涌水量及地下水位形態(tài)。考慮模型的對(duì)稱性，模型四周為隔水邊界，施工期水幕廊道邊界孔隙水壓力為 0，水幕孔內(nèi)注水壓力變化不考慮大氣降水補(bǔ)給。工況1初始地下水按主洞室頂層開(kāi)挖完成時(shí)的實(shí)際地下水位觀測(cè)值擬合確定?？紤]910個(gè)水幕孔未封堵，實(shí)際補(bǔ)水壓力為0.5 MPa。施工期水幕巷道及施工巷道內(nèi)未充水。工況1計(jì)算結(jié)果表明：洞庫(kù)總涌水量約16 989 m3/d，其中1號(hào)和6號(hào)主洞室涌水量分別為2 006 m3/d和2 249 m3/d，為滲漏量最大的兩個(gè)洞室；2，3，4號(hào)和8號(hào)主洞室涌水量分別為1 049，1 499，1 423 m3/d和1 465 m3/d，單洞涌水量相對(duì)較少；5號(hào)、7號(hào)和9號(hào)主洞室涌水量為1 724 m3/d、1 996 m3/d和1 876 m3/d。主洞室洞壁（含頂板和底板）揭露的裂隙與結(jié)構(gòu)面越多，涌水量越大，例如1，5，6，7號(hào)主洞室。圖5～6為工況1條件下5號(hào)主洞室剖面和中間橫截面（Y=450 m）孔隙水壓力分布圖。由圖可知：裂隙分布的不均勻性導(dǎo)致水壓力分布不均，由于水幕孔補(bǔ)水壓力較高（達(dá)到0.5 MPa），水幕巷道高程附近巖體中的水壓力顯著高于主洞室頂部巖體中的水壓力，同時(shí)補(bǔ)水導(dǎo)致裂隙水幕巷道上方局部位置巖體水位出現(xiàn)較大幅度上升，洞室周圍巖體整體處于飽和狀態(tài)。

3.3.2 水幕孔中壓補(bǔ)水條件

計(jì)算分析水幕孔中壓補(bǔ)水條件下涌水量及地下水位形態(tài)。工況2初始水位按目前實(shí)際地下水位觀測(cè)值擬合，地下水位面最低點(diǎn)為-42.5 m。計(jì)算過(guò)程中考慮部分水幕孔已封堵，實(shí)際補(bǔ)水壓力為0.3 MPa。水幕巷道及施工巷道內(nèi)未充水。工況2計(jì)算結(jié)果表明：洞庫(kù)總涌水量在1 061 m3/d左右，1，4號(hào)和5號(hào)主洞室涌水量超過(guò)110 m3/d，分別為117，115 m3/d和110 m3/d；2號(hào)與3號(hào)主洞室涌水量約為86 m3/d和85 m3/d，6號(hào)和7號(hào)主洞室涌水量分別為108 m3/d和104 m3/d；8號(hào)和9號(hào)分別為97 m3/d和99 m3/d；10號(hào)主洞室涌水量最大，為140 m3/d。在現(xiàn)有實(shí)測(cè)水位條件下，水幕孔補(bǔ)水壓力從0.5 MPa降低到0.3 MPa，儲(chǔ)油主洞室的計(jì)算涌水量與工況1相比出現(xiàn)大幅度降低，洞庫(kù)總涌水量?jī)H為工況1的6.2%。這說(shuō)明地下水位的降低、水幕孔補(bǔ)水壓力降低和水幕孔的滲控處理可大幅度減少洞庫(kù)涌水量。圖7～8為工況2條件下5號(hào)主洞室剖面和中間橫截面（Y=450 m）孔隙水壓力分布。從圖中可知裂隙分布的不均勻性導(dǎo)致水壓力分布不均，由于水幕孔補(bǔ)水水幕巷道高程附近孔隙壓力較主洞室頂部巖體中的水壓力更大，但由于出水壓力相對(duì)較低，地下水沿導(dǎo)水結(jié)構(gòu)面上升的高度有限，因此計(jì)算結(jié)果顯示地下水位面相對(duì)平緩，洞室周圍巖體處于飽和狀態(tài)。

4 水幕孔滲控處理過(guò)程及效果分析

4.1 水幕孔有效性試驗(yàn)

根據(jù)施工期水幕孔注水-回落試驗(yàn)成果，孔內(nèi)的巖體滲透性以10-1 m/d（弱透水10-7 m/s≤k＜10-6 m/s）和10-2 m/d（微透水10-8 m/s≤k＜10-7 m/s）兩個(gè)數(shù)量級(jí)為主，見(jiàn)圖9。每個(gè)水幕孔分別通過(guò)水幕孔壓力曲線形態(tài)分析與各階段波動(dòng)指數(shù)分析，將其劃分為正?？?、低效率孔或潛在低效率孔，針對(duì)本庫(kù)址區(qū)單孔注水回落試驗(yàn)揭露的水幕孔滲透系數(shù)普遍較大現(xiàn)象，在孔間連通性好的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)孔，以避免在圍巖較為破碎區(qū)域的孔內(nèi)排泄較大。對(duì)于不連續(xù)分布的低效率孔，若該低效率孔與兩側(cè)正?？椎膲毫η€無(wú)相同變化規(guī)律，則在兩側(cè)補(bǔ)孔，否則只在無(wú)相同規(guī)律的一側(cè)補(bǔ)孔即可；對(duì)于連續(xù)分布的低效率孔，在每個(gè)低效率孔之間補(bǔ)孔；通過(guò)判斷兩端的低效率孔與正?？椎膱R力曲線是否有相同變化規(guī)律決定是否補(bǔ)孔。本工程共計(jì)補(bǔ)孔63個(gè)，補(bǔ)孔率6.8%。

4.2 水幕孔示蹤試驗(yàn)

為驗(yàn)證大流量水幕孔與施工巷道和主洞室的水力聯(lián)系，并為下一步洞室注漿及滲控方案提供依據(jù)，2018年9月開(kāi)始，對(duì)設(shè)計(jì)要求的水幕孔進(jìn)行示蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的示蹤劑均為無(wú)毒環(huán)保的有機(jī)材料（呈綠色），為保證注入的均勻性及一定的注入量以取得預(yù)期的效果，試驗(yàn)設(shè)備采用注漿機(jī)。

試驗(yàn)過(guò)程對(duì)C101，C102，F(xiàn)209，F(xiàn)213，F(xiàn)218，F(xiàn)263和F269共計(jì)7個(gè)水幕孔進(jìn)行了示蹤試驗(yàn)，試驗(yàn)成果如表3所示。

4.3 水幕孔滲控處理試驗(yàn)

因水幕孔深度較大，為盡量達(dá)到滲控處理效果，開(kāi)展了水幕孔滲控處理試驗(yàn)。根據(jù)施工期主洞室布置的注漿孔簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)成果，Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面出露的洞段或區(qū)域透水率基本在2～10 Lu之間，滲透系數(shù)為10-2 m/d；部分區(qū)域透水率超過(guò)10 Lu，滲透系數(shù)不小于10-1 m/d。試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)孔下方洞室有水泥漿液滲出，試驗(yàn)前后觀測(cè)并記錄了洞室的滲水變化情況，具體見(jiàn)表4?；谠囼?yàn)進(jìn)一步優(yōu)化了水幕孔滲控處理的工藝與參數(shù)，檢驗(yàn)了滲控處理效果。

5 結(jié) 論

結(jié)合實(shí)際工程案例，通過(guò)滲流計(jì)算與分析，預(yù)測(cè)工程巷道充水情況及不同水位條件下的滲水量，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展水幕孔示蹤和滲控處理試驗(yàn)，分析灌漿前后圍巖滲透特性，得到如下結(jié)論。

（1） 采用三維滲流數(shù)值分析方法，研究施工期地下水封石油洞庫(kù)的滲流場(chǎng)及涌水量受水位初始高程和水幕供水壓力的影響，結(jié)果表明：主洞室洞壁（含頂板和底板）揭露的裂隙與結(jié)構(gòu)面越多，涌水量越大，地下水位和水幕孔補(bǔ)水壓力降低及水幕孔的滲控處理可大幅度減少洞庫(kù)的涌水量。

（2） 總結(jié)本工程中滲控處理的技術(shù)難點(diǎn)及相關(guān)要求，為驗(yàn)證大流量水幕孔與施工巷道和主洞室的水力聯(lián)系，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展水幕孔示蹤試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果為下一步洞室注漿及滲控方案提供依據(jù)，并通過(guò)水幕孔注水-回落試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)面灌漿對(duì)圍巖滲透性密封效果的影響。

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（編輯：唐湘茜，張 爽）

Seepage control treatment and effectiveness analysis for water curtain holes in underground water-sealed cavern

CHEN Zongguang

（ Powerchina Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410014，China）Abstract：

In order to study the treatment method and effect of water curtain seepage control in underground oil and gas storage caverns，the water filling condition of engineering roadway and seepage discharge under different water level conditions were predicted by seepage calculation and analysis combined with practical engineering examples.The permeability characteristics of surrounding rock before and after grouting were analyzed through field tests of water curtain hole tracing and seepage prevention.The influence of initial elevation of water level and water supply pressure of water curtain on seepage field and water inflow of underground water-sealed petroleum cavern during construction period was studied by using three-dimensional seepage numerical analysis method.The results showed that the more cracks and structural plane exposed in the main chamber wall （including roof and floor），the more water inflow；By reducing the water pressure of the water table and the water curtain hole，and treating the water curtain hole with anti-seepage，the water inflow can be greatly reduced.Field water curtain hole tracer test can provide basis for the next grouting and anti-seepage scheme.The permeability sealing effect of structural plane grouting on surrounding rock was verified.

Key words：

underground water-sealed cavern； seepage control treatment； water curtain hole； permeability； numerical calculation

收稿日期：

2022-06-23

作者簡(jiǎn)介：

陳宗光，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事深部巖體工程災(zāi)害防控的理論研究及實(shí)踐工作。E-mail：214228741@qq.com