内压对含软弱夹层盐岩储库稳定性影响的研究

喻 超，黄小兰，，马洪岭

(1.武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉430023;2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室，湖北武汉430071)

盐岩结构致密，孔隙率低，渗透一般小于10-20m2，力学方面具有良好的蠕变性可以保证洞库的密封性，损伤与自我恢复的稳定力学性能可适应储存压力的变化，被世界各国公认为能源储存和高放射核废料处置的理想介质。西方发达国家都已建起大量盐岩地下储气(油)库，用于国家战略能源储备和商业油气储备。我国地下盐岩资源十分丰富，分布范围广，埋藏于地下数十米至4000米，具有良好的建设地下能源储存或废弃物处置库的地质条件。但与发达国家巨盐丘构造的盐岩矿床相比，我国盐岩层具有层数多、杂质多的特点，盐岩为层状分布，内含多个泥岩、泥质硬石膏夹层［1］。由于与国外盐岩矿床地区条件不一致，因此，在我国特殊地层中建腔进行长期能源储存面临更加复杂的力学和技术问题。

互层盐岩体存在层状不均匀岩性问题和不同岩层之间差异变形问题［2］，盐岩与夹层间存在的力学特性差异及变形不协调，会造成两种岩性交界处的剪切破坏，影响储库安全性［3］。蠕变试验研究认为，层状盐岩蠕变过程中泥岩层对盐岩层的蠕变有一定抑制作用，在盐岩层及夹层交界面上将因蠕变率不匹配而产生变形不协调现象，从而影响油气储库的致密、长期稳定性和安全性［4］。本文在前期学者试验研究和理论分析基础上，从数值模拟角度，对含不同夹层厚度盐岩储库的稳定性进行分析，考虑不同恒压长期蠕变情况下，探究腔体内压及夹层厚度对腔体收缩率、塑性区发展等的影响。

1 盐岩储库稳定性评判标准

通常地下洞室的稳定性准则主要以相对收敛变形、收敛变形速率、塑性区范围大小和拱顶是否发生较大塌落等标准进行判断。如浅埋大跨度的地下工程一般以塑性区面积、最大塑性区半径、拉裂破坏区面积以及顶部相对下沉量为标准;埋深大、围岩完好的隧道一般以最大允许位移为评判标准。

盐岩作为一种特殊的岩体，其层状复合体表现出与普通层状岩体不一样的破坏状态，且采用水溶开挖形成的洞室不可能采用传统的支护结构增加洞室的稳定性及限制围岩的位移，其稳定性评判准则与其他岩体有一定的差别。目前对盐岩地下储库的稳定性评判内容包括［5-7］：局部稳定性，整体稳定性及可使用性。整体稳定性主要指储库群腔间矿柱的稳定性，是保障储库正常运营生产的关键。矿柱设留太大，会浪费大量盐岩资源，影响经济效果。如果设留太小，则会突跳失稳破坏，从而导致顶板大面积破坏，致使群腔报废。局部稳定性评判标准则包括无拉应力准则，以及盐岩的剪胀破坏准则。可使用性包括三个方面：腔体体积收缩率，地面沉降以及储库的密封性。运行期间由于盐岩的蠕变使得体积发生收敛减少影响其调峰能力，甚至不能正常使用，因此腔体的体积收缩率要保证小于某个值。储库在储存压力的变化和上覆岩层的压力作用下发生变形，将会引起地面沉降，进而引起地面建筑物的损坏，因此地面沉降亦应控制在一定范围之内。密封性是保证运行期间储库中的油、气不泄漏。虽然盐岩自身具有优越的力学性能，但盐岩与夹层间存在的力学特性差异及变形不协调，在长期交替压力运行条件下会造成两种岩性交界处的剪切破坏，进而影响油气储库的致密、长期稳定性和安全性。

目前虽对盐岩储库稳定性评判有了一些研究，但在各国还没有统一的标准和设计规范，多数做法是根据具体的储库及其岩体力学特性，预先设置储库稳定性的一些标准，然后通过试验研究获得所需参数，最后通过数值计算确定储库的稳定性。

2 层状盐岩储库稳定性模拟计算分析

2.1 计算模型及参数选取

为比较分析不同夹层厚度对盐岩腔体稳定性的影响，笔者建立了圆柱形储库的单腔三维模型，模型以夹层的中心为坐标原点(距地表1000 m，即腔体中心埋深)，夹层厚度分别取为2 m，4 m，6 m三种工况，腔体高度为60 m，腔体直径30 m，腔体上部盐岩厚度120 m，下部盐岩厚度120 m，腔外岩体直径200 m。考虑到问题的轴对称性，数值模拟过程中选取四分之一腔体作为研究对象，侧面约束其相应的横向位移，底面约束其竖向位移，顶面施加均布荷载，荷载的大小等于模型上部岩体的自重。所建模型的计算网格划分情况如图1所示。

图1 计算模型网格划分

静力计算选用Mohr-Coulomb模型。取层状盐岩体的地应力为静水压状态，在约束相应边界并施加上覆岩层静压力之后，求解初始应力场。随后对腔壁及夹层表面施加静压力，对腔体部分进行开挖。腔体开挖后，取腔内气体压力分别为5 MPa，10 MPa，15 MPa，20 MPa四种工况长期蠕变。盐岩和夹层的蠕变模型，采用幂函数指数模型。

A，n—材料特性;

结合相关地质资料，盐岩密度取2.30 g/cm3，夹层密度取2.50 g/cm3，重力加速度取9.8 N/kg。盐岩和泥岩夹层力学参数及蠕变参数选取如表1所示。

表1 数值计算力学参数［6］

2.2 腔体收缩率计算结果分析

研究工作表明盐岩即使在非常小的偏应力作用下，也具有流变特性;盐岩的蠕变速率是偏应力和温度的高阶非线性函数［8-12］。即只要盐岩储存库应力存在差值，盐岩溶腔体积减少就不可避免。图2给出了不同内压工况条件下腔体含不同夹层厚度时流变20年体积收缩率对比情况。

图2 不同内压下含不同夹层厚度腔体蠕变收缩率对比

从图2对比曲线发现：恒定内压下，随着夹层厚度的增大，腔体收缩率呈略微上涨，影响并不显著，且随内压的增大，影响值愈小。蠕变20年，夹层厚度对腔体收缩率的影响最大值发生在内压为5 MPa时，腔体收缩率分别为45.57%(夹层厚2 m)，46.27%(夹层厚4 m)，46.96%(夹层厚6 m)，最大差值1.39%;当内压为20 MPa时，腔体收缩率分别为0.412%(夹层厚 2 m)，0.424%(夹层厚 4 m)，0.435%(夹层厚6 m)，最大差值不足0.03%。

考虑到相同内压条件下夹层厚度对腔体收缩率的影响并不太，现选取夹层厚度为4 m情况时，对腔体收缩率随内压的变化情况进行分析。如图3及表2所示。

图3 不同恒定内压下腔体体积收缩率随时间变化曲线

表2 不同内压不同时间腔体体积收缩率 /%

从图3及表2可以看出，在恒定内压作用下，溶腔体积收缩率随时间而增加，但增长率呈下降趋势;随着内压增加，相同时间段内腔体收缩率显著减少，当内压为20 MPa时，腔体甚至在前1.5年时间内出现了扩张，20年流变腔体收缩率仅为0.42%(当内压为5 MPa时，腔体收缩率高达46.27%)，可见增加内压对腔体的体积减少有明显的抑制作用。从保持腔体体积考虑，在储气库运行期间，维持较高的运行压力，尽可能降低低压下运行时间，对腔体的可用性是有利的。

体积收缩率是保证溶腔储库正常运营的关键指标之一。储库在运行期间，由于盐岩的蠕变使得体积发生收敛，进而影响储库的正常使用。目前通常规定储库运行5年后腔体体积收缩率控制在5%范围之内作为储库稳定性评价标准［5，6］。由表 2可知，当内压大于10 MPa时，从收缩率角度评价，腔体满足稳定性要求。

2.3 塑性区及位移矢量计算和分析

根据计算结果，随夹层厚度增加，夹层位置处变形呈增大趋势，但随内压的增加，这种变形增大趋势明显减小，内压达到15 MPa时，影响值已不明显;围岩塑性区对夹层厚度的变化反应并不明显。现以夹层厚度为4 m情况进行分析，如图4所示。

图4 不同内压时20年蠕变围岩塑性区及位移矢量分布

由4图可以发现，随着溶腔内压的增加，腔周塑性区及位移量明显减小。当腔体内压达到或超过10 MPa时，溶腔围岩已无明显破损区，说明溶腔内压大小对腔体的稳定性有较大影响。从位移矢量分布图可以看出，较大的位移主要集中在腔体开挖面上，向腔内方向移动，从开挖面到围岩内部，位移逐渐减小。由于泥岩强度和刚度相对盐岩均较低，因此在夹层位置变形较大。另外在腔体底面和顶面均出现较大位移，且愈靠近腔体中心位移愈大，这可能导致大幅度的底板隆起和地表沉降。

3 结论

本文建立了含不同夹层厚度的圆柱形储库单腔模型，考虑不同恒压作用下长期蠕变，分析了运行内压及软夹层厚度对盐岩腔体稳定性的影响，得到以下基本结论。

3.1 在恒定内压作用下，溶腔体积收缩率随时间而增加，增长率呈下降趋势;随着内压增加，相同时间段内腔体收缩率显著减少。因此在储气库运行期间，维持较高的运行压力，尽可能降低低压下运行时间，对腔体的可用性是有利的。

3.2 随着溶腔内压的增加，腔周塑性区明显减小;当腔体内压达到一定值时(本文为10 MPa)，溶腔围岩已无明显破损区，说明溶腔内压大小对腔体的稳定性有较大影响。

3.3 同恒压作用下，随着夹层厚度在一定范围内增长(本文夹层厚度最大值与最小值比值为3)，腔体收缩率呈略微上涨，影响并不显著，且随内压的增大，影响值愈小。

3.4 随夹层厚度增加，夹层位置处变形呈增大趋势，但随内压的增加，这种变形增大趋势明显减小，当内压达到一定值时(本文为15 MPa)，影响值已不明显;而围岩塑性区对夹层厚度的变化反应并不明显。

3.5 腔体较大位移主要集中在开挖面上，向腔内方向移动，从开挖面到围岩内部，位移逐渐减小;因夹层力学特性与盐岩不匹配，夹层位置出现较大变形。

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