水幕参数对地下水封石油洞库的涌水量影响分析

严冬青 任旭华 张继勋 王海军

（1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.南京水利科学研究院，南京 210029）

地下水封洞库的储油方式，自20世纪50年代在瑞典首次应用以来，因具有安全、储存量大、对地面环境影响小、少占耕地、经济、环保等优点，在北欧、韩国、日本等国家和地区已建设若干座类似的油库.我国在20世纪70年代开始陆续设计建设了一批地下水封储油洞库［1］.

早期建设的水封油库一般都未设水幕系统.为了提高水封油库的可靠性，近期新建的大型水封洞库都设有水幕系统.水幕系统的设置可以有效维持洞库顶部的地下水位，确保洞库水封压力长期稳定.洞库的涌水量可以作为评价库址优劣、排水设计的重要参数，过大的涌水还会增加洞库的运营成本.《地下水封石油库设计规范》［1］中规定水封石油库处理后的日涌水量，每100万m3库容不宜大于100m3.人工水幕的设置势必会影响水封洞库的涌水量，研究不同的水幕设计参数对涌水量的影响规律具有现实意义.人工水幕设计的主要参数包括：人工水幕距洞室顶部高度、水幕钻孔间距、水幕钻孔注水压力、水封幕覆盖范围（本文未涉及）［2］.此外洞库顶部距稳定地下水位的埋深也是影响涌水量的重要因素.

1 渗流分析方法［3］

将岩体视为均质各向同性等效连续介质，运用二维有限单元法进行渗流的数值计算.

1.1 渗流基本方程和定解条件

二维均质各向同性介质中的稳定渗流控制方程

式中，h为水头函数，k为渗透系数，Q为源或汇项.

其定解条件包括初始条件和边界条件.其中初始条件

边界条件（包括水头边界和流量边界）

式中，h0（x，z，t）为初始时刻渗流区域内的地下水位分布，h1（x，z，t）为已知水头边界上的水头，qn为已知流量边界上的流量.

1.2 有限单元法计算公式

稳定渗流有限单元法计算公式

式中，［K］为总渗透系数矩阵，｛h｝为水头向量列阵，｛F｝为右端项列阵.

2 工程实例

2.1 工程概况

某地下水封石油洞库工程是我国在建的第一个大型国家战略石油储备库，设计库容300万m3.地下工程主要包括2条施工巷道、9个主洞室、6个竖井及5条水幕巷道.其中9个主洞室平行设置，每3个主洞室组成一个罐体，共3个洞罐组.主洞室设计底面标高为－50m，洞跨20m，洞高30m，长度为484～717m，洞室截面为直墙圆拱形.相邻主洞室之间设计净间距为30m，主洞室与相邻施工巷道之间设计净间距为25.25m，水幕巷道布置在主洞室顶面以上25 m（标高为5m）处，每间隔10m布置水幕钻孔.布置情况如图1所示.

2.2 模型及边界条件

利用大型商业软件ABAQUS建立二维平面有限元计算模型.模型由9个主洞室组成，不考虑施工洞，模型的左右方向计算范围从洞室外边缘向外延伸400m，底部范围从洞室地面向下延伸400m（标高为－450m），模型顶面高程250m，网格剖分为四边形单元，对洞室及水幕钻孔附近单元加密，具体布置及网格剖分情况见图2.

图1 石油洞库布置图

图2 计算模型及网格

模型底部边界设定为隔水边界，左右边界设为已知水头边界，围岩渗透系数取为2.5×10－4m／d，边界水位按高出洞库顶部高程130m设定（标高为110 m），水幕注水孔按高出水幕巷道2m水头控制.在开挖工况下，施工期开挖边界按自由渗透边界处理；在储油工况下，液态油品浮在水垫层上，液态油品上部为饱和蒸气，本文算例中忽略水垫层的厚度，油品密度取850kg／m3，饱和蒸气压取0.1MPa，按洞壁受力大小在油库洞壁施加第一类水头边界条件［4］.

2.3 计算结果及分析

取上述水幕布置方式和边界条件作为典型工况，计算至平衡状态所得开挖和储油工况孔隙压力等值线分布如图3～4所示.

图3 开挖工况下孔隙压力等值图（单位：kPa）

由图3～4可知，在施加人工水幕下，无论开挖工况还是储油工况，洞室顶部的地下水位都得到了有效维持，并且从局部放大的图5～6可以看出洞室顶部拥有较大的水头梯度，可以有效地对油品及其蒸气形成水封作用，防止储油外泄.

图4 储油工况下孔隙压力等值图（单位：kPa）

图5 开挖工况有水幕洞室局部孔压等值图（单位：kPa）

图6 储油工况有水幕洞室局部孔压等值图（单位：kPa）

在上述典型工况的计算基础上，调整水幕设计参数和地下水位高度，研究人工水幕设计参数及地下水位的变化对洞库涌水量的影响规律.

2.3.1 人工水幕距洞室顶部高度对涌水量的影响

《规范》［1］中规定水幕巷道底面至洞室顶面的垂直距离不宜小于20m，本文算例中取20m、25m、30 m、35m4种情况，分开挖和储油2种工况.洞室涌水量随人工水幕距洞室顶部高度的变化规律见图7.

图7 洞室涌水量随水幕巷道高度变化图

从图7知，储油工况涌水量要小于开挖工况，并且无论开挖工况还是储油工况，其他条件不变，洞室涌水量随水幕巷道高度降低而增加，变化幅度明显.开挖工况下水幕巷道高度为20m时的涌水量比水幕巷道高度为35m时高出38.6%，这个值在储油工况下为39.1%.

2.3.2 水幕钻孔间距对涌水量的影响

《规范》［1］中规定水幕孔的间距宜10～20m，本文算例中分别取10m、15m、20m3种情况，分开挖和储油两种工况.洞室涌水量随水幕钻孔间距的变化规律如图8所示.

图8 洞室涌水量随水幕钻孔间距变化图

从图8可知，储油工况涌水量要小于开挖工况，并且无论开挖工况还是储油工况，其他条件不变，洞室涌水量随水幕钻孔间隔减少而增加，变化幅度较为明显.开挖工况下水幕钻孔间距为10m时的涌水量比水幕钻孔间距为20m时高出15.8%，这个值在储油工况下为15.9%.

2.3.3 水幕钻孔注水压力对涌水量的影响

水幕钻孔注水压力一般按高出水幕巷道2m水头控制，本文为研究其一般规律，水幕钻孔注水压力分别取高出水幕巷道2m、4m、6m、8m、10m5种情况，分开挖和储油2种工况.洞室涌水量随水幕钻孔注水压力的变化规律如图9所示.

图9 洞室涌水量随水幕注水孔压力变化图

从图9知，储油工况涌水量要小于开挖工况，并且无论开挖工况还是储油工况，其他条件不变，洞室涌水量随水幕注水孔压力上升而增加，但变化幅度有限.开挖工况下钻孔注水压力高出水幕巷道10m时的涌水量比高出水幕巷道2m时高出5.3%，这个值在储油工况下为5.8%.

2.3.4 不同地下水位下人工水幕对涌水量的影响

《规范》［1］中规定洞室拱顶距设计稳定地下水位垂直距离Hw应按下式计算且不宜小于20m：

其中P为洞室内的气相设计压力（MPa）.

本文算例中洞室内气相设计压力取P＝0.1 MPa，相应地Hw＝25m.工程中往往实际值要远大于该式的计算值，并且一年中不同季节的地下水位变化幅度往往较大.故计算中为研究其一般规律，地下水位至洞室拱顶的垂直距离从30m变化到250m，同时水幕巷道的位置距主洞室顶面的距离分20m、25m、30m3种情况，水幕注水孔均按高出水幕巷道2m水头控制，分开挖和储油两种工况.

图10 不同工况下洞室涌水量随地下水位高度变化图

由图10可知，储油工况涌水量要小于开挖工况，无论开挖工况还是储油工况，洞室涌水量随地下水位的上升线性增加.其他条件不变，洞室涌水量随水幕系统高度降低而增加，并且地下水位越高，水幕系统高度的变化对涌水量的影响幅度越大.

3 结 语

本文以某在建水封石油洞库为工程背景，重点分析水幕设计参数中人工水幕距洞室顶部高度、水幕钻孔间距、水幕钻孔注水压力3个参数对涌水量的不同影响，同时分析了不同地下水位下人工水幕对涌水量的影响.得到以下结论：

1）人工水幕设计参数不变，开挖工况的涌水量总要大于储油工况.水封钻孔与储洞库顶部间距的变化对涌水量的影响幅度最大，水幕钻孔间距对涌水量的影响幅度居中，而水幕钻孔注水压力对涌水量的影响幅度最小.

2）无论开挖工况还是储油工况，洞室涌水量受地下水位变动的影响显著，随水位的上升线型增加.其他条件不变，洞室涌水量随人工水幕高度降低而增加，并且地下水位越高，人工水幕高度的变化对涌水量的影响越大.

［1］ 国家发展和改革委员会.GB 50455－2008地下水封石洞油库设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.

［2］ 时洪斌.黄岛地下水封洞库水封条件和围岩稳定性分析与评价［D］.北京：北京交通大学，2010.

［3］ 毛昶熙.渗流计算分析与控制［M］.2版.北京：中国水利水电出版社，2003.

［4］ 时洪斌，刘保国.水封式地下储油洞库人工水幕设计及渗流量分析［J］.岩土工程学报，2010，32（1）：130－137.