地下水封储油洞库岩体力学参数试验研究

牛庆明，朱　华

(北京东方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)



地下水封储油洞库岩体力学参数试验研究

牛庆明，朱华

(北京东方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

摘要：目前，国内正在进行二期战略石油储备地下水封储油洞库的建设。地下水封洞库工程中，岩体力学参数的准确选取对洞室结构稳定性的计算具有重要的作用。通过在某地下水封洞库中进行的岩体结构面直接剪切试验得到的试验结果，和Barton等提出的JRC-JCS模型、Q值估算变形模量经验公式以及Hoek-Brown强度准则计算的结果进行对比和分析，发现用经验估算方法以及Hoek-Brown强度准则计算的结果和现场原位试验所得数据基本一致，经验估算方法和Hoek-Brown强度准则可以应用到地下洞库工程建设中，是确定地下洞库岩体力学参数简便适用的方法。

关键词：水封洞库；直剪试验；力学参数；Hoek-Brown准则

岩体是指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质坏境中的地质体。地下洞室是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物，地下洞室的开挖破坏了原有岩体的相对平衡状态，产生了一系列的岩体力学作用，研究地下洞室的岩体稳定性可以有效的保证和指导工程建设的进行[1]。地下水封储油洞库是建设在具有稳定地下水位的弱透水性块状岩体(较完整～完整的坚硬结晶岩岩体、岩浆岩或变质岩)中，用水封的原理(储油洞室上一定高度设有水幕巷道，洞室周围形成稳定的水压，利用水压大于油压的原理防止油气泄漏)存储原油或LPG天然气等介质的地下洞室[2-3]。地下水封洞库在国外发展较快，从20世纪30年代末瑞典利用水封储存石油产品开始，20世纪60—70年代进入高峰期，截止到1988年，斯堪迪纳维亚半岛已有超过200座地下石油、原油等地下水封洞库，在韩国、日本、中东等地建有多座地下储油洞库[4]。国内战略储备油库一期选择地面储罐的方式，由于储量在100万m3以上时，地下储油洞库相比地上油罐有极大的优势，所以二期战略石油储备选择地下水封储油的方式进行建设[5]，目前在建的油库有黄岛、锦州、惠州、湛江等多座储量在300万m3以上的油库。

自然岩体和工程岩体的失稳主要源于结构面，岩体的破坏机制在很大程度上受结构面控制，地下水封储油洞库的中储油主洞室的特点是大跨度、高边墙、不衬砌，储油主洞室中发生失稳的部位一般出现在拱肩和边墙位置，由于拱肩部位的应力集中和高边墙形成的大临空面与不利的结构面组合，导致不稳定块体的滑落倾塌从而发生工程事故[6]，研究地下水封洞库中岩体的力学参数，对地下水封洞库建设有重要的理论意义和工程价值。本文利用在地下水封洞库中进行的岩体原位试验，利用试验得到的数据计算结构面的剪切参数和岩体的弹性模量，并结合Q系统法中对岩体力学参数的估算，将试验结果进行对比，得到一种便捷的选取岩体力学参数的方法。

1　岩体结构面剪切试验

山东某地下水封石洞油库工程为我国第二期石油储备库，是目前国内首例正在实施的大型地下水封石洞油库工程，该工程主要由施工巷道、储洞室等组成，试验在此地下洞库中进行[6]。

1.1结构面剪切参数计算

首先选取一条有代表性的长大节理作为岩体结构面直剪的试验对象，在主洞室左右侧墙分别开挖两个试验洞，然后在试验洞内进行试样的制备，结构面特征详见表1。

表1　结构面特征一览表

本次原位直剪试验完成一组共6个试样，编号分别为Y1～Y6，完成的6个垂直荷载段试验中，垂直荷载分别为50 t、75 t、100 t、140 t、175 t、200 t，对应的正应力分别为2.36 MPa、3.39 MPa、5.03 MPa、5.72 MPa、7.48 MPa、7.54 MPa。

试验按照《水利水电工程岩石试验规程》[8](SL264-2001)要求进行，在岩石中打孔灌浆固定4个测量支架，剪切位移方向上左右各安装2个千分表，法向位移4个角各安装一只千分表(图1所示)。

图1现场试验情况和简图

试验结果如表2所示。

根据表2数据绘制剪切应力和剪切位移曲线(见图2)。

表2　结构面剪切试验数据

图2试件剪切应力与剪切位移关系图

由图2可看出，该结构面的剪切强度低；且强度随着位移的变化小，结构面强度屈服后，无明显的剪切峰值强度及剪切应力的下降段，即峰值强度与残余强度相差很小，属于典型的塑性变形型，这与试验结构面内主要为薄层的粘土矿物充填有关(见图3)。

图3剪切试验完成后结构面擦痕和充填物示意图

根据以上数据分析可知本结构面的峰值强度与残余强度相差很小，因此确定本结构面的强度参数，仅采用峰值强度来计算；根据《水利水电工程岩石试验规程》[8](SL264-2001)中的要求，利用最小二乘法确定结构面抗剪强度参数：

(1)

(2)

由表2绘制的正应力与剪应力关系图见图4。

图4正应力和剪应力曲线关系图

根据图4与式(1)、式(2)计算：

tanφ=0.3786，φ=arctan0.3338=20.74°，c=0.1854MPa。

1.2刚性承压板法岩体变形模量计算

岩体结构面剪切试验中，在法向应力方向上安装了4个千分表，测量正应力和剪切应力加载过程中法向位移的变化，试验中按照刚性承压板法试验的要求进行加压，由于需要完成剪切试验，因此，没有进行退压，只计算岩体变形模量[9]。

正应力加载到140 t即5.6 MPa时与工程压力相近，因此，使用5.6 MPa的正应力加载时的数据来计算岩体变形模量，承压板50 cm×50 cm，面积0.25 m2，试验结果见表3。

表3　法向位移试验数据

根据表3数据绘制P-W曲线如图5。

图5P-W曲线图

P-W曲线呈复合型，也反映了岩体内结构面发育不均，且少量结构面内有粘土矿物充填，岩体变形成弹-塑-弹变性趋势，根据下列公式进行计算：

E=pD(1-μ2)ω/W

(3)

式中：p为承压板单位面积上的压力；D为承压板的直径；ω为承压板形状与刚度有关的系数，方形取值ω=0.886；μ为泊松比，参照详细勘察结果μ=0.2；W为总变形值[4]。

通过式(3)计算得知：变形模量E=17.1×103MPa。

2　经验估算方法确定岩体力学参数

2.1JRC-JCS模型

经验估算法是由Barton(1973)在100多条人工拉断节理研究的基础上首先提出的，JRC-JCS模型表达为：

τ=σntan[KJRCnlg(PJCSn/σn)+σr]

(4)

式中：τ为法向应力下的剪切应力；σn为法向应力；σr为基本摩擦角；KJRCn为结构面粗糙度系数；PJCSn为结构面抗压强度。经过大量的工程研究实例，JRC-JCS模型具有较好的工程应用价值[10]。

通过现场试验确定结构面的回弹值和新鲜岩体的回弹值，结构面回弹值r=26，新鲜岩体回弹值R=50，花岗片麻岩的基本摩擦角φb=31°。

lg(PJCSn)=0.00088rγ+1.01

(5)

式中：r为结构面表面回弹值；γ为花岗片麻岩岩石密度。

根据Barton(1977)研究表明[10]，当结构面处于较高的法向应力时，基本摩擦角与残余摩擦角大致相同，但是当结构面处于较低的法向应力时，结构面风化且其厚度不足1 mm，则控制结构面峰值抗剪强度之后的残余抗剪强度是残余摩擦角，这时，JRC-JCS模型中的基本摩擦角应以残余摩擦角代替。残余摩擦角可由基本摩擦角和结构面的回弹值来估算，当法向应力较低时，Barton根据Richards的试验结果线性回归得到：

φr=10+(φb-10)r/R

(6)

计算φr=20.92°，PJCSn=49.7 MPa。

通过轮廓曲线仪测量试验结构面的结构面构面粗造度系数，KJRCn=3.6[11]。试验所在位置的最大地应力约为6 MPa，正应力选取范围为5 MPa～7 MPa。代入式(4)计算，计算结果如图6所示：

φ=21.8°，c=0.1914 MPa

与现场原位剪切试验相比，JRC-JCS模型得到的结果误差在5%以内。

图6正应力和剪应力关系曲线图

2.2Q值确定岩体变形模量的经验公式

挪威的Bhasin和Barton等人(1993)研究了岩体分类指标Q值、纵波速度Vmp和岩体平均变形模量Em(GPa)之间的关系，提出了以下的经验公式[1]：

Vmp=1000lgQ+3500

(7)

Em=(Vmp-3500)/40

(8)

区域岩体Q值=5，由式(7)和式(8)计算，Vmp=4198.97 m/s，Em=17.5×103MPa，与试验结果对比相差很小。

3　Q值通过Hoek-Brown准则确定岩体力学参数

Hoek和Brown以Griffith的脆性断裂理论为基础，通过对大量岩石三轴试验和现场岩体试验成果的统计分析，提出了Hoek-Brown强度准则，也称为狭义强度准则[12]。近年来，Hoek等对该准则进行重新定义，引入了地质强度指标GSI分类系统来确定岩体的Hoek-Brown常数[13]。表达式如下：

(9)

式中：σci为岩石块体的单轴抗压强度；mb、s、a均为岩体的Hoek-Brown常数。

2002版Hoek-Brown强度准则引入岩体扰动系数D，对Hoek-Brown常数mb、s、a进行修正，计算式如下：

(10)

确定Hoek-Brown常数mb、s、a后，就可以计算岩体力学参数。

式(9)中，当σ3=0时，可求得岩体单轴抗压强度：

σcm=σcsa

(11)

对于脆性材料，单轴抗拉强度等于双轴抗压强度。所以，设σ1=σ3=σt，代表双轴受压条件，则抗拉强度为：

(12)

变形模量Em通过式(8)求取。

研究表明，对Hoek-Brown强度准则，与之等效的抗剪强度参数黏聚力c和内摩擦角φ值的计算公式[14]：

(13)

(14)

其中

σ3n=σ3max/σc

(15)

σ3max为最小主应力上限值，对于隧道工程[9]有：

(16)

式中：Ht为隧道埋深。

GSI和岩体波速vp存在以下关系：

GSI=15vp-7.5

(17)

由式(7)和式(17)推导得出：

GSI=15(lgQ+3)

(18)

地质强度指标GSI分类系统考虑了岩体的风化程度、节理发育组合情况和充填情况等，Q法地质围岩分类系统综合考虑了岩体RQD、节理面充填、粗糙度、组合情况、地应力、地下水等因素，在地应力和地下水影响几乎可以勿略的地下水封洞库中，GSI值和Q值有很好的对应关系，可以用Q值来确定GSI值，计算区域岩体参数。

试验区域Q值=5，通过式(18)计算GSI=55，mi=33，扰动系数D取0.7。

代入式(10)计算：mb=2.7843，s=0.0015，a=0.5040。

Hoek-Brown常数mb、s、a取值确定后，通过计算可以得到岩体参数值，见表4。

表4　围岩Q值预测的岩体力学参数

4　结　论

(1)现场原位剪切试验得到结构面抗剪强度参数：c=0.1854 MPa，φ=20.74°，JRC-JCS模型计算得到c=0.1914 MPa，φ=21.8°，控制误差在5%以内。利用原位剪切试验得到的岩体变形参数E=17.1×103MPa，使用经验公式计算得到Em=17.5×103MPa。

(2)通过Hoek-Brown强度准则计算的岩体抗剪强度参数：c=0.17 MPa，φ=22°，和原位试验以及Barton经验估算公式得到的结果基本一致，而Hoek-Brown强度准则较全面的反映了岩体结构特征对岩体强度参数的影响，推荐使用Hoek-Brown强度准则通过Q法获取地下洞库内区域岩体强度参数，再通过JRC-JCS模型获取特定节理面的剪切参数。

(3)地下水封洞库工程洞室开挖首先进行超前地质预报，超前地质预报可以采取钻孔、综合分析、物探等多种手段进行，由于物探法精度达不到要求，所得结果多有偏差，建议通过钻孔成像超前探孔的方法通过解析取得掌子面向前15 m～30 m的节理组合状况(包括Q值、JRC、隙宽、充填等信息)[15]，计算得到岩体强度参数，采用经验分析和数值模拟的方法综合判定前方围岩的稳定性，通过每一回次得到的数据，形成数据库，结合开挖后地质编录、监测数据和支护参数等信息进行反演，建立地下洞室的三维数值分析模型，得到地下洞室结构的稳定性和水封性相关方面的数据，为水封洞库的正常运营提供数据支持。

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ExperimentalStudyonRockMassMechanicalParametersofWaterSealedUndergroundPetroleumStorageCaverns

NIU Qing-ming,ZHU Hua

(BeijingOrientalNewStarPetrochemicalEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100070,China)

Abstract：At present,the construction of water sealed underground petroleum storage caverns is ongoing for the second phase of strategic petroleum reserve in domestic.In the engineering construction of the caverns,the correct selection of rock mechanical parameters is important for the stability calculation of cavern structure.The results obtained from structural plane direct shear tests of a underground storage cavern,were compared and analysed with those acquired from adapting JRC-JCS model and deformation modulus empirical formula through Q value which was put forward by Baton etc.as well as Hoek-Brown criterion.It was found that the data obtained with experience estimation method and Hoek-Brown criterion was almost the same with in situ test data.This indicates that experience estimation method and Hoek-Brown criterion can be applied to the engineering construction of underground storage caverns.They are simple and practical methods to determine the rock mass mechanical parameters in water sealed underground storage caverns.

Keywords：water sealed storage caverns;direct shear tests;mechanical parameters; Hoek-Brown criterion

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.036

中图分类号：TU458+.3

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0176—05

作者简介：牛庆明(1987—)，男，河南新乡人，助理工程师，主要从事岩土工程勘察方面的工作。

收稿日期：2014-08-01修稿日期：2014-09-07