地下水封石洞油库设置水幕系统必要性研究

，， ，

(1．海工英派尔工程有限公司， 山东 青岛 266061；2．黄岛国家石油储备基地有限责任公司， 山东 青岛 266510； 3．武警水电第七支队， 武汉 430223)

1 地下水封洞库水幕系统特点

近几十年来,随着世界经济的发展,能源问题的日益突出,建立必要的石油储备体系不仅是保障国家社会经济安全、应对突发事件的必要手段,更是平抑油价、稳定供求关系的有效手段。中国作为一个石油消费大国,目前净进口量超过了我国石油消费量的30%,预计2020年达到50%以上,建立必要的国家石油战略储备是非常必要的[1-4]。

石油储备从储存设施和形式上可分为陆上储罐、地下储罐、地下洞库等。由于地下水封洞库存储相对于其他存储方式具有占地少、投资少、损耗少、污染小、运营管理费用低、安全性能高、装卸速度快等优点,这种储油方式已被越来越多的国家采用,美国、日本、德国、芬兰、瑞典、法国等国都已建成并投入运营。水幕系统设置与否直接影响地下水封洞库的水封效果，但水幕系统洞室截面相对较小，大型施工机械无法进入施工，因而水幕系统的施工具有施工工序复杂、工期长、成本高的特点。因此，设置水幕系统的必要性也就成为地下水封洞库的研究课题之一[5-7]。

2 国内外相关案例

2.1 国外案例

目前,在世界范围内已建造了200多座地下水封石洞储油库,主要分布在斯堪的纳维亚半岛、韩国、日本、德国、法国和沙特等。上世纪50—60年代在国际上建造的地下洞库由于规模较小，所选库址都是在海边，石油库一般按常压库设计，即使操作过程中有少量油气泄漏，但未引起足够重视，所以当时的设计一般都没有设水幕系统。

瑞典斯德哥尔摩市附近一炼油厂的260万m3的地下洞库，距海边约2 km，该库始建于上世纪70年代，采用的操作巷道模式，即操作竖井设在操作巷道内。洞室设在海平面下30 m，操作巷道底距洞室顶30 m，当时没设水幕系统。于1999年发现该库有气体泄漏现象，现已停用，正准备增设水幕。具体方案是利用原操作巷道做水幕巷道，打水平水幕孔，操作系统另外做。

韩国在济州岛建造地下水封石洞油库的试验库，洞室的埋深在海平面30 m以下，洞室分3个独立的洞罐，1号洞罐未设水幕系统，2，3号洞罐设有水幕系统，区域的岩性为花岗岩。建设方对1，2，3号洞罐的监测井进行了为期2 a的水位和水质测量，结果表明1号洞罐未设水幕系统区域的苯系化合物和多环芳烃的浓度比2,3号洞罐要高很多，其地下水位线比其他2个洞罐低。

2.2 国内案例

象山地下油库位于浙江省象山市石浦镇，该地下油库于1973年设计施工，1976年装油投产，现隶属中石化销售公司浙江分公司，为中转型经营油库。总容量为4万m3，建有2组2万m3地下水封岩洞油罐，储存柴油。洞罐采用“圆趾斜墙拱顶”罐型，长75 m，底宽16 m，高20 m，顶拱矢高4 m，趾部倒圆角，倒角半径2 m。侧墙自下而上向内倾斜，坡度5%，罐顶标高-5 m，两洞罐间距30 m，未设置水幕系统。运营初期有油气泄漏和洞室间串油现象，但由于当地降水丰沛，地表水资源也较丰富，水封作用得以维持，未造成严重的油品泄漏事故。

由以上几个国内外案例可以看出，对于地下水封洞库特别是大型地下水封洞库，设置水幕系统是保证水封效果的一个最有效的措施。在我国现行的《地下水封石洞油库设计规范》[8]中，对于水幕系统的设置也做出了明确的规定。

3 理论计算研究

3.1 工程概况

以在建某大型地下水封洞库为例，改洞库总库容量为300万m3, 共分为3个洞罐组，每组洞罐由3个主洞室组成，主洞室设计底板面标高为-50 m，长度为484～717 m不等，设计洞跨20 m，洞高30 m，截面形状为直墙圆拱形。主洞室壁与相邻施工巷道壁之间设计间距为25 m，2个主洞室之间设计间距为30 m。主洞室顶面以上25 m设置5条水幕巷道，垂直主洞室方向布置，设计洞跨为5 m，洞高为4.5 m。

3.2 工程地质条件

根据本工程的工程地质勘察资料，按岩性并考虑对洞库的影响程度，各层围岩的分类及各项力学指标如表1所示。

表1 主要围岩的岩石力学参数Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock mass

3.3 水文地质条件

根据该地下水封洞库工程水资源报告，该区山丘1980—2000年期间降水入渗补给量的多年平均值即为该山丘多年平均地下水资源量，得出该区多年平均降水入渗补给量为53.8 mm，该区多年年平均降水量为736.2 mm，降水入渗系数为0.073。由此可见，该区降水入渗补给地下水的量是相当少的，主要降水都通过地表径流排泄至水塘或水库。该区岩体渗透系数在1×10-3～1×10-5m/d。多数区域渗透系数量级在1×10-4m/d 左右。

3.4 建模分析计算

洞室开挖引起地应力的释放，导致径向应力的减小和切向应力的增大。当洞室开挖在水位以下进行时，地下水与洞室围岩将发生相互作用：应力状态改变引起的围岩体积变化导致孔隙水压力的变化，而孔隙水压力的变化反过来又将影响围岩的应力状态。孔隙水压力与围岩应力状态的相互作用符合有效应力原理。在这里流动方程可取为

(1)

式中：Kx，Ky，Kz分别为x，y，z方向的渗透系数；H为总水头；Q为流量；mw为阻流系数；γw为水的重度；z为标高；t为时间。

考虑洞库开挖引起的应力和地下水的耦合作用，采用ABAQUS软件进行建模分析。洞室围岩被视为各向同性的等效连续孔隙介质，并根据现场试验结果，描述介质连通性的渗透系数取值为1×10-3～1×10-5m/d，力求可以涵盖洞库围岩的连通性。其中，根据现场试验结果渗透系数为1×10-4m/d的工况为代表性工况。由于洞库洞室长度(500～600 m)远大于洞室截面尺寸(20～30 m)，视为平面应变问题求解。洞库截面网格划分如图1所示。

图1 洞库截面网格划分模型Fig.1 Meshes of the section of the storage cavern

按照地表起伏情况，指定初始地应力场和孔隙水压力场。图2为考虑地表起伏情况下获得的初始竖向应力分布情况，图3为初始孔隙水压力分布情况。从图2、图3中可以看出，初始竖向应力和孔隙水压力分布与地表起伏情况相关：在同一高程埋深较大部位，初始竖向应力和孔隙水压力比其他部位高。

图2 洞库初始竖向应力分布Fig.2 Distribution of initial vertical stress in the cavern

图3 洞库初始孔隙水压力分布Fig.3 Distribution of initial pore waterpressure in the cavern

由水文地质条件可知，本研究中渗透系数选取1×10-4m/d，用以最大限度地反映地下水位的变化情况。根据试验结果，洞库围岩的饱水密度取为2.78×103kg/m3，孔隙比取为0.6%。洞库开挖后3，10，50 a地下水压力的分布图见图4。

图4 洞库开挖3，10，50 a后地下水压力分布Fig.4 Distribution of groundwater pressure after the excavation for 3, 10, and 50 years

从图中可以看出，洞库的开挖引起了洞库上方山丘地下水压力的下降，地下水压力下降表现出以下特点：

(1) 由于排水路径较短，洞库左侧地下水压力下降较快；

(2) 随着时间增长，各工况地下水压力下降均较为明显；

(3) 开挖50 a后，主洞室拱顶部分地下水压力为0，这说明地下水位线基本上降到了主洞室的拱顶以下，水封作用效果降低，发生泄露事故的可能性将增大。

4 结 语

在地下水封石洞油库建设中，一个至关重要的问题是地下水位要满足地下水封石洞油库密封性要求，这样才能产生较好的水封效果。本研究运用孔隙介质流固耦合理论，开展了无水幕巷道条件下地下水封石洞油库工程地下水流场变化特点研究，重点分析了无水幕条件下地下水位变化情况，并结合国内外已建成的洞库工程案例，得到如下结论：

(1) 在不设置水幕系统的条件下，洞库地下水位随时间增加而降低，若地下水水位线降到主洞室顶板以下，水封作用将大大降低，发生泄露事故的可能性将增大。一旦发生渗漏事故将会污染地下水，使洞库区甚至更大区域的生态环境受到严重破坏。

(2) 近些年发生极端气候的几率不断增加，在洞库运营期不排除发生重大旱灾的可能性，在不设置水幕系统的情况下，若地下水源得不到有效的供给，将会严重地影响水封效果，对洞库的运营造成不利影响。

(3) 从国内外地下水封洞库的建设和运营经验以及我国现行的行业标准可知，地下水封洞库特别是大型的地下水封洞库设置水幕系统是十分必要的。

(4) 由于洞室爆破开挖使围岩节理、裂隙进一步扩展，使得洞室群周围的围岩渗透系数增大，因此在主洞室开挖时，可运用超前注浆等工程手段对主洞室围岩中存在的节理、裂隙进行封堵，这样能有效地减小运营期主洞室的涌水量，减小地上循环水场的运营压力，降低运营成本。

参考文献：

[1] 李建中.石油战略储备的重要部署[J].石油知识，2006,12(5):30-31.(LI Jian-zhong. Important Deployment Strategic Oil Reserve[J]. Oil Knowledge, 2006, 12(5): 30-31.(in Chinese))

[2] 段亚刚.地下水封储油库的应用与发展[J].山西建筑，2007,33(36)：92-93.(DUAN Ya-gang. The Application and Development of Underground Water-seal Oil Storage Cavern[J]. Shanxi Architecture, 2007,33(36)：92-93.(in Chinese))

[3] 刘 琦，卢耀如，张凤娥.地下水封储油库库址的水文地质工程地质问题[J].水文地质工程地质，2008，(4):1-5.(LIU Qi, LU Yao-ru, ZHANG Feng-e. Hydrogeological and Engineering Geological Problems of the Site of Underground Oil Storage Caverns with Water Curtain[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2008，(4): 1-5.(in Chinese))

[4] BROCH E. Use of the Underground in Norway[C]//Proceedings of the International Conference on Storage of Gases in Rock Caverns, Trondheim, June 26-28, 1989: 3-13.

[5] 刘青勇,万 力,张保祥,等.地下水封石洞油库对地下水的影响数值模拟分析[J].水利水电科技进展, 2009,29(2):61-65.(LIU Qing-yong, WAN Li, ZHANG Bao-xiang,etal. Numerical Simulation Analysis on the Impact of Water Sealed Oil Storage Cavern on Groundwater[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2009, 29(2): 61-65. (in Chinese))

[6] 杨明举,关宝树.地下水封储气库原理及数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报, 2001, 20(3):301-305.(YANG Ming-ju, GUAN Bao-shu. Theoretical and Numerical Simulation Study of Underground Gas-storage Cavern with Water Curtain[J]. Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(3):301-305. (in Chinese))

[7] 李钟奎,刘 辉,曾 利,等.不衬砌地下洞室在能源储存中的作用与问题[J].地下空间与工程学报,2005,3(1):350-357. (LI Zhong-kui, LIU Hui, ZENG Li,etal. No Lining Underground Cavern in the Role of Energy Storage and Problems[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2005,3(1):350-357.(in Chinese))

[8] GB50455—2008,地下水封石洞油库设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009. (GB50455—2008, Design Specification of Underground Oil Storage Cavern[S]. Beijing: China Planning Press, 2009. (in Chinese))