地下水封洞库预选场地的地质适宜性评价

曹洋兵，晏鄂川，吕飞飞，季惠彬

(1.中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 430074；2.北京东方新星石化工程股份有限公司,北京 100070)

地下水封洞库预选场地的地质适宜性评价

曹洋兵1，晏鄂川1，吕飞飞1，季惠彬2

(1.中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 430074；2.北京东方新星石化工程股份有限公司,北京 100070)

科学合理地选择建设场地是油气能源的水封式地下储存建设中面对的首要问题,其中场地的地质适宜性评价极为关键。通过总结参与的数个地下水封洞库工程实践经验,并分析其它洞库成功经验和失败教训,从储能原理出发提出预选场地的地质适宜性定量评价模型。在建模过程中,首先阐述了场地地质适宜性评价目标和评价指标选取原则；其次从区域稳定性条件、岩体稳定性条件和水压力密封条件3方面建立起含9项二级指标的评价体系；再基于评分法对二级指标进行评分赋值,基于模糊层次分析法得出一级指标权重；最后结合乘积式和加权求和式构建评价模型,并通过Visual Basic平台编程实现。以山东黄岛地下水封石油洞库为例,对评价模型进行应用和检验,结果表明评价模型中的指标可从预可行性研究阶段获取,可行性和可靠性较高,可为相关工程提供依据和参考。

地下水封洞库；能源储存；场址选择；地质适宜性；评价模型；评价指标

2015,32(11):71-77

1 研究背景

为防备国际形势的动荡,中央在2003年就批准实施国家石油战略储备规划[1]。该规划除少数采用地面储罐的形式外,其余主要采用地下水封洞库进行石油储存。在企业层面,已建成与在建的水封式液化石油气(LPG)洞库共5处。在能源(石油、液化石油气等)的水封式地下储存建设中面对的首要问题就是选择建设场地,特别是从地质适宜性的角度如何优选场址问题具有紧迫的工程需求和重要的理论价值。

目前地下水封洞库的核心技术和试验、监测设备及相关标准都掌握在国外少数大公司手中,他们向外只以服务或咨询的方式参与洞库建设,而设备和技术都不出售。因而,关于地下水封洞库的国外文献报道[2-5]并不多,且没有关于场址选择方面的研究。国内关于地下水封洞库的研究主要集中在建设过程中所面对的某方面问题,如围岩稳定性[6]、水幕系统[7-8]、水封效果[9]、施工技术[10]等,而在建设场地的评价和选择方面的研究较少。王梦恕等[11]认为选择建库场地需考虑工程地质条件、水文条件、大型油码头和环保安全4个方面的因素；刘琦等[12]认为除需考虑岩体完整性和水封条件外,还需考虑外部依托条件(如石油需求、海港码头、靠近国家大型进口原油加工基地、经济安全、良好的输油交通条件等)；彭振华等[13]认为选址需考虑的地质因素是区域稳定性、岩体质量特性和地下水条件；季惠彬等[14]对场址选择时所需考虑的水文地质条件进行了定性分析。总体来看,目前关于建设场地的地质适宜性评价研究尚不够深入,没有形成评价体系和量化评价模型以指导建设场地的优选。

通过总结笔者参与的数个地下水封洞库工程实践经验,并吸取其它洞库失败教训,从储能原理出发,本文提出了预选场地的地质适宜性定量评价模型,并详细讨论了评价目标、评价指标选取原则、评价指标体系、指标评分和权重等关键内容,最后结合山东黄岛地下水封石油洞库工程对该模型进行应用和检验。

2 评价指标体系

地下水封洞库储存油气能源的基本原理为利用油水不相混合的特性,合理控制地下洞库围岩中的水压力,使其在洞壁各处始终大于油压和饱和蒸汽压。基于该原理,在地下水封洞库预选场地的定量评价或优选研究上须首先明确评价目标,本文从质量、环境、安全和经济4个方面建立如下总体目标。

(1)质量目标:建设场地在一定的工程措施下能达到储存能源的目的,在建设及运行过程中不会出现无法挽救的状况,这是对场地的基本要求。

(2)环境目标:洞库建设及运行必然会对周边环境(如植被、土壤、空气和地下水等)产生影响,建设目标是节约资源,减少废弃物,使得对环境危害最小。

(3)安全目标:确保洞库建设及运行过程中岩体失稳破坏的可能性及规模尽可能地小,避免对施工、监测设施和建设人员造成任何形式的伤害。

(4)经济目标:水封洞库是投资额大、建设期长的大型项目,在达到工程质量、环境和安全目标的同时,要降低消耗,提高效率,增进效益,重视节约投资成本。

为了全面、客观地评价预选场地的地质适宜性,在选择评价指标时,需要遵守以下基本原则。

(1)阶段性原则:选取的评价指标应是预可行性研究阶段能获取的数据,不应将后期研究阶段才能获取的数据作为评价指标。

(2)系统性原则:预选场地是一个复杂的地质系统,评价体系应按照评价目标的要求,全面选择能反映场地特征的各层次评价指标。

(3)主导性原则:各地质因素对场地适宜性的影响差异悬殊,在构建评价体系时,应根据不同评价指标重要性的差异,将有直接作用或重要作用的因素纳入评价体系,舍去间接或次要的因素。

(4)独立性原则:所选取的各评价指标之间应具有相对独立性,如果评价指标间有较高的相关性,则当某一指标发生变化时,会导致与之相关的指标随之改变,进而造成评价模型失真。

笔者搜集了国内外已建或在建的30处水封洞库地质、施工过程及运行效果等资料见表1。通过分析其成功经验和失败教训,并结合自身工程经验,在上述评价目标和指标选取原则基础上,从区域稳定性条件、岩体稳定性条件和水压力密封条件3方面建立起二级地质适宜性评价指标体系,详见图1。

3 评价指标的评分

基于地下水封洞库原理,考虑各评价指标的不同取值对评价目标的影响,采用评分法对各二级指标进行量化评价。在评分时基本考虑以下几个方面:①为了使各一级指标平等地参与权重计算,须保证一级指标的最大总分值相等；②为了使二级指标间保持强关联,突出某指标恶化后的整体效应,采用二级指标连乘的方式求得一级指标总分值；③二级指标取0表示该指标最恶化时能使得一级指标总分值为0,表明该二级指标具有控制性作用；④二级指标取1表示该指标最恶化时可不参与一级指标分值计算,其整体效应依其最大分值确定。

表1 参考的地下水封洞库信息Table 1 Information of underground water-sealed rock caverns for reference

图1 评价指标体系Fig.1 Evaluation index system

3.1 区域稳定性条件

区域稳定性是决定洞库选址成败的关键,主要在于该类因素难以通过工程方式进行改造。由于洞库在运行过程中人们不能直接进入其中进行围岩加固和设备维修等操作,因而洞库对区域长期稳定性的要求较高,选取区域性断裂带、地震烈度和大地热流值3个参数对其进行评价。

(1)区域性断裂带。区域性断裂带(尤其活断层)可能对工程区范围内地面及地下岩土体、建(构)筑物造成毁灭性的破坏。依据建库区域受断裂带影响情况,采用如下评分方案:无区域性断裂带通过,取5.0；非活动断裂带通过,取2.0；活动断裂带通过,取0。

(2)地震烈度。地震烈度表征地震对地表岩土体及工程建(构)筑物影响的强弱程度,可直接影响地下洞库的稳定性和支护成本,甚至影响到能源储存的安全性。据《中国地震动参数区划图》[15]和《建筑抗震设计规范》[16]等标准,确定地震烈度的评分方案见表2。

表2 地震烈度评分值Table 2 Scores of seismic intensity

(3)大地热流值。大地热流值(q)为单位时间内通过地球表面单位面积的热流值。该值是反映某个地区温场特点的非常重要的综合性参数,同时该值也直接反映地壳近代活动特征和稳定性。参考中国大地热流值分布[17],采取如下评分方案:当q≤75 mW/m2时,取4.0；q≥150 mW/m2时,取0；当q= 75～150 mW/m2时,进行线性插值。

3.2 岩体稳定性条件

岩体稳定性是决定洞库建设及运行过程中安全性和经济性的重要因素。基于岩石力学理论及洞库建设要求,选取强度应力比、岩石质量指标和结构面结合程度3个参数评价岩体稳定性条件。

(1)强度应力比。强度应力比为岩石单轴抗压强度(Ucs)与洞库埋深范围最大地应力(Smax)的比值,该值是评判片帮、岩爆、塑性挤出等应力控制型施工灾害的关键指标。参考《工程岩体分级标准》[18],具体评分方案为:当Ucs/Smax≥7时,取5.0；Ucs/Smax≤4时,取1.0；当Ucs/Smax=4～9时,进行线性插值。

(2)岩石质量指标。岩石质量指标(RQD)是钻探中极易获取的参数,能表征完整程度、破碎带规模等岩体特性,是评判岩体结构控制型施工灾害的重要指标。结合参与的几个水封洞库勘察揭露的岩体结构特征,基于RQD平均值,评分方案为:当RQD≥90时,取5.0；RQD≤30时,取1.0；当RQD= 30～90时,进行线性插值。

(3)结构面结合程度。结构面结合程度控制着块体塌落或滑落、塌方等围岩局部失稳灾害,通过地表露头调查或槽探、洞探等手段可对结构面结合状况进行总体查明。依据《工程岩体分级标准》[18],基于场地结构面结合状况的主要特征,采用表3对其进行评分。

表3 结构面结合程度评分值Table 3 Scores of combination conditions for structural planes

3.3 水压力密封条件

地下水封洞库因其利用地下水的压力密封作用而明显有别于其它地下工程,为了使储库围岩内长期饱水、水压力恒大于油压和饱和蒸汽压,一般需在洞库上部增设水幕系统(水幕巷道、水幕孔等),并在水幕系统内人工补给有压水,从而在储洞上部形成了将储洞封闭的人工“水幕帘”,这样就增加了储库水封效果的长期安全性。但岩体渗透系数、地下水位及其稳定性、水质等水文地质条件仍是决定洞库建设与运行期成本、环保乃至工程成败的关键因素,需要得到建设各方的重视。

(1)岩体渗透系数。岩体渗透系数(k)反映岩体内裂隙的连通性及透水特性,对施工及运行期洞库涌水量具有重要影响。从地下水封洞库的水封特征及洞室气密性需求考虑,基于选址阶段进行的数量不多的现场水文试验,评分方案为:当k≤10-5cm/s时,取5.0；k≥10-2cm/s时,取1.0；当k= 10-5～10-2cm/s时,进行线性插值。

(2)地下水水位与稳定性。洞库在运行期有较稳定的地下水位,是保证其水封性和安全性的重要条件。地下水水位受排泄基准面、大气降水和人类活动等因素共同影响,从安全性考虑,一般取区域排泄基准面作为地下水位设计值。从储能原理上看,地下水位埋深越大,则洞库埋深也越大,从而增加投资成本和施工灾害风险。水位的稳定性可从洞库区所在的地下水流动系统位置获知,一般排泄区地下水位最为稳定,且洞库位于该区对周围环境的影响较小,长期风险性较小,即排泄区适于建库；同理可知,补给区是较不适于建库区域。因此,采用以下评分方案:首先按流动系统位置取分,排泄区取5.0,径流区取3.5,补给区取2.5。再按常年平均地下水位埋深(d)对以上分值进行折减,当d≤50 m时,折减系数取1.0；d≥250 m时,取0；当d=50～250 m时,进行线性插值。

(3)地下水水质。洞库在运行期基本为全封闭状态,无法对支护结构和生产、监控设备进行维修。各类浸入水中的工程设施能否在设计寿命期间保持正常状态,与地下水的组分有重要关系。另外,由于地下水和储存介质同为液体,它们之间发生对流和弥散的危害性会因水质变差而增高。因此需要对场地地下水水质进行评价。参考专营地下水封洞库工程的法国GeoStock公司的标准见表4；以不达标的项数作为水质衡量指标,采取表5的评分方案。

表4 地下水水质评价准则Table 4 Evaluation criteria of groundwater quality

表5 地下水水质评分值Table 5 Scores of groundwater quality

4 评价指标的权重

层次分析法[19]是美国运筹学家Satty于20世纪70年代初提出的一种定性与定量相结合的系统分析方法,是将研究者的经验判断采用数量的形式表达和处理的方法,但在实际应用中存在评判一致性困难等问题。模糊层次分析法[20]是基于层次分析法,且克服层次分析法缺点的科学方法,本文采用该方法确定一级指标的权重,具体步骤如下:

(1)采用0.1～0.9数量标度的方式构建模糊互补判断矩阵R,其元素rij表示第i个因素ai与第j个因素aj的相对重要程度,其中rij=0.5表示ai与aj同等重要；0.1≤rij＜0.5表示aj比ai重要,且rij越小,aj比ai越重要；0.5＜rij≤0.9表示ai比aj重要,且rij越大,ai比aj越重要。

通过总结参与的数个地下水封洞库工程实践经验,并参考其它洞库成功经验和失败教训,构建一级评价指标模糊互补判断矩阵R,其中a1为区域稳定性条件,a2为岩体稳定性条件,a3为水压力密封条件。则R的表达式为

(2)根据按行求和归一化法,计算各一级指标权重值的公式如下:

式中:wi为第i个指标权重,rij为判断矩阵R第i行第j列的值,n为判断矩阵R的阶数(取3)。基于判断矩阵R可得,w=(0.444,0.245,0.311),即区域稳定性条件的权重为0.444,岩体稳定性条件权重为0.245,水压力密封条件权重为0.311。

(3)权重矩阵计算公式为:

根据式(2)可得权重矩阵W,即

基于式(3)进行权重一致性检验,以判断权重分配是否合理。

综上可得,CI(R,W)=0.044,小于一致性阈值0.1,即通过一致性检验,判断矩阵和权重是合理的。

5 评价模型与地质适宜性等级

综合上述评分法和模糊层次分析法结果,地下水封洞库预选场地的地质适宜性评价定量模型为

式中:ES表示预选场地的定量得分；Ai为区域稳定性条件中的各二级指标分值；Ri为岩体稳定性条件中的各二级指标分值；Hi为水压力密封条件中的各二级指标分值。

分别将各指标所被赋予的最小值和最大值代入式(4),可得ES的取值区间为[0.245,100]。为了应用的便利,基于Visual Basic平台将定量评价模型进行程序化实现。

基于评分规则可知,分值ES越高,则场地的适宜性越好。为了对场地地质适宜性等级进行评判,提出以下3级划分标准:80分及以上为适宜；60～80分为基本适宜；60分及以下为不适宜。

6 评价模型的应用与验证

国家石油储备黄岛地下水封洞库工程是国内首批实施的地下原油储备库重点建设项目之一,场址位于山东省青岛市黄岛区辛安街道冷家沟社区,工程于2010年11月开始施工,目前已接近尾声。通过长期跟踪洞库施工过程及现场试验成果,积累了丰富的建设期资料,以该工程为例对本文提出的地质适宜性评价模型进行应用和检验。

6.1 区域稳定性条件

库址区属于华北板块与扬子板块结合带之胶南—威海造山带,主要发育韧性剪切带及脆性断裂构造,褶皱构造不甚发育,工程建设区域无区域性断裂带通过。据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)[15]和《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)[16]可知,黄岛区的抗震设防烈度为6度,设计地震基本加速度值为0.05 g。据中国大地热流值分布图,黄岛区的大地热流值为80 mW/m2。

6.2 岩体稳定性条件

据岩石试验成果,建库区花岗片麻岩的单轴抗压强度为88 MPa；据地应力测试成果,洞库区垂直主应力为最小主应力,预计洞库工程埋深范围的水平最大主应力为13 MPa。因而强度应力比为6.77。据预可行性研究阶段的17个钻孔资料,得出洞库范围的平均RQD值为84。据现场调查,结构面的总体性状为粗糙起伏不规则,张开度多为1～3 mm,局部含泥质充填。

6.3 水压力密封条件

据预可研阶段的水文地质试验,洞库区岩体渗透系数基本处于(10-4～10-5)cm/s范围内,本次取5×10-5cm/s。据水文地质调查,洞库区位于地下水流动系统的补给区,以大气降水为主要补给来源,水位平均埋深约70 m。据地下水的化学成分分析,洞库区地下水化学类型均为SO4·HCO3-Ca·Na型,无色、无味,矿化度低,水质的检验指标都合格。

6.4 地质适宜性评价与检验

基于上述数据,通过式(4)可得其地质适宜性分值为67.11,等级为基本适宜,见图2。根据黄岛地下水封洞库的施工进展以及水文试验、地下水水位恢复等情况,考虑到目前所面对的困难,综合认为基本适宜的结论是合理的。应用过程也佐证了评价模型具有较强的可行性和较高的可靠性。

图2 地质适宜性评价结果Fig.2 The result of geological adaptability evaluation

7 结 语

本文基于地下水封洞库原理和建设特点,分析了预选场地地质适宜性评价的质量、环境、安全和经济目标,阐述了选取评价指标的阶段性、系统性、主导性和独立性原则。之后从区域稳定性条件、岩体稳定性条件和水压力密封条件3方面建立起含9项二级指标的评价体系,基于评分法对各二级指标取值状况进行评判,基于模糊层次分析法得出一级指标权重,构建了定量评价模型。

通过将该模型应用于黄岛地下水封洞库工程,结果表明提出的地下水封洞库预选场地地质适宜性评价模型是可行、可靠的,可为相关工程实践提供依据和参考。

文中所赋予的评价指标分值和权重具有一定的经验性,其优化值还需经过大量地下水封洞库工程的检验和反馈调整。

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(编辑:黄 玲)

Geological Adaptability Evaluation for Preselected Site of Underground Water-sealed Rock Caverns

CAO Yang-bing1,YAN E-chuan1,LV Fei-fei1,JI Hui-bin2
(1.School of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China；2.Beijing New Oriental Star Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)

Site selection is a primary issue in the construction of underground water-sealed caverns for storaging energy resources,and in particular,the evaluation of site's geological adaptability is crucial.In this paper,a quantitative evaluation model for the geological adaptability of preselected sites is presented according to the energy watersealed principle.Experiences and lessons from several underground water-sealed caverns were taken as reference. The principles of selecting evaluation objectives and indexes were expounded at first；subsequently,an evaluation system consisting of 9 secondary indexes in terms of regional stability,rock mass stability and sealing of water pressure was established；then each secondary index was scored by the method of point rating,and the weight of each first-grade index was determined through fuzzy analytic hierarchy process；finally,the evaluation model was built by combining product of related secondary indexes and weighted sum of the first grade indexes,and the evaluation model was programmed through Visual Basic software platform.To verify the evaluation model,an underground water-sealed oil storage cavern in Huangdao,Shandong province was taken as an example.The results show that the model has high feasibility and reliability.It is in accordance with the data of preliminary feasibility study and could be referenced for related projects.

underground water-sealed caverns；energy resources storage；site selection；geological adaptability；evaluation model；evaluation index

P642；TE88

A

1001-5485(2015)11-0071-07

10.11988/ckyyb.20140429

2014-05-26；

2014-06-19

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB710605)；北京市科学技术委员会重点资助项目(20090102-2796)

曹洋兵(1987-),男,江西九江人,博士,主要研究方向为岩体稳定性评价与灾害防治,(电话)027-67883124(电子信箱)cybing1140504@163.com。